Μελέτη κόστους παραγωγής ανανεώσιμων καυσίμων αεροσκαφών μέσω υδρογόνωσης του διοξειδίου του άνθρακα
Loading...
Date
2024-03-27
Authors
Στεφάνου, Θεόδωρος
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Publisher
Abstract
Η παρούσα εργασία αποτελεί μια προκαταρκτική μελέτη κόστους για μια μονάδα παραγωγής ανανεώσιμων καυσίμων αεροσκαφών, βασισμένη στην Ελλάδα, με επαρκή δυναμικότητα για κά-λυψη των θεσμικών αναγκών του “ReFuelEU Aviation Initiative” μέχρι το 2032 προς αξιολόγηση της βιωσιμότητας ενός τέτοιου εγχειρήματος, με αφορμή την πρόσφατη κινητοποίηση της αγοράς στον κλάδο των ανανεώσιμων πηγών ενέργειας.
Πρωτίστως, γίνεται εισαγωγική αναφορά στο ζήτημα της ρύπανσης και της κλιματικής αλλαγής, φαινόμενο το οποίο έχει εντατικοποιηθεί λόγω της χρήσης ορυκτών καυσίμων στις περισσότερες ανθρώπινες δραστηριότητες. Παράλληλα, παρατίθενται οι προκλήσεις της υποκατάστασης των συμ-βατικών καυσίμων με ανανεώσιμα στο χώρο των μεταφορών, εστιάζοντας ιδιαίτερα στις αερομετα-φορές και την έλλειψη βιώσιμων εναλλακτικών στον παρόντα κλάδο. Οι πιθανές επιπτώσεις σε πε-ρίπτωση περεταίρω αναβολών στην ανεξαρτητοποίηση του από τα ορυκτά καύσιμα, υποστηρίζονται περαιτέρω από προβλέψεις του Global Carbon Budget για την αύξηση της θερμοκρασίας του πλα-νήτη στα επόμενα 30 έτη, έως και 2oC. Ακολούθως, πραγματοποιείται συγκριτική αξιολόγηση των διαθέσιμων εναλλακτικών, ήτοι: ηλεκτροκίνητη πτήση, υδρογονοκίνητη πτήση και ανανεώσιμα καύ-σιμα αεροσκαφών βάσει των ενεργειακών πυκνοτήτων των παρόντων πηγών ενέργειας και συζητώ-ντας τα επακόλουθα σχεδιαστικά και πρακτικά ζητήματα που εγείρονται σε κάθε περίπτωση. Κατα-λήγοντας στο συμπέρασμα ότι τα ανανεώσιμα καύσιμα αποτελούν την πλέον βιώσιμη επιλογή επί του παρόντος, ορίζονται οι ερευνητικοί στόχοι και ερωτήματα, ενώ τίθεται το πεδίο εφαρμογής με τους αντίστοιχους περιορισμούς και παραδοχές για τον σχεδιασμό μονάδας παραγωγής ανανεώσι-μων καυσίμων αεροσκαφών (Sustainable Aviation Fuels – “SAF”) δυναμικότητας 2,4ktn/έτος, προς ικανοποίηση του 1,5% των αναγκών της χώρας μέχρι το 2032 (θεσμική απαίτηση “ReFuelEU Aviation Initiative”).
