Life Cycle Assessment of plasma-assisted methane to ethylene process

Michael Augustinus
Dit werk omvat een levenscyclusanalyse van een proces voor de rechtstreekse koppeling van methaan tot ethyleen. Hierin wordt de focus gelegd op de CO2-uitstoot van het proces en deze wordt vergeleken met de milieu-impact van alternatieve methodes voor de productie van ethyleen.

Jaarlijks 350 miljoen ton CO2 uitsparen: nieuwe plasmareactor de oplossing?

Onderzoekers aan de KU Leuven ontwikkelen een nieuwe plasmareactor voor het omzetten van aardgas: “Deze technologie kan mogelijks een oplossing bieden voor een van de grootste milieu-uitdagingen in de huidige petrochemische industrie.”

image 81

Olieboringen en affakkelen van gas in Noord-Dakota    © Shakuntala Makhijani

Tijdens de ontginning van aardolie komen er behoorlijke hoeveelheden aardgas vrij. Wegens technische en economische beperkingen wordt dit gas gefakkeld en dus gewoonweg verbrand. Op jaarbasis zorgt dit voor het verbranden van ongeveer 140 miljard kubieke meter aardgas wat overeenstemt met 30% van het wereldwijde jaarlijks verbruik. Dit is equivalent aan de uitstoot van meer dan 350 miljoen ton CO2, oftewel de jaarlijkse uitstoot van 195 miljoen personenwagens. Deze enorme hoeveelheid CO2 draagt niet enkel bij tot de verdere opwarming van de aarde, maar door het verbranden verliezen we ook aardgas dat op betere manieren benut zou kunnen worden. In feite verbranden we hiermee meer dan 26 miljard euro per jaar. Dit is spijtig omdat aardgas ook een mooie grondstof kan zijn voor de chemie.

Ieder jaar fakkelen we zo’n 140 miljard kubieke meter aardgas wat overeenstemt met 30% van het wereldwijde jaarlijks verbruik.

Valorisatie van aardgas

Aan de KU Leuven wordt daarom nagedacht over manieren om dit gas verder te kunnen valoriseren. Een doorbraak kwam er in 2015 met de ontwikkeling van een veelbelovend nieuwe technologie, een plasmareactor. In zo een reactor wordt een groot potentiaalverschil opgewekt tussen twee platen. Het gas dat zich bevindt in deze zone wordt omgezet in een plasma. Dit wordt naast vast, vloeibaar en gas vaak de vierde aggregatietoestand genoemd. In het complexe mengsel reageert aardgas tot ethyleen, een van de belangrijkste bouwblokken uit de chemische industrie.

Ethyleen vindt onder meer toepassingen in plastic flessen en folies, als behuizing rond kabels en schuimen voor isolatiematerialen. Het potentieel is groot omdat methaan een goedkope grondstof is en ethyleen aan de andere kant relatief waardevol. Vanuit een technisch standpunt bewijst de technologie zich al snel en in de jaren die volgen wordt het proces verder ontwikkeld en geoptimaliseerd. Met een levenscyclusanalyse (LCA) willen de onderzoekers finaal aantonen waar hun nieuwe proces staat in vergelijking met de conventionele manieren om ethyleen te produceren.

image 83

Coaxiale plasmareactor  © Evangelos Delikonstantis

Levenscyclusanalyse

In een levenscyclusanalyse wordt nagegaan wat de milieu-impact is van een proces of product vanaf de ontginning van de grondstoffen tot en met het afgewerkt product. Dat kan bijvoorbeeld gaan over CO2-uitstoot, wat de focus is van deze thesis, maar eveneens het waterverbruik, landverbruik of verzuring van het milieu.

Allereerst heb ik bepaald wat de totale CO2-uitstoot van het nieuwe plasmaproces zou zijn. Al snel was de conclusie dat de uitstoot vele malen hoger lag dan de conventionele manieren om ethyleen te produceren. De grote boosdoener bleek het elektriciteitsverbruik te zijn. Om zo een plasma op te wekken is er namelijk heel wat elektrische energie nodig. Gezien elektriciteit van het net op dit moment nog voor een groot deel afkomstig is van het verbranden van fossiele brandstoffen brengt dit een aanzienlijke hoeveelheid CO2 met zich mee. Daarom werd in een volgende stap gekeken naar hernieuwbare energiebronnen zoals elektriciteit opgewekt door windturbines of zonnepanelen. Wanneer we deze inzetten verkregen we in het beste geval een uitstoot die 88% lager ligt dan in het geval waar elektriciteit van het net werd gebruikt. Dit is aanzienlijk beter dan de huidige processen voor het produceren van ethyleen: 0,8 kilogram CO2 per kilogram ethyleen voor het nieuwe plasmaproces tegenover 1,1 wanneer vertrokken wordt vanuit aardolie en 1,6 indien schaliegas wordt gebruikt. Dat schaliegas behoorlijk meer uitstoot, heeft voornamelijk te maken met de extractieprocessen die een stuk vervuilender zijn.

