Comparison of Biomass Gasification Technologies for Natural Gas Substitution in Iron Ore Pelletizing Plants

The iron ore pelletizing process consumes high amounts of energy, including nonrenewable sources, such as natural gas. Due to fossil fuels scarcity and increasing concerns regarding sustainability and global warming, at least partial substitution by renewable energy seems inevitable. Gasification projects are being successfully developed in Northern Europe, and large-scale circulating fluidized bed biomass gasifiers have been commissioned in e.g. Finland. As Brazil has abundant biomass resources, biomass gasification is a promising technology in the near future. Biomasses can be converted into product gas through gasification. This work compares different technologies, e.g. air, oxygen and steam gasification, focusing on the use of the product gas in the indurating machine. The use of biosynthetic natural gas is also evaluated. Main parameters utilized to assess the suitability of product gas were adiabatic flame temperature and volumetric flow rate. It was found that low energy content product gas could be utilized in the traveling grate, but it would require burner’s to be changed. On the other hand, bio-SGN could be utilized without any adaptions. Economical assessment showed that all gasification plants are feasible for sizes greater than 60 MW. Bio-SNG production is still more expensive than natural gas in any case.

Power to Gas - sähköenergiasta luonnonkaasua, liiketoimintamahdollisuudet Suomessa

Uusiutuvan sähköntuotannon osuuden kasvaessa kasvaa tarve tasata sähköntuotannon ja kulutuksen vaihteluita varastoimalla sähköä. Power to Gas (PtG) - sähköenergiasta luonnonkaasua tarjoaa yhden mahdollisuuden varastoida sähköä. Sähköä käytetään veden elektrolyysiin, jossa syntynyt vety käytetään metanoinissa yhdessä hiilidioksidin kanssa muodostamaan korvaavaa luonnonkaasua. Näin syntynyttä korvaava luonnonkaasua sähköstä kutsutaan e-SNG-kaasuksi. Tässä työssä tutkitaan PtG-laitoksen investointi, käyttö- ja kunnossapitokuluja. Työssä luodaan laskentamalli, jolla lasketaan PtG-laitoksen neljälle käyttötapaukselle kannattavuuslaskelma. Käyttötapauksille lasketaan myös herkkyystarkasteluja. Kannattavuuslaskelmien perusteella päätellään PtG-laitoksen liiketoimintamahdollisuudet Suomessa. Työssä laskettujen kannattavuuslaskelmien perusteella PtG-laitoksen perustapausten liiketoimintamahdollisuudet ovat huonot. Laskettujen herkkyystarkastelujen perusteella havaittiin, että investointikulut, laitoksen ajoaika ja lisätulot hapesta ja lämmöstä ovat kannattavuuden kannalta kriittisimmät menestystekijät.

Potential for synthetic gas in Finnish industry

Finland, other Nordic countries and European Union aim to decarbonize their energy production by 2050. Decarbonization requires large scale implementation of non-emission energy sources, i.e. renewable energy and nuclear power. Stochastic renewable energy sources present a challenge to balance the supply and demand for energy. Energy storages, non-emissions fuels in mobility and industrial processes are required whenever electrification is not possible. Neo-Carbon project studies the decarbonizing the energy production and the role of synthetic gas in it. This thesis studies the industrial processes in steel production, oil refining, cement manufacturing and glass manufacturing, where natural gas is already used or fuel switch to SNG is possible. The technical potential for fuel switching is assessed, and economic potential is necessary after this. All studied processes have potential for fuel switching, but total decarbonization of steel production, oil refining requires implementation of other zero-emission technologies.

