Tao and Aden performed a survey of technoeconomic models of existing biofuels (corn ethanol, sugarcane ethanol, and conventional soy biodiesel) from the literature. These studies were normalized to a consistent year-dollar value and feedstock cost (where applicable) and compared to published market studies. This comparison, shown in Table 1, indicated that technoeconomic analysis was able to predict the actual cost of production of these biofuels within the expected accuracy of such models.
Developing a technoeconomic model for a pre-commercial technology, such as the corn-stover-to-ethanol process described in this report, requires a more ab initio approach, rooted in a thorough understanding of the state of the technology at the time of the analysis and good engineering practice.
In the years since the last NREL design report in 2002, several newer technoeconomic studies of biochemical cellulosic ethanol production have been published. Many of these studies were based to varying degrees on NREL’s previous design report, borrowing from its process assumptions, cost information, or both. This was in fact the principal goal of the earlier NREL design reports: to establish a baseline or “zero-point” technoeconomic benchmark from which process alternatives and improvements could be evaluated by others in the public realm. The present report now aims to establish a new zero-point and thereby serve a similar purpose for analyses going forward.
A brief survey of MESPs from recent technoeconomic studies of biochemical cellulosic ethanol production is presented in Table 2; note that these studies were not normalized to a consistent cost-year but were all published between 2008 and 2010, so cost-year differences should be minor. Clearly, there is a wide range of published MESP values within this subset of papers. For the most part, these are due to differences in feedstock cost, process assumptions, and co-product values, all of which vary considerably across the studies. For example, the analysis by Laser etс. assumes a fairly low feedstock cost and very high yields (indicating aggressive process assumptions) as well as improved economies of scale (if such a high feed rate can be sustained), while also receiving positive revenue from higher-value co-products such as protein and hydrogen. Furthermore, this study assumes a consolidated bioprocessing (CBP) approach, which—although less developed than separate saccharification and co-fermentation—could further improve economics by reducing enzyme costs. Conversely, studies on the high end of the MESP range such as Kazi etc. and Klein-Marcuschamer etc. assumed higher feedstock costs while achieving much lower ethanol yields. Compared to NREL’s 2002 design report (upon which many of its cost inputs were based), the Klein-Marcuschamer study’s base case assumes much longer batch times for saccharification and fermentation (thus higher associated capital costs), higher enzyme costs, and a lower carbohydrate fraction in the feedstock.
To further demonstrate the impact of such assumptions, we turn to the study of Kazi etc., a joint effort between Iowa State University, ConocoPhillips, and NREL. While this paper examined a variety of pretreatment and downstream processing alternatives, its baseline was essentially NREL’s 2008 State of Technology (SOT) model. The Kazi etc. study adjusted several key parameters from the 2008 SOT model to incorporate external public data. The feedstock cost, enzyme cost, indirect capital cost factors, and reaction conversions were all modified per data external to NREL analysis. While both analyses were intended to represent near-term or “state of technology” economics extrapolated to an nth plant as discussed previously, the assumptions in the Kazi etc. study were generally more conservative than NREL’s 2008 SOT, raising the MESP considerably. Adjusting for these key economic assumptions, their MESP closely approaches that of the NREL 2008 SOT case. In many cases, economic variance between technoeconomic studies is easily explained by normalizing for a few important inputs.
ПРОЕКТИРОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ И ЭКОНОМИКА
ДЛЯ БИОХИМИЧЕСКОГО ПРЕОБРАЗОВАНИЯ
ЛИГНОЦЕЛЛЮЛОЗНЫХ БИОМАССЫ
Предисловие
Этот отчет был подготовлен в качестве отчета о работе, организованной агентством правительства Соединенных Штатов. Ни правительство Соединенных Штатов, ни какое-либо его ведомство, ни их сотрудники не делают никаких гарантий, явных или подразумеваемых или не берут на себя какую-либо юридическую ответственность или ответственность за точность, полноту или полезность любой информации, устройства, продукта или процесса, раскрытых, или представляет, что его использование не будет нарушать права частной собственности. Ссылка на любой конкретный коммерческий продукт, процесс или услугу по торговым наименованиям, товарным знакам, изготовителям или иным образом не обязательно означает или подразумевает его одобрение, рекомендацию или одобрение со стороны правительства Соединенных Штатов или какого-либо учреждения.
