Toekomst van methanol: De kosten van het afstappen van aardgas

What do adhesives, light displays, gasoline, and industrial rubber have in common? They all have the simplest organic alcohol — methanol — as their foundation. Methanol is a building block for a wide range of chemicals, and with one of the highest hydrogen-to-carbon ratios, it shows potential as a high-energy-efficiency fuel. Methanol also accounts for 28% of the emissions associated with primary chemical production. Methanol is mainly produced from natural gas (gray methanol) in a two-step process — natural gas reforming into synthetic gas (syngas) and catalytic conversion of syngas into methanol — and has a production cost of roughly USD 160/tonne. But growing applications for methanol as a low-carbon fuel and a carbon carrier for the chemicals industry require a transition away from fossil feedstock.

Aan deze overgang hangt echter een prijskaartje. En de kosten worden hoger naarmate we ons verder verwijderen van de traditionele grondstoffen en processen. We kijken naar de kosten van de productie van drie verschillende soorten koolstofarme methanol (blauwe methanol, biomethanol en e-methanol) in termen van de mate waarin ze afwijken van de gebruikelijke route voor grijze methanol. 

*Capex, kapitaaluitgaven, **Opex, bedrijfsuitgaven, ***CCS, koolstofafvang en -opslag

• Blue methanol (identical feedstock, identical process). The first adjacency to gray methanol is blue methanol, which retains the incumbent natural gas pathway with a carbon capture retrofit. Blue methanol costs USD 230/tonne of methanol and allows operating facilities to reduce the carbon intensity of gray methanol by approximately 40% via carbon capture. Activity here has been sparse, but earlier this year, the U.S. saw an announcement about a USD 3 billion project at the Port of Lake Charles to produce blue methanol and other chemicals. However, this is not a long-term solution because blue methanol will eventually be penalized in its lifecycle analysis since the carbon embedded is still from natural gas and, therefore, fossil derived. Emissions (including methane) from feedstock sourcing and gas flaring result in an unavoidable carbon intensity that can hinder market adoption. 

• Biomethanol (nieuwe grondstof, vergelijkbaar proces). De volgende adjacentie betreft de overschakeling op een niet-fossiele koolstofbron, maar met behoud van bepaalde aspecten van het bestaande aardgasproces. De niet-fossiele koolstofbron is biomassa of biogas, en het procesaspect dat wordt behouden is het tussenproduct syngas. Vaste biomassagrondstoffen zoals houtpellets of gemeentelijk vast afval kunnen worden vergast en een gasvormige grondstof zoals biogas kan worden gereformeerd om syngas te produceren. Syngas wordt vervolgens omgezet in biomethanol, dat chemisch identiek is aan fossiele methanol. De uitdaging in dit proces is niet de conversie van syngas, maar eerder de productie van syngas uit biomassa. Biomassa is duurder dan aardgas, en de noodzaak van grote vergassers om grote hoeveelheden biomassa op te nemen drijft de kapitaalkosten op. Dit resulteert in een totale kostprijs van ongeveer 600 USD/ton biomethanol. In de toekomst kan schaalgrootte helpen om de kosten te drukken, maar de biomassaprijzen zullen sterk worden beïnvloed door prijsinflatie als gevolg van regionale aanbodbeperkingen. Het hervormen van biogas is iets minder duur, ongeveer USD 450/ton biomethanol, maar de uitdaging ligt hier in het feit dat het biogas direct wordt gebruikt voor energieopwekking in plaats van te worden opgewerkt tot hernieuwbaar aardgas van netkwaliteit dat kan worden gebruikt voor de productie van biomethanol. Dit is meer prominent in regio's zoals Europa, dat streeft naar energiezekerheid in tijden van geopolitieke conflicten. Over het geheel genomen is biomethanol de goedkoopste soort niet-fossiele methanol, maar op de lange termijn zal het een probleem worden om fossiele methanol volledig te vervangen. 

• E-methanol (nieuwe grondstof, nieuw proces). De laatste optie is het aanboren van afgevangen_CO2 en groene waterstof, waarvoor een nieuwe technologie nodig is -_{CO2-hydrogenering} - die verschilt van de omzetting van syngas in methanol. E-methanol heeft de gunstigste koolstofvoetafdruk, en men kan stellen (en hopen) dat de overvloed aan koolstofafvang en groene waterstof in 2050 deze nieuwe grondstoffen vrijwel onbeperkt en goedkoop zal maken. Maar van die realiteit zijn we nog ver verwijderd. Voor de productie van 1 ton e-methanol is 0,2 ton waterstof nodig, en een optimistische kostprijs van groene waterstof van USD 4/kg vertaalt zich in een grondstofprijs van waterstof van USD 800/ton methanol. Daarom liggen de totale kosten van e-methanol momenteel in de buurt van USD 1.000/ton methanol, waarbij het langetermijntraject is afgestemd op ontwikkelingen in de koolstof- en waterstofeconomie. Veel grote chemiebedrijven leveren echter geavanceerde katalysatoren en werken samen met partners in de waardeketen om eerste e-methanolfaciliteiten op te zetten die kunnen worden gekopieerd.

Opschaling van e-methanol om de kosten te drukken: Vaste en gevarieerde waardeketenpartners

Het opschalen van e-methanolfaciliteiten vereist het opzetten van gestandaardiseerde en herhaalbare commerciële faciliteiten met een vergelijkbare productiecapaciteit. Hiervoor zijn sterke technologiepartners nodig (naast katalysatorontwikkelaars) die gestandaardiseerde en reproduceerbare technologiecomponenten kunnen leveren. We noemen specifiek de aanpak van Liquid Wind in de context van toekomstige kostenverlagingen door schaalvergroting. Liquid Wind wil 80 e-methanolfaciliteiten opzetten in Scandinavië, elk met een capaciteit van 100 kton/j. Liquid Wind heeft zijn technologieleveranciers vastgelegd - Carbon Clean voor koolstofafvang, Siemens voor groene waterstof en Topsoe voor de katalysator - en zijn nutspartner gevarieerd op basis van de locatie. Na verloop van tijd zorgt deze aanpak voor efficiëntie en leerprocessen in de integratie van verschillende technologieën in plaats van nieuw kapitaal te gebruiken om technologiecomponenten te optimaliseren en te verfijnen. 

Verder dan CO₂ hydrogenatie: Wat kan er nog meer gedaan worden?

E-methanol is nog steeds een opkomende technologie, maar bij Lux kijken we altijd naar de toekomst. Hoewel we verwachten dat e-methanolprojecten waarbij chemische grootmachten betrokken zijn de grootste kans op commercieel succes hebben, is het ecosysteem voor e-methanol nog steeds rijp voor innovatie. Hier zijn een paar andere manieren om e-methanol te produceren: 

• Methanologie. Een op enzymen gebaseerd elektrochemisch proces dat_CO2 en water omzet in methanol; er is geen waterstof nodig. 
• Oxylus Energy. Directe_CO2 elektrolyse in methanol met behulp van een nieuwe kobalt-op-koolstof katalysator. 
• ICODOS. Continu koolstofafvang- en conversieproces dat achteraf wordt ingebouwd in een industriële installatie en ter plaatse e-methanol produceert. De kostenbesparingen komen hier van lagere kosten voor koolstofafvang (door energiebesparingen van desorptie en_{CO2-compressie} ) en investeringen, maar er is nog steeds groene waterstof nodig.