Evaluating Well-to-Wake Energy & Emission Intensity of Methanol-Fuelled Container Ships for Short-Sea Shipping from a Norwegian Perspective: A Second-Degree Energy Chain Analysis

Abstract

Marine shipping is responsible for in excess of 80 % of international trade, and around 3 % of anthropogenic global greenhouse gas emissions. Offshore shipping serves as the economic backbone for the global economy, as it effectively transports large amounts of goods, connecting continents through trade. Most of these containerships run either on heavy fuel oil (HFO) or marine gas oil (MGO), which greatly contributes to the global warming potential MGO is the most commonly used fuel in the EU Emission Control Areas (ECAs) after the IMO implemented a cap on sulphur emissions. The CO2 emissions are, however, hardly reduced when switching from HFO to MGO. Reducing emissions from marine shipping by replacing heavy fuel oil with alternative fuels is regarded as a necessity to reach climate goals set through the Paris Agreement. Hydrogen carriers such as liquefied hydrogen, ammonia and methanol are of particular interest, of which methanol has seen the largest increase in uptake according to vessel order books. Methanol is favoured ahead of both hydrogen and ammonia due to its compliance with existing infrastructure, and is seen as an economically and logistically achievable alternative to current fossil fuels.

In this thesis, methanol from four different production pathways were considered as alternative fuels to replace MGO. The research questions reads as follows:

* How many MJenergy/tkm is required of electric and primary energy for a typical 2 000 TEU container ship? * How many CO2eq/tkm are emitted from utilizing different methanol products as fuel in a typical 2 000 TEU container ship? * How will emissions from methanol production and combustion compare to those from MGO? The research questions will be answered by performing energy chain analyses based on secondary data collected from the research literature. These calculations will be done for energy consumption and subsequent emissions from within the system boundary, aiming to present the bigger picture of both energy and emission intensity. An energy chain analysis entails calculating the energy consumption for all partial processes within a set system boundary. Here, the system boundary was set to include all processes from Well-to-Wake, meaning from the point of feedstock extraction to a finished fuel product used for propulsion in a ship.

Two of the energy chains are produced from natural gas, one of which will include carbon capture and storage (CCS). The natural gas goes through steam methane reforming (SMR) before subsequent methanol synthesis and distillation before we have a ready fuel on our hands. One energy chain is bio-based, specifically produced though the gasification of wood chips. After gasification, the process is deemed equivalent as for the natural gas pathways. The final methanol chain is powered exclusively by electricity. This process combines hydrogen from electrolysis with CO2 directly captured from ambient air. All of these are measured against the benchmark fossil fuel, MGO.

The results show that bio-methanol has the lowest overall emissions, measured in gCO2eq/tkm. Notice that the diagonally shaded bars for bio-methanol and e-methanol in the figure below indicate that Tank-to-Wake emissions are considered climate-neutral and do not contribute to the fuels’ lifecycle emissions. This is because all methanol products will emit the same amount during propulsion, but as renewable feedstocks have been used for the manufacturing of bio-methanol and e-methanol, the carbon emissions are thought to be a part of the carbon loop in nature. That said, e-methanol shows somewhat higher emissions than bio-methanol, but still far below MGO. Methanol produced directly from natural gas shows the highest overall emissions of the pathways assessed, whereas the pathway that incorporates carbon capture lowers the entire Well-to-Wake emissions to be just below MGO.

The sensitivity analysis shows, however, that by using the EU electricity mix for the processes using electricity, the results shift. Here, e-methanol ranks worst in terms of emissions. This is due to the fact that this is a more energy intensive process as electricity is used to both produce hydrogen and capture carbon dioxide. This, combined with a relatively high fossil share in the EU electricity mix, puts e-methanol as the most polluting contender. Additionally, the pathway that applies natural gas and CCS also performs worse than the benchmark fuel, as a considerable amount of electricity is necessary to power the process. With a EU electricity mix, it is only bio-methanol that has a lower accumulated emission than MGO.

Internasjonal sjøfart star for meir enn 80 % av internasjonal handel og rundt 3 % av menneskeskapte globale klimagassutslepp. Sjøfart er ein grunnpilar I den globale økonomien gjennom å effektivt transportere store mengder varer og knyte saman kontinent gjennom handel. Dei fleste containerfartøy i dag går på anten tungolje (HFO) eller marin gassolje (MGO), noko som bidreg sterkt til det globale oppvarmingspotensialet. MGO er eit av dei mest brukte drivstoffa i EU sine «Emission Controll Areas» (ECAs), etter at IMO innførte ei grense for svovelutslepp. CO₂-utsleppa blir likevel knapt reduserte ved å bytte frå HFO til MGO.