Введение
Предыстория и мотивация
Отделение Министерства энергетики США (DOE) по программе биомассы (OBP) содействует производству этанола и других жидких топлив из лигноцеллюлозного сырья путем спонсирования программ фундаментальных и прикладных исследований, направленных на продвижение состояния технологии преобразования биомассы. Эти программы включают в себя лабораторные кампании по разработке лучших ферментов гидролиза целлюлозы и ферментирующих микроорганизмов, детальные инженерные исследования потенциальных процессов и построение экспериментальных демонстрационных и производственных объектов. Это исследование проводится национальными лабораториями, университетами и частной промышленностью совместно с инженерными и строительными компаниями.
В рамках своего участия в программе Национальная лаборатория возобновляемых источников энергии (NREL) изучает полный процесс проектирования и экономики производства целлюлозного этанола с целью разработки абсолютной цены заводов для этанола на основе предположений о технологических процессах и установках, соответствующих применимым передовой опыт в области проектирования, строительства и эксплуатации. Эта цена заводов-заводов упоминается как минимальная цена продажи этанола или MESP. MESP могут использоваться политиками и Министерством энергетики для оценки конкурентоспособности затрат и возможностей проникновения на рынок целлюлозного этанола по сравнению с топливом, полученным из нефти, и этанолом на основе крахмала или сахара.Техноэкономический анализ NREL также помогает направлять наши исследования конверсии биомассы, изучая чувствительность MESP для обработки альтернатив и достижений в области исследований. Предлагаемые исследования и ожидаемые результаты могут быть переведены в новый MESP, который можно сравнить с эталонным случаем, зафиксированным в этом отчете. Такое сравнение помогает количественно оценить экономические последствия основных исследовательских целей в NREL и других местах и отслеживать прогресс в достижении целевых показателей конкурентоспособности. Это также позволяет DOE принимать более обоснованные решения в отношении предложений по исследованиям, претендующих на сокращение MESP.Этот отчет основывается на предыдущих выпусках с 1999 года и 2002, написанных инженерами NREL с Delta-T, Merrick Engineering, Reaction Engineering, Inc. и Harris Group. В настоящем докладе NREL снова заключила контракт с Harris Group на предоставление технической поддержки для оценки и анализа стоимости оборудования и сырья, используемых в процессе проектирования. Это обновление отражает новейший предполагаемый процесс биохимического этанола NREL и включает в себя последние исследования в области конверсии (предварительная обработка, кондиционирование, ферментативный гидролиз и ферментация), оптимизация восстановления продукта и наше последнее понимание задней части этанола (разделение, сточные воды, и утилиты). NREL сотрудничала с Harris Group для определения реалистичных конфигураций и затрат для критического оборудования, в частности, системы реактора предварительной обработки. В этом обновлении был включен секция фермента целлюлазы на месте, чтобы обеспечить лучшую прозрачность ферментативной экономики, чем зафиксированный в последнем отчете по дизайну фиксированный вклад затрат.Эффективность преобразования биомассы, используемая в конструкции (например, целлюлоза до глюкозы или ксилозы в этанол), основана на плане исследований, которые NREL и DOE обязались продемонстрировать к концу 2012 года в кампании интегрированных пилотных масштабов. Эти целевые показатели 2012 года подробно обсуждаются в этом отчете. Экономика этого концептуального процесса использует наилучшее доступное оборудование и стоимость сырья и структуру затрат и финансирования проекта «n-й завод». Прогнозируемый MESP-2012 n-го завода, рассчитанный в этом отчете, составляет $ 2,15 / галлон в 2007 году.Модификации концептуального процесса, представленные здесь, будут отражаться ежегодно через отчеты NREL о состоянии технологии (SOT). Это гарантирует, что дизайн процесса и его калькулятор затрат включают в себя самые последние данные из НРЭЛ и других исследований, финансируемых Министерством энергетики, и что расходы на оборудование остаются актуальными.Мы подчеркиваем, что этот отчет по дизайну служит для описания единого, осуществимого процесса преобразования целлюлозного этанола и прозрачного документирования предположений и деталей, которые вошли в его конструкцию. Этот отчет не предназначен для предоставления исчерпывающего обзора альтернатив процесса или анализа чувствительности к стоимости. Они будут рассмотрены в отдельных документах, которые распространяются и ссылаются на настоящий отчет. Более того, модели процесса и экономические инструменты, разработанные для этого отчета, доступны для общественности, и авторы и члены задачи NREL по анализу биохимической платформы будут оказывать поддержку исследователям, которые хотят использовать их для своих собственных исследований. 