Techno-economic and environmental assessment of Power-to-Liquid processes

Abstract: The Power-to-X (PtX) concept enables the ‘infusion’ of renewable energies into economic sectors that will present a challenge in terms of direct electrification. In particular, Power-to-Liquid (PtL) processes utilising captured carbon dioxide and electrolytic hydrogen, enable the production of synthetic high-density energy carriers, fuels and chemicals independent from an exploitation of fossil resources. In the present cumulative dissertation, PtX and in particular PtL concepts are evaluated from both a techno-economic and an environmental perspective. The overview chapter sets a frame for the scientific publications by defining the general concept and required process steps as well as the necessity of PtX and PtL for highly defossilised energy systems. The chapter is complemented by analyses of future land requirements for dedicated renewable energy plants and a demand for imported PtX energy carriers. The scientific publications are the result of specific case studies conducted over the past four years. The aim was to analyse certain PtX and PtL scenarios in detail and thus gain new insights into the techno-economic performance of individual components and their respective influence on the concepts overall ecological footprints. On the other hand, more general conclusions were to be drawn, which would allow for a better understanding of the ecology and economy of PtX processes as an important part of integrated energy systems. Results show that at greenhouse gas reduction targets beyond 80 %, the PtX concept will become an important element of global economies. PtX is expected to reach installed capacities in the Terawatt hour range within this decade. However, as the cradle-to-grave assessments show, PtX processes require significant amounts of dedicated renewable energy capacities to enable products with clearly reduced greenhouse gas footprints. Additionally, the analysis of further environmental impacts highlighted an importance of a holistic transformation of global product systems towards a reduced consumption of fossil resources. Otherwise, minor shares of fossil based energy generation and resources will drive the indirect environmental impact of PtX products. The use of concentrated fossil carbon dioxide sources can be seen as an intermediate solution for the production of synthetic energy carriers, which in turn substitute the production of fossil-based energy carriers. However, in order to contribute to closing the global carbon cycle in the long term, the use of atmospheric carbon dioxide, whether through the use of biomass or through atmospheric capture is seen as a central objective for carbon based PtX processes. In terms of economic efficiency, PtX pathways depend on the availability of low-cost electricity supplied at increased full load hours. For PtX scenarios located in Germany, fully renewable electricity based pathways show clearly elevated production costs in comparison to their cheap fossil reference products. However, a steady increase in the TRL of central PtX components will benefit overall PtX pathway efficiencies. Furthermore, the cost-reducing economies of scale effect in combination with a further market ramp-up of hydrogen technologies promise a significant reduction in PtX production costs for the coming decades. An assessment on the energy and cost-efficiency of synthetic energy carriers produced in Morocco and transported via ship to Europe serves as a general example for a PtX production in countries with promising renewable energy potential. The results show that the technical feasibility is already promising today with clearly reduced production costs compared to PtX plants located in central Europe. Cost parity of PtX products with cheap fossil based energy carriers and fuels will not be achieved as long as the external environmental costs of fossil fuels are not reflected in their production costs. Further research is necessary to enable more dynamic synthesis processes which can in turn save cost-intensive hydrogen storage capacities. Additionally, environmental datasets should be updated to better reflect the progressive defossilisation efforts of global economies
