Production of sustainable aviation fuels (SAFs) via gasification-based pathways: a feasibility/scalability study & techno-economic assessment

Abstract

International Air Transport Association (IATA) has set the target of net-zero carbon emissions by 2050 for the aviation sector. The major factor in achieving net-zero is anticipated to be the increasing deployment of sustainable aviation fuels (SAFs). SAFs refer to liquid biofuels (produced from sustainable biogenic feedstock) or e-fuels (produced from green hydrogen and CO2) that are interchangeable replacements of conventional petroleum-derived jet fuel. IATA has adopted SAFs as the most promising strategy to reduce the environmental impact of the sector due to their compatibility with the extensive current infrastructure and the limitations of viable alternatives (e.g. electrification). Hydrogen aviation or electrification require deep and all-encompassing changes in the industry and can be considered only as long-term alternatives. Hydroprocessed esters and fatty acids (HEFA), produced from the hydrotreatment of waste fats, oils, and greases, is the most cost-affordable SAF option and is expected to remain the most efficient pathway at least through 2030. However, HEFA technology is unable on its own to cover the growing SAF demand within the planned fuel transition of the sector due to the scarcity of appropriate (for HEFA) feedstock types that do not raise environmental/social concerns (e.g. edible raw material, land use change). Hence, the strategy set by the European Union underlines the need for the production/use of advanced biofuels (derived from biogenic residues/wastes) through the establishment of effective Biomass-to-Liquid (BtL) concepts. Reducing production costs is the primary difficulty associated with these concepts, as conventional BtL pathways typically entail significant capital and operational expenses. Gasification is a key technology towards the commercial uptake of sustainable BtL plants. In this context, the present doctoral thesis aims to provide a thorough analysis concerning the feasibility of gasification-driven BtL technologies that includes a critical review on the current SAF production pathways, the interaction with key industrial stakeholders (e.g. refineries) via dedicated surveys, the assessment of cutting-edge gasification configurations, the election of appropriate biogenic residues to support large-scale BtL implementations, as well as the design and techno-economic assessment of a novel BtL scheme. In particular: Chapter 1 lays the foundations of the performed research by presenting and evaluating the available alternatives towards the decarbonization of the aviation industry. A comparative analysis of the dominant SAF technologies is carried out considering financial efficiency, environmental impact, and future projections. The current regulatory framework is reviewed and the impact of the recent initiative ‘ReFuelEU Aviation’ is assessed. Chapter 2 is dedicated to the interaction with the relevant market and securing of industrial insight regarding the biofuels perspective. Five (5) target groups were selected to represent the key stakeholders towards the uptake of advanced biofuels; feedstock suppliers, refineries, fuel traders, final end-users, and policy makers. A questionnaire survey was performed and key facts for each target group were extracted. Chapter 3 is separated into two parts. The first part evaluates the suitability of Dual Fluidized Bed (DFBG) and Chemical Looping (CLG) gasification technologies for commercial BtL applications through validated process models and upscaling reflections. The second part covers the screening of biogenic residues throughout Europe and the determination of appropriate feedstock types in terms of capacity, technical attributes, and market specifications. The primary biogenic sources that can be utilized for energy production via gasification are forestry and agricultural residues. Chapter 4 introduces an innovative fuel synthesis BtL scheme based on the double-stage fermentation of the produced syngas (syngas → acetic acid → microbial oil) instead of the conventional Fischer-Tropsch (FT) or Alcohol-to-Jet (AtJ) synthesis. An initial performance evaluation is carried out and design considerations are discussed through the simulation of various operational scenarios. Chapter 5 presents the elected design of the innovative BtL concept and conducts its techno-economic evaluation at full scale (200 MWth) based on reasonable upscaling considerations and models validated at pilot scale. Benchmarking with the FT and AtJ technologies is aimed, while a preliminary Greek BtL replication study is generated. Gasification-driven BtL technologies, led by FT and AtJ that are already at pre-commercial level, are capable of growing significantly in the upcoming years due to their advanced feedstock flexibility. Key prerequisites for this to occur are the ongoing attempts for design optimization (reduction of production costs), the right policy incentives, and the effective integration with the current refining infrastructure.

