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Main Title: Techno-economic assessment – methodology development and the case of CO2-containing polyurethane rubbers
Translated Title: Wirtschaftlichkeitsbewertung - Methodenentwicklung und Fallstudie zu CO2-haltigen Polyurethankautschuken
Author(s): Buchner, Georg Alexander
Advisor(s): Schomäcker, Reinhard
Referee(s): Schomäcker, Reinhard
Fröhling, Magnus
Granting Institution: Technische Universität Berlin
Type: Doctoral Thesis
Language Code: en
de
Abstract: Well-founded project decisions on the continuation of research, development, and deployment (RD&D) activities are crucial to the success of an economic entity. Decision-makers rely heavily on sound techno-economic assessment (TEA), a systematic approach for judging the economic viability of a technology. A multitude of individual technology characteristics and practitioners’ backgrounds result in a myriad of different approaches toward TEA. In the chemical industry, a large variety of methods and indicators, which often do not easily reveal when they are best applied, lead to a lack of accuracy, comprehensibility, and transparency in many studies. This thesis tackles methodological shortcomings by providing a comprehensive framework comprised of a suggestion for a general work mode and structure of TEA, structures of its major parts, in particular cost estimation and profitability analysis, and a data-availability-based approach for the selection methods and indicators. In addition, guidance on the integration of TEA with life cycle assessment (LCA) and TEA for CO2 utilization technologies is given. While it is intrinsically impossible to provide technology-specific TEA methodology and standardization is discouraged due to a too great variety of TEA requirements and data, guidance on frequently arising questions can assist sound TEA studies in the field of CO2 utilization. For the selection of assessment methods, knowing the availability of the data needed for them is crucial. Technology readiness levels (TRL) are a popular concept for rating a technology’s maturity which reflects the state of the data available from it. However, currently available TRL concepts do not support a comprehensible rating in the chemical industry due to a lack of specification. For this reason, nine TRLs are specified with a matrix spanning several qualitative and quantitative general and engineering criteria and a multitude of indicators in each criterion and TRL: 1) Idea, 2) Concept, 3) Proof of concept, 4) Preliminary process development, 5) Detailed process development, 6) Pilot trials, 7) Demonstration and full-scale engineering, 8) Commissioning, 9) Production. General considerations on the nature of TRLs in the chemical industry are made and a stepwise approach to its rating is proposed. CO2 utilization technologies have received increasing recognition in the last decade due to their potential contribution to climate change mitigation as well as possible economic benefits. Recently, CO2 was copolymerized in polyether-based polyols; moreover, with the same technology, it is possible to copolymerize double bond agents. The resulting double-bond-containing polyether carbonate polyols (PEC) can in a subsequent step be chain-elongated with polyisocyanates to yield the respective CO2-containing polyurethane rubbers (PECU). As a case study in this thesis, both steps are described in detail and a process for the full-scale production of PEC is invented. Based on the data from the process design as well as additional information compiled from literature, a techno-economic assessment of the PECU was carried out. It reveals positive net present values for multiple [double bond agent]-[diisocyanate]-[benchmark] combinations. The accuracy of the TEA is hampered by missing process design for the PECU synthesis which results from a lack of technical knowledge. Consequently, the kinetic behavior of this reaction is investigated. Thermal analysis can be a quick and easy way to examine the kinetic behavior of complex polymer reactions. A reaction order of 1 indicates a strong influence of the chains’ mobility on the reaction rate. This effect is not attributed to a substantial occurrence of side reactions but rather to the intertwining of lengthy chains.
