Power Consumption in Carbon Capture and Storage Systems (CCS) and Possibilities to Reduce Power Consumption with Variable Speed Drives

The aim of this master´s thesis is to study which processes increase the auxiliary power consumption in carbon capture and storage processes and if it is possible to reduce the auxiliary power consumption with variable speed drives. Also the cost of carbon capture and storage is studied. Data about auxiliary power consumption in carbon capture is gathered from various studies and estimates made by various research centres. Based on these studies a view is presented how the power auxiliary power consumption is divided between different processes in carbon capture processes. In a literary study, the operation of three basic carbon capture systems is described. Also different methods to transport carbon dioxide and carbon dioxide storage options are described in this section. At the end of the thesis processes that consume most of the auxiliary power are defined and possibilities to reduce the auxiliary power consumption are evaluated. Cost of carbon capture, transport and storage are also evaluated at this point and in the case that the carbon capture and storage systems are fully deployed. According to the results, it can be estimated what are the processes are where variable speed drives can be used and what kind of cost and power consumption reduction could be achieved. Results also show how large a project carbon capture and storage is if it is fully deployed.

Regime Switching Models for Electricity Time Series that Capture Fat Tailed Distributions

In the power market, electricity prices play an important role at the economic level. The behavior of a price trend usually known as a structural break may change over time in terms of its mean value, its volatility, or it may change for a period of time before reverting back to its original behavior or switching to another style of behavior, and the latter is typically termed a regime shift or regime switch. Our task in this thesis is to develop an electricity price time series model that captures fat tailed distributions which can explain this behavior and analyze it for better understanding. For NordPool data used, the obtained Markov Regime-Switching model operates on two regimes: regular and non-regular. Three criteria have been considered price difference criterion, capacity/flow difference criterion and spikes in Finland criterion. The suitability of GARCH modeling to simulate multi-regime modeling is also studied.

Model based study of a calcium oxide looping process for post-combustion carbon dioxide capture

Calcium oxide looping is a carbon dioxide sequestration technique that utilizes the partially reversible reaction between limestone and carbon dioxide in two interconnected fluidised beds, carbonator and calciner. Flue gases from a combustor are fed into the carbonator where calcium oxide reacts with carbon dioxide within the gases at a temperature of 650 ºC. Calcium oxide is transformed into calcium carbonate which is circulated into the regenerative calciner, where calcium carbonate is returned into calcium oxide and a stream of pure carbon dioxide at a higher temperature of 950 ºC. Calcium oxide looping has proved to have a low impact on the overall process efficiency and would be easily retrofitted into existing power plants. This master’s thesis is done in participation to an EU funded project CaOling as a part of the Lappeenranta University of Technology deliverable, reactor modelling and scale-up tools. Thesis concentrates in creating the first model frame and finding the physically relevant phenomena governing the process.

Modelling of calciner in post-combustion carbon capture process

Climate change has given an impetus to research and developed new technologies to reduce significantly carbon dioxide emissions in energy production in the developed countries. The major pollution source, fossil fuels, will be used as an energy source for many decades, which provides the demand for carbon capture and storage technologies. Over recent years many new technologies has been developed and one of the most promising is calcium-looping in post-combustion carbon capture process, which use carbonation-calcination cycle to capture carbon dioxide from the flue gas of a combustion process. First pilot plant for calcium-looping process has been built in Oviedo, Spain. In this study, a three-dimensional model has been created for the calciner, which is one of the two fluidized bed reactors needed for the process. The calciner is a regenerator where the captured carbon dioxide is removed from the calcium material and then collected after the reactor. Thesis concentrates in creating the calciner 3D-model frame with CFB3D-program and testing the model with two different example cases. Used input parameters and calciner geometry are Oviedo pilot plant design parameters. The calculation results give information about the process and show that pilot plant calciner should perform as planned. This Master’s Thesis is done in participation to EU FP7 project CaOling.