Dit is een zeer grote stap aangezien de conventionele methodes decennialang werden geoptimaliseerd en het vanuit een economisch maar eveneens ook een milieustandpunt niet gemakkelijk is voor nieuwe technologieën om hier tegenop te boksen.

image 84

Het nieuwe proces om ethyleen te produceren is vooral veelbelovend wanneer het gekoppeld wordt aan groene energie en wordt gezien als een aansporing voor het valoriseren van afvalgasstromen. Door deze niet te verbranden kunnen we aanzienlijk bijdragen aan het verminderen van de globale CO2-uitstoot.

Ook biomassa is een optie

Veel interesse bestaat er vandaag de dag om vanuit biomassa onze chemicaliën te produceren. Voor de omzetting van biomassa naar ethyleen is de kennis over de processen reeds aanwezig. Dit bestaat grofweg uit 2 grote stappen. Eerst wordt de biomassa gefermenteerd en wordt een soort van bier verkregen. Daarna wordt uit het alcohol water onttrokken en wat men verkrijgt is biogebaseerd ethyleen.

Ook deze piste heb ik onderzocht in de LCA-studie en de resultaten zijn zeer positief. Van alle onderzochte methodes voor het produceren van ethyleen is vertrekken vanuit biomassa de enige route die resulteert in een negatieve CO2-uitstoot. Dit betekent dat over het volledige verloop van biomassa kweken tot het omzetten in ethyleen er feitelijk CO2 wordt opgeslagen. Dat komt omdat planten CO2 capteren uit de lucht en gebruiken om hun weefsels te vormen.

In het geval van maïs wordt met elke kilogram bio-ethyleen ongeveer één kilogram CO2 opgeslagen. Productie uit biomassa is inderdaad heel mooie technologie, maar deze processen kunnen niet overleven zonder subsidies. Op dit moment ligt de break-even prijs van het bekomen bio-ethyleen tot tweemaal hoger dan de huidige marktprijs. Hetzelfde geldt voor het nieuw ontwikkelde plasmaproces waarbij de break-even prijs tot driemaal hoger dan de marktprijs zou moeten liggen. Door de huidige elektriciteitsprijs moet vanuit economisch standpunt het plasmaproces zelf nog efficiënter worden om op te tornen tegen de conventionele routes uit aardolie en schaliegas. Maar met de toenemende vergroening van onze energiemix kan wel een duurzaam geëlektrificeerd proces bekomen worden voor de productie van ethyleen. 

Van alle pistes onderzocht in deze studie is biogebaseerd ethyleen de enige weg waarin netto CO2 wordt opgeslagen.

image 85

Conventionele methodes en het nieuwe plasmaproces voor de productie van ethyleen    © Evangelos Delikonstantis
 
Bibliografie

[1] Ineos.com. (2019). INEOS Europe and Evergas enter into long-term shipping agreements. [online] Available at: https://www.ineos.com/news/shared-news/ineos-europe-and-evergas- enter-into-long-term-shipping-agreements/ [Accessed 1 May 2019].

[2] Eia.gov. (2018). Natural Gas - Energy Explained, Your Guide To Understanding Energy - Energy Information Administration. [online] Available at: https://www.eia.gov/energyexplained/index.php?page=natural_gas_home [Accessed 18 Sep. 2018].

[3] Society, N. (2012). natural gas. [online] National Geographic Society. Available at: https://www.nationalgeographic.org/encyclopedia/natural-gas/ [Accessed 18 Sep. 2018].

[4] Wintershall.com. (2018). Crude oil & natural gas: The difference between reserves and resources - Wintershall. [online] Available at: https://www.wintershall.com/oilgastech/reserves- resources.html [Accessed 18 Sep. 2018].

