A standardized methodology for the techno-economic evaluation of alternative fuels – A case study

Abstract

Greenhouse gas emissions in the transport sector can significantly be reduced by replacing fossil based fuels with green alternatives. Various alternative fuel concepts have been developed differing in used sustainable feedstock, synthesis technology and final fuel characteristics. Whether these fuels can succeed in the market will depend on the fuel net production costs, the expected cost reduction potentials and the political intention to mitigate climate change. Results of previous studies for the techno-economic assessment of alternative fuels are difficult to compare due to significant differences in the applied methodology, level of detail and key assumptions in terms of economic factors and market prices. In this work, a standardized methodology for techno-economic analysis of fuel production processes is presented and exemplarily applied on sustainable fuels from Fischer-Tropsch (FT) synthesis. The methodology was adapted from a best practice approach from chemical industry and consists of three main steps: A) literature survey on feasible production designs, B) flowsheet simulation and C) techno-economic assessment with the in-house software tool TEPET (Techno-Economic Process Evaluation Tool). It is shown that the standardized approach enables qualitative and quantitative statements regarding the technical and economic feasibility of fuel synthesis concepts including the identification of the appropriate fuel production concept due to predefined framework conditions. Results from the case study on green FT fuels reveal that Biomass-to-Liquid (BtL) concepts have lowest production costs at high electricity costs, whereas the Power-to-Liquid (PtL) and Power and Biomass-to-Liquid (PBtL) concepts are superior at low electricity prices. Fuel production costs in the range of 1.2 and 2.8 € 2014 /l were estimated.

Production of Alternative Liquid Fuels in the Future Energy System

“…Abb. ), bei dem durch Wasserelektrolyse Wasserstoff erzeugt und in den Syntheseprozess eingespeist wird, um eine drei‐ bis vierfach höhere Kraftstoffausbeute zu realisieren, als es mit reinen Biokraftstoffen möglich ist . Das THG‐Minderungspotenzial ist dabei invers proportional zum THG‐Fußabdruck des genutzten Stroms.…”

“…Für die Kraftstoffbewertung wurden zunächst detaillierte Fließbildmodelle mit der Simulationssoftware Aspen Plus angefertigt und energetisch sowie stofflich integriert. Die Prozessoptimierung sowie die Berechnung der Kapital‐, Betriebs‐, Herstellungs‐ und THG‐Vermeidungskosten wurden mit dem DLR‐Tool TEPET ( techno‐economic process evaluation tool ) durchgeführt.…”

“…für jeweils ein BtL‐, PBtL‐ und PtL‐Verfahren dargestellt. Eine genauere Übersicht über die gewählten Prozessverschaltungen und möglichen Alternativen ist in verfügbar. Zur Herstellung von flüssigen Kohlenwasserstoffen mittels Fischer‐Tropsch‐Synthese wird ein Synthesegas bestehend aus Wasserstoff und Kohlenmonoxid, nachfolgend Syngas genannt, benötigt.…”

“…Eine detaillierte Beschreibung des Simulationsmodells sowie der Rahmenbedingungen für die Prozesssimulation sind in verfügbar. Die detaillierten Prozesssimulationsmodelle wurden energetisch mittels Wärmeintegration und Pinch‐Analyse mit dem DLR‐Tool TEPET optimiert.…”

“…Die Berechnung der ökonomischen Kennwerte basiert auf einer standardisierten, jahresspezifischen und transparenten Methodik, die beim DLR für die Bewertung thermochemischer Verfahren entwickelt und im Software‐Tool TEPET implementiert wurde. Ausgehend von den Ergebnissen der Prozesssimulation wurden sämtliche Apparategrößen ermittelt und die Anlageninvestitionskosten über Referenzwerte für Anlageninvestitionen (AI ref ) als Funktion der Anlagenkapazität ( S ref ) aus der Literatur sowie tabellierte Kostenkurven aus der chemischen Prozessindustrie berechnet . Die Investitionskosten werden mit dem jeweiligen anlagenspezifischen Degressionsfaktor d skaliert, um die Kostensenkungspotenziale durch Skaleneffekte zu berücksichtigen.…”