Abstract: Das Power-to-X (PtX)-Konzept ermöglicht es Erneuerbarer Energien in Wirtschaftssektoren einzubinden, die sich nur schwer direkt elektrifizieren lassen. Insbesondere Power-to-Liquid (PtL)-Prozesse, welche abgeschiedenes Kohlendioxid und elektrolytisch hergestellten Wasserstoff nutzen, ermöglichen die Herstellung synthetischer und hochenergetischer Energieträger und Kraftstoffe sowie Chemikalien. In der vorliegenden kumulativen Dissertation werden PtX- und insbesondere PtL-Konzepte sowohl aus technoökonomischer als auch aus ökologischer Sicht bewertet. Das Übersichtskapitel setzt einen Rahmen für die erarbeiteten wissenschaftlichen Veröffentlichungen, indem es das PtX-Konzept sowie dessen Notwendigkeit für weitestgehend defossilisierte Energiesysteme definiert. Ergänzt wird dieses Kapitel durch Analysen für den zukünftigen Flächenbedarf dedizierter Erneuerbarer Energieanlagen und die Nachfrage nach importierten PtX-Produkten. Die wissenschaftlichen Publikationen sind das Ergebnis verschiedener Fallstudien, die in den letzten vier Jahren durchgeführt wurden. Ziel hierbei war es, bestimmte PtX- und PtL-Szenarien im Detail zu analysieren und so neue Erkenntnisse über die technoökonomische Relevanz einzelner Komponenten und ihren jeweiligen Einfluss auf die ökologische Effizienz der Konzepte zu gewinnen. Andererseits sollten allgemeinere Schlussfolgerungen gezogen werden, die ein besseres Verständnis der Ökonomie und Ökologie von PtX-Prozessen als ein wichtiger Bestandteil integrierter Energiesysteme ermöglichen. Die Ergebnisse zeigen, dass bei nationalen Treibhausgasreduktionszielen von über 80 % das PtX-Konzept zu einem wichtigen Element der globalen Energiesysteme wird. Hierbei kann erwartet werden, dass PtX-Konzepte innerhalb dieses Jahrzehnts installierte Kapazitäten im Terrawattstundenbereich erreichen können. Wie die ganzheitlichen Analysen aber auch zeigen, erfordern PtX-Prozesse jedoch beträchtliche Mengen an dedizierten Kapazitäten für Erneuerbare Energien. Dies stellt ein wichtiges Kriterium dar, für PtX-Produkte mit deutlich reduziertem Treibhausgaspotenzial gegenüber den jeweiligen fossil basierten Referenzprodukten. Darüber hinaus haben die weiterhin analysierten Umweltwirkungskategorien die Bedeutung einer ganzheitlichen Transformation globaler Produktsysteme hervorgehoben – weg von der Nutzung fossiler Ressourcen und hin zu einer verstärkten Einbindung Erneuerbarer Energien. Die Nutzung konzentrierter fossiler Kohlendioxidquellen für PtX kann als eine Zwischenlösung für die Produktion synthetischer Energieträger angesehen werden. Um jedoch langfristig zur Schließung des globalen Kohlenstoffkreislaufs beizutragen, wird die Nutzung von atmosphärischem Kohlendioxid, sei es durch die Verwendung von Biomasse oder durch technische atmosphärische Abscheidung, als zentrales Ziel für kohlenstoffbasierte PtX-Prozesse angesehen. Hinsichtlich der wirtschaftlichen Effizienz profitieren PtX-Konzepte klar von einer Verfügbarkeit günstigen EE-Stroms der gleichzeitig bei erhöhten Volllaststunden bereitgestellt werden sollte. Für in Deutschland befindliche PtX-Anlagen zeigen vollständig auf Erneuerbarem Strom basierende Konzepte deutlich erhöhte Produktionskosten im Vergleich zu den jeweiligen fossilen Referenzprodukten. Eine weitere Verbesserung des technologischen Reifegrades zentraler PtX-Komponenten wird jedoch die Gesamteffizienz der PtX-Pfade weiter erhöhen. Darüber hinaus versprechen die kostenreduzierenden Skaleneffekte bei fortschreitender Markteinführung von Wasserstofftechnologien eine deutliche Senkung der PtXProduktionskosten für die kommenden Jahrzehnte. Eine Bewertung der Energie- und Kosteneffizienz von synthetischen Energieträgern, die in Marokko hergestellt und per Schiff nach Europa transportiert werden, dient in dieser Arbeit als ein allgemeines Beispiel für eine PtX-Produktion in Ländern mit vielversprechendem Potenzial für erneuerbare Energien. Die hier erzielten Ergebnisse zeigen, dass die technische Machbarkeit bei deutlich reduzierten Produktionskosten im Vergleich zu PtX-Anlagen die sich in Zentraleuropa befinden, bereits heute vielversprechend ist. Jedoch bestehen bei diesen großskaligen Kostenbetrachtungen noch gewisse Unsicherheiten die ebenfalls beleuchtet werden. Weiterhin kann festgehalten werden, dass eine Kostenparität von PtX-Produkten mit billigen fossilen Energieträgern nicht erreicht wird, solange die externen Umweltkosten fossiler Ressourcen unberücksichtigt bleiben. Weitere Forschung ist notwendig, um dynamischere Syntheseprozesse zu ermöglichen. Diese können dabei helfen den Bedarf an kostenintensiver (Zwischen-)Speicherung von Wasserstoff zu reduzieren. Darüber hinaus sollten Umweltdatensätze laufend aktualisiert werden, um die voranschreitende Defossilisierung der globalen Volkswirtschaften besser abbilden zu können

Object Details

• Location: Deutsche Nationalbibliothek Frankfurt am Main
• Extent: Online-Ressource
• Language: Englisch
• Notes: Universität Freiburg, Dissertation, 2020

Classification and Topics

• Classification: Natürliche Ressourcen, Energie und Umwelt
• Keyword: Environmental impact analysis ; Energiespeicherung ; Power-to-X ; Power-to-Liquid ; Sektorkopplung ; Wasserstoff

Contributors, Places and Time

• Event: Veröffentlichung
• (where): Freiburg
• (who): Universität
• (when): 2021
• Creator: Hank, Christoph
• Contributor: Henning, Hans-Martin ; Albert-Ludwigs-Universität Freiburg. Fakultät für Angewandte Wissenschaften

Further information

• DOI: 10.6094/UNIFR/222796
• URN: urn:nbn:de:bsz:25-freidok-2227966
• Rights: Kein Open Access; Der Zugriff auf das Objekt ist unbeschränkt möglich.
• Last update: 25.03.2025, 1:47 PM CET