Techno-economic analysis of fully electrified Fischer-Tropsch fuel production from CO2 hydrogenation

This work is carried out in the context of Power to Liquids (PtL) processes and deals with the design and simulation of a CO2 hydrogenation to syn-fuel via Fischer-Tropsch synthesis using the Aspen Plus® software. With the perspective of massive installation in renewable electricity plants, the issue of electric storage comes as a matter of fact. A possible solution is to store electric energy into the chemical energy of hydrogen via water electrolysis. In Chapter 1 it is explained how hydrogen can be a gamechanger in the transportation sector, being a brick in the formation of synthetic fuels via Fischer-Tropsch reaction. Hydrogen can be stored in a chemical form that fixes CO2 in useful products, such as jetfuel. Indeed, the second brick to obtain electric-fuels (e-fuels) is carbon dioxide which, after being hydrogenated, become carbon monoxide. A mixture of hydrogen and CO with H2/CO ratio equal to 2.2 is the ideal mixture of reactants for a Fischer-Tropsch reactor which is going to process them to a wide range of hydrocarbons, producing syn-crude which can be distilled to naphtha, jetfuel and diesel fuel. The scope of This Work is to model a CO2 hydrogenation to e-fuels via Fischer-Tropsch process on the base of the work proposed by Zang et al. [3]. In their paper, a model is proposed and tackles the issue of formation of light paraffines by installing, in the plant, a power block which heat requirement is satisfied by burning the offgas composed of paraffines going from methane to pentane. The scope of This Work is to replicate the model from the reference literature and then face the issue of the light paraffines formation in an alternative way. Instead of burning the offgas produced in the Fischer-Tropsch reactor, this undesired by-product is subjected to steam reforming to syngas which is going to be recycled to the inlet of the plant. In order to be able to make a precise design, in Chapter 2 some information on how a Fischer-Tropsch reactor works are described. It gives an idea of how to model the reactor based on the statistical method Anderson-Schulz-Flory ASF. The first paragraph of Chapter 3 describes the technical results obtained by Zang et al. [3]. In this paragraph a first simplified description of the plant, named “base case” is presented and commented critically. In Paragraph 3.2, “case 1” is developed. This latter is the replication model of the work by Zang et al. [3] and it is modelled, personally, on @AspenPlus. The design comes out from intuitions based on base case descriptions and information provided by the document of Zang et al. [3]. Once replicated, it is possible to add further comments on the validity of the results of base case and suggest possible improvements. In paragraph 3.3 an alternative configuration of the scheme, by far analyzed, is proposed. Chapter 4 treats the core of the scope of This Work which is a variation on case 1, named “case 3”. In the first paragraph, it is explained how to substitute the Power Generation Block present in the work of Zang et al. [3] with an electrified Methane Steam Reforming Area. It is explained how to model the new components and the impact in the overall plant scheme. The simulation results and a comparison of the Key Performance Indicators KPIs of case 1 and case 3 are reported. Paragraph 4.2 deepens on the effect of methane formation in the Fischer-Tropsch product distribution on the final syn-crude products. A technical sensitivity analysis is performed by varying the amount of methane present at the outlet of the FT reactors in the modelled plant. Chapter 5 describes the economic results in the analysis of case 3. Investing in a new kind of process has an impact on the Minimum Fuel Selling Price of the products obtained and it is interesting to compare the economic convenience of case 3 over case 1. Chapter 6 concludes the Work with a general description of the results and highlighting critical points of the model on the economic perspective. It is evident from the results that the current study has a positive outcome and that it is proven that using the offgas produced from the FT reactions in a steam reforming area, rather than in a Power Block, has both technical and economic advantages.

