Tulevaisuuden mahdollisuuksia hiilidioksidin hyötykäytöstä

Transkriptio

1 Tulevaisuuden mahdollisuuksia hiilidioksidin hyötykäytöstä Janne Kärki, VTT

2 Kiertotaloutta bioperäisestä hiilidioksidista Bioeconomy+ pilotoinnin tavoitteena on mahdollistaa ilmastoa rasittavien teollisuuden hiilidioksidipäästöjen kierrätys korvaten fossiilisia raaka-aineita

3 Ongelma Lisää hiiltä ilmakehään - kivihiili - maakaasu - öljy

4 Vaihtoehto Hiilidioksidin kierrätys - biotuotteet - CCU (Carbon Capture & Utilisation)

5 Hiilidioksidin talteenotto ja hyötykäyttö mitä ja miksi? Hiilidioksidin talteenotolla ja hyötykäytöllä (Carbon Capture and Utilisation, CCU) tarkoitetaan arvoketjua, jossa teollisuusprosessien tai ilman CO 2 käytetään raaka-aineena Tärkeimpiä syitä kiinnostukselle: tarve vähentää riippuvuutta fossiilista raaka-aineista sähköntuotannon ja kulutuksen tasapainotus ilmastonmuutoksen hillitseminen

6 Monet CCU-prosessit tarvitsevat vetyä, jota voidaan tehdä esim. sähköenergialla vedestä Sähkö Hiili (CO 2 tai CO) Useita prosessivaihtoehtoja + mahdollisia jatkokäsittelyjä Vesi (H 2 O) Vety (H 2 ) Elektrolyysi Hyötysuhde (LHV) % Lämpöä Hyödyntäminen olennaista talouden kannalta Happi (½ O 2 ) Varsin puhdasta, >99,x til.-%

7 Hiilidioksidin hyödyntämisen mahdollisuuksia

8 Bioeconomy+ pilotoinnin fokus Teknologian verifioiminen teollisessa ympäristössä biojalostamolla Hyödynnetään bioetanolin tuotannossa syntyvää bioperäistä hiilidioksidia, joka tällä hetkellä lasketaan ilmaan Nestemäisten ja kiinteiden hiilivetyjen tuotanto Fischer Tropsch-menetelmällä korvaamaan fossiilisista raaka-aineista valmistettavia tuotteita

9 Pilotoitava Power-to-X prosessi

10 Tuotteet FT-prosessista (parafiinivaha) Nestemäisestä öljyjakeesta voi tislaamalla ja jalostamalla valmistaa bensiiniä, kerosiinia ja dieseliä Parafiinivahan voi myydä sellaisenaan, jakaa jähmettymispisteen perusteella eri jakeisiin valmistaa nestemäisiä polttoaineita krakkaamalla ja jalostamalla Laihoja kaasuja voidaan puhdistaa tuotteiksi tai polttaa höyryn tuottamiseksi

11 Biotalous Kiertotalous Vetytalous Talous?

12 FT-tuotteiden arvo taloustarkasteluissa Kiinteästä fraktiosta (vaha) n. 70% jalostetaan keskitisleiksi (diesel ja kerosiini), 20% bensiiniksi ja loput kaasuiksi Tiettyjä jakeita voisi hyödyntää myös arvokkaammin, esim. kosmetiikassa tai erikoiskemikaalien tuotannossa Arvot arvioitu karkeasti fossiilisten tuotteiden verottomista vertailuhinnoista (diesel 0,75 /kg, bensiini 0,8 /kg) lisäämällä biopolttoaineiden jakeluvelvoitteen täyttämisen vaihtoehtoiskustannus (nyt 200 /tonni CO 2, eli laskettuna FT-tuotteiden massaa kohden n. 0.6 /kg)* * FT-jakeiden massasta keskimäärin 82% on hiiltä. Oletettu, että tonni FT-jakeen hiiltä korvaa tonnin fossiilista hiiltä tuotteissa.

13 Taloustarkasteluissa katsottu kahta kokoluokkaa Pienempi ( Jokioinen ) noin 7-8 miljoonaa litraa etanolia vuodessa n. 6 ktco 2 /vuosi Suurempi ( C03 tehdaskonsepti) noin 50 miljoonaa litraa etanolia vuodessa n. 50 ktco 2 /vuosi Sisältäen myös mädätysprosessista erotettu CO 2