Fundierte Entscheidungen über die Fortführung von Forschung, Entwicklung und Umsetzung sind kritisch für den Erfolg von Akteuren in der Wirtschaft. Entscheidungsträger stützen sich hierbei besonders auf systematische Wirtschaftlichkeitsbewertung (TEA, engl. techno-economic assessment), welche verlässliche Voraussagen über die wirtschaftliche Erfolgsfähigkeit einer Innovation zulässt. Die Kombination individueller Technikmerkmale sowie von verschiedenen Erfahrungshintergründen von Anwendern führt zu einer Vielzahl verschiedener Ansätze. In der chemischen Industrie zieht eine Vielzahl von Methoden und Indikatoren, die oft nicht leicht erkennen lassen, wann sie am besten angewendet werden, in vielen Studien einen Mangel an Genauigkeit, Nachvollziehbarkeit und Transparenz nach sich. Diese Arbeit behebt methodische Defizite durch das Bereitstellen eines umfassenden Methodenrahmens. Dieser beinhaltet einen Vorschlag für eine allgemeine Arbeitsweise und Struktur von TEA, Strukturen ihrer Hauptbestandteile, insbesondere Kostenschätzungs- und Profitabilitätsanalysen, sowie einen datenverfügbarkeitsbasierten Ansatz für die Auswahl von Methoden und Indikatoren. Darüber hinaus werden Leitlinien zur Integration von TEA und Ökobewertung sowie TEA von CO2-Nutzungstechniken gegeben. Während es an sich unmöglich ist, technikspezifische TEA-Methodik bereitzustellen und Standardisierung aufgrund einer zu großen Vielfalt an Anforderungen und -Daten nicht empfohlen wird, können Leitlinien zu häufig aufkommenden Fragen die Verlässlichkeit von Studien auf dem Gebiet der CO2-Nutzung unterstützen. Für die Auswahl von Bewertungsmethoden ist ein Verständnis der Verfügbarkeit der für sie benötigten Daten von entscheidender Bedeutung. Technische Reifegrade (TRL, engl. technology readiness levels) sind ein beliebtes Konzept für die Einstufung der Reife einer Technik, welche die Verfügbarkeit von Daten zu ihr widerspiegelt. Die derzeit verfügbaren TRL-Konzepte ermöglichen jedoch aufgrund fehlender Spezifizierung keine nachvollziehbare Einstufung in der chemischen Industrie. Aus diesem Grund stellt diese Arbeit neun TRLs mit mehreren qualitativen und quantitativen allgemeinen und technischen Kriterien sowie einer Vielzahl von Indikatoren in jedem Kriterium und TRL zur Verfügung. Die vorgeschlagenen neun TRLs sind: 1) Idee, 2) Konzept, 3) Proof of Concept (Nachweis über die prinzipielle Durchführbarkeit eines Vorhabens), 4) Erste Prozessentwicklung, 5) Detaillierte Prozessentwicklung, 6) Pilotierung, 7) Demonstration und finales Engineering, 8) Inbetriebnahme, 9) Produktion. Es werden allgemeine Überlegungen zur Natur von TRLs in der chemischen Industrie angestellt sowie ein schrittweiser Ansatz zur Einstufung vorgeschlagen. CO2-Nutzungstechniken haben im letzten Jahrzehnt aufgrund ihres potenziellen Beitrags zur Eindämmung des Klimawandels sowie möglicher wirtschaftlicher Vorteile zunehmend Aufmerksamkeit erhalten. Vor Kurzem wurde CO2 in polyetherbasierten Polyolen copolymerisiert; mit der gleichen Technik ist es möglich, Doppelbindungsgeber zu copolymerisieren. Die resultierenden doppelbindungshaltigen Polyethercarbonatpolyole (PEC) können in einem weiteren Schritt mit Polyisocyanaten zu entsprechenden CO2-haltigen Polyurethankautschuken (PECU) kettenverlängert werden. Als Fallstudie in dieser Arbeit werden beide Schritte detailliert beschrieben und ein Verfahren für die großtechnische Herstellung von PEC erarbeitet. Auf Grundlage der Daten aus der Prozessentwicklung sowie zusätzlicher Literatur wurde eine TEA von PECU durchgeführt. Sie zeigt positive Kapitalwerte für mehrere [Doppelbindungsgeber]-[Diisocyanat]-[Benchmark]-Kombinationen auf. Die Genauigkeit der TEA wird durch die fehlende Verfahrensauslegung für die PECU-Synthese behindert, das auf mangelndem technischem Wissen beruht. Zum Schließen dieser Informationslücke wird in dieser Arbeit das kinetische Verhalten dieser Reaktion untersucht. Thermoanalyse kann eine schnelle und einfache Möglichkeit sein, das kinetische Verhalten komplexer Polymerreaktionen zu untersuchen. Die Reaktionsreihenfolge von 1 weist auf einen starken Einfluss der Mobilität der Ketten auf die Reaktionsgeschwindigkeit hin. Dieser Effekt wird nicht auf ein wesentliches Auftreten von Nebenreaktionen zurückgeführt, sondern auf die Verschlaufung langer Ketten.
URI: https://depositonce.tu-berlin.de/handle/11303/11551
http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-10436
Exam Date: 30-Jul-2020
Issue Date: 2020
Date Available: 26-Aug-2020
DDC Class: 660 Chemische Verfahrenstechnik
540 Chemie und zugeordnete Wissenschaften
330 Wirtschaft
Subject(s): techno-economic assessment
cost estimation
polyurethanes
technology readiness level
carbon dioxide utilization
Wirtschaftlichkeitsbewertung
Kostenschätzung
Polyurethane
technische Reifegrade
Kohlenstoffdioxidnutzung
License: http://rightsstatements.org/vocab/InC/1.0/
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