Integrated energy storage tank for large scale power-to-gas applications

The global interest towards renewable energy production such as wind and solar energy is increasing, which in turn calls for new energy storage concepts due to the larger share of intermittent energy production. Power-to-gas solutions can be utilized to convert surplus electricity to chemical energy which can be stored for extended periods of time. The energy storage concept explored in this thesis is an integrated energy storage tank connected to an oxy-fuel combustion plant. Using this approach, flue gases from the plant could be fed directly into the storage tank and later converted into synthetic natural gas by utilizing electrolysis-methanation route. This work utilizes computational fluid dynamics to model the desublimation of carbon dioxide inside a storage tank containing cryogenic liquid, such as liquefied natural gas. Numerical modelling enables the evaluation of the transient flow patterns caused by the desublimation, as well as general fluid behaviour inside the tank. Based on simulations the stability of the cryogenic storage and the magnitude of the key parameters can be evaluated.

Benefits of gas driven ground source heat pump systems

This thesis studies energy efficiencies and technical properties of gas driven ground source heat pumps and pump systems. The research focuses on two technologies: gas engine driven compressor heat pump and thermally driven gas absorption heat pump. System consist of a gas driven compressor or absorption ground source heat pump and a gas condensing boiler, which covers peak load. The reference system is a standard electrically powered compressor heat pump with electric heating elements for peak load. The systems are compared through primary energy ratios. Coefficient of performances of different heat pump technologies are also compared. At heat pump level, gas driven heat pumps are having lower coefficient of performances as compared with corresponding electric driven heat pump. However, gas heat pumps are competitive when primary energy ratios, where electricity production losses are counted in, are compared. Technically, gas heat pumps can potentially achieve a slightly higher temperatures with greater total energy efficiency as compared to the electric driven heat pump. The primary energy ratios of gas heat pump systems in relation to EHP-system improves when the share of peak load increases. Electric heat pump system's overall energy efficiency is heavily dependent on the electricity production efficiency. Economy as well as CO2-emissions were not examined in this thesis, which however, would be good topics for further study.

Economics of Power-to-Gas integration to wastewater treatment plant

Solar and wind power produce electricity irregularly. This irregular power production is problematic and therefore production can exceed the need. Thus sufficient energy storage solutions are needed. Currently there are some storages, such as flywheel, but they are quite short-term. Power-to-Gas (P2G) offers a solution to store energy as a synthetic natural gas. It also improves nation’s energy self-sufficiency. Power-to-Gas can be integrated to an industrial or a municipal facility to reduce production costs. In this master’s thesis the integration of Power-to-Gas technologies to wastewater treatment as a part of the VTT’s Neo-Carbon Energy project is studied. Power-to-Gas produces synthetic methane (SNG) from water and carbon dioxide with electricity. This SNG can be considered as stored energy. Basic wastewater treatment technologies and the production of biogas in the treatment plant are studied. The utilisation of biogas and SNG in heat and power production and in transportation is also studied. The integration of the P2G to wastewater treatment plant (WWTP) is examined mainly from economic view. First the mass flows of flowing materials are calculated and after that the economic impact based on the mass flows. The economic efficiency is evaluated with Net Present Value method. In this thesis it is also studied the overall profitability of the integration and the key economic factors.

Framing the Gas Market Uncertainty in Russian Gas Export Policy: The Role of Underlying Ideas

Gas suppliers including Russia are facing the gas market uncertainty caused by the fast growing development of shale gas and liquefied natural gas (LNG). Given that Russia is one of the key energy suppliers in the world, Russian energy policy is intensively studied. However, the majority of the researches focus on the conventional gas sector and very few focus on the unconventional gas sector such as shale gas and LNG. In this light, this thesis aims at examining how the gas market uncertainty is framed in Russian gas export policy as well as discover how the interaction between underlying ideas and the policy frames informs policymaking. After analyzing Russian official documents, three policy frames were identified: shale gas—competition frame, LNG—cooperation frame and cooperation—competition frame. The shale gas—competition frame emphasizes the confrontation with the shale revolution in the USA. The LNG—cooperation frame rests on the idea of building cooperation with the Asia-Pacific region by the LNG trade. The cooperation—competition frame describes the oscillating Russia-EU relationship. Both the economic and ecological dimensions in the policy environment enable these three policy frames. However, the cooperation frame is constrained by the physical dimension since Russia has only one LNG facility in use. The institutional dimension underpins the idea of competition in the cooperation—competition frame. The reason is because of the divergent perspectives between Russia and the EU regarding regulations and market liberalizations. In sum, the result is different from the traditional geopolitical frame which depicts Russia as an energy superpower. Instead, this thesis suggests that Russia is shifting the priority from political interests to business interests in Russian gas export policy, particularly in the domain of shale gas and LNG.

