Effects of carbon capture on an existing combined cycle gas turbine power plant

Abstract

Carbon capture and storage (CCS) is the only technology available for the reduction of greenhouse gas emissions from large-scale fossil fuel usage. The objective of this study is to give an overview of the potential for applying CCS in an existing natural gas combined cycle gas turbine power plant. Helsingin Energia's Vuosaari B power plant was used as an example.

Different technically available post-combustion carbon capture technologies applicable to gas turbine power plants are introduced. The alternative that was discovered the best, in this case chemical absorption with monoethanolamine (MEA) as a solvent, was chosen for further investigation.

The carbon capture and compression unit is integrated into the power plant in a way that involves minimum changes to the existing process. Heat energy required by the chemical reaction of the carbon capture process is recovered from low pressure steam from the power plant. Impacts in the process are demonstrated by creating a power plant model and simulating different modes of operation of the power plant with and without CCS.

The cost assessment focuses on the impacts on revenues before and after CCS integration. Also the investment costs of the carbon capture and compression unit are estimated.

The amount of sellable district heat and electrical power decrease, due to energy demand of the carbon capture and compression unit. This also decreases revenues from district heat and electricity. These changes are presented in the results. Impacts on the overall efficiency are significant: depending on the mode of operation, it decreases 15-17 per cent units. The impact was the greatest in heat power generation. At the same time, the revenues decrease notably. With a 90 % carbon separation rate, the overall global warming potential sinks by 64 %.

Hiilidioksidin talteenotto ja varastointi on ainoa olemassa oleva tekniikka laajan mittakaavan kasvihuonekaasupäästövähennysten saavuttamiseksi fossiilisia polttoaineita käyttävillä voimalaitoksilla. Diplomityössä selvitetään hiilidioksidin talteenottomahdollisuuden lisäämisen vaikutuksia prosessiin olemassa olevalla voimalaitoksella. Esimerkkilaitoksena on Helsingin Energian maakaasukäyttöinen kombivoimalaitos Vuosaari B, jota käytetään sähkön ja kaukolämmön tuotantoon.

Työn kirjallisuusosassa käydään läpi erilaisia tekniikoita hiilidioksidin talteenottoon savukaasuista. Näistä vaihtoehdoista valitaan parhaiten soveltuva tarkempaa tarkastelua varten. Tarkastelua varten valittu vaihtoehto on kemiallinen absorptio, jossa käytetään liuoksena monoetanoliamiinia (MEA).

Hiilidioksidin talteenottolaitos pyritään integroimaan voimalaitokseen siten, että itse voimalaitokseen tehtävät muutokset pysyvät mahdollisimman vähäisinä. Hiilidioksidin talteenoton vaatima lämpöenergia saadaan voimalaitoksen matalapainehöyrystä. Vaikutukset voimalaitosprosessiin selvitettiin laatimalla olemassa olevasta voimalaitoksesta malli, ja simuloimalla sillä muutoksia eri ajotavoilla.

Kustannustarkastelussa keskityttiin tarkastelemaan hiilidioksidin talteenoton aiheuttamia muutoksia nykytilanteeseen. Myös laitoksen investointikustannuksista esitetään karkea arvio.

Hiilidioksidin talteenoton ja kompressoinnin vaatima lämpö- ja sähköteho vähentävät kaukolämmön ja sähkön määrää, ja myös niiden myynnistä saatavia tuloja. Näitä vaikutuksia esitellään työn tuloksissa. Muutoksien havaittiin olevan huomattavia: kokonaishyötysuhde laski ajotavasta riippuen 15 - 17 prosenttiyksikköä. Suurin muutos havaittiin laitoksen kaukolämpötehossa. Samalla myös myyntitulot laskevat huomattavasti. 90 % hiilidioksidin erotusasteella saavutetaan todellisuudessa noin 64 % lasku kasvihuonevaikutuksessa.