Μελέτη κόστους παραγωγής ανανεώσιμων καυσίμων αεροσκαφών μέσω υδρογόνωσης του διοξειδίου του άνθρακα
| datacite.contributor.RelatedPerson | Κονταρίδης, Δημήτριος | |
| datacite.contributor.RelatedPerson | Μπογοσιάν, Σογομών | |
| dc.contributor.author | Στεφάνου, Θεόδωρος | |
| dc.contributor.other | Stefanou, Theodoros | |
| dc.date.accessioned | 2024-03-27T09:41:21Z | |
| dc.date.available | 2024-03-27T09:41:21Z | |
| dc.date.issued | 2024-03-27 | |
| dc.degree | graduateThesis | |
| dc.description.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. | |
| dc.description.translatedabstract | This paper is a preliminary cost study for a renewable aviation fuel production plant, based in Greece, with sufficient capacity to meet the institutional needs of the "ReFuelEU Aviation Ini-tiative" until 2032 to assess the viability of such a project, based on the recent market mobiliza-tion in the renewable energy sector. First of all, an introductory reference to the issue of pollution and climate change is made, a phenomenon that has been intensified by the use of fossil fuels in most human activities. At the same time, the challenges of replacing conventional fuels with renewable fuels in the transport sector are outlined, focusing in particular on the air transportations and the lack of viable alter-natives in this sector. The potential impact of further delays in the transition from fossil fuels is further supported by the Global Carbon Budget projections of global warming in the next 30 years, up to 2oC. Subsequently, a comparative assessment of the available alternatives, namely: electric aviation, hydrogen powered aviation and renewable aviation fuels is carried out based on the energy densities of the energy sources available, and discussing the design and practical issues raised in each case. Concluding that renewable fuels are the most viable option at present, the research objectives and questions are defined and the scope is set out with the correspond-ing constraints and assumptions for the design of a 2.4ktn/year Sustainable Aviation Fuels (SAF) plant to meet 1.5% of the country's needs by 2032 (institutional requirement of the ReFuelEU Aviation Initiative). Having established the purpose and scope of the study, the main steps of the production process are then presented and the corresponding available technologies are further analysed to investigate the optimal synthesis pathway. Consideration is given in particular, to the 4 main processes, namely: CO2 capture from exhaust gases of conventional industrial processes (in par-ticular cement industry), electrolysis technologies for the production of pristine H2, fuel synthe-sis processes and the separation and upgrading pathway to jet fuel. On completion of the anal-ysis in each case, the choice of each type of technology for integration into the process is justi-fied and possible alternatives are proposed for re-evaluation as the level of technological ma-turity increases. The proposed process route is identified as: hydrogenation of bound CO2 via MEA (mono-ethanolamine) with 'green' H2 from alkaline electrolysis to produce synthesis gas via the Reverse Water-Gas Shift (RWGS) reaction and catalytic fuel synthesis via Fischer-Tropsch (FTS). The synthesis products are separated in a distillation column for transport to a refinery for further upgrading or selling as they are. Once the design is qualitatively completed at the process level, a more detailed analysis of the catalytic effects on the reactions taking place follows, as well as a discussion of the corre-sponding thermodynamic data to determine their conditions for optimizing production. After reviewing the available catalysts for RWGS and FTS, 2 systems are selected for the purpose of the study based on Cu-Fe and Co respectively. The conditions for carrying out the reactions are defined according to the relevant thermodynamic data to increase the reaction efficiency re-garding the desired products (CO for RWGS and hydrocarbons in the jet fuel range for FTS). Subsequently, the overall process is integrated into the DWSIM simulation software accompa-nied by the necessary auxiliary processes, as well as recirculation configurations for H2O, CO2 and synthesis gas, to increase the overall efficiency and enhance the "green" character of the project. In such a way, the basic mass balances and energy flows are derived. Finally, a basic dimensioning of the individual main equipment parts of the plant is carried out, using methods and data from the literature and the simulation program. The final output of the simulation was 316 kg/h of hydrocarbons in the jet fuel range and 76.5 kg/h of hydrocarbons in the naphtha range, while the production efficiency was estimated as 33.2% on the amount of synthetic gas feed to the FTS reactor. Then, based on the aforementioned data and references from international literature, the analysis focuses on the main objective of the study, i.e., the evaluation of the viability of the planned plant through a techno-economic study. Initially, the basic assumptions for the study are set out for use in the formulation of the business plan. Subsequently, the total fixed invest-ment costs of 39.8 €M are determined, with a significant part of it being taken up by the installed equipment costs of the reactors and electrolyser. Next, the main elements of the annual oper-ating costs are established, the calculation of which results in a total amount of 8.52 €M/year, with the cost of electricity and in particular the energy required for the production of H2 ac-counting for about half of this amount. Finally, the potential profits are listed and then the busi-ness plan is drawn up using all the above-mentioned elements. The 20-year analysis shows that despite the repayment of the equipment and the loan over the lifetime of the plant, the cash flow and hence the NPV of the project remains negative for each year. In conclusion, the project is characterised as not viable under the market conditions considered (e.g. low cost of carbon credits, relatively high electricity purchase price, etc.). However, the levelised cost of product (LCOP) was estimated as 3.26€/kg or 2.61 €/lt, which is close to corresponding calculated costs from similar studies estimating the cost of aviation electro-fuel production. This observation raises the interest for further analysis of the factors that significantly influence the LCOP and, by extension, the operating costs. Therefore, in order to better assess the current situation, a sen-sitivity analysis is carried out, the findings of which lean towards 2 main conclusions that would significantly affect the viability of the project, namely: Increasing the efficiency of the electro-lyser cells and, reducing the cost of renewable electricity in the country to support industry and the transition to the “green” economy. Lastly, the conclusions and recommendations section, consists of a summary of the findings of the study and a number of proposed modifications to optimize the layout of the plant, as well as areas for further research for a better quantification of the products and, therefore, a more accurate assessment of the viability of the project. In any case, any initiatives, plans for the man-agement of air pollution due to CO2 and assistance programmes for similar projects are an-nounced daily, leaving much room for re-evaluation of the present project from an economic standpoint in Greece in the near future. | |
| dc.identifier.uri | https://hdl.handle.net/10889/26950 | |
| dc.language.iso | el | |
| dc.rights | CC0 1.0 Universal | * |
| dc.rights.uri | http://creativecommons.org/publicdomain/zero/1.0/ | * |
| dc.subject | Ανανεώσιμα καύσιμα αεροσκαφών | |
| dc.subject | Αντίδραση reverse water-gas shift | |
| dc.subject | Σύνθεση Fischer-Tropsch | |
| dc.subject | Μελέτη κόστους | |
| dc.subject.alternative | Reverse water-gas shift | |
| dc.subject.alternative | Renewable aviation fuel production plants | |
| dc.title | Μελέτη κόστους παραγωγής ανανεώσιμων καυσίμων αεροσκαφών μέσω υδρογόνωσης του διοξειδίου του άνθρακα | |
| dc.title.alternative | Cost analysis for the production of sustainable aviation fuels through hydrogenation of carbon dioxide |
Files
Original bundle
1 - 1 of 1
Loading...
- Name:
- Μελέτη Κόστους Παραγωγής Ανανεώσιμων Καυσίμων Αεροσκαφών μέσω Υδρογόνωσης του Διοξειδίου του Άνθρακα.pdf
- Size:
- 3.4 MB
- Format:
- Adobe Portable Document Format
License bundle
1 - 1 of 1
No Thumbnail Available
- Name:
- license.txt
- Size:
- 5.02 KB
- Format:
- Item-specific license agreed upon to submission
- Description: