Economic analyses of CO2 utilisation as an option for decarbonisation of industrial sector

Climate change is one of the most important environmental issues of the twenty-first century. In particular, global warming is now recognized as being based significantly on the excess of greenhouse gases in the atmosphere. As a consequence, it is always more evident the need to undertake actions for the mitigation of carbon dioxide emissions. In this context, a CO2 capture and utilisation (CCU) system can represent a valid alternative to the capture and storage of CO2 (CCS) in the industrial sector, which, indeed, involves processes with an intrinsic production of CO2. This thesis has the purpose to study, from both an environmental and an economic point of view, a CCU technology that produces methanol starting from CO2 and H2, which is produced through electrolysis. Its potential is discussed in relation to an alternative that does not include any mitigation action and to a system that considers carbon capture and storage of CO2. The scenarios analysed are seven, one of which combines CO2 utilisation and storage (CCUS), while four of them refer exclusively to CO2 utilisation, differing for the electric energy source (national grid and/or wind farm) used to power the electrolyser, considering also the introduction of storage. Each scenario is further subdivided in two cases that differ for the sector in which methanol is used: chemical industry or mobility. Moreover, since the study aims at evaluating if the performance of a CCU system is linked also to its location, the model is implemented in both Italy and Germany, which are characterized by different windy conditions, power mix of the grid and electricity market. Results obtained through the add-in “Solver” of Microsoft Excel highlight that, from an environmental perspective, the best solutions in chemical industry sector are represented by CCU scenarios that use exclusively or partially the wind farm to power the electrolyser, while in the mobility sector the CCS scenario combined with battery electric vehicles results to be the best choice. On the other hand, CCU scenarios are more expensive than CCS ones, since they use not mature and so capital-intensive technologies: even considering the most economical CCU solution it costs more than CCS. These considerations are valid for both Italian and German case, and, comparing the results of the two countries, it is evident that CCU mitigation potential is higher in Italy thanks to a lower grid emission factor, while total costs of scenarios are less in Germany due to a lower electricity price. In conclusion, in order to make CCU scenarios competitive in economic terms, it is necessary to have a decrease of electrolyser and of wind farm capital costs and an increase of electrolyser efficiency.

Il cambiamento climatico è uno dei maggiori problemi ambientali del ventunesimo secolo. In particolare, il riscaldamento globale viene attribuito principalmente all'eccesso di gas serra in atmosfera. Di conseguenza, è sempre più evidente la necessità di intraprendere delle azioni per la mitigazione delle emissioni di anidride carbonica. In questo contesto, un sistema di cattura e utilizzo della CO2 (CCU) può rappresentare una valida alternativa alla cattura e stoccaggio (CCS) nel settore industriale, che, infatti, coinvolge processi che per loro natura presentano una produzione di CO2 intrinseca. Questa tesi ha l’obiettivo di studiare, sia da un punto di vista economico che delle emissioni, una tecnologia CCU che produce metanolo da CO2 e H2, prodotto tramite elettrolisi. La sua potenzialità viene discussa in relazione ad un’alternativa che non prevede alcuna azione mitigante e ad un sistema che, invece, considera la cattura e lo stoccaggio di CO2. In totale gli scenari analizzati sono sette, di cui uno combina utilizzo e stoccaggio di CO2 (CCUS), mentre quattro fanno riferimento al solo utilizzo di CO2, differenziandosi per la sorgente di energia elettrica (rete nazionale e/o parco eolico) usata per alimentare l’elettrolizzatore nella produzione di idrogeno, incorporando anche sistemi di accumulo. Ogni scenario è ulteriormente suddiviso in due casi che differiscono per il settore in cui il metanolo viene adoperato: settore dell’industria chimica o dei trasporti. Inoltre, dal momento che si vuole valutare se la convenienza di un sistema CCU può essere legata anche alla sua ubicazione, lo studio viene effettuato sia in Italia sia in Germania, essendo esse caratterizzate da differenti ventosità, parchi e mercati elettrici. I risultati ottenuti tramite il componente aggiuntivo “Risolutore” di Microsoft Excel evidenziano che, da un punto di vista delle emissioni di CO2 in atmosfera, la migliore soluzione nel campo dell’industria chimica è rappresentata dagli scenari CCU che utilizzano esclusivamente o parzialmente il parco eolico per alimentare l’elettrolizzatore, mentre nel settore trasporti lo scenario CCS combinato con macchine elettriche risulta essere la scelta più adatta. D’altra parte, gli scenari CCU sono più costosi di quelli CCS, dal momento che utilizzano tecnologie non ancora mature e di conseguenza con alti costi d’investimento: anche considerando la soluzione CCU più economica, si hanno dei costi di sistema più elevati rispetto al CCS. Queste osservazioni sono valide sia per il caso italiano che per quello tedesco, e, da un confronto tra i due paesi, si evince che l’effetto mitigante del CCU è più evidente in Italia grazie ad un fattore di emissione della rete nazionale più basso, mentre i costi totali degli scenari sono minori in Germania grazie ad un prezzo dell’elettricità più conveniente. In conclusione, per rendere gli scenari CCU competitivi in termini economici, è necessario avere una riduzione dei costi capitali dell’elettrolizzatore e del parco eolico e un aumento dell’efficienza dell’elettrolizzatore.