Economics of Power-to-Gas integration to wastewater treatment plant

Abstract

Solar and wind power produce electricity irregularly. This irregular power production is problematic and therefore production can exceed the need. Thus sufficient energy storage solutions are needed. Currently there are some storages, such as flywheel, but they are quite short-term. Power-to-Gas (P2G) offers a solution to store energy as a synthetic natural gas. It also improves nation’s energy self-sufficiency. Power-to-Gas can be integrated to an industrial or a municipal facility to reduce production costs. In this master’s thesis the integration of Power-to-Gas technologies to wastewater treatment as a part of the VTT’s Neo-Carbon Energy project is studied. Power-to-Gas produces synthetic methane (SNG) from water and carbon dioxide with electricity. This SNG can be considered as stored energy. Basic wastewater treatment technologies and the production of biogas in the treatment plant are studied. The utilisation of biogas and SNG in heat and power production and in transportation is also studied. The integration of the P2G to wastewater treatment plant (WWTP) is examined mainly from economic view. First the mass flows of flowing materials are calculated and after that the economic impact based on the mass flows. The economic efficiency is evaluated with Net Present Value method. In this thesis it is also studied the overall profitability of the integration and the key economic factors.

Aurinko- ja tuulivoima tuottavat sähköä epäsäännöllisesti. Tämä epäsäännöllinen tuotanto on ongelmallista ja välillä tuotanto voi ylittää energian tarpeen. Tällöin tarvitaan riittäviä vaihtoehtoja energian varastointiin. Tällä hetkellä energian varastointiin on olemassa joitain sovelluksia, kuten vauhtipyörä, mutta ne ovat kestoltaan melko lyhytaikaisia. Power-to-Gas tarjoaa vaihtoehdon varastoida energiaa kaasuksi. Se myös parantaa maan energia omavaraisuutta. Power-to-Gas voidaan integroida joko teollisiin tai kunnallisiin toimintoihin kustannuksien pienentämiseksi. Tässä diplomityössä tutkitaan Power-to-Gas teknologian integroimista jäteveden puhdistamoon osana VTT:n Neo-Carbon Energy- projektia. Power-to-Gas tuottaa synteettistä metaania (SNG) vedestä ja hiilidioksidista sähkön avulla. Tämä tuotettu SNG voi oimia myös energiavarastona. Myös jäteveden puhdistusta ja sen ohessa tapahtuvaa biokaasun tuotantoa tutkitaan tässä työssä. Myös biokaasun ja SNG:n hyödyntämiseen perehdyttiin. Integraatiota tutkitaan pääsääntöisesti taloudelliselta kannalta. Ensiksi on laskettu virtaavien aineiden massavirrat ja niiden avulla taloudellisia arvoja ja vaikutusta. Taloudellisuutta on arvioitu nykyarvo-menetelmällä. Tässä työssä on tutkittu myös integraation yleistä tuottavuutta ja tärkeimpiä taloudellisia tekijöitä.