Å redusere utslepp frå skipsfart ved å erstatte tungolje med alternative drivstoff vert sett på som naudsynt for å nå klimamåla fastsette gjennom Parisavtalen. Hydrogenberarar som flytande hydrogen, ammoniakk og metanol er av særleg interesse, der metanol har hatt den største relative auken i bruk ifølge bestillingslistene for offshore-fartøy. Metanol vert foretrukke framfor både hydrogen og ammoniakk på grunn av samsvar med eksisterande infrastruktur og relativt høge energiinnhald, og vert sett på som eit økonomisk og logistisk oppnåeleg alternativ til dagens fossile drivstoff.

I denne oppgåva vart metanol frå fire ulike produksjonsvegar vurdert som alternative drivstoff for å erstatte MGO. Problemstillingane lyder som følger:

* Kor mange MJenergi/tkm er naudsynt frå primære og elektriske energikjelder for eit typisk containerfartøy på rundt 2000 TEU? * Kor mange CO₂eq/tkm vert sleppt ut ved bruk av ulike metanolprodukt som drivstoff i eit typisk containerfartøy på rundt 2000 TEU? * Korleis vil utslepp frå metanolproduksjon og forbrenning i skipsmotor samanliknast med utslepp frå MGO? Problemstillingane vil bli besvart ved å utføre energikjedeanalysar basert på sekundære data henta frå forskingslitteratur. Desse berekningane vil bli gjort for energiforbruk og påfølgjande utslepp innanfor den sette systemgrensa, med mål om å illustrere både energi- og utsleppsintensitet for dei ulike kjedene. Ein energikjedeanalyse inneber å rekne ut energiforbruket for alle delprosessar innanfor ei fastsett systemgrense. Her vart systemgrensa sett til å omfatta alle prosessar frå Well-to-Wake, som betyr frå utvinning av råstoff til eit ferdig drivstoffprodukt brukt til framdrift i eit containerskip.

To av energikjedene er produserte frå naturgass, der den eine vil inkludere karbonfangst og lagring (CCS). Naturgassen går gjennom dampreformering (SMR) før påfølgande metanolsyntese og destillasjon før ein sit igjen med eit ferdig drivstoff. Ei av energikjedene er biobasert, spesifikt produsert gjennom «gassification» av flis frå treforedlingsindustrien. Etter dette steget vert prosessen rekna som tilsvarande for naturgass-kjedene. Den siste metanolkjeda vert driven utelukkande av elektrisitet. Denne prosessen kombinerer fornybart hydrogen frå elektrolyse med CO2 fanga direkte frå lufta. Alle desse vert målt mot det fossile referansedrivstoffet MGO.

Resultata viser at biometanol har dei lågaste totale utsleppa, målt i gCO₂eq/tkm. Legg merke til dei diagonalt skravertee søylene for biometanol og e-metanol i figuren under, som indikerer at Well-to-Wake-utslepp vert rekna som klimanøytrale og ikkje bidreg til drivstoffa sitt endelege klimarekneskap. Dette er fordi alle metanolprodukt vil sleppe ut den same mengda under framdrift, men sidan fornybare råstoff har vorte brukt for produksjonen av biometanol og e-metanol, vert karbonutsleppa rekna som ein del av karbonkretsløpet som allereie finnst i naturen. Vidare viser e-metanol noko høgare utslepp enn biometanol, men framleis langt under MGO. Metanol produsert direkte frå naturgass viser dei høgste totale utsleppa av dei vurderte kjedene, medan kjeda som inkluderer karbonfangst senkar redusere WtW-utsleppa til å vere like under MGO.

Sensitivitetsanalysen viser likevel at ved å bruke EU sin elektrisitetsmiks for prosessane som brukar elektrisitet, så endrar resultata seg drastisk. Her hamnar e-metanol dårlegast ut når det gjeld utslepp. Dette skuldast at dette er ein meir energiintensiv prosess enn for dei andre energikjedene, sidan elektrisitet vert brukt både til å produsere hydrogen og fange CO₂. Dette, kombinert med ein relativt høg fossil del i EU sin elektrisitetsmiks, gjer at e-metanol vert den mest forureinande kandidaten. I tillegg presterer også løysinga som nyttar naturgass og CCS dårlegare enn referansebrennstoffet, sidan ei betydeleg mengd elektrisitet er naudsynt for å drive prosessen. Med EU sin elektrisitetsmiks er det berre biometanol som har lågare samla utslepp enn MGO.