As society grapples with challenges of net zero emission, one big remaining challenge is heavy and aviation traffic due to the associated challenge of electrifying these sectors. One potential solution for this is E-fuels. E-fuels are hydrocarbon produced from electrolysis hydrogen and carbon dioxide that receive all their energy from renewable non-organic sources. The simplest E-fuel is methanol. Currently methanol is mainly produced from syngas derived from natural gas reforming also known as steam-methane reforming (SMR). A SMR process break down methane into hydrogen, CO2, and CO with the uses of steam. This syngas is then hydrogenated and forms methanol. One alternative production route to the classic syngas hydrogenation is to capture CO2 and add electrolysis hydrogen and then hydrogenate the mixture to from E-methanol. This thesis aims to compare the traditional production method with joint SMR-flue gas CO2 hydrogenation plant as well as a direct air capture (DAC) CO2 hydrogenation plant. This comparison will be evaluated by their engineering performance, economic performance, and environmental performance. This evaluation is done with process simulations in Chemcad as well as Excel. In Chemcad the desulfurization step, SMR, carbon capture, and distillation is simulated. The hydrogenation reactors are simulated in Excel with kinetic data. This process data in the foundation of the engineering performance and is used to determine hydrogen and carbon utilization along with energy and water demand. For the economic evaluation CAPEX is calculated from prices of related units adjusted for size and inflation. The OPEX is based on simulation data and modelled in Excel along with net present value (NPV). The environmental performance focuses on global warming potential as well as fossil resources depletion (FD). The DAC system has both the highest hydrogen and carbon utilization at 98% and 96,9% respectively but suffer from the highest energy and water demand. Both flue gas method and syngas method have similar hydrogen utilization at around 83,5%, but they differ significantly with carbon utilization with 87,2% and 64,7 respectively. The syngas method has the highest net profit per ton methanol along with the highest NPV and the lowest CAPEX cost out of all three methods. The flue gas method still produces a net profit, but significantly lower than the syngas method. Its CAPEX is also significantly higher than its NPV. The DAC system as negative net profit as well as the highest CAPEX by a wide margin. The environmental impact of the flue gas system is significantly lower than that of the syngas route with less than a fourth of the CO2 eq. emissions. It also has a lower FD due to its higher carbon utilization which results in a higher yield methanol per ton natural gas. Whilst the flue gas hydrogenation has several advantages over the syngas route and the economic improvements with better optimization for the carbon capture units would bring the net profit per ton methanol more in line with the syngas route, as of today it still is not economically defensible. / När samhället kämpar med utmaningarna kring nettonollutsläpp, kvarstår en stor utmaning inom tung- och flygtrafik på grund av den associerade svårigheten med att elektrifiera dessa sektorer. En potentiell lösning för detta är E-bränslen. E-bränslen är kolväten producerade från elektrolysväte och koldioxid som får all sin energi från förnybara icke-organiska källor. Den enklaste E-bränslen är metanol. För närvarande produceras metanol främst från syntes gas som kommer från naturgasreformering, även känd som ångmetanreformering (SMR). En SMR-process bryter ner metan till väte, CO2 och CO med hjälp av ånga. Denna syntes gas får sedan genomgå hydrering för att bilda metanol. Ett alternativa till denna produktionsmetod är att fånga CO2 och tillsätta elektrolysväte och sedan låta blandningen hydrera för att bilda E-metanol. Detta examensarbete syftar till att jämföra den traditionella produktionsmetoden med en gemensam SMR-rökgas-CO2-hydreringanläggning samt en direkt luftinfångning (DAC) CO2-hydreringanläggning. Denna jämförelse kommer att utvärderas utifrån deras tekniska prestanda, ekonomiska prestanda och miljöprestanda. Denna utvärdering görs med processimuleringar i Chemcad samt Excel. I Chemcad simuleras avsvavlingssteget, SMR, koldioxidsinfångning och destillation. Hydreringsreaktorerna simuleras i Excel med kinetiska data. Processdata från dessa simuleringar utgör grunden för den tekniska prestandan och används för att bestämma väte- och kolutnyttjande tillsammans med energi- och vattenbehov. För den ekonomiska utvärderingen beräknas CAPEX från priser på relaterade enheter justerade för storlek och inflation. OPEX baseras på simuleringsdata och modelleras i Excel tillsammans med nettonuvärde (NPV). Miljöprestandan fokuserar på den globala uppvärmningspotentialen samt utarmningen av fossila resurser (FD). DAC-systemet har både den högsta väte- och kolutnyttjande på 98 % respektive 96,9 %, men lider av det högsta energi- och vattenbehovet. Både rökgasmetoden och syntesgasmetoden har liknande väteutnyttjande på cirka 83,5 %, men de skiljer sig betydligt när det gäller kolutnyttjande med 87,2 % respektive 64,7 %. Syntesgasmetoden har den högsta nettoförtjänsten per ton metanol samt det högsta NPV och den lägsta CAPEX-kostnaden av alla tre metoder. Rökgasmetoden ger fortfarande en nettoförtjänst, men betydligt lägre än syntesgasmetoden. Dess CAPEX är också betydligt högre än dess NPV. DAC-systemet har negativ nettoförtjänst samt den högsta CAPEX med en bred marginal. Miljöpåverkan från rökgassystemet är betydligt lägre än den från syntes gas metoden med mindre än en fjärdedel av CO2-ekvivalenta utsläpp. Det har också en lägre FD på grund av sitt högre kolutnyttjande vilket resulterar i ett högre utbyte av metanol per ton naturgas. Trots att rökgashydrering har flera fördelar över syntesgasvägen och de ekonomiska förbättringarna med bättre optimering för koldioxidavskiljningsenheterna som skulle få nettoförtjänsten per ton metanol mer i linje med syntesgasvägen, är metoden fortfarande inte ekonomiskt försvarbart i dagsläget.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:UPSALLA1/oai:DiVA.org:kau-100730 |
| Date | January 2024 |
| Creators | Sörensson, Oskar |
| Publisher | Karlstads universitet, Institutionen för ingenjörs- och kemivetenskaper (from 2013) |
| Source Sets | DiVA Archive at Upsalla University |
| Language | English |
| Detected Language | Swedish |
| Type | Student thesis, info:eu-repo/semantics/bachelorThesis, text |
| Format | application/pdf |
| Rights | info:eu-repo/semantics/openAccess |
Page generated in 0.003 seconds