Development of Rouble Exchange Rate in Russia

This 45th volume deals with the development of the Russian rouble, which suffered a severe depreciation crisis in 1998. In the aftermath of this event, a strong investment boom started in Russia. The new devalued rouble exchange rate gave price competitiveness to local industry. In addition to that, increasing export prices of Russian oil and natural gas deliveries have contributed to economic growth lately. Amid this boom period, inflationary pressure has remained high. Price increases have been higher than in the EU, Russia’s main trading partner. However, rouble/euro exchange rate has remained nominally rather stable in the current decade. This means, that rouble appreciates against euro in real terms, which is weakening Russia’s international competitiveness.

Optimointijärjestelmän kehittäminen sähköä ja lämpöä tuottavaan voimalaitokseen

Työn tavoitteena oli kehittää automaattinen optimointijärjestelmä energiayhtiön omistamaan pieneen sähkön- ja lämmöntuotantolaitokseen (CHP-laitos). Optimointitarve perustuu energiayhtiön sähkön hankintaan sähköpörssistä, kaasun hankintahintaan, kohteen paikallisiin sähkö- ja lämpökuormituksiin ja muihin laitoksen talouteen vaikuttaviin tekijöihin. Kehitettävällä optimointijärjestelmällä ontarkoitus tulevaisuudessa hallita useita hajautetun energiantuotannon yksiköitäkeskitetysti. Työssä kehitettiin algoritmi, joka optimoi voimalaitoksen taloutta sähkötehoa säätävillä ajomalleilla ja suoralla sähköteho-ohjeella. Työssä kehitetyn algoritmin tuottamia hyötyjä selvitettiin Harjun oppimiskeskuksen CHP-laitoksen mittaushistoriatiedoilla. CHP-laitosten käytön optimointiin luotiin keskitettyyn laskentaan ja hajautettuun ohjaukseen perustuva järjestelmä. Se ohjaa CHP-laitoksia reaaliaikaisesti ja ennustaa historiatietoihin perustuvalla aikasarjamallilla laitoksen tulevaa käyttöä. Optimointijärjestelmän toimivuus ja saatu hyöty selvitettiin Harjun oppimiskeskuksen CHP-laitoksella vertaamalla mittauksista laskettua toteutunutta hyötyä optimointijärjestelmän laskemaan ennustettuun hyötyyn.

Energiansäästökohteiden kartoitus konepajateollisuuden yrityksessä

Tämän diplomityön tavoitteena on kartoittaa Vaahto Oy:n Hollolan tehtaan energiankulutus ja energiansäästökohteet. Ensin tutkittiin tehtaan energiankulutus ja energiankulutuksen jakautuminen. Tutkimuksessa käytettiin saatavilla olevia kulutustietoja, luettiin konekirjoja sekä haastateltiin tehtaan työntekijöitä. Lisäksi tehdashallien lämmityslaitteiden hyötysuhteet mitattiin. Tutkimuksen päätavoite oli selvittää, miksi tehtaan lämmitysenergiankulutus on kasvanut ja kannattaisiko rakennusten lämmittämiseen käyttää vaihtoehtoista lämmitysmuotoa öljylämmitykselle. Potentiaalisista energiansäästökohteista tehtiin investointilaskelmat ja toimenpide-ehdotukset. Kannattaviksi toimenpiteiksi tutkimuksessa todettiin: lämmityspolttoaineen vaihtaminen maakaasuun, nosto-ovien hankkiminen, paineilmaverkon huolto, paineilmakompressorin lämmöntalteenotto, tehdastilojen sisälämpötilan tarkastus ja työnjohtotilojen ilmanvaihdon käyntiaikojen muutos. Toimenpiteillä arvioidaan vuotuisten energiakustannusten pienenevän noin 34 000 euroa. Toimenpiteiden toteuttamisen arvioidaan maksavan 135 000 ¤, mistä lämmitysjärjestelmän vaihdon osuus on 100 000 ¤.

Convergence withEU environmental legislation in Russia and Kyoto Protocol effects on certain power plants in Russia

Venäjällä uudistetaan sähkömarkkinoita. Uudistamisella pyritään vapauttamaan sähkömarkkinat ja lisäämään kilpailua energiasektorilla. Sähkömarkkinoiden vapauttamisen tarkoitus on energiasektorin hyötysuhteen nostaminen ja investointien houkutteleminen sektorille. Venäjä on ratifioinut Kioton protokollan, mikä energiasektorin kannalta on tärkeää, koska protokollan yhteistoteutusmekanismin kautta saadaan houkuteltua investointeja sektorille. Venäjän sähkömarkkinoiden vapauttamisen pitkäaikainen tähtäin on Venäjän ja Euroopan sähkömarkkinoiden integroituminen, joka tarkoittaa myös ympäristölainsäädännönyhtenäistämistä. Tämä tutkimus on osa Fortum Oyj:n tarjoamaa teknistä katselmusta Venäjällä toimivalle sähköyhtiölle, TGC-9:lle. Tässä työssä keskitytään TGC-9:n omistamien energiatuotantolaitoksien happamoitumista aiheuttaviin ilmapäästöihin ja pölypäästöihin. Tutkimuksessa pyritään myös löytämään Kioton protokollan yhteistoteutusmekanismi hyödyntämiskohteita. NOx -päästöt tulevat olemaan suurin haaste TGC-9:lle, jos ympäristöstandardit yhdenmukaistetaan. Yhteistoteutusmekanismin hyödyntämiskohteita löydettiin neljä: koksaamokaasun hyödyntäminen, maakaasun korvaaminen kuoren poltolla ja kaksi tapausta liittyen laitoksien hyötysuhteen nostamiseen.

Höyrykattiloiden säilöntä

Tässä työssäon tarkasteltu yleisesti höyrykattiloiden säilöntää. Erilaisten säilöntämenetelmien perustietojen lisäksi työssä on pyritty selvittämään eri kattilatyypeille ominaiset säilöntätavat. Märkäsäilönnän jälkeistä käyttöönottoa on pohdittu selvittämällä laskennallisesti, onko tarpeen vaihtaa kattilaan vahvasti kemikaloidun säilöntäliuoksen tilalle puhtaampaa syöttövettä. Esimerkkinä on käytetty Voikkaan paperitehtaan höyryvoimalaitoksen kattila K13:ta. Työtä tehdessä on käytetty apuna aihetta käsittelevää kirjallisuutta, jota on saatu höyrykattiloita säilöviltä voimalaitoksilta, kemikaalitoimittajilta sekä asiantuntijoiden tekemistä luentomonisteista. Lieriökattiloiden höyrypuoli säilötään lähes poikkeuksetta märkänä, sillä se on vaikea tyhjentää täysin kosteudesta. Läpivirtauskattilalaitoksella käytetään usein sekä kuiva- että märkäsäilöntää. Savukaasupuolen korroosio ehkäistään useinmiten pitämällä kattila niin lämpimänä, että kastepistealituksia ei tapahdu.