14 Massa- ja energiataseet Jokioisten laitoksen kokoluokassa 10 MW 42 GWh/a Electricity H2O H kg/h Electrolysis 195 kg/h 8 kt/a 1 kt/a 67 % 6 MW 28 GWh/a 99% O2 Heat 1548 kg/h 2 MW 7 kt/a 10 GWh/a Purified CO kg/h Diesel, gasoline 6 kt/a FT total C18+ C5-C17Purge gas gas kg/h CPOX & kt/a Oxygen FT synthesis MW 338 kg/h GWh/a Water District heat 1154 kg/h 1 MW

15 Pääparametrit taloustarkasteluiden nykymarkkinassa Suomessa toteutuneet sähkön tuntihinnat 2017 (painottamaton keskiarvo 33 /MWh + siirto & verot 15 /MWh, lisätuloja taajuussäätömarkkinoilta (FCR) WACC 5%, 20 vuoden tarkasteluaika, 30% investointituki Hapelle pieni arvo (paineilmakustannukset, 1.5 /tonni) Investointi myytävän tuotteen käsittelyyn ja varastointiin voisi kannattaa Lämpö 30 /MWh, matalapainehöyry 35 /MWh Muut O&M kulut melko vähäiset Elektrolyysin ominaisinvestointi 1000 /kw e (9 MW e kokoluokassa, skaalaustekijä 0.93) FT-synteesin ominaisinvestointi 1000 /kw FT-tuote (5 MW FT-tuote kokoluokassa, skaalaustekijä 0.67) CO 2 käsittely ja vedyn välivarastointi osana investointia

16 Pienempi kokoluokka Annual operation (electrolysis), h/a 1113 h/a OFF 13 % 180 h/a FULL 2 % 7467 h/a FCR 85 % Profit (pre-tax) -851 k /a EBIT DA 153 k /a Payback (WACC 0%) 82 years LCOF 191 /MWh Costs and incomes, k /a Heat Steam FCR Oxygen FT (C5-C17) FT (C18+) Other costs CAPEX Electricity

17 Suurempi kokoluokka Annual operation (electrolysis), h/a 1113 h/a OFF 13 % 180 h/a FULL 2 % Costs and incomes, k /a Heat Steam FCR 7467 h/a FCR 85 % Profit (pre-tax) k /a EBIT DA k /a Payback (WACC 0%) 35 years LCOF 152 /MWh Oxygen FT (C5-C17) FT (C18+) Other costs CAPEX Electricity

18 Mitä pitäisi tapahtua*, että tämä liiketoiminta kannattaisi C03-kokoluokassa? Sähkön hinta laskee 35% TAI Sähkön hinta laskee 30% ja sähkön hintavaihtelu lisääntyy ±20% TAI Hapesta saa myyntitulona vähintään 87 /tonni TAI FT-tuotteiden hinta 25% korkeampi TAI FT-tuotteet 10% arvokkaampia, hapesta tuloa 25 /tonni ja sähkön hinta tippuu 10% TAI Lukematon määrä muita realistisia skenaarioita *vrt tarkastelun hintoihin

19 Yhteenveto Hiilidioksidin talteenotto ja hyötykäyttö herättää yhä enemmän kiinnostusta maailmalla Monia eri reittejä ja kohteita Liiketoimintaa vielä toistaiseksi rajallisesti Bioeconomy+ pilotoinnin fokus uuden teknologian verifioimisessa teollisessa ympäristössä Näytetään, että teknologiaa on olemassa ja viestitään uusista mahdollisuuksista Liiketoiminnan kannattavuus uusissa ratkaisuissa tänä päivänä vielä haastavaa

20 From IPCC Special Report 15 (Published ) CO 2 emissions from industry in pathways limiting global warming to 1.5 C are projected to be about 75 90% lower in 2050 relative to Such reductions can be achieved through combinations of new and existing technologies and practices, including electrification, hydrogen, sustainable bio-based feedstocks, product substitution, and carbon capture, utilization and storage. These options are technically proven at various scales but their large-scale deployment may be limited by economic, financial, human capacity and institutional constraints in specific contexts, and specific characteristics of large-scale industrial installations. (page 21)

21 Lisätiedot:

22 Acknowledgements Kestävää kasvua ja työtä Suomen rakennerahasto-ohjelma Bioeconomy+ partnerit CarbonReUse Finland Oy Koskisen Oy BioGTS Oy Jyväskylän Seudun Puhdistamo Oy (in-kind) Ab Stormossen Oy Valoe Oy JAMK Jyväskylän kaupunki Laukaan kunta Kuusamon kaupunki Mäntsälän Biovoima Oy Forus Oy St1 Biofuels Oy Havi Oy (in-kind) Ineratec GmbH (in-kind)

