Techno-economic analysis of offshore methanol production with consideration of fluctuating input flows

Abstract

Die Integration erneuerbarer Energien in Power-to-X-Systeme erfordert flexible chemische Produktionsprozesse, die im Teillastbetrieb arbeiten können. Diese Arbeit untersucht die Machbarkeit der Teillastproduktion von Methanol aus Wasserstoff und Kohlendioxid und bewertet deren Auswirkungen auf Wasserstoff- und Methanolkosten unter variabler OffshoreWindversorgung. Aspen Plus®-Simulationen wurden durchgeführt, um das Verhalten der wichtigsten Reaktions- und Trennstufen bei reduzierten Durchflussraten zu analysieren, mit Teillasten von 50 %, 75 % und 100 % der Nennkapazität. Die Ergebnisse zeigen, dass Reaktoren und Wärmetauscher tiefe Lastreduktionen tolerieren, die Destillationskolonnen jedoch den betrieblichen Engpass darstellen und unter ~50 % der Auslegungskapazität hydraulisch instabil werden. Niedrigere Lasten führten zu vermindertem Flüssig-DampfKontakt, reduzierter Stoffübertragungseffizienz und Abweichungen in den Wärmetauscherleistungen, während verlängerte Reaktorverweilzeiten diese Effekte teilweise ausgleichen, sodass bei reduzierten Durchflussraten leicht höhere Umsetzungen erzielt wurden. Betriebliche Anpassungen waren notwendig, um die Produktspezifikationen bei Teillast aufrechtzuerhalten. Die techno-ökonomische Analyse zeigte, dass flexible Wasserstoffnachfrage durch variierende Lastanpassungsintervalle die Systemleistung erheblich verbesserte und Kosten senkte. Schnellere Anpassungen steigerten die Windnutzung, reduzierten den Wasserstoffspeicherbedarf und optimierten die Kapitalaufteilung, wodurch die LCOH (Levelized Cost of Hydrogen) und LCOM (Levelized Cost of Methanol) verringert wurden. Trotz leicht erhöhter Elektrolyser-Kapazität sanken die Gesamtkosten aufgrund von Einsparungen bei Speicher-, Plattform- und Windinfrastruktur. Wasserstoff bleibt der größte Kostenfaktor. Die Arbeit identifiziert die Trennstufen als technischen Engpass im Teillastbetrieb, während die Speicherauslegung das wirtschaftliche Nadelöhr darstellt. Hybride und modulare Lösungen für Destillation und Wärmeaustausch könnten die minimale realisierbare Last, Prozesseffizienz und Wirtschaftlichkeit verbessern. Die Ergebnisse unterstreichen die Bedeutung betrieblicher Flexibilität in Power-to-Methanol-Systemen und zeigen einen Weg zur wirtschaftlich tragfähigen Integration variabler erneuerbarer Energien bei gleichzeitiger Produktqualität und Systemzuverlässigkeit.