[5] bp.com. (2018). [online] Available at: https://www.bp.com/en/global/corporate/energy- economics/statistical-review-of-world-energy/natural-gas/natural-gas-reserves.html [Accessed 18 Sep. 2018].

[6] Naturalgas.org. (2018). » Background NaturalGas.org. [online] Available at: http://naturalgas.org/overview/background/ [Accessed 18 Sep. 2018].

[7] He, C.; You, F. (2014) Shale Gas Processing Integrated with Ethylene Production: Novel Process Designs, Exergy Analysis, and Techno- Economic Analysis. Ind. Eng. Chem. Res. 53 (28), 11442−11459.

[8] Eia.gov. (2019). U.S. Energy Information Administration (EIA). [online] Available at: https://www.eia.gov/ [Accessed 27 Mar. 2019].

[9] Annual Energy Outlook 2017, US Energy Information Administration (EIA), Washington DC, 2017.

[10] Osborn, S. G.; Vengosh, A.; Warner, N. R.; Jackson, R. B. (2011). Methane contamination of drinking water accompanying gas-well drilling and hydraulic fracturing. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 108, 8172−8176.

[11] He, C.; You, F. (2015). Toward more cost-effective and greener chemicals production from shale gas by integrating with bioethanol dehydration: Novel process design and simulation-based optimization. AIChE J. 61, 1209−1232.

[12] Yang, M.; You, F. (2017). Comparative Techno-Economic and Environmental Analysis of Ethylene and Propylene Manufacturing from Wet Shale Gas and Naphtha. Ind. Eng. Chem. Res. 56 (14), 4038−4051.

[13] He, C., You, F. (2016). Deciphering the true life cycle environmental impacts and costs of the mega-scale shale gas-to-olefins projects in the United States. Energy & Environmental Science, 9(3), pp.820-840.

[14] Schiffer, Z. J.; Manthiram, K. (2017). Electrification and Decarbonization of the Chemical Industry. Joule, 1 (1), 10–14.

[15] Encyclopedia Britannica. (2018). Ethylene | chemical compound. [online] Available at: https://www.britannica.com/science/ethylene [Accessed 18 Sep. 2018].

[16] American Chemical Society. (2018). Beyond the Ethylene Steam Cracker - American Chemical Society. [online] Available at: https://www.acs.org/content/acs/en/pressroom/cutting-edge-chemistry/bey…- steam-cracker.html [Accessed 17 Dec. 2018].

[17] Ogj.com. (2018). Global ethylene producers add record capacity in 2010. [online] Available at: https://www.ogj.com/articles/print/volume-109/issue-27/special-report-e…- report/global-ethylene-producers-add-record.html [Accessed 18 Sep. 2018].

[18] Zimmermann, H.; Walzl, R. (2009). Ullmann’s Encyclopedia of Industrial Chemistry; Wiley- VCH Verlag GmbH & Co.: Weinheim, Germany

[19] Mohsenzadeh, A.; Zamani, A.; Taherzadeh, M. J. (2017) Bioethylene Production from Ethanol: A Review and Techno-economical Evaluation. ChemBioEng Rev. 4 (2), 75−91.

[20] Matar, S., Hatch, L. F. (2001). Chemistry of Petrochemical Processes, Gulf Professional Publishing, Houston, TX. 


[21] Karakaya, C. and Kee, R. (2016). Progress in the direct catalytic conversion of methane to fuels and chemicals. Progress in Energy and Combustion Science, 55, pp.60-97.

[22] United States Energy Information Administration. Annual energy outlook 2015 with projections to 2040. (2015). Washington, DC: United States Energy Information Administration.

[23] Sattler, J.J.; Ruiz-Martinez, J., Santillan-Jimenez, E., Weckhuysen, BM. (2014). Catalytic dehydrogenation of light alkanes on metals and metal oxides. Chem Rev; 114(20):10613–53.

[24] Scapinello, M., Delikonstantis, E. and Stefanidis, G. (2018). Direct methane-to-ethylene conversion in a nanosecond pulsed discharge. Fuel, 222, pp.705-710.

[25] Scapinello, M., Delikonstantis, E. and Stefanidis, G. (2017). The panorama of plasma- assisted non-oxidative methane reforming. Chemical Engineering and Processing: Process Intensification, 117, pp.120-140.

