Προκαταρκτικός σχεδιασμός και τεχνοοικονομική ανάλυση παραγωγής μεθανόλης με παράλληλη αξιοποίηση CO2 μέσω διεργασιών πλάσματος

Στεργίου, Κωνσταντίνος; Stergiou, Konstantinos

dc.contributor.author	Στεργίου, Κωνσταντίνος	el
dc.contributor.author	Stergiou, Konstantinos	en
dc.date.accessioned	2024-01-16T11:19:37Z
dc.date.available	2024-01-16T11:19:37Z
dc.identifier.uri	https://dspace.lib.ntua.gr/xmlui/handle/123456789/58586
dc.identifier.uri	http://dx.doi.org/10.26240/heal.ntua.26282
dc.rights	Αναφορά Δημιουργού-Μη Εμπορική Χρήση-Όχι Παράγωγα Έργα 3.0 Ελλάδα	*
dc.rights.uri	http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/3.0/gr/	*
dc.subject	Μεθανόλη	el
dc.subject	Υδρογόνωση CO2	el
dc.subject	Διεργασίες πλάσματος	el
dc.subject	Σχεδιασμός διεργασιών	el
dc.subject	Τεχνοοικονομική ανάλυση	el
dc.subject	CO2 hydrogenation	el
dc.subject	Methanol	en
dc.subject	CO2 hydrogenation	en
dc.subject	Process Design	en
dc.subject	Plasma assisted processes	en
dc.subject	Techno-economic analysis	en
dc.title	Προκαταρκτικός σχεδιασμός και τεχνοοικονομική ανάλυση παραγωγής μεθανόλης με παράλληλη αξιοποίηση CO2 μέσω διεργασιών πλάσματος	el
heal.type	bachelorThesis
heal.classification	Chemical Processes Engineering	en
heal.language	el
heal.access	free
heal.recordProvider	ntua	el
heal.publicationDate	2023-06-16
heal.abstract	Για την τήρηση των βραχυπρόθεσμων και μακροπρόθεσμων στόχων για τον περιορισμό της κλιματικής αλλαγής είναι απαραίτητος ο μετριασμός των εκπομπών του διοξειδίου του άνθρακα, ειδικότερα στον τομέα της ενέργειας και των βιομηχανικών διεργασιών. Σήμερα, οι μέθοδοι παραγωγής μεθανόλης περιλαμβάνουν συμβατικές θερμοκαταλυτικές διεργασίες που αξιοποιούν ορυκτά καύσιμα ως πρώτες ύλες και για την κάλυψη των ενεργειακών τους απαιτήσεων. Προκειμένου να καταστεί δυνατή η μετάβαση σε μία βιώσιμη οικονομία που θα στηρίζεται στην ανανεώσιμη ενέργεια, απαιτείται όλο και περισσότερο η αντικατάσταση των συμβατικών μονοπατιών με εξηλεκτρισμένες διεργασίες, καθώς και η χρήση CO2 ως πρώτη ύλη, σύμφωνα με την στρατηγική δέσμευσης και αξιοποίησης άνθρακα (Carbon capture and utilization, CCU). Στην εργασία αυτή πραγματοποιείται προκαταρκτικός σχεδιασμός διεργασίας σύνθεσης μεθανόλης 2 σταδίων, από υδρογόνωση του CO2 μέσω της αντίστροφης αντίδρασης μετάθεσης υδραερίου (Reverse water gas shift, RWGS). Συνολικά εξετάστηκαν 3 διαφορετικές διεργασίες, οι οποίες διαφοροποιούνται κυρίως στο στάδιο της RWGS: 1) συμβατικός θερμοκαταλυτικός αντιδραστήρας, 2) αντιδραστήρας πλάσματος συνεχούς ρεύματος (DC) και 3) αντιδραστήρας πλάσματος μικροκυμάτων (MW). Η παραπάνω διαφοροποίηση επηρεάζει τη γραμμομοριακή μετατροπή του CO2 σε CO, από 61% για τον συμβατικό αντιδραστήρα σε 89.6% και 85%, για τους αντιδραστήρες πλάσματος DC και μικροκυμάτων, αντίστοιχα. Κατά συνέπεια, η απόδοση σε παραγωγή μεθανόλης αυξάνεται από 17% για τον συμβατικό αντιδραστήρα σε 27% και 25%, αντίστοιχα. Οι μετατροπές αυτές, καθώς και οι συνθήκες λειτουργίας των αντιδραστήρων, ορίστηκαν από προηγούμενες μελέτες και εισάγονται ως μεταβλητές σχεδιασμού στο Aspen Plus V11, ενώ θεωρείται σταθερή παραγωγικότητα μεθανόλης 100 kton/y, καθαρότητας τουλάχιστον 99.5%. Μετά από τη βελτιστοποίηση και των τριών διεργασιών, πραγματοποιείται ενεργειακή ολοκλήρωση, με αποτέλεσμα την μείωση των ενεργειακών απαιτήσεων σε θερμές και ψυχρές παροχές κατά: 1) 95% και 62%, 2) 100% και 41% και 3) 86% και 22%. Μέσω τεχνοοικονομικής ανάλυσης, εκτιμάται ότι τα τωρινά λειτουργικά κόστη (έτος 2022), και συγκεκριμένα το κόστος H2 από ηλεκτρόλυση νερού (6–10€/kg) και το κόστος της ανανεώσιμης ηλεκτρικής ενέργειας (110-150€/ΜWh), καθιστούν και τις τρεις διεργασίες μη βιώσιμες, με NPV από -874 μέχρι -927 Μ€ για ανάλυση σε 10 οικονομικά έτη. Ωστόσο, πραγματοποιήθηκε ανάλυση ευαισθησίας, στην οποία υιοθετήθηκαν μελλοντικές τιμές, σενάρια για 2030 και 2050: 1) για την τροφοδοσία Η2 (1.5 και 1€/kg, αντίστοιχα) και CO2 (100€/ton), 2) την ηλεκτρική ενέργεια (50 και 10€/MWh) και 3) τη μεθανόλη (800€/ton). Βρέθηκε ότι το κόστος παραγωγής της μεθανόλης μειώθηκε από 1800€/ton (έτος 2022) στα 600-750€/ton. Η παραπάνω τιμή μπορεί να ανταγωνιστεί τα συμβατικά μονοπάτια (100-450€/ton), εάν συνυπολογιστεί η αναμενόμενη αύξηση στους φόρους εκπομπής CO2. Σε νέα 20-ετή ανάλυση για το σενάριο του 2030, οι διεργασίες με τον συμβατικό αντιδραστήρα (NPV=34.4 M€, PBP=14 έτη) και το πλάσμα μικροκυμάτων (NPV=10.3M€, PBP=17 έτη) έχουν την προοπτική να γίνουν οικονομικά βιώσιμές. Τέλος, πραγματοποιείται ιεράρχηση των παραγόντων και υποδεικνύονται μελλοντικές κατευθύνσεις του έργου.	