Έχοντας θεσπίσει το σκοπό και το αντικείμενο της μελέτης, εν συνεχεία παρουσιάζονται τα κύρια βήματα της διεργασίας παραγωγής και αναλύονται περαιτέρω οι αντίστοιχες διαθέσιμες τεχνολο-γίες προς διερεύνηση της βέλτιστης πορείας σύνθεσης. Ειδικότερα, γίνεται αναφορά στις 4 κύριες διεργασίες, ήτοι: τη δέσμευση του CO2 από καυσαέρια συμβατικών βιομηχανικών διεργασιών (συ-γκεκριμένα τσιμεντοβιομηχανίας), τις τεχνολογίες ηλεκτρόλυσης για παραγωγή πράσινου Η2, τις διεργασίες σύνθεσης καυσίμων και την πορεία διαχωρισμού και αναβάθμισης των προϊόντων σε jet fuel. Με την ολοκλήρωση της ανάλυσης σε κάθε περίπτωση αιτιολογείται η επιλογή κάθε τύπου τεχνολογίας προς ενσωμάτωση στη διεργασία ενώ προτείνονται πιθανές εναλλακτικές για επανεκτί-μηση με την άνοδο του επιπέδου τεχνολογικής τους ωριμότητας. Η προτεινόμενη πορεία διεργασίας ταυτοποιείται ως: υδρογόνωση δεσμευμένου CO2 μέσω MEA (μονοαιθανολαμίνη) με «πράσινο» Η2 από αλκαλική ηλεκτρόλυση, προς παραγωγή συνθετικού αερίου μέσω της αντίδρασης Reverse Wa-ter-Gas Shift (RWGS) και καταλυτική σύνθεση καυσίμου μέσω Fischer-Tropsch (FTS). Τα προϊόντα σύνθεσης διαχωρίζονται σε αποστακτική στήλη προς οδήγηση σε διυλιστήριο για τελειοποίηση ή πώληση τους ως έχουν.
Εφόσον έχει ολοκληρωθεί ο σχεδιασμός ποιοτικά στο επίπεδο της διεργασίας, ακολουθεί λεπτο-μερέστερη ανάλυση των καταλυτικών επιδράσεων στις πραγματοποιούμενες αντιδράσεις όπως και συζήτηση των αντίστοιχων θερμοδυναμικών δεδομένων προς καθορισμό των συνθηκών τους για βελτιστοποίηση της παραγωγής. Αφού γίνει αναφορά στους διαθέσιμους καταλύτες για την RWGS και την FTS επιλέγονται 2 συστήματα για τους σκοπούς της μελέτης με βάση Cu-Fe και Co αντίστοιχα. Οι συνθήκες διενέργειας των αντιδράσεων ορίζονται σύμφωνα με τα υπόλογα θερμοδυναμικά δε-δομένα προς εξυπηρέτηση της αύξησης της απόδοσης των αντιδράσεων στα επιθυμητά προϊόντα (CO για την RWGS και υδρογονάνθρακες στο φάσμα του jet fuel για την FTS). Ακολούθως, η συνολική διεργασία ενσωματώνεται στο λογισμικό προσομοίωσης DWSIM πλαισιομένη από τις απαραίτητες βοηθητικές διεργασίες για την πραγματοποίηση της σύνθεσης όπως και διατάξεων ανακυκλοφορίας για H2O, CO2 και αέριο σύνθεσης προς αύξηση της συνολικής απόδοσης και ενίσχυση του «πράσι-νου» χαρακτήρα του εγχειρήματος. Κατ’ αυτόν τον τρόπο εξάγονται τα βασικά ισοζύγια μάζας και ροές ενέργειας. Τέλος, πραγματοποιείται βασική διαστασιολόγηση των επί μέρους κύριων μερών εξοπλισμού της μονάδας αξιοποιώντας μεθόδους και δεδομένα από τη βιβλιογραφία και το πρό-γραμμα προσομοίωσης. Το τελικά παραγόμενο προϊόν της προσομοίωσης διαμορφώθηκε στα 316kg/h σε υδρογονάνθρακες στο φάσμα του jet fuel και 76,5kg/h σε υδρογονάνθρακες στο φάσμα της νάφθας, ενώ η απόδοση παραγωγής εκτιμήθηκε ως 33,2% επί της ποσότητας της τροφοδοσίας συνθετικού αερίου στον αντιδραστήρα της FTS.