Η Διεθνής Ένωση Αερομεταφορών (IATA) έχει θέσει ως στόχο τις μηδενικές εκπομπές άνθρακα έως το 2050. Ο κύριος παράγοντας επίτευξης αυτού του στόχου αναμένεται να είναι η αυξανόμενη διείσδυση των βιώσιμων αεροπορικών καυσίμων (SAFs). Ο όρος SAFs αναφέρεται σε υγρά βιοκαύσιμα (που παράγονται από βιογενή πρώτη ύλη) ή ηλεκτροκαύσιμα (e-fuels) (που παράγονται από πράσινο υδρογόνο και CO2) που είναι πλήρως εναλλάξιμα υποκατάστατα της συμβατικής (ορυκτής) κηροζίνης. Τα SAFs έχουν υιοθετηθεί ως η πιο ελπιδοφόρα στρατηγική για τη μείωση του περιβαλλοντικού αποτυπώματος του τομέα λόγω της συμβατότητάς τους με την εκτεταμένη τρέχουσα υποδομή και τους περιορισμούς των διαθέσιμων εναλλακτικών λύσεων (π.χ. ηλεκτροκίνηση). Η χρήση υδρογόνου ή η ηλεκτροκίνηση απαιτούν βαθιές και συνολικές αλλαγές στον κλάδο και μπορούν να θεωρηθούν μόνο ως μακροπρόθεσμες εναλλακτικές.Η τεχνολογία τύπου HEFA, που βασίζεται στην υδρογόνωση χρησιμοποιημένων ελαίων/ζωικών λιπών, είναι η πιο οικονομικά προσιτή τεχνολογία παραγωγής SAF και αναμένεται να παραμείνει η πιο ώριμη και αποτελεσματική επιλογή τουλάχιστον μέχρι το 2030. Ωστόσο, η συγκεκριμένη τεχνολογία δεν επαρκεί για να καλύψει από μόνη της την ευρεία μετάβαση καυσίμου του κλάδου λόγω της περιορισμένης διαθεσιμότητας πρώτων υλών (για HEFA) που δεν εγείρουν περιβαλλοντικούς/κοινωνικούς προβληματισμούς (π.χ. βρώσιμη πρώτη ύλη, αλλαγή χρήσης γης). Ως εκ τούτου, η στρατηγική που καθορίστηκε από την Ευρωπαϊκή Ένωση υπογραμμίζει την ανάγκη για παραγωγή/χρήση προηγμένων βιοκαυσίμων (που προέρχονται από βιογενή υπολείμματα/απόβλητα) μέσω της ανάπτυξης αποτελεσματικών τεχνολογιών BtL (Biomass-to-Liquid). Η μείωση του κόστους παραγωγής είναι η κυριότερη πρόκληση αυτών των τεχνολογιών, καθώς τα σχήματα BtL συνήθως συνεπάγονται σημαντικά κεφαλαιουχικά και λειτουργικά έξοδα.Η αεριοποίηση είναι μια βασική τεχνολογία για την ανάπτυξη βιώσιμων μονάδων BtL. Σε αυτό το πλαίσιο, η παρούσα διδακτορική διατριβή στοχεύει σε μια διεξοδική ανάλυση σχετικά με τη σκοπιμότητα τεχνολογιών BtL βασισμένων στην αεριοποίηση και περιλαμβάνει μια ανασκόπηση των κυρίαρχων τεχνολογιών παραγωγής SAF, την αλληλεπίδραση με σχετικούς βιομηχανικούς φορείς (π.