BIOENERGIAN UUSIA KÄYTTÖMAHDOLLISUUKSIA BIOMASSA METALLURGISESSA TEOLLISUUDESSA

Transkriptio

1 BIOENERGIAN UUSIA KÄYTTÖMAHDOLLISUUKSIA BIOMASSA METALLURGISESSA TEOLLISUUDESSA Bioreducer loppuseminaari Oulu Hannu Suopajärvi Prosessimetallurgian laboratorio, Oulun yliopisto

2 Sisältö Tausta Bioreducer-hanke Pelkistimet metallurgisissa prosesseissa Raaka-aineselvitykset Biomassan termokemiallinen konversio Biopelkistimien ominaisuudet Biopelkistimien käyttötutkimukset Biopelkistimien käytön vaikutusten arviointi Yhteenveto ja pohdinta Lähteitä

3 Tausta Terästeollisuudessa syntyy noin 5 7% fossiilisista CO 2 päästöistä maailmanlaajuisesti Ruukki Suomessa 4 5 Mt CO 2 (noin 6 7% CO 2 päästöistä, metallinjalostusteollisuus yhteensä noin 10%) Raakaraudan tuotannossa tarvitaan yli 400 kg hiiltä yhden raakarautatonnin tuottamiseen 1.5 tco 2 /t raakarauta Otettaessa huomioon koko elinkaari (tonni terästä + sivutuotehyvitykset), syntyy noin 2 tco 2 /t terästä Pitkällä aikavälillä fossiiliset pelkistimet ehtyvät, hinta nousee? Energia- ja ilmastopoliittiset tavoitteet Vähähiilinen Eurooppa

4 Tausta ULCOS Eurooppalainen konsortio, jonka tarkoituksena pienentää terästeollisuuden CO 2 päästöjä 50 % tämän hetken teknologioihin verrattuna Tutkimuskohteet: Masuunin huippukaasun kierrätys HIsarna (suorasulatus) Ulcored (paranneltu suorapelkistys) Ulcowin (elektrolyysi) