Techno-economic review of carbon capture : Potential and profitability in Oulu region
Salo, Meri (2023)
2023
Ympäristö- ja energiatekniikan DI-ohjelma - Programme in Environmental and Energy Engineering
Tekniikan ja luonnontieteiden tiedekunta - Faculty of Engineering and Natural Sciences
This publication is copyrighted. You may download, display and print it for Your own personal use. Commercial use is prohibited.
Hyväksymispäivämäärä
2023-09-19
Julkaisun pysyvä osoite on
https://urn.fi/URN:NBN:fi:tuni-202309068008
https://urn.fi/URN:NBN:fi:tuni-202309068008
Tiivistelmä
Elevated levels of greenhouse gases such as CO2 in the atmosphere are accelerating global warming and leading to extreme weather events. It is therefore crucial to limit the amount of CO2 released into the atmosphere. Various global and national goals have been set to mitigate climate change and CO2 emissions. One of the solutions could be carbon capture. Carbon capture relates to the processes that can capture CO2 from point sources or directly from the atmosphere, which can then be utilized or stored long-term, limiting the amount of CO2 that is emitted into the atmosphere.
This study aimed to evaluate the feasibility and potential of biogenic carbon capture in select businesses in Northern Finland with the help of a techno-economic analysis. In addition, the goal of the study was to find out what carbon capture technologies are available, the quality of CO2 produced, the amount of CO2 emissions in the case study companies and how interested the companies are in carbon capture. The transport, utilization and storage of the captured CO2 were excluded from the scope of this study.
Several carbon capture technologies were reviewed in this work: chemical absorption, physical adsorption, membrane separation, chemical looping combustion, calcium looping, cryogenic capture and oxy-fuel combustion. In addition, biogenic CO2 sources such as pulp and board manufacturing, combined heat and power and biogas production were studied, and a short literature review on the previous techno-economic analyses on carbon capture was carried out. It was found that chemical absorption using monoethanolamine was the best suited technology for the analysis due to it being a commercially available and well-researched technology as well as the fact that it can produce a high-quality stream of 99.6–99.8% CO2. The techno-economic analysis was carried out for the pulp and linerboard mill and a combined heat and power plant due to their higher CO2 emissions and therefore most potential.
The case study companies were also interviewed about their motivations, strategies, and barriers regarding carbon capture. All of the companies had strategic goals related to minimizing their climate impact, which carbon capture could assist in, but economic profitability was emphasized. Barriers regarding legislation and the maturity of the technology were also identified. The cost of capture was estimated using information gained from the interviews and available literature. The capture cost was calculated to be 63.9 and 62.8 €/t CO2 for the pulp and linerboard mill and combined heat and power plant respectively. The capture cost comprised mostly of the steam cost, capital expenditures, electricity cost and maintenance cost. For the technology to be economically feasible, the price of CO2 sold for utilization would naturally need to exceed the cost of capture since biogenic CO2 emissions are currently not recognized in the European Union emissions trading system.
Kasvihuonekaasujen, kuten hiilidioksidin, korkeat pitoisuudet ilmakehässä kiihdyttävät ilmaston lämpenemistä ja johtavat äärimmäisiin sääilmiöihin. Siksi on erittäin tärkeää rajoittaa ilmakehään vapautuvan hiilidioksidin määrää. Ilmastonmuutoksen ja hiilidioksidipäästöjen hillitsemiseksi on asetettu erilaisia globaaleja ja kansallisia tavoitteita. Yksi ratkaisu voisi olla hiilidioksidin talteenotto. Hiilidioksidin talteenotto liittyy prosesseihin, joilla voidaan ottaa talteen hiilidioksidi pistelähteistä tai suoraan ilmakehästä, jota voidaan tämän jälkeen hyödyntää tai varastoida pitkällä aikavälillä, mikä rajoittaa ilmakehään vapautuvan hiilidioksidin määrää.
Tämän tutkimuksen tavoitteena oli arvioida biogeenisen hiilidioksidin talteenoton toteutettavuutta ja potentiaalia valituissa Pohjois-Suomen yrityksissä teknis-taloudellisen analyysin avulla. Lisäksi tutkimuksen tavoitteena oli selvittää, mitä hiilidioksidin talteenottotekniikoita on saatavilla, tuotetun hiilidioksidin laatua, hiilidioksidipäästöjen määrää tapaustutkimus yrityksissä sekä yritysten kiinnostusta hiilidioksidin talteenottoon. Talteenotetun hiilidioksidin hyödyntämis- ja varastointimahdollisuudet eivät sisältyneet tämän tutkimuksen piiriin.
Työssä tarkasteltiin useita hiilidioksidin talteenottotekniikoita: kemiallinen absorptio, fysikaalinen adsorptio, membraanierotus, kemikaalikiertopoltto, kalsiumkiertoprosessi, kryogeeninen talteenotto ja happipoltto. Lisäksi tarkasteltiin biogeenisiä hiilidioksidilähteitä, kuten sellun ja kartongin valmistusta, sähkön ja lämmön yhteistuotantoa sekä biokaasun tuotantoa, ja tehtiin lyhyt kirjallisuuskatsaus aiemmista hiilidioksidin talteenoton teknis-taloudellisista analyyseistä. Työssä todettiin, että kemiallinen absorptio monoetanoliamiinilla oli sopivin tekniikka analyysiin, sillä se on kaupallisesti saatavilla oleva ja hyvin tutkittu tekniikka sekä se pystyy tuottamaan korkealaatuisen 99,6–99,8 % hiilidioksidivirran. Teknis-taloudellinen analyysi tehtiin sellu- ja kartonkitehtaalle sekä lämmön ja sähkön yhteistuotantolaitokselle niiden korkeampien hiilidioksidipäästöjen ja siten suuremman potentiaalin vuoksi.
Tapaustutkimus yrityksiä lisäksi haastateltiin heidän motivaatiostaan, strategiastaan ja esteistään hiilidioksidin talteenottoon liittyen. Kaikilla yrityksillä oli ilmastovaikutusten minimoimiseen liittyviä strategisia tavoitteita, joita hiilidioksidin talteenotto voisi edesauttaa, mutta sen taloudellista kannattavuutta painotettiin. Lisäksi lainsäädäntöön ja teknologian kypsyyteen liittyviä esteitä tunnistettiin. Talteenoton hinta arvioitiin haastatteluista saatujen tietojen ja saatavilla olevan kirjallisuuden perusteella. Talteenottohinnaksi laskettiin 63,9 ja 62,8 €/t CO2 sellu- ja kartonkitehtaan sekä sähkön ja lämmön yhteistuotantolaitoksen osalta. Talteenottohinta koostui pääasiassa höyryn hinnasta, pääomakustannuksista, sähkön hinnasta sekä huolto- ja ylläpitokustannuksista. Jotta teknologia olisi taloudellisesti kannattavaa, hyötykäyttöön myydyn hiilidioksidin hinnan pitäisi luonnollisesti ylittää talteenottohinta, sillä biogeeniset hiilidioksidipäästöt eivät tällä hetkellä kuulu Euroopan unionin päästökauppajärjestelmään.
This study aimed to evaluate the feasibility and potential of biogenic carbon capture in select businesses in Northern Finland with the help of a techno-economic analysis. In addition, the goal of the study was to find out what carbon capture technologies are available, the quality of CO2 produced, the amount of CO2 emissions in the case study companies and how interested the companies are in carbon capture. The transport, utilization and storage of the captured CO2 were excluded from the scope of this study.
Several carbon capture technologies were reviewed in this work: chemical absorption, physical adsorption, membrane separation, chemical looping combustion, calcium looping, cryogenic capture and oxy-fuel combustion. In addition, biogenic CO2 sources such as pulp and board manufacturing, combined heat and power and biogas production were studied, and a short literature review on the previous techno-economic analyses on carbon capture was carried out. It was found that chemical absorption using monoethanolamine was the best suited technology for the analysis due to it being a commercially available and well-researched technology as well as the fact that it can produce a high-quality stream of 99.6–99.8% CO2. The techno-economic analysis was carried out for the pulp and linerboard mill and a combined heat and power plant due to their higher CO2 emissions and therefore most potential.
The case study companies were also interviewed about their motivations, strategies, and barriers regarding carbon capture. All of the companies had strategic goals related to minimizing their climate impact, which carbon capture could assist in, but economic profitability was emphasized. Barriers regarding legislation and the maturity of the technology were also identified. The cost of capture was estimated using information gained from the interviews and available literature. The capture cost was calculated to be 63.9 and 62.8 €/t CO2 for the pulp and linerboard mill and combined heat and power plant respectively. The capture cost comprised mostly of the steam cost, capital expenditures, electricity cost and maintenance cost. For the technology to be economically feasible, the price of CO2 sold for utilization would naturally need to exceed the cost of capture since biogenic CO2 emissions are currently not recognized in the European Union emissions trading system.