Model based analysis of the post-combustion calcium looping process for carbon dioxide capture

This thesis presents a one-dimensional, semi-empirical dynamic model for the simulation and analysis of a calcium looping process for post-combustion CO2 capture. Reduction of greenhouse emissions from fossil fuel power production requires rapid actions including the development of efficient carbon capture and sequestration technologies. The development of new carbon capture technologies can be expedited by using modelling tools. Techno-economical evaluation of new capture processes can be done quickly and cost-effectively with computational models before building expensive pilot plants. Post-combustion calcium looping is a developing carbon capture process which utilizes fluidized bed technology with lime as a sorbent. The main objective of this work was to analyse the technological feasibility of the calcium looping process at different scales with a computational model. A one-dimensional dynamic model was applied to the calcium looping process, simulating the behaviour of the interconnected circulating fluidized bed reactors. The model incorporates fundamental mass and energy balance solvers to semi-empirical models describing solid behaviour in a circulating fluidized bed and chemical reactions occurring in the calcium loop. In addition, fluidized bed combustion, heat transfer and core-wall layer effects were modelled. The calcium looping model framework was successfully applied to a 30 kWth laboratory scale and a pilot scale unit 1.7 MWth and used to design a conceptual 250 MWth industrial scale unit. Valuable information was gathered from the behaviour of a small scale laboratory device. In addition, the interconnected behaviour of pilot plant reactors and the effect of solid fluidization on the thermal and carbon dioxide balances of the system were analysed. The scale-up study provided practical information on the thermal design of an industrial sized unit, selection of particle size and operability in different load scenarios.

Characterization of amine-based CO2 adsorbent for Direct Air Capture

Direct air capture technologies extract CO2 from air at a concentration of as low as 400ppm. The captured CO2 can be used for the production of synthetic methane or liquid fuels. In the literature survey of this thesis, results related to direct air capture by using solid sorbents are presented and critically discussed. In the experimental part, a proprietary amine functionalized resin is characterized for direct air capture. Structural comparison is also made to a commercial resin of similar type. Based on the literature survey, the most important parameters in direct air capture process are low adsorption and desorption temperatures, good cyclic stability in dry and humid conditions, high CO2 outlet purity and a high working capacity. Primary amine functionalized solid sorbents are found to often have good qualities for direct air capture, but overall process performance is rarely studied exhaustively. Based on FTIR spectra, both resin adsorbents are found to be consisted of polystyrene functionalized with primary amine, and capture CO2 by forming carbamate. The commercial resin is more porous, has a slightly higher particle size and contains fewer impurities. Important physical parameters are gained of the proprietary resin, such as internal porosity and median particle size. The resin’s amine group is found to endure thermal treatment reasonably well. CO2 adsorption capacity gained by thermal gravimetry from 400ppm CO2 is highest at 25oC, and is found to be reasonable compared to values presented in literature. Thus, the resin is stated to exhibit promising qualities for direct air capture.

Turva- ja opastevalojen ryhmävalvontakeskus

Tämä insinöörityö on dokumentti projektista, joka on tehty SF-Design Oy:n nimissä asiakasprojektina. Työssä käydään läpi turva- ja opastevalojen ryhmävalvontayksikön elektro-niikkasuunnittelu ja siihen tarvittavan mikrotietokoneen ohjaamiseen tarvittavan ohjelman suunnittelu ja kirjoittaminen. Työ jakautuu karkeasti jaoteltuna neljään osa-alueeseen. Ensiksi käydään läpi laitteiston elektroniikkasuunnittelu ja siihen liittyvää teoriaa. Seuraavaksi työssä käsitellään mikrotietokoneiden ohjelmistokehitystä ja käydään läpi työssä suunniteltu ja laadittu ohjelmisto STMicroelectronicsin ST62T10C-prosessorille. Lopuksi ennen suunnittelu- ja kehitysympäristöjen esittelyä käsitellään suunnitellun laitteiston testaus-, käyttö- ja asennustoimenpiteet. Aivan aluksi esitellään projektissa toteutettuun laitesuunnitteluun vaikuttaneet asiakkaan antama spesifikaatio ja 13.2.2003 voimaan astunut Euroopan parlamentin ja neuvoston asettama RoHS-direktiivi. Direktiivi vaikutti elektroniikkasuunnitteluun komponenttien valinnan osalta. Direktiivin mukaan sen voimaanastumispäivän jälkeen ei saa käyttää komponentteja, jotka sisältävät ympäristölle ja ihmisille vaarallisia aineita. Elektroniikkasuunnitteluosiossa suunnittelu on jaettuna toiminnallisiin osiin. Osiossa käy-dään läpi virtamuuntajien kalibrointi sekä jännitevahvistimen suunnittelu ja simulointi. Ky-seisessä osiossa käsitellään vielä prosessorin vaatimat erityiskytkennät, vikailmoitus-led-valojen ohjaukseen tarvittava kytkentä sekä ennen laitteiston vaatimien käyttöjännitteiden suunnittelua laitteistoon tarvittavien potentiovapaitten lähtöjen toteutus. Ohjelmistokehi-tysosiossa pohditaan mikrotietokoneen ohjelmoinnin perusteita, ennen kuin projektissa laadittua ohjelmaa käydään läpi. Projektissa laadittua koodia ei sen salaisuuden takia käydä yksityiskohtaisesti läpi tässä työssä. Projektissa käytettiin elektroniikkasuunnittelussa PADS-ohjelmistoja PowerLogic ja PowerPCB. Lisäksi käytettiin vahvistinkytkennän simulointiin OrCADin Capture CIS -ohjelmaa. Projektin työläimpään vaiheeseen, ohjelman suunnitteluun, kehitykseen ja kirjoittamiseen käytettiin Raisonancen STMicroelectronicsin mikrotietokoneille kehittämää ohjelmistokehitysympäristöä RIDE -ohjelmistoa. Elektroniikkasuunnittelussa käytetyt oh-jelmistot ovat hyvin yleisesti teollisuuden käytössä.

