Operational and financial effects of fluidized bed process electrification

Abstract

The transition to a carbon-neutral society is necessary to limit the effects of climate change. One tool for this transition is electrification which will cause electricity consumption to increase globally in the coming years. This is covered with renewable energy sources (RES). The flexibility to balance the electricity generation of RES has been partly provided by conventional combustion power plants. Thus, the power plants are now performing startups and operating in part-load more often than before. The status of the Finnish electricity market gives a great opportunity to utilize fluctuations of electricity price in various ways to increase the operative flexibility of the power plant when energy demand is low.

This thesis is done in cooperation with Sumitomo SHI FW, and it focuses on a circulating fluidized bed boiler which also produces district heat. The boiler’s behaviour below its designed minimum load level is investigated with and without auxiliary electric heating of primary air. It was noticed that electric heating increased the operative flexibility of the power plant at very low load levels by increasing bed temperatures. It also benefits starting and heating up the boiler. Auxiliary heating of primary air increased boiler efficiency, and decreased fuel consumption and the released CO₂ emissions.

The heater’s maximum capital and O&M costs are determined for various scenarios. The profitability assessment proved that the electricity market profile of the year 2023 is the most suitable for electrification. However, attitudes towards the combustion of biomass are becoming more stringent, and gaining free allocation cannot always be taken for granted in the future. Including biomass in the scope of the emission trading system was shown to have a significant positive impact on the profitability of the electrification investment.

Siirtyminen hiilineutraaliin yhteiskuntaan on välttämätöntä ilmastonmuutoksen vaikutuksien rajoittamiseksi. Yksi työkalu tähän siirtymiseen on sähköistäminen, joka tulee lisäämään sähkön kulutusta maailmanlaajuisesti tulevina vuosina. Tämä kulutuksen kasvu on katettu uusiutuvilla energialähteillä. Joustavuutta uusiutuvien sähköntuotannon tasapainottamiseen ovat osittain tarjonneet perinteiset polttovoimalaitokset. Täten voimalaitokset suorittavat nyt aiempaa useammin ylösajoja ja operoivat osakuormalla. Suomen sähkömarkkinoiden tila antaa erinomaisen mahdollisuuden hyödyntää eri tavoin sähkön hinnan heilahteluita voimalaitoksen operatiivisen joustavuuden lisäämiseksi silloin, kun energian kysyntä on vähäistä.

Tämä diplomityö on tehty yhteistyössä Sumitomo SHI FW:n kanssa ja se keskittyy kiertopetikattilaan, joka tuottaa sähkön lisäksi kaukolämpöä. Kattilan käyttäytymistä tutkitaan sen mitoitetun minimikuormatason alapuolella primääri-ilman sähköapulämmittimen kanssa ja ilman. Todetaan, että sähkölämmitys lisäsi voimalaitoksen operatiivista joustavuutta erittäin alhaisilla kuormatasoilla nostamalla petilämpötiloja. Lämmittimestä on hyötyä myös kattilan ylösajossa. Primääri-ilman lisälämmitys nosti kattilahyötysuhdetta sekä vähensi polttoaineen kulutusta ja vapautuvia hiilidioksidipäästöjä.

Lämmittimen investointi- sekä käyttö- ja kunnossapitokustannukset märitetään eri skenaarioille. Kannattavuustarkastelu osoitti, että vuoden 2023 sähkömarkkinaprofiili on sopivin sähköistämiseen. Asenteet biomassan polttoa kohtaan ovat kuitenkin kiristymässä, eikä täysimääräisen päästöoikeuden ilmaisjaon saamista voida pitää tulevaisuudessa aina itsestäänselvyytenä. Biomassan sisällyttämisellä päästökauppajärjestelmän piiriin osoitettiin olevan merkittävä positiivinen vaikutus sähköistämisinvestoinnin kannattavuuteen.