[26] Albani, G. (2018). Process design and evaluation of plasma-assisted methane coupling at industrial scale: process modelling and economic assessment. Master Thesis, KU Leuven.

[27] Delikonstantis, E., Scapinello, M. and Stefanidis, G. (2018). Low energy cost conversion of methane to ethylene in a hybrid plasma-catalytic reactor system. Fuel Processing Technology, 176, pp.33-42.

[28] Delikonstantis, E., Scapinello, M. and Stefanidis, G. (2019). Process Modeling and Evaluation of Plasma-Assisted Ethylene Production from Methane. Processes, 7(2), p.68.

[29] Anejionu, O. C. D.; Whyatt, J. D.; Blackburn, G. A.; Price, C. S. (2015) Contributions of Gas Flaring to a Global Air Pollution Hotspot: Spatial and Temporal Variations, Impacts and Alleviation. Atmos. Environ. 118, 184–193.

[30] Fawole, O. G.; Cai, X. M.; Mackenzie, A. R. (2016) Gas Flaring and Resultant Air Pollution: A Review Focusing on Black Carbon. Environ. Pollut. 216, 182–197.

[31] Elvidge, C. D.; Bazilian, M. D.; Zhizhin, M.; Ghosh, T.; Baugh, K.; Hsu, F. C. (2018) The Potential Role of Natural Gas Flaring in Meeting Greenhouse Gas Mitigation Targets. Energy Strateg. Rev. 20, 156–162.

[33] Delikonstantis, E., Igos, E., Augustinus, M., Benetto, E., Stefanidis, G., (2019). Life cycle assessment of plasma-assisted processes for rich-in-methane gas streams valorization. (under review at the time of writing)

[34] Broeren, M. (2013). Production of bio-ethylene, Technology Brief. IEA-ETSAP, IRENA.

[35] Balat, M. (2011). Production of bioethanol from lignocellulosic materials via the biochemical pathway: A review. Energy Convers. Manage. 52 (2), 858–875.


[32] Elvidge, C. D.; Zhizhin, M.; Baugh, K.; Hsu, F.C.; Ghosh, T. (2016) Methods for global survey of natural gas flaring from visible infrared imaging radiometer suite data, Energies, 9 (1) 14.

[36] Murphy, C. and Kendall, A. (2013). Life cycle inventory development for corn and stover production systems under different allocation methods. Biomass and Bioenergy, 58, pp.67-75.

[37] Haro, P., Ollero, P., Trippe, F. (2013). Technoeconomic assessment of potential processes for bio-ethylene production. Fuel Process. Technol. 114, 
35–48. 


[38] Curran, M. A. (2013). Life cycle assessment: a review of the methodology and its application to sustainability. Current Opinion in Chemical Engineering. 2:273-277.

[39] Burges, A.A.; Brennan, D.J. (2001). Application of Life Cycle Assessment to Chemical Processes. Chemical Engineering Science, vol 56, no 8, p. 2589-2604.

[40] Klöpffer, W., Grahl, B., (2014). Life Cycle Assessment (LCA) A Guide to Best Practice.Weinheim: Wiley-VCH

[41] Dale, A. T.; Khanna, V.; Vidic, R. D.; Bilec, M. M. (2013) Process based life-cycle assessment of natural gas from the Marcellus Shale. Environ. Sci. Technol. 2013, 47 (10), 5459−5466.

[42] Laurenzi, I. J.; Jersey, G. R. (2013). Life cycle greenhouse gas emissions and freshwater consumption of Marcellus shale gas. Environ. Sci. Technol. 47 (9), 4896−4903.

[43] Veil, J. (2010). Water management technologies used by Marcellus Shale Gas Producers; Argonne National Laboratory (ANL)

[44] You, F.; Tian, X.; Yang, M. (2018). Manufacturing Ethylene from Wet Shale Gas and Biomass: Comparative Technoeconomic Analysis and Environmental Life Cycle Assessment. Ind. Eng. Chem. Res., 57 (17), pp 5980–5998

[45] Farah, P., Tremolada, R. (2016). A Comparison Between Shale Gas in China and Unconventional Fuel Development in the United States: Water, Environment and Sustainable Development. Brooklyn journal of international law. 41. 579 - 654.

[46] Gong, J.; Yang, M.; You, F. A (2017). systematic simulation-based process intensification method for shale gas processing and NGLs recovery process systems under uncertain feedstock compositions. Comput. Chem. Eng. 105, 259−275.