23 Back-up material

24 Economic feasibility evaluation method VTT s model maximises the annual profit (or minimizes loss) by selecting the most profitable operation mode for each hour (full load, partial load with grid services or standby) The model is based on mass and energy balances calculated from given efficiencies and chemical conversion rates, losses etc for each process Main input variables: Prices/values of process inputs and outputs Hourly electricity prices & FCR markets Constant price for others CAPEX and O&M costs Economic parameters (e.g. WACC, lifetime) Results: Cost and income structures Profit, EBIT, EBITDA, Payback period, IRR and levelised cost of product (taxes not considered) Operation mode distribution (full load, FCR, stand-by) Profit 9 EBIT 137 EBIT DA 309 Payback time 18.9 Pre-tax IRR 6.4 % LCOF 83.8 k /a k /a k /a years /MWh Sensitivity: Optimistic and conservative scenarios for market values Sensitivity towards other main variables

25 FCR-markkinat Suomessa Nopeaan säätöön kykenevät sähkön tuottajat ja kuluttajat voivat myydä säätökykyään Fingridille Taajuusohjattu käyttö- ja häiriöreservi (FCR-N ja FCR-D) Tarkoitus pitää sähköverkon taajuus tiukoissa rajoissa. FCR-N normaalitaajuusalueella 49,9-50,1 Hz Vaihtoehtoina vuosimarkkina ja tuntikaupat Vuosimarkkinoilla on kiinteä hinta koko vuoden. Kaikki osallistujat saavat saman korvauksen reservin ylläpidosta. Toteuma vaihtelee tunneittain toimijoiden vapaasta kapasiteetista riippuen. Tuntimarkkinoilla keskimäärin korkeampi hinta, mutta suuri vaihtelu Bioeconomy+ tarkasteluissa käytetty Suomen 2017 vuosimarkkinan hintaa 13 /MW,h

26 Massa- ja energiataseet C03 tehdaskonseptin kokoluokassa (skenaario 1) 81 MW 350 GWh/a Electricity H2O H kg/h Electrolysis 1629 kg/h 63 kt/a 7 kt/a 67 % 54 MW 234 GWh/a 99% O2 Heat kg/h 19 MW 56 kt/a 80 GWh/a Purified CO kg/h Diesel, gasoline 50 kt/a FT total C18+ C5-C17Purge Purge gas gas kg/h CPOX & kt/a Oxygen FT synthesis MW 2824 kg/h GWh/a Water District heat 9639 kg/h 6 MW

27 H 2 + CO 2 SOURCES MOBSU SYNTHESIS REACTORS Container scale, easy to transport, easy to connect to gas streams FUELS FISCHER-TROPSCH CO 2 METHANATION CHEMICALS NATURAL GAS

28 Mobile Synthesis Unit - MOBSU Converts CO 2 and H 2 into synthetic natural gas, fuels or chemicals. Container scale, easy to transport, easy to connect to gas streams

29 Waxes and oils from CO 2 and H 2 O 2 2 Nm 3 /hr Off-gas from process Unreacted CO, CO2, H2 and HCs 4 Nm 3 /hr PEM CPOx/rWGS FT Products: Mixture of hydrocarbons Gaseous fraction (C1-C4) ca. 20% Gasoline fraction (C5-C12) ca. 25%. Diesel fraction (C13-C18) ca. 15%. Heavier fraction mainly waxes (C18+) ca. 40%. Small amount of n-alcohols and olefins. High CO 2 efficiency = % Liquid HC: 3-5 litres/day Solid HC: 6-9 litres/day

30 PEM electrolyser system Cyril Jose E. Bajamundi Research Scientist VTT beyond the obvious 30

31 Key features Proton exchange membrane (PEM) Max. hydrogen flow: 4 Nm 3 h -1 (flow range: %) Operating pressure: up to 20 bar g (without compression) Hydrogen purity: % H 2, < 5ppm O 2, < 5ppm H 2 O PEM electrolyser in an IP55 container Electrical requirements: o Voltage: 400V ± 10 % (3Ph + N + PE) o Frequency: 50 Hz ± 5 % o Power (BoP + Stack): 30 kw Water consumption: ~ 8 L h -1 Hydrogen compression: o Pneumatic compression up to 55 bar o Storage: 612 L composite cylinder Electrolyser container deployed in the field Container: 10 ft. high cube container 5 ton VTT beyond the obvious

32 Electrolyser Stack 12 cells in one stack C operating temperature Total power: 25.5 kw Output 4 Nm 3 H 2 /hr (0 C, bar) 2 Nm 3 H 2 /hr (0 C, bar) Manufactured by Giner ELX System build by H2B VTT beyond the obvious 32

33 Main Components (Electrolyser Cabinet) VTT beyond the obvious 33

34 Main Components (Compression Room) VTT beyond the obvious 34

35 #bioeconomyplus