χ. διυλιστήρια), την αξιολόγηση προηγμένων σχημάτων αεριοποίησης, την επιλογή κατάλληλων βιογενών υπολειμμάτων για την υποστήριξη βιομηχανικών εφαρμογών BtL, καθώς και το σχεδιασμό/τεχνοοικονομική αξιολόγηση μιας καινοτόμου BtL τεχνολογίας. Συγκεκριμένα: Το Κεφάλαιο 1 θέτει τα θεμέλια της παρούσας διατριβής παρουσιάζοντας κι αξιολογώντας τις διαθέσιμες εναλλακτικές για την αποδέσμευση της αεροπορικής βιομηχανίας από τον άνθρακα. Πραγματοποιείται μια συγκριτική ανάλυση των κυρίαρχων τεχνολογιών SAF λαμβάνοντας υπόψη την οικονομική απόδοση, τις περιβαλλοντικές επιπτώσεις, και τις μελλοντικές προβλέψεις. Επίσης, αξιολογείται ο αντίκτυπος της πρόσφατης πολιτικής πρωτοβουλίας ‘ReFuelEU Aviation’. Το Κεφάλαιο 2 επικεντρώνεται στην αλληλεπίδραση με τη σχετική βιομηχανία. Επιλέχθηκαν πέντε (5) ομάδες-στόχοι για να εκπροσωπήσουν βασικά ενδιαφερόμενα μέρη σχετικά με την υιοθέτηση προηγμένων βιοκαυσίμων; προμηθευτές πρώτων υλών, διυλιστήρια, έμποροι καυσίμων, τελικοί χρήστες, και υπεύθυνοι χάραξης πολιτικής. Πραγματοποιήθηκε έρευνα με ειδικά διαμορφωμένα ερωτηματολόγια και εξήχθησαν βασικά στοιχεία για κάθε ομάδα-στόχο.Το Κεφάλαιο 3 χωρίζεται σε δύο μέρη. Το πρώτο μέρος αξιολογεί τη καταλληλότητα των τεχνολογιών αεριοποίησης DFBG και CLG για εφαρμογές BtL μέσω επικυρωμένων μοντέλων και αντανακλάσεων μεγαλύτερης κλίμακας. Το δεύτερο μέρος καλύπτει τον προσδιορισμό κατάλληλης πρώτης ύλης (διαλογή βιογενών υπολειμμάτων) ανά την Ευρώπη όσον αφορά τη διαθεσιμότητα, τα τεχνικά χαρακτηριστικά, και τις προδιαγραφές της αγοράς. Οι κύριες βιογενείς πηγές ενέργειας μέσω αεριοποίησης είναι τα υπολείμματα δασικής και γεωργικής προέλευσης. Το Κεφάλαιο 4 εισάγει ένα καινοτόμο σχήμα BtL που βασίζεται στη διβάθμια ζύμωση του αερίου σύνθεσης (αέριο σύνθεσης → οξικό οξύ → μικροβιακό έλαιο) αντί των συμβατικών σχημάτων Fischer-Tropsch (FT) ή Alcohol-to-Jet (AtJ). Πραγματοποιείται μια αρχική αξιολόγηση απόδοσης και εξετάζονται εκτιμήσεις σχεδιασμού μέσω της προσομοίωσης διαφόρων σεναρίων λειτουργίας. Το Κεφάλαιο 5 παρουσιάζει τον επιλεγμένο σχεδιασμό του νέου σχήματος BtL (200 MWth) και διεξάγει την τεχνοοικονομική αξιολόγησή του με βάση επικυρωμένα μοντέλα και λογικές θεωρήσεις αναβάθμισης κλίμακας. Στόχος είναι η συγκριτική αξιολόγηση με τις τεχνολογίες FT και AtJ, ενώ παρουσιάζεται και μια προκαταρκτική μελέτη ωρίμανσης ελληνικού BtL.Οι τεχνολογίες BtL βασισμένες στην αεριοποίηση, καθοδηγούμενες από τις ήδη σε προ-βιομηχανικό επίπεδο FT και AtJ, μπορούν να ευδοκιμήσουν τα επόμενα χρόνια λόγω της ευελιξίας τους σε πρώτη ύλη. Βασικές προϋποθέσεις για να συμβεί αυτό είναι οι συνεχείς προσπάθειες για βέλτιστο σχεδιασμό (μείωση του κόστους παραγωγής), κατάλληλα πολιτικά κίνητρα, και η αποτελεσματική σύνδεση με τις υπάρχουσες υποδομές διύλισης.