Techno-economic analysis of a biomass to methanol plant with CO2 capture with molten carbonate fuel cell

This thesis investigates the techno-economic feasibility of a biomass-to-methanol plant integrated with CO2 capture using a Molten Carbonate Fuel Cell (MCFC). The analysis encompasses the plant’s performance and economic viability by combining indirect gasification for methanol production with cryogenic CO2 capture via MCFC technology. Modeling was conducted using Aspen Plus software, dividing the plant into functional blocks to evaluate performance and key parameters. The technical analysis reveals a critical trade-off between methanol production and CO2 capture, primarily influenced by the Recycle Ratio (RR) within the methanol synthesis loop, which affects both methanol yield and CO2 capture efficiency. Optimal conditions are found on RR equal to 0.33, this case projects a methanol production rate of 81.1 kton/year with 99.84%mol purity and CO2 capture of 164 kton/year with 98.5%mol purity, achieving a carbon capture efficiency of 54.08%. The overall carbon exploitation rate of the products with respect to the biomass input was 91.1%, indicating a very effective but incomplete carbon emission mitigation. The plant overall electricity consumption is 3.43MW despite the 7.43MW generated by the MCFC, so electricity has to be imported. Economically, the plant incurs a capital expenditure (CAPEX) of 279.02M€ and operating expenses (OPEX) of 36.12M€/year, mainly driven by the fuel cost of 13.32M€/year. Despite high CAPEX, the inclusion of CO2 as a valuable output and the bio-methanol valorization could lead to profitability if they manage to overcome the barrier of 100€/ton and 600€/ton respectively. This study highlights the potential of bio-methanol plants in contributing to zero emissions goals, with expected technological advancements and market trends improving economic viability over time.

Questa tesi indaga la fattibilità tecno-economica di un impianto di biomassa-metanolo integrato con la cattura della CO2 utilizzando una cella a combustibile a carbonato fuso (MCFC). L’analisi comprende le prestazioni e la redditività economica dell’impianto che combina la gassificazione indiretta per la produzione di metanolo con la cattura criogenica della CO2 attraverso la tecnologia MCFC. La modellazione è stata condotta utilizzando il software Aspen Plus, dividendo l’impianto in blocchi funzionali per valutare le prestazioni e i parametri chiave. L’analisi tecnica rivela un compromesso critico tra produzione di metanolo e cattura di CO2, influenzato principalmente dal rapporto di riciclo (RR) all’interno del ciclo di sintesi del metanolo, che influisce sia sulla resa del metanolo che sull’efficienza della cattura di CO2. Le condizioni ottimali si trovano con un RR pari a 0,33; questo caso prevede un tasso di produzione di metanolo di 81,1 kton/anno con una purezza del 99,84%mol e una cattura di CO2 di 164 kton/anno con una purezza del 98,5%mol, ottenendo un’efficienza di cattura del carbonio del 54,08%. Il tasso complessivo di sfruttamento del carbonio dei prodotti rispetto alla biomassa in ingresso è stato del 91,1%, indicando una mitigazione delle emissioni di carbonio molto efficace ma incompleta. Il consumo complessivo di elettricità dell’impianto è di 3,43 MW nonostante i 7,43 MW generati dall’MCFC, per cui l’elettricità deve essere importata. Dal punto di vista economico, l’impianto comporta una spesa in conto capitale (CAPEX) di 279,02M€ e spese operative (OPEX) di 36,12M€/anno, principalmente a causa del costo del combustibile di 13,32M€/anno. Nonostante l’elevato CAPEX, l’inclusione della CO2 come output di valore e la valorizzazione del bio-metanolo potrebbero portare alla redditività se riuscissero a superare la barriera di 100€/ton e 600€/ton rispettivamente. Questo studio evidenzia il potenziale degli impianti di bio-metanolo nel contribuire agli obiettivi di emissioni zero, con i progressi tecnologici previsti e le tendenze del mercato che miglioreranno la redditività economica nel tempo.