Techno-economic assessment of CCUS from steel plant off-gases

The present master thesis aims to assess via techno-economic metrics the deployment of CCUS at an integrated steel mill to produce methanol from H2 and CO2 as raw materials, both captured from the steel plant off-gases with the Sorption Enhanced Water-Gas Shift (SEWGS) technology. Several cases are evaluated, different in flow and composition of the feed gases, and configurations with and without the presence of an electrolyser or the carbon storage to manage the CO2 excess are analysed and compared. Process flow modelling, performed with Aspen Plus, is used to estimate and optimize the plant operational performances, and to compute the final mass and energy flows. The heat integration instead is carried out on the Aspen Energy Analyzer platform. The obtained economic results suggest that the project is economically viable for the cases in which the feed is energy dense, hence characterised by low inert content and a H2 amount close to the stochiometric one. In the best case analysed, a methanol production of 1184 ton/day can be achieved, with a related conversion of 1634 ton/day of CO2, with the methanol price required to have an IRR=20% of about 328 €/ton. Otherwise, with a large carbon excess in the feed gas the project is not economically feasible, with the electrolyser introduction that reveals to worsen the plant economics, due to large related CAPEX and OPEX, and with the carbon storage that brings only a small improvement at the current EU-ETS value. However, the ETS allowance price is expected to keep increasing in the next years, and it can lead to the project economic feasibility if it will reach the price of 42 €/ton of CO2; in this case, the CO2 depletion, considering both the one converted into methanol and the one stored, would reach the relevant amount of almost 9000 ton/day.

Il presente elaborato ambisce a compiere un’analisi tecno-economica di un sistema CCUS applicato a un’acciaieria, producendo metanolo da idrogeno e anidride carbonica, entrambi catturati dai gas di scarico dell’acciaieria stessa attraverso la tecnologia SEWGS (Sorption Enhanced Water-Gas Shift). Diversi casi sono considerati, i quali differiscono in portata e composizione dei gas trattati, e inoltre sono analizzati e comparati configurazioni con e senza la presenza di un elettrolizzatore o di un sistema di cattura di CO2. Lo schema di flusso è stato implementato in Aspen Plus, software attraverso cui sono state simulate e ottimizzate le varie configuarazioni, ottenendo come risultato i flussi di massa ed energia. L’integrazione del calore è stata svolta attraverso la piattaforma di Aspen Energy Analyzer. I risultati economici ottenuti suggeriscono che il progetto è fattibile economicamente per i casi caratterizzati che sviluppano in ingresso un flusso dal basso contenuto di gas inerti e con un contenuto di idrogeno vicino a quello stochiometrico. Il miglior caso che è stato valutato mostra una produzione di metanolo pari a 1184 ton/giorno, a cui si associa una conversione di CO2 di 1634 ton/giorno, con un prezzo del metanolo richiesto per avere un IRR del 20% pari a 328 €/ton. Con un grande eccesso di CO2 in ingresso al sistema, invece, il progetto non è economicamente vantaggioso; l’introduzione dell’elettrolizzatore peggiora l’economia del sistema, a causa degli alti costi di investimento e operazione associati, mentre lo stoccaggio della CO2 porta un vantaggio economico estremamente limitato all’attuale valore degli EU-ETS. Tuttavia, è previsto nei prossimi anni un continuo aumento del valore associato agli ETS, e questo può migliorare notevolmente i risultati economici, fino a renderlo profittevole con un IRR del 20% con un valore dell’ETS di 42 €/ton of CO2; In questa condizione, si potrebbe ottenere un abbattimento della CO2, considerando sia quella convertita in metanolo sia quella stoccata, pari alla notevole quantità di circa 9000 tonnellate al giorno.