1.2 Обзор процесса Описанный здесь метод использует предварительную обработку разбавленной кислотой литоцеллюлозной биомассы (кукурузную культуру) с последующим ферментативным гидролизом (осахариванием) оставшейся целлюлозы с последующим ферментацией полученной глюкозы и ксилозы до этанола. Конструкция процесса также включает в себя обработку и хранение исходного сырья, очистку продукта, очистку сточных вод, сжигание лигнина, хранение продукта и необходимые коммунальные услуги. Процесс разделен на девять областей:• Площадь 100: Обработка подачи. Сырье, в данном случае измельченное кукурузное полотно, доставляется в зону подачи корма из системы подачи исходного материала в едином формате. Требуется только минимальное хранение и обработка подачи. Оттуда биомасса транспортируется в реактор предварительной обработки (площадь 200).• Площадь 200: Предварительная обработка и кондиционирование. В этой области биомасса обрабатывают разбавленным сернокислотным катализатором при высокой температуре в течение короткого времени для высвобождения гемицеллюлозных сахаров и разрушают биомассу для ферментативного гидролиза. Затем аммиак добавляется во всю предварительно обработанную суспензию для повышения ее рН от ~ 1 до ~ 5 для ферментативного гидролиза.• Площадь 300: Ферментативный гидролиз и ферментация. Ферментативный гидролиз инициируют в реакторе с высоким содержанием твердых веществ с использованием фермента целлюлазы, полученного на месте. Частично гидролизованную суспензию затем смешивают с одним из нескольких параллельных биореакторов. Гидролиз завершают в периодическом реакторе, а затем суспензию охлаждают и инокулируют коферментирующим микроорганизмом Zymomonas mobilis. После пятидневного последовательного ферментативного гидролиза и ферментации большая часть целлюлозы и ксилозы была превращена в этанол. Полученное пиво отправляется на поезд восстановления продукта (Площадь 500).Площадь 400: производство ферментов целлюлазы. В эту конструкцию была включена секция производства фермента на месте. Приобретенная глюкоза (кукурузный сироп) является основным источником углерода для производства ферментов. Препарат медикаментов включает стадию, в которой часть глюкозы превращается в софороз, чтобы индуцировать продукцию целлюлазы. Фермент-продуцирующий грибок (смоделированный после Trichoderma reesei) выращивается аэробно в биореакторах с периодической загрузкой. Весь ферментационный бульон, содержащий секретируемый фермент, подают в зону 300 для проведения ферментативного гидролиза.• Площадь 500: Восстановление продукта. Пиво разделяют на этанол, воду и остаточные твердые вещества путем дистилляции и разделения твердой и жидкой фаз. Этанол перегоняют до почти азеотропной смеси с водой и затем очищают до 99,5% с использованием адсорбции молекулярного сита в паровой фазе. Твердые вещества, извлеченные из долей дистилляции, отправляются в камеру сгорания (площадь 800), в то время как жидкость направляется на очистку сточных вод (площадь 600).• Площадь 600: Очистка сточных вод. Потоки сточных вод обрабатываются анаэробным и аэробным перевариванием. Богатый метаном биогаз из анаэробного сбраживания отправляется в камеру сгорания (площадь 800), где также сжигается осадок из варочных котлов. Обработанная вода подходит для рециркуляции и возвращается в процесс.• Площадь 700: Хранение. Эта область обеспечивает объемное хранение химических веществ, используемых и производимых в процессе, включая кукурузный крутой ликер (CSL), аммиак, серную кислоту, питательные вещества, воду и этанол.• Площадь 800: бойлер, бойлер и турбогенератор. Твердые вещества от перегонки и очистки сточных вод и биогаза от анаэробного сжигания сжигаются для производства пара высокого давления для производства электроэнергии и технологического тепла. Большая часть потребности в технологическом паре находится в реакторе предварительной обработки и дистилляционных колоннах. Котел производит избыточный пар, который преобразуется в электричество для использования на заводе и продается в сетку.• Площадь 900: Коммунальные услуги. Эта область включает систему охлаждения, систему охлажденной воды, технологический водяной коллектор и энергосистемы. 1.3. Подход техноэкономического анализа Данные о материальном и энергетическом балансе от моделирования Аспена используются в дальнейшем для определения количества и размера предметов основного оборудования. По мере изменения условий процесса и потоков затраты на базовое оборудование автоматически корректируются в электронной таблице Excel с использованием показателя масштабирования. Эти базовые затраты исчисляются из котировок поставщиков (предпочтение отдается крупным или нестандартным блочным операциям, а также упакованным или подмостным подсистемам) или из запасаемой базы данных Harris Group (для вторичного оборудования, такого как резервуары, насосы и теплообменники). Заключительные расходы на оборудование для этого отчета приведены в приложении А.После определения затрат на оборудование применяются прямые и косвенные накладные расходы (например, затраты на установку и непредвиденные расходы проекта) для определения общих капитальных вложений (TCI). TCI, наряду с эксплуатационными расходами завода (также разработанный с использованием расходомеров по модели Aspen), используется в анализе дисконтированных денежных потоков прибыли (DCFROR) для определения цены завода для этанола для данной учетной ставки. Эта цена за заводскую плату также называется минимальной ценой продажи этанола (MESP, $ / галлон), необходимой для получения чистой приведенной стоимости (NPV), равной нулю для внутренней нормы прибыли (IRR) на 10% после уплаты налогов.Продукт анализа, описанный выше, представляет собой технико-экономическую модель, которая разумно оценивает цену продукта для предпродажного процесса. Полученный MESP уникален для моделирования имитационных процессов, и следует подчеркнуть, что определенный определенный процент неопределенности всегда существует вокруг этих выбранных условий, а также вокруг предположений, сделанных для капиталовложений и затрат на сырье. Без детального понимания основы для этого, абсолютный расчетный MESP имеет ограниченную релевантность. В то время как MESP может использоваться для оценки конкурентоспособности на рынке конкретного процесса, он лучше всего подходит для сравнения технологических изменений друг с другом или для проведения анализа чувствительности, которые указывают, где необходимы экономические или технологические улучшения производительности. 1.4. О предположениях n-го завода В представленном здесь технико-экономическом анализе используется так называемая экономика «nth-plant». Ключевое допущение, предполагаемое экономикой n-го завода, заключается в том, что наш анализ не описывает пионерскую установку; вместо этого несколько заводов, использующих ту же технологию, уже построены и работают. Другими словами, это отражает зрелое будущее, в котором была создана успешная индустрия русских растений. Поскольку техноэкономическая модель является прежде всего инструментом изучения новых технологических процессов или схем интеграции, чтобы прокомментировать их сравнительное экономическое воздействие, мы считаем разумным игнорировать искусственную инфляцию затрат по проекту, связанных с финансированием рисков, более длительными запусками, переоценкой оборудования, и другие затраты, связанные с первоклассными или пионерскими заводами, чтобы они не ослабили реальное экономическое воздействие научных достижений в конверсии или интеграции процессов. По крайней мере, эта экономика n-го завода должна помочь обеспечить обоснование и поддержку ранних технологических усыновителей и пионеров.В предыдущих отчетах по дизайну, ориентированных на 2012 год, многие предположения n-го завода также применимы к ключевым целям исследования 2012 года при конверсии, например, 90% конверсии ксилана в ксилозу, который в 2002 году еще не был экспериментально продемонстрирован. В этом отчете будет показано, что благодаря научному прогрессу текущие показатели конверсии приближаются к целевым показателям, установленным в 2002 году, и что целевые показатели эффективности в 2012 году больше не должны считаться спекулятивными. Предположения в предыдущей модели также распространялись на затраты на ферменты и некоторые затраты на оборудование, особенно те предметы, которые в то время не были коммерчески доступны (например, реактор предварительной обработки). В настоящем проектном отчете затраты на ферменты и оборудование значительно более четко определены.Таким образом, оставшиеся предположения n-й установки в настоящей модели применяются в первую очередь к факторизуемой модели затрат, используемой для определения общих капитальных вложений из стоимости приобретенного оборудования и выбора, внесенного в финансирование завода. Предположение n-го завода также относится к некоторым рабочим параметрам, таким как время безотказной работы 96%. Эти допущения были согласованы NREL и DOE для этого отчета и отражают наши лучшие оценки на момент публикации. Следует, однако, подчеркнуть, что эти допущения несут большую неопределенность и подлежат уточнению. 1.5 Обзор соответствующих техноэкономических исследований Тао и Аден провели обзор техноэкономических моделей существующих видов биотоплива (этанол кукурузы, этанол сахарного тростника и традиционный биодизель сои) из литературы. Эти исследования были нормализованы в соответствии с последовательной стоимостью в долларовом эквиваленте и стоимостью сырья (если применимо) и по сравнению с опубликованными исследованиями рынка. Это сравнение, показанное в таблице 1, показало, что техноэкономический анализ смог предсказать фактическую стоимость производства этих биотоплив в ожидаемой точности таких моделей.Разработка техноэкономической модели для предпродажной технологии, такой как процесс кукурузы-топ-этанола, описанный в этом отчете, требует более ab initio-подхода, основанного на глубоком понимании состояния технологии во время анализа и хорошей инженерной практики.За годы, прошедшие с момента последнего отчета NREL в 2002 году, было опубликовано несколько новых техноэкономических исследований производства биохимического целлюлозного этанола. Многие из этих исследований были в разной степени основаны на предыдущем проектно-техническом отчете NREL, заимствовании из его предположений о технологическом процессе, информации о затратах или обоим. На самом деле это была основная цель более ранних отчетов по проектам NREL: установить базовый или «нулевой» техноэкономический ориентир, из которого альтернативы и улучшения процесса могут быть оценены другими в публичной сфере. Настоящий доклад в настоящее время направлен на создание новой нулевой точки и тем самым служит аналогичной цели для анализа в будущем.Краткий обзор MESP из недавних техноэкономических исследований производства биохимического целлюлозного этанола представлен в таблице 2; обратите внимание, что эти исследования не были нормализованы до согласованного стоимостного года, но все они были опубликованы в период с 2008 по 2010 год, поэтому различия в расходах на год должны быть незначительными. Очевидно, что в этом подмножестве документов имеется широкий диапазон опубликованных значений MESP. По большей части это связано с различиями в стоимости сырья, предположениях о технологическом процессе и стоимости совместного продукта, все из которых значительно различаются в разных исследованиях. Например, анализ Лазером и др. предполагает довольно низкую стоимость сырья и очень высокие урожаи (с указанием агрессивных предположений процесса), а также улучшение эффекта масштаба (если такая высокая скорость подачи может быть устойчивой), а также получать положительный доход от более ценных сопутствующих продуктов, таких как белок и водорода. Кроме того, это исследование предполагает консолидированный подход к биообработке (CBP), который, хотя и менее развит, чем отдельное осахаривание и совместное ферментация, может еще больше улучшить экономику за счет снижения затрат на ферменты. И наоборот, исследования на высоком конце диапазона MESP, такие как Kazi и др. И Klein-Marcuschamer и т. Д., Предполагали более высокие затраты на сырье при достижении намного более низких выходов этанола. По сравнению с проектным отчетом NREL за 2002 год (на котором основывались многие из его затрат-затрат), базовый случай исследования Klein-Marcuschamer предполагает гораздо более длительные периоды времени для осахаривания и ферментации (таким образом, более высокие связанные капитальные затраты), более высокие затраты на ферменты и более низкий углевод фракции в исходном сырье.Чтобы еще раз продемонстрировать влияние таких предположений, мы переходим к изучению Kazi и т. Д., Совместными усилиями Университета штата Айова, ConocoPhillips и NREL. Хотя в этом документе были рассмотрены различные варианты предварительной обработки и переработки ниже по потоку, его базовым уровнем была, по существу, модель NREL 2008 Technology of Technology (SOT). Исследование Kazi и т. Д. Скорректировало несколько ключевых параметров из модели SOT 2008 года для включения внешних публичных данных. Стоимость сырья, стоимость фермента, косвенные факторы стоимости капитала и конверсии реакций были изменены на данные, внешние по отношению к анализу NREL. Хотя оба анализа предназначались для представления краткосрочной или «технологической технологии» экономики, экстраполированной на n-й завод, как обсуждалось ранее, предположения в исследовании Kazi и др. Были в целом более консервативными, чем NOT NREL 2008 SOT, значительно повысив MESP. Корректируя эти ключевые экономические предположения, их MESP вплотную подходит к делу NREL 2008 SOT. Во многих случаях экономическая разница между технико-экономическими исследованиями легко объясняется нормализацией нескольких важных материалов.