Som svar på klimatkrisen har den europeiska energisektorn och andra ledande nationer åtagit sig Parisavtalets mål att begränsa den globala temperaturökningen till 1,5°C genom att öka produktionen av förnybar el och införa förnybara bränslen. Vindenergi, särskilt havsbaserad vindkraft, förväntas bli en huvudpelare i det globala energisystemet, med betydande installationer förväntade i Europa. Dock presenterar integrationen av intermittenta förnybara energikällor utmaningar för nätets stabilitet och tillgänglighet, vilket leder till framväxten av Power-to-X (PtX) teknologier som lovande lösningar för energilagring och omvandling.

Denna masteruppsats undersöker genomförbarheten av Power-to-Methanol (e-metanol) processen, som använder förnybar el och biogen koldioxid för att producera metanol genom direkt hydrogenation. Specifikt är detta en fallstudie av Wind-to-Methanol i Sverige, kopplat till den under utveckling Aurora Vindpark, delägd av OX2 AB och Ingka Investments, med en potentiell kapacitet på 5,5 GW. Upp till 185 ton/timme av biogen CO2 anses tillgängliga, vilket skulle kunna producera över 1 miljon ton grön metanol årligen.

Denna teknoekonomiska analys undersöker avvägningarna mellan två olika konfigurationer för att hantera den inneboende intermittensen hos förnybar energi för en stadig e-metanolproduktion:

1) Off-grid Power-to-Methanol: Kompenserar för intermittens med vätgas och elektrisk lagring.

2) Grid-connected Power-to-Methanol: Kompletterar brister från havsparken med nätel, med hänsyn till marknadsdynamik. Vätgaslagring är valfri.

Ett optimeringsverktyg har utvecklats för att bestämma den optimala konfigurationen och storleken på Power-to-Methanol delsystemen (elektrolysatorer, väte- och batterilagring, och metanolproduktionsanläggning) för att minimera e-metanol produktionskostnader. Resultaten indikerar att nätanslutna konfigurationer är mer ekonomiskt fördelaktiga än off-grid lösningar. För en metanolproduktionskapacitet på 300,000 ton/år, uppnår nätansluten konfiguration en Levelized Cost of Methanol (LCOM) på 1,094 €/t, vilket är 20% lägre än off-grid konfigurationen. Den optimala produktionsstorleken för off-grid lösningar är 70,000 ton/år, med en LCOM på 1,220 €/t. För nätansluten konfiguration drar större anläggningar nytta av stordriftsfördelar, med en kapacitet på 1 miljon ton/år som ger en LCOM på 1,072 €/t.

Elpriser är den främsta kostnadsdrivaren för Power-to-Methanol projekt, och står för 60 till 70% av driftskostnaderna. Kapitalutgifterna för off-grid konfigurationer är avsevärt högre på grund av behovet av ytterligare elektrolysatorer och vätgaslagring. Studien drar slutsatsen att medan e-metanol är tekniskt möjligt, är det ännu inte kostnadskonkurrenskraftigt med fossilbaserad metanol (~400€/t). Med bred tillgång till olika gröna el-källor har företag som OX2 en konkurrensfördel på den växande e-metanolmarknaden.

Denna uppsats framhäver vikten av projektspecifika studier i förstudien av Power-to-Methanol, som optimeras olika under något olika antaganden och konfigurationer. Det utvecklade verktyget kan användas för att studera ett bredare spektrum av uppsättningar och prognoser.

In response to the climate crisis, the European energy sector and other leading nations have committed to the Paris Agreement's goal of limiting global temperature rise to 1.5°C by increasing renewable electricity production and deploying renewable fuels. Wind energy, particularly offshore wind, is projected to become a main pillar of the global energy system, with significant installations expected in Europe. However, integrating intermittent renewable energy sources presents challenges in grid stability and availability, leading to the emergence of Power-to-X (PtX) technologies as promising solutions for energy storage and conversion. This master thesis examines the feasibility of the Power-to-Methanol (e-methanol) process, which utilizes renewable electricity and biogenic carbon dioxide to produce methanol through direct hydrogenation. Specifically, this is a case study of Wind-to-Methanol in Sweden, linked to the under-development Aurora Wind Park, co-owned by OX2 AB and Ingka Investments, with a potential capacity of 5.5 GW. Up to 185 tonnes/hour of biogenic CO2 are considered available, which could produce over 1 million tonnes of green methanol annually.

This techno-economic analysis investigates the trade-offs between two different configurations to address the inherent intermittency of renewable energy for the steady state e-methanol production:

1) Off-grid Power-to-Methanol: Compensates for intermittency with hydrogen and electrical storage.

2) Grid-connected Power-to-Methanol: Supplements shortages from the offshore park with grid electricity, considering market dynamics. Hydrogen storage is optional.

An optimization tool has been developed to determine the optimal configuration and size of the Power-to-Methanol subsystems (electrolyzers, hydrogen and battery storage, and methanol production plant) to minimize e-methanol production costs. The findings indicate that grid-connected configurations are more economically favorable than off-grid setups. For a methanol production capacity of 300,000 tonnes/year, the grid-connected configuration achieves a Levelized Cost of Methanol (LCOM) of 1,094 €/t, which is 20% lower than the off-grid configuration. The optimal production size for off-grid setups is 70,000 tonnes/year, with an LCOM of 1,220 €/t. For the grid-connected configuration, larger plants benefit from economies of scale, with a 1 million tonnes/year capacity yielding an LCOM of 1,072 €/t.

Electricity prices are the primary cost driver for Power-to-Methanol projects, accounting for 60 to 70% of operational expenses. The capital expenditure for off-grid configurations is significantly higher due to the need for additional electrolyzers and hydrogen storage. The study concludes that while e-methanol is technically possible, it is not yet cost-competitive with fossil-based methanol (~400€/t). With wide access to different green electricity sources, companies like OX2 have a competitive advantage in the booming e-methanol market. This thesis highlights the importance of project-specific studies in the pre-feasibility analysis of Power-to-Methanol, which is optimized differently under slightly different assumptions and configurations. The developed tool can be employed to study a broader range of setups and forecasts.