Carbon and climate efficient waste handling through waste incineration coupled with carbon capture and utilisation
(2024) KETM05 20241Chemical Engineering (M.Sc.Eng.)
- Abstract
- Many industries rely heavily on fossil fuels as energy source for their processes which has contributed to a rapid increase in anthropogenic carbon dioxide (CO2) emissions in the atmosphere causing a harmful effect on the environment. Carbon capture and utilisation (CCU) is a technology pathway that can play an important role in reducing CO2 emissions and contribute to a more circular economy. CCU coupled to waste incineration plants are especially interesting due to the reduced climate impact of the plant and the additional climate benefit of recycling of both fossil and biogenic carbon in the waste. The carbon that would end up as waste can then be recycled into value-added products, promoting carbon circularity and minimising virgin... (More)
- Many industries rely heavily on fossil fuels as energy source for their processes which has contributed to a rapid increase in anthropogenic carbon dioxide (CO2) emissions in the atmosphere causing a harmful effect on the environment. Carbon capture and utilisation (CCU) is a technology pathway that can play an important role in reducing CO2 emissions and contribute to a more circular economy. CCU coupled to waste incineration plants are especially interesting due to the reduced climate impact of the plant and the additional climate benefit of recycling of both fossil and biogenic carbon in the waste. The carbon that would end up as waste can then be recycled into value-added products, promoting carbon circularity and minimising virgin material use. This work compares different CCU pathways to find a promising pathway for coupling with a waste incineration plant. The pathways were compared on several parameters such as the technology readiness level, profit outlooks, versatility of products, longevity of products, fossil-fuel connection and CO2 purity sensitivity. Hydrogenation to methanol was chosen due to its high maturity and possibility for renewable production as well as methanol’s versatility and possibility for long-lived derivatives. The pathway was then modelled using Aspen Plus V.14 software. The process model contained methanol synthesis using CO2 captured from a conventional monoethanol amine carbon capture unit and green hydrogen gas from an alkaline water electrolyser. The methanol is produced in an isothermal plug-flow reactor operating at 250 ºC and 50 bar, and the unreacted gases are recycled back to the reactor. The methanol is then purified using a distillation column to achieve a yearly production of 107 kiloton of 99.9 mass-% methanol, with a process yield of 75.5 mole-%. The techno-economic analysis results in CAPEX and OPEX costs of approximately 376 M€ and 53 M€/y for the process, with a resulting levelized cost of methanol (LCOM) of 856 €/t which is approximately twice as high as the market price, rendering the process unprofitable. Using a sensitivity analysis, the electricity price and electrolyser capital costs are found to be the most sensitive costs to LCOM. If negative emissions tax credits can be used as revenue for the CO2 emissions avoided by utilising the biogenic carbon content of the waste streams, cost of the sensitive parts of the process decrease in price and methanol market price would increase, hydrogenation to methanol could be profitable in the future. (Less)
- Popular Abstract (Swedish)
- Till stor del bygger industrin på fossila bränslen som energikälla vilket har bidragit till en snabb utsläppsökning av koldioxid (CO2) i atmosfären och därmed till förödande konsekvenser för klimatet. Koldioxidinfångning och användning (CCU) är en teknologi som kan spela en viktig roll i minskningen av CO2 utsläppen och bidra till en mer cirkulär ekonomi. CCU kopplat till avfallsförbränningsanläggningar är speciellt intressant då klimatpåverkan från anläggningarna minskar men också då det finns en extra möjlighet till klimatvinst då avfall innehåller kol från både fossila och biogena källor. Kolet som annars hade blivit koldioxidutsläpp eller hamnat på soptippen kan återanvändas till högvärdiga produkter, vilket skulle kunna bidra till ett... (More)
- Till stor del bygger industrin på fossila bränslen som energikälla vilket har bidragit till en snabb utsläppsökning av koldioxid (CO2) i atmosfären och därmed till förödande konsekvenser för klimatet. Koldioxidinfångning och användning (CCU) är en teknologi som kan spela en viktig roll i minskningen av CO2 utsläppen och bidra till en mer cirkulär ekonomi. CCU kopplat till avfallsförbränningsanläggningar är speciellt intressant då klimatpåverkan från anläggningarna minskar men också då det finns en extra möjlighet till klimatvinst då avfall innehåller kol från både fossila och biogena källor. Kolet som annars hade blivit koldioxidutsläpp eller hamnat på soptippen kan återanvändas till högvärdiga produkter, vilket skulle kunna bidra till ett kolkretslopp och en minimering av användandet av nytt råmaterial.
Den här studien jämför olika CCU-omvandlingsmetoder för att komma fram till en lovande omvandlingsmetod av CO2 som kan kopplas samman till en avfallsförbränningsanläggning. Omvandlingsmetoden hydrogenering till metanol valdes som den mest lovande och modellerades sedan i simuleringsprogrammet Aspen Plus. Simuleringsmodellen innehåller syntesstegen för att producera metanol från infångad CO2 och grön vätgas som produceras genom spjälkning av vatten i en elektrolysör. Metanolen produceras i en reaktor vid en konstant temperatur på 250 ºC och ett tryck på 50 bar och renas sedan genom destillering vilket ger en hög renhet på 99,9%. Den årliga produktionen av metanol uppgår till 107 kiloton i denna process.
Resultatet av den tekno-ekonomiska analysen på processen visar att kapitalkostnaderna och driftkostnaderna blir ungefär €376 miljoner och €53 miljoner per år. Detta resulterar i att metanolen skulle behöva kosta 856 €/t för att anläggningen ska gå jämnt ut med inkomster och kostnader. Denna kostnad är ungefär dubbelt så högt som marknadspriset på metanol, vilket betyder att omvandlingsprocessen inte är lönsam så som det ser ut i nuläget. Genom en känslighetsanalys, där olika kostnader justeras för att se dess påverkan på kostnaden på metanolen, så kan det konstateras att elpriset och kapitalkostnaderna för elektrolysören har störst påverkan på metanolkostnaden.
Då avfallet som förbränns delvis innehåller biogent kol så kan processen gynnas av skattelättnader för de CO2-utsläpp som på så sätt undviks genom denna process. Om dessa skattelättnader är applicerbara på denna process och om elpriset och kapitalkostnaderna för elektrolysören minskar samt om marknadspriset för metanol ökar, så finns det en möjlighet att hydrogenering till metanol kommer bli lönsamt i framtiden. (Less)
Please use this url to cite or link to this publication:
http://lup.lub.lu.se/student-papers/record/9167615
- author
- Hed, Emil LU
- supervisor
- organization
- course
- KETM05 20241
- year
- 2024
- type
- H2 - Master's Degree (Two Years)
- subject
- keywords
- chemical engineering, Carbon capture and utilisation, waste inciniration, CCU pathways, process model simulation, Aspen Plus, techno-economic analysis, levelized cost
- language
- English
- id
- 9167615
- date added to LUP
- 2024-06-25 09:27:51
- date last changed
- 2024-06-25 09:27:51
@misc{9167615,
abstract = {{Many industries rely heavily on fossil fuels as energy source for their processes which has contributed to a rapid increase in anthropogenic carbon dioxide (CO2) emissions in the atmosphere causing a harmful effect on the environment. Carbon capture and utilisation (CCU) is a technology pathway that can play an important role in reducing CO2 emissions and contribute to a more circular economy. CCU coupled to waste incineration plants are especially interesting due to the reduced climate impact of the plant and the additional climate benefit of recycling of both fossil and biogenic carbon in the waste. The carbon that would end up as waste can then be recycled into value-added products, promoting carbon circularity and minimising virgin material use. This work compares different CCU pathways to find a promising pathway for coupling with a waste incineration plant. The pathways were compared on several parameters such as the technology readiness level, profit outlooks, versatility of products, longevity of products, fossil-fuel connection and CO2 purity sensitivity. Hydrogenation to methanol was chosen due to its high maturity and possibility for renewable production as well as methanol’s versatility and possibility for long-lived derivatives. The pathway was then modelled using Aspen Plus V.14 software. The process model contained methanol synthesis using CO2 captured from a conventional monoethanol amine carbon capture unit and green hydrogen gas from an alkaline water electrolyser. The methanol is produced in an isothermal plug-flow reactor operating at 250 ºC and 50 bar, and the unreacted gases are recycled back to the reactor. The methanol is then purified using a distillation column to achieve a yearly production of 107 kiloton of 99.9 mass-% methanol, with a process yield of 75.5 mole-%. The techno-economic analysis results in CAPEX and OPEX costs of approximately 376 M€ and 53 M€/y for the process, with a resulting levelized cost of methanol (LCOM) of 856 €/t which is approximately twice as high as the market price, rendering the process unprofitable. Using a sensitivity analysis, the electricity price and electrolyser capital costs are found to be the most sensitive costs to LCOM. If negative emissions tax credits can be used as revenue for the CO2 emissions avoided by utilising the biogenic carbon content of the waste streams, cost of the sensitive parts of the process decrease in price and methanol market price would increase, hydrogenation to methanol could be profitable in the future.}},
author = {{Hed, Emil}},
language = {{eng}},
note = {{Student Paper}},
title = {{Carbon and climate efficient waste handling through waste incineration coupled with carbon capture and utilisation}},
year = {{2024}},
}