el
heal.abstract	Compliance with short- and long-term climate change targets requires the mitigation of carbon dioxide emissions, particularly in the energy and industrial sectors. Currently, the state-of-the-art processes for methanol production involve thermo-catalytic routes, which utilise fossil fuels, both as a feedstock and to meet the energy demand. The transition to a sustainable economy, based on renewable energy, requires the replacement of conventional pathways with electrified processes, along with the use of CO2 as carbon source (carbon capture and utilization strategy, CCU). In this work, conceptual process design of a 2-step methanol synthesis route is performed, starting with CO2 hydrogenation via the reverse water gas shift reaction (RWGS), as the first step. Three different processes were investigated, mainly differentiated in the RWGS step: 1) conventional thermo-catalytic reactor, 2) direct current (DC) plasma reactor and 3) microwave (ΜW) plasma reactor. The technology implemented in the RWGS step increases the CO2 to CO conversion, from 61% for the conventional reactor to 89.6% and 85% for the DC and MW reactors, respectively. Consequently, the single-pass methanol yield increases from 17% to 27% and 25%, respectively. The latter conversion values, as well as the reactor operating conditions, were determined from previous studies and are introduced as design variables in Aspen Plus V11, assuming a fixed methanol productivity of 100 kton/y, with a minimum purity of 99.5%. Heat integration is carried out after the optimization of all the three processes, reducing the energy requirements for hot and cold utilities by: 1) 95% and 62%, 2) 100% and 41%, and 3) 86% and 22%. A techno-economic assessment was performed to estimate the operating costs for the year 2022: notably the cost of H2 from water electrolysis (6-10€/kg) and the cost of renewable electricity (110-150€/MWh) render the processes economically unviable, with NPV ranging from -874 to -927 M€ for analysis over 10 years. However, considering that H2, electricity, CO2 and methanol prices will be different in the future, a scenario analysis was employed including the years 2030 and 2050: 1) for H2 (1.5 and 1€/kg for 2030 and 2050, respectively) and CO2 feed (100€/ton), 2) electricity (50 and 10€/MWh, for 2030 and 2050, respectively) and 3) methanol (800€/ton). The calculated methanol production cost drops from 1800€/ton (year 2022) to 600-750€/ton. The above price could compete with the conventional pathways (100-450 €/ton), accounting for the expected raise in CO2 emission taxes that will result in further increase of the methanol production cost and thus its price. Conducting a 20-year analysis for the 2030 scenario, it is demonstrated that the conventional (NPV=34.4M€, PBP=14 years) and MW plasma (NPV=10.3M€, PBP=17 years) processes have the potential to become economically viable.	en
heal.advisorName	Στεφανίδης, Γεώργιος	el
heal.advisorName	Stefanidis, Georgios	en
heal.committeeMemberName	Καβουσανάκης, Μιχάλης	el
heal.committeeMemberName	Παυλάτου, Ευαγγελία	el
heal.academicPublisher	Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο. Σχολή Χημικών Μηχανικών. Τομέας Ανάλυσης, Σχεδιασμού και Ανάπτυξης Διεργασιών και Συστημάτων (ΙΙ)	el
heal.academicPublisherID	ntua
heal.numberOfPages	104 σ.	el
heal.fullTextAvailability	false