Production of Methanol from Intermittent Off-grid Renewable Energy: Energy Storage Technologies

Abstract

Å stoppe økende utslipp som forårsaker klimaendringer er tidskritsk. Dette fører derfor til behovet for lavkarbon- og fornybare alternativer. Denne master oppgaven fokuserer på utnyttelse av fornybar energi, spesifikt vindkraft, sammen med energilagring og en fleksibel metanol reaktor for produksjon av e-metanol utenfor strømnettet. Målet er å tilby en bærekraftig drivstoffløsning for skipsindustrien, som i dag bidrar betydelig til utslipp. Oppgaven utforsker energilagring som en metode for å håndtere utfordringer med varierende energiforsyning på grunn av vekslende vindhastigheter. Det er utviklet en modell for å optimalisere endringer i uttaket fra energi lageret, og for å minimere lager størrelsen. Forskjellige energilagringsteknologier for langsiktig bruk uten tilknytning til strømnettet blir analysert og sammenlignet med tanke på blant annet kapitalkostnader og lagringsstørrelser. Hydrogen- og karbondioksidproduksjonsmetoder blir også undersøkt, der PEM og DAC er valgt som foretrukne alternativer.

Modellen er basert på vinddata fra Chile, levert av Equinor, og identifiserer ulike muligheter for energilagringsstørrelse og endringer i energiuttak. Modelleringen resulterte i 20 GWh og 5.3 energiuttak per måned som den minimale løsningen, men behovet for videre utvikling understrekes for å oppnå mer presise estimater. Energiutslipp og gjenvinning av metanol blir foreslått som potensielle løsninger.

Analysen av litteraturen og beregningene viser at det ikke finnes en enkelt energilagringsteknologi som oppfyller alle ønskede egenskaper for applikasjoner frakoblet strømnettet. Det må tas hensyn til ulike faktorerer opp mot hverandre, men lovende alternativer inkluderer PSH, komprimert hydrogen og flytende hydrogen. Nye og aktivt studerte teknologier som TES og GES viser også potensial. Imidlertid erkjennes begrensninger og usikkerheter i evalueringsprosessen, inkludert mangelen på omfattende informasjon om energilagringsteknologier og de innebygde antakelsene og usikkerhetene i oppgaven.

Alt i alt gir denne master oppgaven verdifulle innsikter i valg og optimalisering av energilagringssystemer for avsidesliggende områder. Det understrekes behovet for ytterligere forskning og utvikling for å håndtere identifiserte begrensninger og usikkerheter. Oppgaven poengterer også betydningen av kontinuerlig forbedring av energilagringsteknologier for å gjøre dem mer levedyktige og kostnadseffektive.

Increasing emissions causing climate change is an urgent matter, resulting in the need for low-carbon and renewable alternatives. This thesis focuses on using off-grid renewable energy, specifically wind power, coupled with energy storage and a load-flexible methanol reactor for e-methanol production. The aim is to provide a sustainable fuel solution for the shipping industry, which contributes significantly to emissions today. The thesis explores energy storage as a means to address intermittent energy supply issues caused by fluctuating wind speeds. A model is developed to optimize energy outtake changes and minimize the storage size. Various long-duration, off-grid energy storage technologies are reviewed and compared, considering capital costs and storage sizes. Hydrogen and carbon-dioxide production methods are also investigated, with PEM and DAC selected as the preferred options.

The model is based on wind data from Chile provided by Equinor and identifies different possibilities for energy storage size and output changes. Modeling resulted in 20 GWh and 5.3 energy outtakes per month as the minimized option, but further development is emphasized to achieve more precise estimates. Energy dumping and methanol recycling are proposed as potential solutions.

The review of literature and calculations demonstrate the absence of a single energy storage technology that fulfills all desired properties for off-grid applications. Trade-offs must be considered, with promising options including PSH, compressed hydrogen, and liquid hydrogen. Emerging technologies such as TES and GES also show potential. However, limitations and uncertainties in the evaluation process are acknowledged, including the lack of comprehensive information on energy storage technologies and the inherent assumptions and uncertainties in the thesis.

Overall, this thesis provides valuable insights into selecting and optimizing energy storage systems for remote locations, highlighting the need for further research and development to address identified limitations and uncertainties. The thesis also emphasizes the importance of continuous improvement in energy storage technologies to make them more feasible and cost-effective for off-grid applications.