[47] Kidnay, A. J.; Parrish, W. R.; McCartney, D. G. (2011). Fundamentals of Natural Gas Processing, 2nd ed.; CRC Press

[48] Wallace, R.; Ibsen, K.; McAloon, A.; Yee, W. (2005). Feasibility Study for Co-Locating and Integrating Ethanol Production Plants from Corn Starch and Lignocellulosic Feedstocks; National Renewable Energy Laboratory: Golden, CO, U.S.

[49] Humbird, D.; Davis, R.; Tao, L.; Kinchin, C.; Hsu, D.; Aden, A.; Schoen, P.; Lukas, J.; Olthof, B.; Worley, M. (2011). Process Design and Economics for Biochemical Conversion of Lignocellulosic Biomass to Ethanol: Dilute-Acid Pretreatment and Enzymatic Hydrolysis of Corn Stover; National Renewable Energy Laboratory: Golden, CO, U.S.

[50] Morschbacker, A. (2009) Bio-Ethanol Based Ethylene, Polymer Reviews, 49:2, 79-84
[51] Zhang, M. and Yu, Y. (2013). Dehydration of Ethanol to Ethylene. Industrial & Engineering

Chemistry Research, 52(28), pp.9505-9514.
[52] Roza, L., Faleiros, E. L., Patent WO2014127436A1, 2014. 


[53] Vogtländer, J.G., (2016) LCA: A practical guide for students, designers and business managers. Delft: Delft Academic Press.

[54] Ecoinvent Database, version 3.3; Ecoinvent Centre: Bern, Switzerland, 2016.
[55] Argonne GREET Model; Argonne National Laboratory: Argonne, IL, USA, 2016. [56] Idemat Database, 2015.

[57] Ghanta, M., Fahey, D. and Subramaniam, B. (2013). Environmental impacts of ethylene production from diverse feedstocks and energy sources. Applied Petrochemical Research, 4(2), pp.167-179.

[58] Agarski, B., Nikolić, V., Kamberović, Ž., Anđić, Z., Kosec, B. and Budak, I. (2017). Comparative life cycle assessment of Ni-based catalyst synthesis processes. Journal of Cleaner Production, 162, pp.7-15.

[59] Koffi B, Cerutti A.K., Duerr M., Iancu A., Kona A., Janssens-Maenhout G., (2017) Covenant of Mayors for Climate and Energy: Default emission factors for local emission inventories– Version 2017, EUR 28718 EN, Publications Office of the European Union, Luxembourg.

[60] Amponsah et al. (2014), Greenhouse gas emissions from renewable energy sources: A review of lifecycle considerations. Renewable and Sustainable Energy Review, 39, 461-475.

[61] Hess, J.; Kenney, K.; Ovard, L.; Searcy, E.; Wright, C. (2009). Commodity- Scale Production of an Infrastructure-Compatible Bulk Solid from Herbaceous Lignocellulosic Biomass; Idaho National Laboratory: Idaho Falls, ID.

[62] Chemical Technology. (2019). Braskem Ethanol-to-Ethylene Plant - Chemical Technology. [online] Available at: https://www.chemicals-technology.com/projects/braskem-ethanol/ [Accessed 2 Mar. 2019].

[63] Hong, J., Zhang, Y., Xu, X. and Li, X. (2014). Life cycle assessment of corn- and cassava- based ethylene production. Biomass and Bioenergy, 67, pp.304-311.

[64] Amghizar, I., Vandewalle, L., Van Geem, K. and Marin, G. (2017). New Trends in Olefin Production. Engineering, 3(2), pp.171-178.

[65] Spallina, V., Velarde, I., Jimenez, J., Godini, H., Gallucci, F. and Van Sint Annaland, M. (2017). Techno-economic assessment of different routes for olefins production through the oxidative coupling of methane (OCM): Advances in benchmark technologies. Energy Conversion and Management, 154, pp.244-261.

[66] Bulba, K. A., Krouskop, P. E. (2009). Compositional variety complicates processing plans for US shale gas. Oil & Gas Journal, 107, (10), 50-55.

Universiteit of Hogeschool
Master in de ingenieurswetenschappen: chemische technologie
Publicatiejaar
2019
Promotor(en)
Georgios Stefanidis
Kernwoorden
Share this on: