Techno-economic evaluation of the syngas production within the power-to-liquid process

Abstract

Durch die zu erwartende, anhaltende Steigerung des Flugverkehrs und der im Verhältnis dazu langsameren Effizienzsteigerung durch verbesserte Betriebsabläufe oder Infrastruktur, steigt der durchschnittliche CO2-Ausstoß in der Luftfahrt auch weiterhin stetig an. Aufgrund seiner einfachen Implementierung in den laufenden Betrieb sind alternative Kraftstoffe unumgäng-lich, will man den Treibhausgasausstoß effektiv verringern. Ein mögliches Konzept ist der Power-to-Liquid Prozess. Dabei werden mit Hilfe von CO2, Wasser und Strom, flüssige Kraftstoffe hergestellt. Die Realisierung des Prozesses hängt stark von den erzielbaren Produktionskosten ab. Dabei stellt die Synthesegaserzeugung, mittels reverse-Wasser-Gas-Shift (RWGS) Reaktion einen sehr energieaufwendigen Prozessschritt, dar. Um die optimalen Betriebsbedingungen dieses Prozessschritts und dessen Einfluss auf den Gesamtprozess technisch und ökonomisch zu betrachten, wurde im Rahmen dieser Arbeit eine Fließbildsimulation des Power-to-Liquid Prozesses erstellt. Mit Hilfe von Parameterstu-dien wurden die Temperatur, der Druck, die Dampf- und Wasserstoffzugabe zur Synthesegaserzeugung variiert. Des Weiteren wurde der Prozessschritt der Kraftstofferzeu-gung, via Fischer-Tropsch Synthese (FTS), durch zwei ergänzende Parameter variiert um auch dessen Einfluss und die Interaktion zwischen beiden Reaktoren besser zu verstehen. Die optimalen Einstellungen sind für den RWGS Reaktor eine möglichst hohe Temperatur bei niedrigem Betriebsdruck. Die dabei ermittelten Werte liegen bei 950°C und ökonomisch betrachtet bei 1,5 bar, technisch bei 20 bar. Des Weiteren wurde festgestellt, dass eine Aufteilung des erzeugten Wasserstoffs im Verhältnis 4:1 sowohl technisch als auch ökonomisch Vorteile mit sich bringt, wobei 80 % zur Synthesegaserzeugung und 20 % direkt zur FTS geführt werden. Durch Variation der Dampfzugabe zum RWGS Reaktor wurde festgestellt, dass diese bei hohen Drücken und Temperaturen unterhalb von 900 °C zu einer Effizienzsteigerung beiträgt. Der ermittelte, optimale Betriebspunkt wurde dagegen ohne Dampfzugabe erreicht. Für die FTS wurde ökonomisch, das Optimum bei hohem Umsatz, sowie einem Wasserstoff/Kohlenstoffmonoxid-Verhältnis im Feed-Strom von 1,75, erzielt. Das technische Optimum wurde dagegen für ein Verhältnis von 1,5 berechnet. Die berechneten, günstigsten Produktionskosten liegen bei 4,24 €/l, mit einer Elektrolyse-Kapazität von 30,25 MW. bei einem Power-to-Liquid-Wirkungsgrad von 47,6 % und einem Kohlenstoffnutzungsgrad von 89,4 %.