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Main Title: Development of Techno-Economic Assessment (TEA) for Carbon Capture and Utilization (CCU) Challenges, Guidelines, Frameworks and Case Studies
Subtitle: Challenges, Guidelines, Frameworks and Case Studies
Translated Title: Entwicklung von Technoökonomischen Bewertungen (TEA) für Kohlenstoffabscheidung und -nutzung (CCU)
Translated Subtitle: Herausforderungen, Richtlinien, Bezugsrahmen und Fallstudien
Author(s): Zimmermann, Arno Walter
Advisor(s): Schomäcker, Reinhard
Referee(s): Schomäcker, Reinhard
Ramirez Ramirez, C.A. (Andrea)
Sick, Volker
Granting Institution: Technische Universität Berlin
Type: Doctoral Thesis
Has Part: 10.14279/depositonce-11482
10.14279/depositonce-11483
10.14279/depositonce-9896
10.14279/depositonce-9904
10.14279/depositonce-11468
Language Code: en
Abstract: To limit global warming and reduce greenhouse gas emissions, all sectors of society need to take action, including efforts to research, develop, and deploy new technologies such as carbon capture and utilization (‘CCU’). This requires systematic evaluation and comparison of promising technologies (including identifying their bottlenecks), as such understanding is essential for the efficient allocation of research funding and acceleration of technological development. One essential tool in this process is techno-economic assessment (‘TEA’); however, for CCU technologies TEA lacks an overall structure and therefore leaves many methodological choices open, resulting in little or no comparability between studies (akin to comparing apples with oranges). This dissertation first identifies the current challenges of utilizing TEA for CCU; subsequently — based on these findings, the literature, and existing best practices — a next-generation form of TEA for CCU is derived. TEA guidelines for CCU are developed, providing an overall structure as well as more specific maturity assessment, maturity-related TEA assessment frameworks, and methods to address the identified challenges. Furthermore, the developed TEA tools are applied for key industries with gigaton-scale CO2 emissions: fuels, cement and chemicals. For fuels, we show that the environmentally promising production of oxymethylene ethers (OME3-5) from CO2 and electricity remains technically and economically challenging; only one-third of input electricity is stored, and costs remain significantly higher than for diesel. For cement, we find that the concept of mineralizing kiln dust with CO2 from flue gas (MCCKD) can play a viable role in the cement industry’s future; MCCKD reduces direct CO2 emissions by 7–8 % and significantly cuts the costs of net-zero-emissions cement by 13–18 %. For chemicals, we find in a shortcut analysis that the CO2-based production of dimethyl carbonate (DMC), a green solvent, leads to less waste and a larger market volume, while still achieving acceptable margins. Overall, we hope that through this next-generation TEA and its illustration in three case studies, CCU practitioners find it easier to evaluate technologies. Based on this work, we are optimistic that practitioners will be enabled to make better techno-economic decisions, use funds more efficiently, and ultimately to reduce emissions faster and limit global warming sooner.
Um die globale Erwärmung zu begrenzen und den Ausstoß von Treibhausgasen zu reduzieren, müssen alle Bereiche der Gesellschaft Maßnahmen ergreifen, einschließlich der Bemühungen um die Erforschung, Entwicklung und den Einsatz neuer Technologien wie der Abscheidung und Nutzung von Kohlenstoff ("CCU"). Dies erfordert eine systematische Bewertung und einen Vergleich vielversprechender Technologien (einschließlich der Identifizierung ihrer Engpässe), da ein solches Verständnis für die effiziente Zuweisung von Forschungsmitteln und die Beschleunigung der technologischen Entwicklung unerlässlich ist. Ein wesentliches Instrument in diesem Prozess ist die techno-ökonomische Bewertung ("TEA"); für CCU-Technologien fehlt der TEA jedoch eine übergreifende Struktur und sie lässt daher viele methodische Entscheidungen offen, was zu einer geringen oder fehlenden Vergleichbarkeit zwischen Studien führt (ähnlich dem Vergleich von Äpfeln mit Birnen). In dieser Dissertation werden zunächst die aktuellen Herausforderungen bei der Anwendung von TEA für CCU identifiziert; anschließend wird — basierend auf diesen Erkenntnissen, der Literatur und bestehenden Best Practices — eine neuartige Form der TEA für CCU abgeleitet. Es wird ein TEA-Leitfaden für CCU entwickelt, der sowohl eine Gesamtstruktur als auch eine spezifischere Reifegradbewertung, reifegradbezogene TEA-Bewertungsrahmen und Methoden zur Bewältigung der identifizierten Herausforderungen bietet. Darüber hinaus werden die entwickelten TEA-Werkzeuge für Schlüsselindustrien mit CO2-Emissionen im Gigatonnenmaßstab angewendet: Kraftstoffe, Zement und Chemikalien. Für Kraftstoffe zeigen wir, dass die ökologisch vielversprechende Produktion von Oxymethylenethern (OME3-5) aus CO2 und Strom technisch und wirtschaftlich herausfordernd bleibt; nur ein Drittel des eingesetzten Stroms wird gespeichert und die Kosten bleiben deutlich höher als bei Diesel. Für Zement stellen wir fest, dass das Konzept der Mineralisierung von Ofenstaub mit CO2 aus Rauchgas (MCCKD) eine tragfähige Rolle für die Zukunft der Zementindustrie spielen kann; MCCKD reduziert die direkten CO2-Emissionen um 7–8 % und senkt die Kosten für Netto-Null-Emissionszement deutlich um 13–18 %. Für die Chemie stellen wir in einer Kurzanalyse fest, dass die CO2-basierte Produktion von Dimethylcarbonat (DMC), einem grünen Lösungsmittel, zu weniger Abfall und einem größeren Marktvolumen führt, während immer noch akzeptable Margen erzielt werden. Insgesamt hoffen wir, dass es CCU-Praktikern durch diese TEA der nächsten Generation und ihre Veranschaulichung in drei Fallstudien leichter fällt, Technologien zu bewerten. Auf der Grundlage dieser Arbeit sind wir optimistisch, dass Praktiker in die Lage versetzt werden, bessere techno-ökonomische Entscheidungen zu treffen, Gelder effizienter einzusetzen und letztendlich Emissionen schneller zu reduzieren und die globale Erwärmung früher zu begrenzen.
URI: https://depositonce.tu-berlin.de/handle/11303/13278
http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-12070
Exam Date: 24-Mar-2021
Issue Date: 2021
Date Available: 15-Oct-2021
DDC Class: 670 Industrielle Fertigung
660 Chemische Verfahrenstechnik
338 Produktion
Subject(s): technology assessment guideline
early-stage technology analysis
greenhouse gas mitigation
carbon capture, utilization and storage CCUS
CO2-based products
Technologiebewertungs-Leitfaden
Technologien-Frühphasenanalyse
Treibhausgasminderung
License: http://rightsstatements.org/vocab/InC/1.0/
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