Kasvihuonekaasujen päästökaupan ohjausvaikutus sellutehtaan prosessien ja laitteiden kehityksessä

EU:n päästökaupan ensimmäinen jakso alkoi 1.1.2005. Päästökauppa on aiheuttanut sen piiriin kuuluvalle teollisuudelle monia haasteita ja riskejä kasvavien kustannusten muodossa. Massa- ja paperiteollisuus on päästökaupanpiiriin kuuluva teollisuudenala, johon päästökaupan kustannukset vaikuttavat haitallisesti globaalin hinnoittelun vuoksi. Massa- ja paperiteollisuudelle päästökaupasta voi koitua kustannuksia päästöoikeuksien ostamisesta, sähkön, polttoaineiden ja kemikaalien hinnan noususta sekä raaka-ainehuollon vaikeutumisesta. Toisaalta tehtaat voivat hyötyä päästökaupasta alittaessaan päästöoikeutensa tai myydessään sähköä ulkopuoliseen verkkoon. Massa- ja paperiteollisuudessa sähköä kuluu enimmäkseen pumppauksiin eli massan siirtoon ja mekaanisen massan valmistukseen. Suurimpia sähköenergian kuluttajia sellun valmistuksessa ovat soodakattila, puunkäsittely, valkaisu ja lajittelu. Lämpöä tarvitaan haihdutus-, kuivaus- ja keittoprosesseissa. Kemikaaleista klooridioksidin valmistuksessa käytettävä natriumkloraatti on kustannusten kannalta merkittävin kemikaali. Tässä työssä tutkittiin päästökaupan aiheuttamien kustannusten vähentämismahdollisuuksia kohdetehtaalla. Suurin potentiaali liittyy meesauunissa poltettavan maakaasun korvaamiseen mäntyöljyllä tai biomassan kaasutuskaasulla. Kemikaalikulutuksen osalta happidelignifiointi on merkittävin mahdollisuuskustannusten alentamiseksi. Lisäksi päästökaupan kustannuksia voidaan alentaa muun muassa oikealla mitoituksella ja sekundäärilämpöjen optimaalisella käytöllä.

Kaasukäyttöisen jäteauton toiminnan tutkiminen ja soveltuvuuden selvittäminen pääkaupunkiseudun jätteenkuljetuksiin

Kaasunkäyttö liikennepolttoaineena on Suomessa vielä melko vähäistä. Maa- ja biokaasun käyttöä pyritään kuitenkin lisäämään, sillä EU:n jäsenvaltioiden tulee korvatavuoteen 2010 mennessä 5,75 % nykyisistä liikenteen polttoaineista biopolttoaineilla ja vuoteen 2020 mennessä jopa 20 %:a. Tässä työssä tutkittiin kaasukäyttöisen (CNG) jäteauton vahvuuksia ja heikkouksia dieseljäteautoon verrattuna. Ensimmäinen CNG-jäteauto aloitti liikennöinnin Pääkaupunkiseudun yhteistyövaltuuskunnan alueella joulukuussa 2005. Kaasujäteautolle suoritettujen melu- ja pakokaasupäästömittausten perusteella selvisi, että CNG-jäteauto on ympäristön kannalta dieseljäteautoa puhtaampi vaihtoehto. Kaasujäteautolla on myös yrityksen imagoon positiivinen vaikutus. Jäteautojen kustannuslaskelmat osoittivat, että kaasujäteauto tulee kokonaiskustannuksiltaan kalliimmaksi kuin dieseljäteauto. Ainoastaan CNG-jäteauton polttoainekustannukset ovat toistaiseksi edullisemmat kuin dieseljäteauton. Kaasujäteautokannan lisääntyminen edellyttää kaasun liikennepolttoainekäytön tukemista esimerkiksi antamalla lisäpisteitä urakkatarjouskilpailuissa. Tällöin eri polttoainevaihtoehtojen välillesyntyy kilpailua, millä voi tulevaisuudessa olla vaikutusta CNG-jäteauton kokonaiskustannusten alenemiseen ja kaasun käytön lisäämiseen taloudellisesti kannattavasti. Myös edistämällä biokaasun hyötykäyttöä liikennepolttoaineena saavutetaan maakaasua paremmat ympäristöhyödyt ja saadaan kaatopaikoilla muodostuva metaani talteen. Biokaasu on hiilidioksidineutraali polttoaine, joten sen poltosta ei synny kasvihuonekaasupäästöjä.