Sorption-enhanced methanol synthesis: process design and techno-economic assessment

The decentralized production of methanol requires the development of new chemical routes that account for the pressure limitations present in small-scale applications. In this context, the production of methanol from green hydrogen and carbon dioxide via sorption-enhancement is of interest. This thesis focuses on the modelling of a sorption-enhanced methanol synthesis reactor, including both the reaction and the regeneration phase in the simulation. A process layout including this reactor, in cascade with a standard reactor with intermediate separation, is proposed and simulated. An economic assessment over a plant lifetime of 16 years is performed to determine the levelized cost of methanol and compare it with that of a benchmark methanol plant; since photovoltaic panels supply the electricity, the plant operates for 4000 hours per year. In every scenario analysed, the configuration with the sorption-enhanced reactor shows higher economic performance; nevertheless, costs related to the production of hydrogen, representing 50.60% of CapEx and 76.40% of OpEx, make this solution not competitive compared to the traditional, fossil-based, production process. Investing in the solar farm reduces the levelized cost by 28.71%, settling it at 1,785.73 $/ton. Increasing the operating hours per year to 8000 leads to an additional reduction by 29,54% of the levelized cost. Further improvements should involve the choice of the source of electricity and hydrogen feedstock, and the analysis of national policies for the renewable production of chemicals.

La produzione decentralizzata di metanolo richiede lo sviluppo di nuovi processi chimici che tengano conto delle limitazioni sulla pressione presenti nelle applicazioni su piccola scala. In questo contesto, è di interesse la produzione di metanolo da idrogeno verde e anidride carbonica tramite sorption-enhancement. Questa tesi si focalizza sul modello computazionale di un reattore di sintesi sorption-enhanced di metanolo, includendo nella simulazione sia la fase di reazione sia quella di rigenerazione. Uno schema di processo che integra tale reattore, in cascata con un reattore standard con separazione intermedia, è proposto e simulato. È stata condotta una stima economica sulla base di una durata dell'impianto di 16 anni per determinare il levelized cost of methanol e confrontarlo con quello di un impianto standard; dal momento che l'elettricità è fornita da pannelli fotovoltaici, l'impianto opera per 4000 ore l'anno. In ogni scenario analizzato, la configurazione con il reattore di tipo sorption-enhanced presenta risultati economici migliori; tuttavia, i costi legati alla produzione di idrogeno, pari al 50,60% dei CapEx e al 76,40% degli OpEx, non rendono questa soluzione competitiva rispetto al processo di produzione tradizionale, basato sui combustibili fossili. Investire nel parco solare riduce il levelized cost del 28,71%, portandolo a 1,785.73 $/ton. A 8000 ore l'anno di operazione si osserva un'ulteriore riduzione del 29,54% del levelized cost. Futuri miglioramenti dovrebbero riguardare la scelta della fonte di energia elettrica e dell'idrogeno, e l'analisi delle politiche nazionali per la produzione di composti chimici rinnovabili.