| Popis: |
Hiilidioksidin talteenottoa, hyötykäyttöä sekä varastointia (engl. Carbon Capture, Utilization and Storage, CCUS) pidetään yhtenä potentiaalisena tekijänä vähentää kasvihuonepäästöjä, ja siten minimoida ilmastonmuutoksesta aiheutuvia haittavaikutuksia elinympäristössämme. Työssä selvitetään teknistaloudellisen analyysin avulla mahdollisuuksia integroida kemiallista absorptiota hyödyntävä hiilidioksidin talteenottoyksikkö jätteenpolttolaitokseen. Selvitys tehdään kahdelle liuottimelle, jotka ovat monoetanoliamiini (lyh. MEA) sekä kaliumkarbonaatti. Työn tavoitteena on mallintaa hiilidioksidin talteenoton massa- ja energiataseiden pohjalta Solvoon jätteenpolttolaitoksen kokonaishyötysuhteen muutos vuodenaikojen mukaan, luoda hiilidioksidin talteenottoyksikölle kustannuslaskelma, sekä tehdä eniten hiilidioksidin talteenoton hintaan vaikuttaville tekijöille herkkyystarkastelu. Työ koostuu kahdesta osasta. Kirjallisuusosiossa esitellään hiilidioksidin talteenottotekniikan valintaan vaikuttavia tekijöitä, sen varastointia, hyötykäyttöä sekä potentiaalisten markkinoiden kapasiteettia ja myyntihintaa. Tämän lisäksi käydään läpi niin höyrypiirin mallinnukseen, sekä investointi- ja käyttökustannuksiin huomioonotettavia tekijöitä. Kirjallisuuden perusteella havaittiin, että talteenottotekniikoiden välillä on eroavaisuuksia kiehuttimen energiantarpeeseen, käyttökustannuksiin sekä tekniikoiden hyötysuhteisiin liittyen. Muita vaikuttavia tekijöitä ovat muun muassa savukaasun koostumus sekä hiilidioksidin osapaineen suuruus. Työn tutkimusosiossa luodaan aluksi eräältä jätteenpolttolaitokselta sekä kirjallisuuslähteistä saatujen tietojen avulla molemmista hiilidioksidin talteenottotapauksista massa- ja energiataseet Microsoft Exceliin. Taseesta saatuja tuloksia hyödynnetään kahdelle eri ajotavalle. Molempia ajotapoja varten on määritelty eri vuodenaikoihin perustuvia ajopisteitä vuosidatan perusteella, jotta saadaan selville laitoksen kokonaishyötysuhde, kun siihen on integroitu hiilidioksidin talteenottoyksikkö. Lopuksi molemmille liuottimille tehdään kustannuslaskelma, sekä herkkyystarkastelu. Työssä havaittiin ajotavan, jossa hiilidioksidia otetaan talteen vain tapauksissa, kun lämpöä on tarjolla ylimäärin olevan jätteenpolttolaitoksen toiminnan kannalta parempi vaihtoehto. Tällöin jätteenpolttolaitoksen kokonaishyötysuhde oli molemmilla liuottimilla mallinnettaessa noin 70 %. Kaliumkarbonaattia hyödyntävällä hiilidioksidin talteenottoyksiköllä jätteenpolttolaitoksen sähkön keskituotanto oli tällöin noin 12 MW, kun MEA:lla se oli hieman matalampi, noin 8 MW. Kaliumkarbonaattia hyödyntävä hiilidioksidin talteenottoyksikkö oli kytketty kaukolämpöpiiriin, jolloin höyry turbiinissa pääsi paisumaan pidemmälle ja turbiinin oli mahdollista tuottaa siten enemmän sähköä. Tällöin hiilidioksidin talteenottoyksikön toiminta ei vaikuttanut yhtä paljon jätteenpolttolaitoksen sähkön tuotantoon, kuin MEAa hyödyntävällä hiilidioksidin talteenottoyksiköllä. Kustannuslaskelma osoitti kaliumkarbonaatin hyödyntämisen olevan MEA:a edullisempi vaihtoehto hiilidioksidin talteenoton kemikaalina. Kokonaisvuosikustannus MEA:lle oli 13,1 M€/a ja yksikkökustannus oli 120,8 €/tCO2. Vastaavat luvut kaliumkarbonaatille olivat 12,1 M€/a ja 111,9 €/tCO2. Hiilidioksidin talteenottoyksikön arvioitu investointikustannus kummallekin liuottimelle oli 72,7 miljoonaa euroa. Suurimmat yksittäiset kustannustekijät olivat matalapaineisen höyryn ja lämmön hinta, sekä investointikustannuksen suuruus. Kummankin tapauksen herkkyystarkastelussa selvisi erityisesti matalapaineisen höyryn ja lämmön hinnan vaikuttavan merkittävästi hiilidioksidin talteenoton kannattavuuteen. Carbon Capture, Utilization and Storage (CCUS) is considered one of the potential factors to reduce greenhouse emissions, and thus minimize the adverse effects of climate change on our environment. The thesis explores the technical and economical possibilities of integrating a carbon dioxide capture unit utilizing chemical absorption into a waste incineration plant. The analysis is done for two solvents, which are monoethanolamine (abbr. MEA) and hot potassium carbonate. The aim of the work is to determine mass and energy balances, and then model the change in the plant's overall efficiency based on the varying winter and summer driving situations of carbon dioxide capture unit. The modelling is made with mass and energy balance program called Solvo. The cost calculation for the carbon dioxide capture unit is created and after that a sensitivity analysis of the factors that most affect the profitability of carbon dioxide capture is carried out. The work consists of two parts. The literature section presents the factors affecting the choice of carbon dioxide capture technology, its storage, utilization, the capacity and selling price of potential markets. In addition to this, factors considered for steam circuit modeling as well as investment and operating costs for carbon dioxide capture unit will be reviewed. Based on the literature, it was found that there are differences between the capture techniques in relation to the reboiler's energy demand, operating costs, and the efficiency of the carbon capture technologies. Other influencing factors include the composition of the flue gas and the carbon dioxide’s partial pressure. In the research part, mass and energy balances for both carbon dioxide capture cases are initially created in Microsoft Excel with the help of information obtained from a waste incineration plant and literature sources. The results of the balances are used for two different driving methods. Driving points for different seasons and driving modes have been defined based on waste incineration annual data, to find out the overall efficiency of the plant when a carbon dioxide capture unit is integrated into it. Finally, a cost calculation is made for both solvents, as well as a sensitivity analysis. It was found that driving method in which carbon dioxide was captured only in cases where the excess heat is available was a better option in terms of the operation of the waste incineration plant. Thereby the total efficiency of the waste incineration plant was about 70 % when modeling with both solvents. With the carbon dioxide capture unit utilizing potassium carbonate, the waste incineration plant's average electricity production was about 12 MW, while at MEA it was slightly lower, about 8 MW. The carbon dioxide capture unit using potassium carbonate as a solvent was connected to the district heating circuit, which allowed the steam in the turbine to expand further and thus made it possible for the turbine to produce more electricity. In this case, the operation of the carbon dioxide capture unit did not affect the electricity production of the waste incineration plant as much as the carbon dioxide capture unit which utilized MEA as a solvent. The cost calculation showed that using hot potassium carbonate for carbon dioxide capture would be a more affordable option than MEA as a solvent. The total annual cost for MEA was 13.1 M€/a, and the unit cost was 120.8 €/tCO2. The corresponding figures for hot potassium carbonate were 12.1 M€/a, and 111.9 €/tCO2. The estimated investment cost of the carbon dioxide capture unit for both solvents was 72.7 million euros. The biggest individual cost factors were the price of low-pressure steam and heat, and the size of the investment cost. It was found in the sensitivity analysis that the price of low-pressure steam and heat had a significant effect for both solvents on the profitability of carbon dioxide capture. |