Στη συνέχεια, με βάση τα ανωτέρω προκύπτοντα στοιχεία και αναφορές της διεθνούς βιβλιογρα-φίας, η ανάλυση επικεντρώνεται στο κύριο ζητούμενο της εργασίας, δηλαδή, την αξιολόγηση της βιωσιμότητας της σχεδιαζόμενης μονάδας μέσω τεχνοοικονομικής μελέτης. Αρχικά, τίθενται οι βα-σικές παραδοχές για την εκπόνηση της μελέτης προς χρήση τους στην κατάστρωση του επιχειρημα-τικού πλάνου. Ακολούθως προσδιορίζεται, το συνολικό πάγιο κόστος επένδυσης στα 39,8€Μ με ση-μαντικό μέρος του να καταλαμβάνεται από τις εγκατεστημένες διατάξεις των αντιδραστήρων και ηλεκτρόλυσης. Κατόπιν, καταρτίζονται τα κύρια στοιχεία του ετήσιου λειτουργικού κόστους, ο υπο-λογισμός των οποίων καταλήγει στο συνολικό ποσό των 8,52€Μ/έτος, με το κόστος του ηλεκτρικής ενέργειας και συγκεκριμένα της απαιτούμενης ενέργειας για την παραγωγή του H2 να αναλογεί πε-ρίπου στο μισό από αυτό. Τέλος, παρατίθενται τα δυνητικά κέρδη και έπειτα καταρτίζεται το επιχει-ρηματικό πλάνο χρησιμοποιώντας όλα τα προαναφερθέντα στοιχεία. Η ανάλυση σε βάθος 20ετίας καταδεικνύει πως παρά την αποπληρωμή του εξοπλισμού και του δανείου μέσα στον εξεταζόμενο χρόνο ζωής της μονάδας, οι ταμειακές ροές και ως εκ τούτου η αθροιστική παρούσα αξία (NPV) του εγχειρήματος παραμένει αρνητική για κάθε έτος. Καταληκτικά το εγχείρημα χαρακτηρίζεται ως μη βιώσιμο υπό τις συνθήκες της αγοράς που θεωρήθηκαν (π.χ. χαμηλό κόστος carbon credits, σχετικά υψηλή τιμή αγοράς ηλεκτρικής ενέργειας κλπ.). Ωστόσο, το σταθμισμένο κόστος του παραγόμενου καυσίμου (LCOP) διαμορφώθηκε στα 3,26€/kg ή 2,61 €/lt, τιμή η οποία προσεγγίζει τα αντίστοιχα υπολογιζόμενα κόστη από παρόμοιες μελέτες εκτίμησης κόστους ηλεκτροκαυσίμων αερομεταφο-ρών. Η παρατήρηση αυτή, εγείρει το ενδιαφέρον προς περαιτέρω ανάλυση των παραγόντων που επηρεάζουν σημαντικά το LCOP και κατ’ επέκτασιν το λειτουργικό κόστος. Συνεπώς, προς καλύτερη αξιολόγηση της παρούσας κατάστασης, πραγματοποιείται σχετική ανάλυση ευαισθησίας, τα ευρή-ματα της οποίας κλίνουν προς 2 βασικά συμπεράσματα που θα επηρέαζαν σημαντικά την βιωσιμό-τητα του εγχειρήματος, ήτοι: Η αύξηση της απόδοσης της διάταξης ηλεκτρόλυσης, η μείωση του κόστους της ανανεώσιμης ηλεκτρικής ενέργειας στη χώρα προς υποστήριξη της βιομηχανίας και της μετάβασης στην «πράσινη» οικονομία.
Εν κατακλείδι, στο μέρος των συμπερασμάτων και προτάσεων, ανακεφαλαιώνονται τα ευρήματα της μελέτης και προτείνονται ορισμένες τροποποιήσεις προς βελτιστοποίηση της διάταξης της μο-νάδας όπως και τομείς προς επιπλέον έρευνα για καλύτερη κατάρτιση των παραγόμενων προϊόντων και ως εκ τούτου, ακριβέστερη αξιολόγηση της βιωσιμότητας του εγχειρήματος. Σε κάθε περίπτωση, καθημερινά ανακοινώνονται πρωτοβουλίες, πλάνα διαχείρισης της ατμοσφαιρικής ρύπανσης που οφείλεται στο CO2 και προγράμματα υποστήριξης για αντίστοιχα εγχειρήματα αφήνοντας πολύ χώρο για επαναξιολόγηση του παρόντος εγχειρήματος από οικονομικής πλευράς, στην Ελλάδα στο εγγύς μέλλον.
Description
Keywords
Ανανεώσιμα καύσιμα αεροσκαφών, Αντίδραση reverse water-gas shift, Σύνθεση Fischer-Tropsch, Μελέτη κόστους