Techno-economic study on biomass-based small-scale combined heat and power production by gasification

Thumbnail Image

Files

master_Seppä_Elina_2017.pdf (3 MB)

URL

Journal Title

Journal ISSN

Volume Title

Insinööritieteiden korkeakoulu | Master's thesis
Unless otherwise stated, all rights belong to the author. You may download, display and print this publication for Your own personal use. Commercial use is prohibited.

Authors

Date

2017-02-20

Department

Major/Subject

Energiatekniikka

Mcode

K3007

Degree programme

Energia- ja LVI-tekniikan koulutusohjelma

Language

en

Pages

83+1

Series

Abstract

This thesis aims to evaluate the market potential and competitiveness of the VTT Gasgen downdraft gasifier coupled with internal combustion engine to produce small-scale (0.1…8 MWe) CHP in a concrete operating environment. Gasgen technology integrates in-situ tar decomposition with fixed bed gasifier. The scalability and wide feedstock range differentiates the Gasgen technology from the other downdraft designs. Local wood species, forest industry by-products and high-lignin agricultural residues constitute the potential feedstocks of the gasifier. The feasibility of the gasifier is evaluated in three cases: 1. district heating CHP plant, 2. industrial electricity and steam production in wood industry and 3. small steam plant replacing a fuel oil plant. The economics indicators calculated with the help of energy and mass balance sheets in Excel include NPV, annual cash flow, annual profit, annuity of capital, payback period, break-even prices and LCOE. The sensitivity of the results is evaluated by changing feedstock, electricity, heat and steam prices as well as comparing several plant sizes. Case 1 remains unprofitable due to the low electricity prices in Finland. The break-even electricity price for a 1 MW district heating plant equals 43 €/MWh. The district heating CHP application is profitable with the subsidies provided by for instance Japan, Austria and UK. Case 2 industrial CHP producing 8 MW steam is highly profitable reaching a payback period of under 4 years and IRR of 29.8 %. At present oil and gas prices, the 750 kW steam plant (Case 3) is feasible if the existing fuel oil plant is at the end of its lifetime.

Tämän diplomityön tavoitteena on arvioida VTT Gasgen pienen kokoluokan (0.1…8 MWe) myötävirtakaasuttimen ja polttomoottorin yhdistetyn sähkön ja lämmöntuotannon (CHP) markkinapotentiaalia ja kilpailukykyä käytännön toimintaympäristössä. Gasgen-teknologia mahdollistaa tervojen hajotuksen myötävirtakaasuttimessa. Skaalattavuus ja laaja polttoainevalikoima erottavat teknologian muista myötävirtakaasuttimista. Kaasuttimen polttoaineeksi käyvät paikalliset puulajit, metsäteollisuuden sivutuotteet ja ligniinipitoiset maatalouden tähteet. Kaasuttimen kannattavuutta arvioidaan kolmessa tapauksessa: 1. kaukolämmön yhteistuotanto, 2. puutuoteteollisuuden sähkön ja höyryn tuotanto ja 3. polttoöljyn tai maakaasun korvaaminen pienessä höyrykeskuksessa. Excel-pohjaisen massa- ja energiataseohjelman avulla lasketaan nettonykyarvo, vuosittainen kassavirta, vuosittainen tuotto, pääoman annuiteetti, takaisinmaksuaika, energian hintojen kannattavuusraja ja LCOE (levelized cost of energy). Herkkyystarkastelussa tutkitaan polttoaineen, sähkön, lämmön ja höyryn hintojen, sekä laitoskoon vaikutusta tuloksiin. Kaukolämmön yhteistuotanto ei ole kannattavaa Suomen alhaisten sähkönhintojen myötä. 1 MW:n kaukolämpölaitoksen sähkön hinnan kannattavuusraja on 43 €/MWh. Kaukolämmön yhteistuotanto on kannattavaa esimerkiksi Japanin, Itävallan ja Iso-Britannian kannustimien avulla. Puutuoteteollisuudelle 8 MW höyryä tuottava laitos on kannattava saavuttaen alle 4 vuoden takaisinmaksuajan ja 29.8 % sisäisen koron. 750 kW höyrykeskuksessa polttoöljyn tai kaasun korvaaminen kaasuttimella on kannattavaa, jos laitos on käyttöikänsä lopussa.

Description

Supervisor

Järvinen, Mika

Thesis advisor

Hiltunen, Ilkka

Keywords

biomass gasification, small-scale, CHP, economic evaluation, bioenergy

Other note

Citation

Permanent link to this item

https://urn.fi/URN:NBN:fi:aalto-201702242618

Collections

[dipl] Insinööritieteiden korkeakoulu / ENG