Techno-Economic Assessment of Two Process Concepts for Hydrogenation of CO2 to Methanol

Abstract

Klimaendringer er forårsaket av blant utslipp av klimagasser, som inkluderer CO2. Klimaendringene kan ha påvirkning på matsikkerheten og drikkevannskilder. I følge Paris-avtalen, er det ønskelig å redusere temperaturøkningen på jorda, og som et ledd i dette, er det viktig å redusere utslippet av CO2.

I dag produsere metanol hovedsakelig fra fossile kilder og brukes i all hovedsak som et kjemisk mellomprodukt og løsemiddel i industrien. Det er mulig å produsere metanol fra biomasse eller fanget CO2 og grønn hydrogen. Dette er et mer miljøvennlig alternativ. I tillegg til bruksområdene som er nevnt tidligere, kan metanol også være aktuelt å bruke til energilagring og som drivstoff.

Denne oppgaven er en teknisk-økonomisk vurdering av to forskjellige prosesskonsepter for hydrogenering av CO2 til metanol. Hovedforskjellen på de to konseptene er at konsept 1 har en rektor, mens konsept 2 har tre reaktorer. I konsept 2, blir råmetanol separert ut mellom reaktorene. Hydrogenet som brukes i metanolsyntesen er fra vannelektrolyse, mens CO2 er fanget fra lufta med DAC. Strømforsyningen i prosjektet antas å være fra vindkraft. Begge konseptene ble simulert i Aspen HYSYS V14.

Simuleringene ga metanolproduksjon på 11.22 tonn/t og 11.25 tonn/t, henholdsvis, for ett-stegsprosessen og tre-stegsprosessen.

Den totale investering er 70.16 millioner USD for ett-stegskonseptet og 70.36 millioner USD for tre-stegskonseptet. Ett-stegsprosessen har årlige driftskostnader på 216.52 millioner USD, mens tre-stegsprosessen har årlige kostnader på 209.33 millioner USD. Nettonåverdiene er -68.13 millioner USD og -8.26 millioner USD for ett-stegskonsepetet og tre-stegskonseptet. Basert på disse nettonåverdiene, er ikke konseptene økonomisk lønnsomme.

Climate change is caused by, among other things, greenhouse gases (GHG), including e.g. CO2. Climate change can harm food safety and drinking water supplies. The Paris Agreement states that limiting the temperature rise on earth is a goal, and reducing the emissions of CO2 is essential.

Today, methanol is mainly produced from fossil sources and is used as an intermediate and solvent in industry. Methanol can be produced from biomass or captured CO2, and green hydrogen is a more sustainable alternative. In addition to industrial use, other areas for application for methanol could be energy storage and fuel.

This project is a techno-economic assessment of two different process concepts for hydrogenation of CO2 to methanol. The main difference between the concepts is that concept 1 has one reactor, while concept 2 has three. In the second concept, the crude methanol is separated out between the reactors. The hydrogen used for the methanol synthesis is from water electrolysis, the CO2 is from direct air capture (DAC), and the power supply is from wind. Both concepts were simulated in Aspen HYSYS V14.

The simulations produced 11.22 tonnes/h and 11.25 tonnes/h for the one-stage and three-stage concepts, with the desired methanol purity of 99.85 %.

The total investment cost for the one-stage process was 70.16 million USD, while the total investment was 70.36 million USD for the three-stage concept. The one-stage and three-stage concepts’ annual operating expenses were 216.52 million USD and 209.33 million USD, respectively. The NPV was -68.13 million USD for the one-stage concept and -8.26 million USD for the three-stage concept. Based on these NPVs, the concepts are not economically viable.