Techno-economic analysis of methane decomposition process: A scale-up study of three reactor types

Abstract

The increasing energy demand of the world and the greenhouse gases caused by the use of fuels have led to a situation, where renewable energy sources need better utilization. Sustainable energy sources, such as solar or wind, could be used as environmentally clean alternatives. Due to their fluctuating nature, there should be a way to store the produced energy. Hydrogen could be utilized as a clean energy carrier for sustainable energy, since hydrogen use causes no direct greenhouse gases. The sustainable hydrogen production could use renewable electricity to power water electrolysis. The drawback of water electrolysis is its small capacity and high hydrogen production costs. Therefore, the current hydrogen production is based on fossil fuels, that enable more profitable production. The challenge with fossil fuel-based hydrogen production is that the used technologies contribute to global warming by emitting greenhouse gases to atmosphere.

This thesis studied methane decomposition, an alternative way of producing hydrogen with low greenhouse gas emissions. It is a reaction, where methane is thermally converted to hydrogen gas and solid carbon, avoiding direct CO2 emissions. The formed carbon could be sold as a by-product, to make the decomposition process more profitable. The aforementioned reasons have raised interest in industrial deployment of methane decomposition, which is still mostly under research phase. The objectives of this thesis were to design, analyse, and compare different methane decomposition processes from technical and economical viewpoints. The research gathered the needed material for decomposition process design from the literature, combined the material to a process calculation tool, and used the tool for technical and economic analysis.

The literature survey showed that a methane decomposition process should include a reactor, heat exchanger, particle filter, and hydrogen recovery unit. The process can be carried out as thermal decomposition of methane (TDM) or as catalytic decomposition of methane (CDM). As a result of process dimensioning, it was found out that the optimal reaction and reactor choice based on compact equipment size was CDM using Ni-based catalyst in bubbling fluidized bed (BFB) reactor. The process energy analysis showed, that the TDM in regenerative heat exchange reactor (RHER) had the highest process efficiency of 49 %. The economic analysis indicated that the BFB reactor using Ni-based catalyst had the lowest hydrogen production cost of 2.55 EUR kg−1 and TDM in RHER the highest with 2.82 EUR kg−1. The conducted scale-up analysis showed that increasing the production capacity from 1,000 Nm3 h−1 to 10,000 Nm3 h−1 could lower the hydrogen production cost of up to 14 %. The performed sensitivity analysis indicated that the hydrogen production cost was the most sensitive for methane cost deviation.

Based on the results, a BFB utilizing Ni-based catalyst was found as the optimal reactor choice for methane decomposition. However, based on the results, more research should be done on reactor diameter scale-up, heat integration methods and their placements inside the reactors, and carbon separation methods from reactor bed material in a continuous industrial sized process.

Maailman kasvava energiantarve ja polttoaineiden käytöstä johtuvat kasvihuonekaasut ovat johtaneet tilanteeseen, jossa tarvitaan vaihtoehtoisia energianlähteitä. Uusiutuvia energianlähteitä, kuten aurinkoenergiaa tai tuulta voitaisiin käyttää puhtaina vaihtoehtoina energiantuotannossa. Niiden vaihtelevan saatavuuden vuoksi pitäisi olla tapa varastoida tuotettu energia. Vetyä voitaisiin käyttää puhtaana energiankantajana uusiutuvalle energialle, koska vedyn käyttö ei aiheuta välittömiä kasvihuonekaasuja. Uusiutuvalla sähköllä voitaisiin tuottaa vetyä veden elektrolyysin kautta, mutta prosessin haittana on sen pieni kapasiteetti ja korkeat kustannukset. Siksi nykyinen vedyn tuotanto perustuu kannattavampiin fossiilisiin polttoaineisiin, joiden käyttö kuitenkin edistää ilmaston lämpenemistä kasvihuonekaasupäästöillä.

Tässä työssä tutkittiin metaanin hajottamista, joka on vähäpäästöinen tapa tuottaa vetyä. Metaanin hajottaminen on reaktio, jossa metaani hajotetaan vetykaasuksi ja kiinteäksi hiileksi, ilman välittömiä CO2-päästöjä. Muodostunut hiili voidaan myydä sivutuotteena hajottamisprosessin kannattavuuden lisäämiseksi. Edellä mainittujen syiden johdosta kiinnostus metaanin hajottamisen kaupallista käyttöä kohtaan on kasvanut, joskin se on pääosin tutkimusvaiheessa. Työn tavoitteena oli suunnitella, analysoida ja vertailla erilaisia metaanin hajottamisprosesseja teknisestä ja taloudellisesta näkökulmasta. Tutkimuksessa koottiin hajottamisprosessin suunnitteluun tarvittavat materiaalit kirjallisuudesta, yhdistettiin materiaalit prosessilaskentatyökaluun ja käytettiin työkalua tekniseen ja taloudelliseen analyysiin.

Kirjallisuustutkimus osoitti, että metaanin hajottamisprosessin tulisi sisältää reaktori, lämmönvaihdin, hiukkassuodatin ja vedyn talteenottoyksikkö. Prosessi voidaan toteuttaa metaanin termisenä hajottamisena (thermal decomposition of methane, TDM) tai metaanin katalyyttisenä hajottamisena (catalytic decomposition of methane, CDM). Prosessimitoituksen mukaan optimaalinen reaktio- ja reaktorivalinta pienimmän laitekoon perusteella oli CDM käyttäen Ni-pohjaista katalyyttiä kuplivassa leijupetireaktorissa (bubbling fluidized bed, BFB). Prosessin energiatarkastelussa TDM regeneratiivisessa lämmönvaihdinreaktorissa (regenerative heat exchange reactor, RHER) sai suurimman hyötysuhteen 49 %. Taloudellinen analyysi osoitti, että Ni-pohjaista katalyyttiä käyttävän BFB-reaktorin vedyn tuotantokustannukset olivat pienimmät 2,55 EUR kg−1 ja TDM RHERreaktorissa suurimmat 2,82 EUR kg−1. Prosessin laajennuksesta tehty analyysi osoitti, että tuotantokapasiteetin lisääminen välillä 1 000–10 000 Nm3 h−1 voi alentaa vedyn tuotantokustannuksia jopa 14 %. Suoritettu herkkyysanalyysi osoitti, että metaanin hinnan vaihtelulla oli suurin vaikutus vedyn tuotantokustannuksien muutokseen.

Tulosten perusteella Ni-pohjaista katalyyttiä käyttävä BFB-reaktori havaittiin parhaaksi reaktorivalinnaksi metaanin hajottamiseen. Tulosten perusteella suositellaan kuitenkin lisätutkimusta reaktorin halkaisijan suurentamiseen, lämmöntuonnin menetelmiin ja sijoittamiseen reaktorien sisällä sekä hiilen erotusmenetelmiin reaktorin petimateriaalista jatkuvassa teollisessa prosessissa.