Renewable methanol production from biogas : process design and techno-economic analysis

This work thesis concerns the production of methanol through the reforming of biogas with the generation of syngas and the subsequent synthesis of methanol. The aim of the study regards the evaluation of the technical feasibility of the process in terms of synthesis conditions using a non-fossil feedstock. Two different plant solutions are proposed to maximize methanol production, whose simulation and design is carried out using AspenPlus software. Once the entire plant scheme is defined, an economic analysis for both alternatives is performed in order to assess the methanol production cost and the economic feasibility. The steam reforming reaction is selected to convert the biogas into syngas, which requires a specific amount of added steam but it allows to avoid the problems related to carbon deposition typical of dry reforming. To reach the optimal synthesis conditions at the inlet of the MeOH production reactor, corresponding to a stoichiometric module at least equal to 2 and CO2 molar fraction between 2% and 8%, two different plant solutions have been analyzed. In the first case a CO2 removal step is inserted through an MDEA scrubber upstream the reforming section, while in the second case H2 produced by water electrolysis is added to the flow entering the methanol synthesis reactor. A Cu-Zn-Al catalyst (Haldor Topsoe MK 101) loaded in an isothermal reactor has been chosen for the methanol synthesis. Downstream of the synthesis reactor, two separation steps and a distillation column are designated to obtain high purity methanol (99.5%mol). Considering the optimal operating conditions, the plant with CO2 removal shows a plant primary energy conversion efficiency of 58.76%, and a carbon conversion efficiency of 46.50%, while in case of H2 addition plant primary energy conversion efficiency is 56.02%, and carbon conversion efficiency is 65.85%. The entire system waste heat is used to produce electricity and to cover the AD thermal requests, while the residual heat is released into the environment through cooling towers. Electric power for both configurations is not sufficient to cover the electrical consumption of the plant. The economic analysis evaluates CAPEX and OPEX for both the plant layouts in order to determine the operating points with the minimum methanol production costs, which are 0.618 €/kgMeOH (H2 addition) and 0.491 €/kgMeOH (CO2 removal). These values are higher than the current methanol market price: incentives are necessary, so the cost of CO2 avoided for both cases is calculated.

L’elaborato di tesi riguarda la produzione di metanolo attraverso il reforming del biogas con produzione di syngas e la successiva sintesi del metanolo. Lo scopo dello studio concerne la valutazione della fattibilità tecnica del processo in termini di condizioni di sintesi utilizzando una materia prima non fossile. Due diverse soluzioni impiantistiche sono proposte per massimizzare la produzione di metanolo, la cui simulazione e progettazione è realizzata utilizzando il software AspenPlus. Una volta definito l'intero schema di impianto, un'analisi economica viene eseguita per entrambe le alternative al fine di valutare il costo di produzione del metanolo e la fattibilità economica. La reazione di steam reforming è selezionata per convertire il biogas in syngas, la quale richiede una quantità specifica di vapore aggiunto ma permette di evitare i problemi legati alla carbon deposition tipici del dry reforming. Al fine di raggiungere le condizioni ottimali di sintesi all'ingresso del reattore di produzione del MeOH, corrispondenti ad un modulo stechiometrico almeno pari a 2 ed una frazione molare di CO_2 compresa tra il 2% e l'8%, due diverse soluzioni impiantistiche sono state analizzate. Nel primo caso viene inserito uno step di rimozione della CO_2 attraverso uno scrubber a MDEA a monte della sezione di reforming, mentre nel secondo caso viene aggiunto H_2 prodotto da elettrolisi dell’acqua al flusso in ingresso al reattore di sintesi del metanolo. Per la sintesi del metanolo è stato scelto un catalizzatore Cu-Zn-Al (Haldor Topsoe MK 101) posizionato in un reattore isotermico. A valle del reattore di sintesi, due step di separazione e una colonna di distillazione sono designati per ottenere metanolo ad elevata purezza (99.5%mol). Considerando le condizioni operative ottimali, l’impianto con rimozione di CO_2 mostra un’efficienza di impianto plant primary energy conversion efficiency del 58.76% e un’efficienza di conversione del carbonio carbon conversion efficiency del 46.50%, mentre nel caso di aggiunta di H_2 plant primary energy conversion efficiency è pari al 56.02% e carbon conversion efficiency è 65.85%. Il calore in eccesso dell’intero sistema viene utilizzato per produrre elettricità e per coprire le richieste termiche dei AD, mentre il calore residuo viene rilasciato in ambiente attraverso torri di raffreddamento. L'energia elettrica per entrambe le configurazioni non è sufficiente a coprire i consumi elettrici dell'impianto. L'analisi economica valuta il CAPEX e OPEX di entrambi i layout impiantistici al fine di determinare i punti operativi con i minimi costi di produzione del metanolo, che sono 0.618 €/kg_MeOH (aggiunta di H_2) e 0.491 €/kg_MeOH (rimozione di CO_2). Questi valori sono superiori all'attuale prezzo di mercato del metanolo: degli incentivi sono necessari, per cui il costo della CO_2 evitata per entrambi i casi è calcolato.