Decarbonizing non-integrated paper mill operations: techno-economic insights into steam production and the potential of electric boilers

Thumbnail Image

URL

Journal Title

Journal ISSN

Volume Title

School of Chemical Engineering | Master's thesis

Authors

Date

2024-09-26

Department

Major/Subject

Biomass Refining

Mcode

Degree programme

Master's Programme in Chemical, Biochemical and Materials Engineering

Language

en

Pages

122

Series

Abstract

This thesis explores the potential for decarbonization in non-integrated paper mills through electrification of steam supply using electric boilers. Two different analyses are presented. The first analysis examines the future potential of various steam conversion technologies in three major paper producing countries: Finland, Germany, and China. The primary objective of this analysis was to gather data on mill energy usage, energy costs, and CO2 emissions for each country. The findings provide recommendations on the most suitable steam conversion technologies for each location, considering both cost effectiveness and environmental aspects. The second analysis involves a conceptual study of a hypothetical mill, assessing the feasibility of partially or fully electrifying the steam supply. This study includes detailed calculations on capital investment, operating costs, and the economic implications for the mill. It also examines the structure of the Finnish electricity market, exploring how peak and off-peak electricity pricing impacts the viability of electrification. The results indicate a modest economic advantage to using electricity as a fuel source, particularly when prolonged periods of reduced electricity prices are available. In the conceptual mill scenario, a dual investment in both biomass and electric boilers could save approximately 1.47 euros per MWh produced, compared to relying solely on a biomass boiler. In addition to these analyses, the thesis also explores energy saving potential in paper manufacturing through the application of Best Available Technology, as well as emission control measures under the European Union’s Emission Trading System.

Tämä opinnäytetyö tutkii mahdollisuuksia dekarbonisaatioon integroimattomilla paperitehtailla sähköistämällä höyrynsyöttö sähkökattiloiden avulla. Työssä esitetään kaksi erilaista analyysiä. Ensimmäisessä analyysissä tarkastellaan erilaisten höyrykonversioteknologioiden tulevaisuuden mahdollisuuksia kolmessa suuressa paperintuottajamaassa: Suomessa, Saksassa ja Kiinassa. Tämän analyysin ensisijaisena tavoitteena oli kerätä tietoja tehtaiden energiankäytöstä, energiakustannuksista ja hiilidioksidipäästöistä kussakin maassa. Tulokset antavat suosituksia sopivimmista höyryn muunnostekniikoista kuhunkin paikkaan, ottaen huomioon sekä kustannustehokkuuden että ympäristönäkökohdat. Toinen analyysi sisältää hypoteettisen paperitehtaan käsitteellisen tutkimuksen, jossa arvioidaan höyrysyötön osittaisen tai täydellisen sähköistyksen toteutettavuutta. Tämä tutkimus sisältää yksityiskohtaiset laskelmat pääomasijoituksista, käyttökustannuksista ja tehtaan taloudellisista vaikutuksista. Siinä tarkastellaan myös Suomen sähkömarkkinoiden rakennetta ja selvitetään, miten korkean ja matalan ajan hinnoittelu vaikuttaa sähköistyksen kannattavuuteen. Tulokset osoittavat vaatimattoman taloudellisen edun sähkön käyttämisestä polttoaineenlähteenä, varsinkin kun saatavilla on pitkiä alennuksia sähkön hinnasta. Konseptitasoisessa tehdasskenaariossa kaksoisinvestointi sekä biomassa- että sähkökattiloihin voisi säästää noin 1,47 euroa tuotettua MWh:ta kohti verrattuna pelkkään biomassakattilaan. Näiden analyysien lisäksi opinnäytetyössä tarkastellaan myös energian säästöpotentiaalia paperinvalmistuksessa parhaan käytettävissä olevan tekniikan (=Best Available Technology) kautta sekä Euroopan unionin päästökauppajärjestelmän mukaisia päästöjenhallintatoimenpiteitä.

Denna avhandling undersöker potentialen för dekarbonisering för icke-integrerade pappersmaskiner genom elektrifiering av ångtillförseln med hjälp av el-pannor. Två olika analyser presenteras. Den första analysen undersöker den framtida potentialen för olika ångkonverteringstekniker i tre stora pap-persproducerande länder: Finland, Tyskland och Kina. Det primära syftet med denna analys var att samla in data om brukens energianvändning, energikostnader och CO2-utsläpp för varje land. Resultaten ger rekommendationer om de mest lämpliga ångkonverteringsteknikerna för varje plats, med hänsyn till både kostnadseffektivitet och miljöaspekter. Den andra analysen involverar en konceptuell studie på ett hypotetiskt pappersbruk, där man bedömer möjligheten att helt eller delvis elektrifiera ångtillförseln. Denna studie inkluderar detaljerade beräkningar av kapitalinvesteringar, driftskostnader och de ekonomiska konsekvenserna för bruket. Den undersöker också den finska elmarknadens struktur och undersöker hur hög- och lågprissättning av el påverkar elektrifieringens lönsamhet. Resultaten indikerar en blygsam ekonomisk fördel med att använda el som bränslekälla, särskilt när långa perioder med sänkta elpriser är tillgängliga. I det konceptuella pappersbruksscenariot skulle en dubbel investering i både biomassa- och el-panna kunna spara cirka 1,47 euro per producerad MWh, jämfört med att enbart förlita sig på en ångpanna med biomassabränsle. Utöver dessa analyser undersöker avhandlingen också energibesparingspotentialen inom papperstillverkning genom tillämpning av bästa tillgängliga teknik, (=Best Available Technology) samt utsläppskontrollåtgärder under Europeiska unionens system för handel med utsläppsrätter.

Description

Supervisor

Paltakari, Jouni

Thesis advisor

Kohlmann, Jens

Keywords

energy production, electric boiler, cost estimation, decarbonization, paper mill, electrification

Other note

Citation

Permanent link to this item

https://urn.fi/URN:NBN:fi:aalto-202411217294

Collections

[dipl] Kemian tekniikan korkeakoulu / CHEM