Questo lavoro viene svolto nell'ambito dei processi Power To Liquids (Ptl) e si occupa della progettazione e simulazione di un impianto di idrogenazione di CO2 per formazione di combustibili sintetici tramite il processo Fischer-Tropsch, simulando con il software @AspenPlus. Con la prospettiva di una massiccia installazione in impianti di energia elettrica rinnovabile, la questione dello stoccaggio elettrico è di primaria importanza. Una possibile soluzione è quella di immagazzinare energia elettrica nell'energia chimica dell'idrogeno tramite elettrolisi dell'acqua. Nel Capitolo 1 viene spiegato come l'idrogeno possa essere un elemento rivoluzionario nel settore dei trasporti, essendo uno degli elementi fondamentali nella formazione di combustibili sintetici attraverso la reazione di Fischer-Tropsch. L'idrogeno può essere immagazzinato in una forma chimica che fissa la CO2 in prodotti utili, come kerosene e diesel. Di fatto, il secondo elemento fondamentale per ottenere i combustibili sintetici (e-fuels) è l’anidride carbonica che, dopo essere idrogenata, diventa monossido di carbonio. Una miscela di idrogeno e CO con rapporto H2/CO pari a 2.2 è la miscela ideale di reagenti per un reattore di Fischer-Tropsch che li trasformerà in una vasta gamma di idrocarburi, producendo greggio sintetico che può essere distillato in nafta, jetfuel e diesel. Lo scopo di questo lavoro è di modellare un impianto di idrogenazione di CO2 a combustibili sintetici mediante il processo Fischer-Tropsch sulla base del lavoro proposto da Zang et al. [3]. Nel loro studio, viene proposto un modello che affronta il problema della formazione di paraffine leggere mediante l'installazione, nella centrale, di un blocco di potenza il cui fabbisogno di calore è soddisfatto bruciando i gas di scarto composti da paraffine che vanno dal metano al pentano Lo scopo del lavoro è quello di replicare il modello dalla letteratura di riferimento e quindi affrontare la questione della formazione di paraffine leggere in modo alternativo. Invece di bruciare i gas di scarto prodotti nel reattore Fischer-Tropsch, è possibile sottoporli a reforming per trasformali in syngas che verrà riciclato all'ingresso dell'impianto. Per essere in grado di fare un modello preciso, nel Capitolo 2 vengono descritte alcune nozioni su come funziona un reattore Fischer-Tropsch. Questo capitolo dà un'idea di come modellare il reattore basato sul metodo statistico Anderson-Schulz-Flory ASF. Il primo paragrafo del capitolo 3 descrive i risultati tecnici ottenuti da Zang et al. [3]. In questo paragrafo una prima descrizione semplificata dell’impianto, nominato "caso base" è presentato e commentato criticamente. Nel paragrafo 3.2 viene sviluppato il "caso 1". Quest'ultimo è il modello di replica dell'opera di Zang et al. [3] ed è modellato, personalmente, su @AspenPlus. Il modello deriva da intuizioni basate sul caso base e informazioni fornite dal documento di Zang et al. [3]. Una volta replicati, è possibile aggiungere ulteriori commenti sulla validità dei risultati del caso base e suggerire possibili miglioramenti. Nel paragrafo 3.3 viene proposta una configurazione alternativa dello schema di impianto fin ad ora analizzato. Il capitolo 4 tratta il nucleo dello scopo di questo lavoro che è una variazione sul caso 1, chiamato "caso 3". Nel primo paragrafo, viene spiegato come sostituire il blocco di generazione di elettricità presente nel progetto di Zang et al. [3] con un'area di reforming elettrificato delle paraffine leggere . Viene spiegato come modellare i nuovi componenti e l'impatto nello schema complessivo dell'impianto. I risultati della simulazione ed un confronto degli indicatori chiave di prestazione del caso 1 e del caso 3 sono riportati a fine paragrafo 4.1. Il paragrafo 4.2 approfondisce l'effetto della formazione di metano nel processo Fischer-Tropsch sula produzione finale di e-fuels. Un'analisi di sensibilità tecnica viene eseguita variando la quantità di metano presente all'uscita dei reattori FT nell'impianto modellato ed osservando la variazione di produzione di greggio sintetico. Il capitolo 5 descrive i risultati economici nell'analisi del caso 3. Investire in un nuovo tipo di processo ha un impatto sul prezzo minimo di vendita del carburante ottenuto ed è interessante confrontare la convenienza economica del caso 3 rispetto al caso 1. Il capitolo 6 conclude lo studio con una descrizione generale dei risultati ed evidenziando le criticità di questa tecnologia, soprattutto da un punto di vista economico. Dalle simulazioni è evidente che il presente studio ha un risultato positivo. E' dimostrato che l'uso di paraffine gassose, prodotte dalle reazioni FT, in un'area di reforming a vapore, invece che in un impianto di potenza, ha vantaggi tecnici ed economici.