CO2 emission reduction in coating drying
Jalo, Aino (2021-12-12)
Jalo, Aino
12.12.2021
Julkaisun pysyvä osoite on
https://urn.fi/URN:NBN:fi-fe2021121260174
https://urn.fi/URN:NBN:fi-fe2021121260174
Tiivistelmä
The production of coated board and papers will increase with the increasing market share of “take away” products and internet shopping. Increasing the production of board and paper grades used in packaging increases the coating drying phase greenhouse gas (GHG) emissions if there will not be any actions to mitigate these emissions. Coating drying is needed for different board and paper grades used in packaging material use. Especially food and liquid packaging have special needs for coating as well as coating drying in the manufacturing process.
The purpose of this thesis was to calculate carbon dioxide (CO₂) emissions in the coating drying section of board and paper machines in 2020. In addition, the purpose was to determine methods to decarbonize this coating drying section. This topic was researched from global and European Union area points of views. There are different climate programmes to support the transition to renewable energy and supporting energy efficiency increase. The European Union has a leading role in emissions mitigation and adaptation and also has a significant influence on global emission regulations. As a primary energy resource, natural gas (NG) is mainly used in coating drying, especially in non-integrated mills or in mills which are using recycled fiber as raw material. Other energy resources in the use of coating drying are liquefied natural gas (LNG), liquefied petroleum gas (LPG), medium or low-pressure steam and electricity. From the global point of view, the primary energy used in heating of coating drying is mainly from fossil fuels.
Based on the calculations made in this thesis, the CO₂ emissions by energy consumption in coating drying heating in year 2020 were on average 882 ktCO₂ globally, and 187 ktCO₂ in the EU area.
The proportion of average CO₂ emissions by gas (NG, LNG, LPG) in heating energy consumption by the coating drying process were 722 ktCO₂ globally, and 141 ktCO₂ in the EU area. Methods to decrease the CO₂ emissions in the coating drying section can be divided into two parts: to improve energy efficiency in coating drying or changing the fossil fuel based heat resource to alternative fossil free heat resource. According to Valmet's estimations, improvement of energy efficiency can save approximately 20 % of energy used in coating drying as heating energy. This means that CO₂ emissions of coating drying in 2025 will be approximately 26 % less than if improvements are not made to increase energy efficiency in coating drying by 2025. Board and paper producers’ thoughts on CO₂ reduction were considered, and as a case example a Finnish forest industry company’s board machine’s coating drying section was studied. EU regulations, fundings and targets of CO₂ reduction were considered from the point of view of decarbonizing coating drying. Päällystetyn kartongin ja paperin tuotanto kasvaa "take away" -tuotteiden ja verkkokaupan markkinaosuuden kasvaessa. Pakkauksissa käytettävien kartonki- ja paperilaatujen tuotannon kasvu lisää päällystyskuivauksen kasvihuonekaasupäästöjä, mikäli päästöjen vähentämiseksi ei tehdä toimenpiteitä. Päällystyskuivausta tarvitaan eri pakkausmateriaaleihin käytettäviin kartonki- ja paperilaatuihin. Erityisesti elintarvike- ja nestepakkauksilla on valmistusprosessissa eri tyistarpeita päällystykselle ja päällysteen kuivaukselle.
Tämän diplomityön tarkoituksena oli laskea hiilidioksidipäästöt kartonki- ja paperikoneiden päällystyskuivauksessa vuodelta 2020. Lisäksi määritettiin menetelmät päällystyskuivauksen hiilidioksidipäästöjen vähentämiselle. Aihetta tutkittiin globaalisti ja lisäksi Euroopan Unionin alueen näkökulmasta. Uusiutuvaan energiaan siirtymistä ja energiatehokkuuden lisäämistä tukevia ilmasto-ohjelmia on erilaisia. Euroopan Unionilla on johtava rooli päästöjen vähentämisessä, ja sillä on myös merkittävä vaikutus maailmanlaajuisiin päästömääräyksiin. Maakaasua (NG) käytetään pääasiassa päällystyskuivauksen lämpöenergianlähteenä, erityisesti integroimattomissa tehtaissa, tai tehtaissa, jotka käyttävät kierrätyskuitua raaka-aineena. Muita päällystyskuivaukseen käytettäviä energialähteitä ovat nesteytetty maakaasu (LNG), nestekaasu (LPG), keski- tai matalapaineinen höyry ja sähkö. Maailmanlaajuisesti päällysteen kuivauksen lämmitykseen käytetty primäärienergia on pääosin peräisin fossiilisista polttoaineista.
Perustuen tässä tutkimuksessa laskettuihin arvoihin, vuonna 2020 päällystyskuivauksen tuottamat CO₂-päästöt olivat keskimäärin päällystyskuivauksen lämpöenergiankulutukselle globaalisti 882 ktCO₂ ja EU:n alueella 187 ktCO₂. Kaasun (NG, LNG, LPG) osuus CO₂ päästöistä päällystyskui vauksen lämpöenergiankulutukselle oli globaalisti 722 ktCO₂ja EU:n alueella 141 ktCO₂.
CO₂-päästöjen vähennysmenetelmät voidaan jakaa kahteen tapaan: energiatehokkuuden parantamiseen tai fossiilisiin polttoaineisiin perustuvan lämmönlähteen vaihtaminen fossiilittomaan lämmönlähteeseen päällystyskuivauksessa. Valmetin arvioiden mukaan energiatehokkuuden parantaminen voi säästää noin 20 % päällysteen kuivaukseen kuluvasta energiasta. Päällystyskuivauksen hiilidioksidipäästöt olisivat vuonna 2025 noin 26 % pienemmät verrattuna tilanteeseen, missä päällysteen kuivauksen energiatehokkuuteen ei tehdä parannuksia vuoteen 2025 mennessä. Kartongin ja paperin tuottajien ajatuksia hiilidioksidipäästöjen vähentämisestä haastateltiin, ja esimerkkinä käytettiin erään suomalaisen metsäteollisuusyhtiön kartonkikoneen päällystyskuivausta. EU-lainsäädäntöä, rahoituksia ja tavoitteita CO₂-päästöjen vähentämiselle tutkittiin päällystyskuivauksen näkökulmasta.
The purpose of this thesis was to calculate carbon dioxide (CO₂) emissions in the coating drying section of board and paper machines in 2020. In addition, the purpose was to determine methods to decarbonize this coating drying section. This topic was researched from global and European Union area points of views. There are different climate programmes to support the transition to renewable energy and supporting energy efficiency increase. The European Union has a leading role in emissions mitigation and adaptation and also has a significant influence on global emission regulations. As a primary energy resource, natural gas (NG) is mainly used in coating drying, especially in non-integrated mills or in mills which are using recycled fiber as raw material. Other energy resources in the use of coating drying are liquefied natural gas (LNG), liquefied petroleum gas (LPG), medium or low-pressure steam and electricity. From the global point of view, the primary energy used in heating of coating drying is mainly from fossil fuels.
Based on the calculations made in this thesis, the CO₂ emissions by energy consumption in coating drying heating in year 2020 were on average 882 ktCO₂ globally, and 187 ktCO₂ in the EU area.
The proportion of average CO₂ emissions by gas (NG, LNG, LPG) in heating energy consumption by the coating drying process were 722 ktCO₂ globally, and 141 ktCO₂ in the EU area. Methods to decrease the CO₂ emissions in the coating drying section can be divided into two parts: to improve energy efficiency in coating drying or changing the fossil fuel based heat resource to alternative fossil free heat resource. According to Valmet's estimations, improvement of energy efficiency can save approximately 20 % of energy used in coating drying as heating energy. This means that CO₂ emissions of coating drying in 2025 will be approximately 26 % less than if improvements are not made to increase energy efficiency in coating drying by 2025. Board and paper producers’ thoughts on CO₂ reduction were considered, and as a case example a Finnish forest industry company’s board machine’s coating drying section was studied. EU regulations, fundings and targets of CO₂ reduction were considered from the point of view of decarbonizing coating drying.
Tämän diplomityön tarkoituksena oli laskea hiilidioksidipäästöt kartonki- ja paperikoneiden päällystyskuivauksessa vuodelta 2020. Lisäksi määritettiin menetelmät päällystyskuivauksen hiilidioksidipäästöjen vähentämiselle. Aihetta tutkittiin globaalisti ja lisäksi Euroopan Unionin alueen näkökulmasta. Uusiutuvaan energiaan siirtymistä ja energiatehokkuuden lisäämistä tukevia ilmasto-ohjelmia on erilaisia. Euroopan Unionilla on johtava rooli päästöjen vähentämisessä, ja sillä on myös merkittävä vaikutus maailmanlaajuisiin päästömääräyksiin. Maakaasua (NG) käytetään pääasiassa päällystyskuivauksen lämpöenergianlähteenä, erityisesti integroimattomissa tehtaissa, tai tehtaissa, jotka käyttävät kierrätyskuitua raaka-aineena. Muita päällystyskuivaukseen käytettäviä energialähteitä ovat nesteytetty maakaasu (LNG), nestekaasu (LPG), keski- tai matalapaineinen höyry ja sähkö. Maailmanlaajuisesti päällysteen kuivauksen lämmitykseen käytetty primäärienergia on pääosin peräisin fossiilisista polttoaineista.
Perustuen tässä tutkimuksessa laskettuihin arvoihin, vuonna 2020 päällystyskuivauksen tuottamat CO₂-päästöt olivat keskimäärin päällystyskuivauksen lämpöenergiankulutukselle globaalisti 882 ktCO₂ ja EU:n alueella 187 ktCO₂. Kaasun (NG, LNG, LPG) osuus CO₂ päästöistä päällystyskui vauksen lämpöenergiankulutukselle oli globaalisti 722 ktCO₂ja EU:n alueella 141 ktCO₂.
CO₂-päästöjen vähennysmenetelmät voidaan jakaa kahteen tapaan: energiatehokkuuden parantamiseen tai fossiilisiin polttoaineisiin perustuvan lämmönlähteen vaihtaminen fossiilittomaan lämmönlähteeseen päällystyskuivauksessa. Valmetin arvioiden mukaan energiatehokkuuden parantaminen voi säästää noin 20 % päällysteen kuivaukseen kuluvasta energiasta. Päällystyskuivauksen hiilidioksidipäästöt olisivat vuonna 2025 noin 26 % pienemmät verrattuna tilanteeseen, missä päällysteen kuivauksen energiatehokkuuteen ei tehdä parannuksia vuoteen 2025 mennessä. Kartongin ja paperin tuottajien ajatuksia hiilidioksidipäästöjen vähentämisestä haastateltiin, ja esimerkkinä käytettiin erään suomalaisen metsäteollisuusyhtiön kartonkikoneen päällystyskuivausta. EU-lainsäädäntöä, rahoituksia ja tavoitteita CO₂-päästöjen vähentämiselle tutkittiin päällystyskuivauksen näkökulmasta.