HPV In situ -hybridisaation käyttöönotto

Ihmisen papilloomavirus (Human papillomavirus HPV) aiheuttaa yleisen sukupuoliteitse leviävän tartuntataudin. Virusinfektiolla on todettu olevan yhteys kohdunkaulan syöpään ja on siksi tärkeä tutkimuskohde. Kätilöopiston sairaalan patologian laboratoriossa tutkitaan HPV:ta Hybrid Capture 2 -menetelmällä, joka antaa tuloksen kvantitatiivisena. Tulos on joko positiivinen tai negatiivinen korkean riskin HPV-genotyypeille. Tutkimuskohteena oli ihmisen papilloomavirusta määrittävä in situ -hybridisaatiomenetelmä, joka on tarkoitus ottaa käyttöön Kätilöopiston sairaalan patologian laboratorioon. Näytemateriaali kerättiin HUSLAB:n Qpati-tietokannasta. 40 potilastapausta valittiin, joista kymmenen potilastapausta kuuluu kondyloma planum-, kymmenen dysplasia levis-, kymmenen dysplasia moderata- ja viimeiset kymmenen dysplasia gravis -luokitukseen. Näytteet oli valettu parafiiniin, joista leikkattiin uudet näytelasit. Näistä tehtiin HPV in situ -hybridisaatio-, p16INK4a-, Ki67- ja hematoksyliini-eosiinivärjäykset. HPV ISH:n tuloksia verrattiin negatiivisten ja positiivisten kontrollien antamiin tuloksiin. Lisäksi tutkittiin proteiinien p16INK4a ja Ki67 vastaavuutta HPV ISH:n antamiin tuloksiin. Ki67 ja p16INK4a ovat merkkiaineita, joita havaitaan HPV:n aiheuttamissa dysplastisissa muutoksissa. HE-värjäyksen avulla tarkistettiin diagnoosiluokat. HPV in situ -hybridisaationäytteissä esiintyi HPV DNA-viruskopioita 82,5 %:ssa (33/40). Näytteistä negatiivisen tuloksen antoi 12,5 % (5/40) ja 5 % (2/40) niistä ei voitu tulkita. Immunohistokemialliset värjäykset antoivat keskenään yhteneväisiä tuloksia. Tulokset olivat yhteneviä myös HPV in situ -hybridisaation antamiin tuloksiin. Tulokset olivat luotettavia, koska negatiivinen kontrolli antoi negatiivisen ja positiivinen kontrolli positiivisen tuloksen. Hematoksyliini-eosiinivärjäyksellä tarkistetuista diagnoosiluokista 20 prosenttia (8/40) oli muuttunut. Tulokset olivat luotettavia, joten voidaan todeta, että in situ -hybridisaatiomenetelmä voidaan ottaa käyttöön Kätilöopiston sairaalan patologian laboratoriolle.