Conceptual design and techno-economic assessment of a RES-powered offshore chemical plant for alternative fuel production

This thesis focuses on the conceptual design and simulation of offshore chemical plants for methanol and dimethyl ether (DME) production, with green H2 and captured CO2 as feedstocks. The chemical plant is run mainly by electricity generated by an offshore wind-farm, which supplies power at an average year-round capacity factor of 45.49 %. Analyses are carried out to find suitable and efficient options for offshore production site, PEM electrolyser model units (and relative water purification section) and carbon capture unit. Reverse osmosis water purification technology and the Silyzer 300 PEM electrolysers are chosen for seawater purification and hydrogen production, respectively. A comprehensive plant sizing strategy is then developed to account for renewable wind energy source variability and intermittency: after a detailed analysis on equipment flexibility under different loads, an optimal design capacity factor of 78.77 % is identified. For both methanol and DME production, 3 different plant configurations were explored on Aspen HYSYS V.11, based on reactor technology: a single fixed-bed catalytic reactor (C1), a double-reactor system with intermediate flash separation (C2), and a steam-selective membrane-equipped reactor (C3). DME plant configurations featured higher product recovery efficiency when a high pressure absorption column is introduced in the process layouts. Finally, a techno-economic assessment was performed; discounted levelised cost of product (DLCoP) was calculated for methanol and DME. The most cost-competitive solution to produce methanol was found to be the dual-reactor with intermediate flash separation configuration (2.48 $/kg), while for DME the most attractive solution was found to be the single reactor configuration (3.80 $/kg).

Questa tesi si concentra sulla progettazione concettuale e sulla simulazione di impianti chimici offshore per la produzione di metanolo e dimetiletere (DME), utilizzando idrogeno verde (H2) e anidride carbonica catturata (CO2) come materie prime. L’impianto chimico è alimentato principalmente dall’elettricità generata da un parco eolico offshore, che fornisce energia con un fattore di capacità medio annuo del 45,49Sono state condotte analisi per individuare soluzioni adeguate ed efficienti per il sito di produzione offshore, le unità modello di elettrolizzatore PEM (e la relativa sezione di purificazione dell’acqua) e l’unità di cattura della CO2. La tecnologia di purificazione dell’acqua mediante osmosi inversa e gli elettrolizzatori PEM Silyzer 300 sono stati scelti rispettivamente per la desalinizzazione dell’acqua di mare e la produzione di idrogeno. È stata quindi sviluppata una strategia complessiva di dimensionamento dell’impianto per tenere conto della variabilità e dell’intermittenza della fonte eolica rinnovabile: dopo un’analisi dettagliata sulla flessibilità delle apparecchiature a diverse capacità, è stato identificato un fattore di capacità ottimale di progetto pari al 78,77Per la produzione sia di metanolo che di DME sono state esplorate tre diverse configurazioni di impianto su Aspen HYSYS V.11, basate sulla tecnologia del reattore: un singolo reattore catalitico a letto fisso (C1), un sistema a doppio reattore con separazione flash intermedia (C2) e un reattore dotato di membrana selettiva al vapore (C3). Le configurazioni per l’impianto di produzione di DME hanno mostrato un’efficienza di recupero del prodotto superiore quando nel layout di processo è stata introdotta una colonna di assorbimento ad alta pressione. Infine, è stata eseguita una valutazione tecno-economica; è stato calcolato il costo livellato scontato del prodotto (DLCoP) per metanolo e DME. La soluzione più competitiva per la produzione di metanolo è risultata essere la configurazione a doppio reattore con separazione flash intermedia (2.48 $/kg), mentre per il DME la soluzione più interessante è risultata essere quella con reattore singolo (3.80 $/kg).