Teknis-taloudellinen tarkastelu ja Aspen Plus prosessisimulaatio jätteenpolttolaitokseen yhdistetystä power-to-gas -järjestelmästä

Anthropogenic carbon dioxide emissions and quantity of global waste generation are constantly increasing, causing both climate and environment related issues world wide. While the total energy demand increases simultaneously, more renewable low-carbon alternatives must be introduced to mitigate climate change. Waste-to-Energy equipped with carbon capture and Power-to-Gas system is proposed as an partial solution to reduce both emissions and pollution, and supply renewable fuels. In this thesis, a techno-economic analysis and Aspen Plus process simulation was carried out for a Power-to-Methane production chain involving 70 MW municipal solid waste incinerator, regenerative CO2 absorption, alkaline water electrolysis, and catalytic methanation processes. The proposed process configuration is capable of capturing 0.18 Mt of CO2 from flue gases and to produce 228 GWh of synthetic natural gas annually. The simulation model converged successfully and fulfilled the desired 90 % CO2 capture efficiency as well as > 95 % methane concentration for produced SNG. Pinch analysis results suggested 25.8 % possible energy savings through process-to-process heat integration, reducing total utility demand. Capital investment costs for electrolysis, carbon capture, and methanation equipment were estimated to be 37.0 M€, 18.3 M€, and 16.4 M€ respectively. Operational costs covered 71 % of the total lifetime cost, with electricity having the largest contribution despite major savings achieved via hourly production optimization. Based on calculation results, the process was found to be not economically feasible under current market situation. In the near future, equipment performance development, reduction in capital and electricity costs, subsidies, and policies can increase the process economical potential.Ihmistoiminnan aiheuttamat hiilidioksidipäästöt sekä maailmanlaajuisen jätteen määrä kasvavat jatkuvasti, mikä aiheuttaa sekä ilmastoon että ympäristöön liittyviä ongelmia maailmanlaajuisesti. Samalla aikaa energian kokonaiskysyntä kasvaa, minkä vuoksi ilmastonmuutoksen hillitsemiseksi on otettava käyttöön kasvavissa määrin uusiutuvia, vähähiilisiä vaihtoehtoja. Hiilidioksidin talteenotolla ja Power-to-Gas -järjestelmällä varustettua jätteenpolttoa on ehdotettu osaratkaisuksi sekä päästöjen että saasteiden vähentämiseen ja uusiutuvien polttoaineiden tuotantoon. Tässä diplomityössä suoritettiin teknis-taloudellinen tarkastelu ja Aspen Plus -prosessisimulaatio Power-to-Methane -tuotantoketjulle, joka sisältää 70 MW:n yhdyskuntajätteenpolttolaitoksen, regeneratiivisen CO2 -absorption, alkalielektrolyyserin sekä katalyyttisen metanoinnin. Ehdotettu prosessikonfiguraatio pystyy ottamaan savukaasuista talteen 0,18 Mt CO2 ja tuottamaan 228 GWh synteettistä maakaasua vuosittain. Simulaatiomali konvergoitui onnistuneesti ja täytti vaatimukset 90 %:n hiilidioksidin talteenotto-osuudesta sekä tuotetun SNG:n > 95 % metaanipitoisuudesta. Pinch-analyysin tulokset indikoivat 25.8 % mahdollista energiansäästöä prosessien välisen lämpöintegroinnin kautta, vähentäen lämpö- ja jäähdytysenergian kokonaistarvetta. Elektrolyysin, hiilidioksidin talteenoton ja metanointilaitteiden investointikustannusten arvioitiin olevan 37.0 M€, 18.3 M€ ja 16.4 M€. Käyttökustannukset kattoivat 71 % koko elinkaaren kustannuksista, ja sähkön osuus oli suurin huolimatta tuntikohtaisella tuotannon optimoinnilla saavutetuista merkittävistä säästöistä. Laskentatulosten perusteella prosessi todettiin taloudellisesti epäkannattavaksi nykyisessä markkinatilanteessa. Lähitulevaisuudessa laitteiden suorituskyvyn kehittyminen, pääoma- ja sähkökustannusten aleneminen, mahdolliset tuet sekä poliittiset säädökset voivat kuitenkin lisätä prosessin taloudellista potentiaalia