Kasvihuonekaasujen, kuten hiilidioksidin, korkeat pitoisuudet ilmakehässä kiihdyttävät ilmaston lämpenemistä ja johtavat äärimmäisiin sääilmiöihin. Siksi on erittäin tärkeää rajoittaa ilmakehään vapautuvan hiilidioksidin määrää. Ilmastonmuutoksen ja hiilidioksidipäästöjen hillitsemiseksi on asetettu erilaisia globaaleja ja kansallisia tavoitteita. Yksi ratkaisu voisi olla hiilidioksidin talteenotto. Hiilidioksidin talteenotto liittyy prosesseihin, joilla voidaan ottaa talteen hiilidioksidi pistelähteistä tai suoraan ilmakehästä, jota voidaan tämän jälkeen hyödyntää tai varastoida pitkällä aikavälillä, mikä rajoittaa ilmakehään vapautuvan hiilidioksidin määrää.
Tämän tutkimuksen tavoitteena oli arvioida biogeenisen hiilidioksidin talteenoton toteutettavuutta ja potentiaalia valituissa Pohjois-Suomen yrityksissä teknis-taloudellisen analyysin avulla. Lisäksi tutkimuksen tavoitteena oli selvittää, mitä hiilidioksidin talteenottotekniikoita on saatavilla, tuotetun hiilidioksidin laatua, hiilidioksidipäästöjen määrää tapaustutkimus yrityksissä sekä yritysten kiinnostusta hiilidioksidin talteenottoon. Talteenotetun hiilidioksidin hyödyntämis- ja varastointimahdollisuudet eivät sisältyneet tämän tutkimuksen piiriin.
Työssä tarkasteltiin useita hiilidioksidin talteenottotekniikoita: kemiallinen absorptio, fysikaalinen adsorptio, membraanierotus, kemikaalikiertopoltto, kalsiumkiertoprosessi, kryogeeninen talteenotto ja happipoltto. Lisäksi tarkasteltiin biogeenisiä hiilidioksidilähteitä, kuten sellun ja kartongin valmistusta, sähkön ja lämmön yhteistuotantoa sekä biokaasun tuotantoa, ja tehtiin lyhyt kirjallisuuskatsaus aiemmista hiilidioksidin talteenoton teknis-taloudellisista analyyseistä. Työssä todettiin, että kemiallinen absorptio monoetanoliamiinilla oli sopivin tekniikka analyysiin, sillä se on kaupallisesti saatavilla oleva ja hyvin tutkittu tekniikka sekä se pystyy tuottamaan korkealaatuisen 99,6–99,8 % hiilidioksidivirran. Teknis-taloudellinen analyysi tehtiin sellu- ja kartonkitehtaalle sekä lämmön ja sähkön yhteistuotantolaitokselle niiden korkeampien hiilidioksidipäästöjen ja siten suuremman potentiaalin vuoksi.
Tapaustutkimus yrityksiä lisäksi haastateltiin heidän motivaatiostaan, strategiastaan ja esteistään hiilidioksidin talteenottoon liittyen. Kaikilla yrityksillä oli ilmastovaikutusten minimoimiseen liittyviä strategisia tavoitteita, joita hiilidioksidin talteenotto voisi edesauttaa, mutta sen taloudellista kannattavuutta painotettiin. Lisäksi lainsäädäntöön ja teknologian kypsyyteen liittyviä esteitä tunnistettiin. Talteenoton hinta arvioitiin haastatteluista saatujen tietojen ja saatavilla olevan kirjallisuuden perusteella. Talteenottohinnaksi laskettiin 63,9 ja 62,8 €/t CO2 sellu- ja kartonkitehtaan sekä sähkön ja lämmön yhteistuotantolaitoksen osalta. Talteenottohinta koostui pääasiassa höyryn hinnasta, pääomakustannuksista, sähkön hinnasta sekä huolto- ja ylläpitokustannuksista. Jotta teknologia olisi taloudellisesti kannattavaa, hyötykäyttöön myydyn hiilidioksidin hinnan pitäisi luonnollisesti ylittää talteenottohinta, sillä biogeeniset hiilidioksidipäästöt eivät tällä hetkellä kuulu Euroopan unionin päästökauppajärjestelmään.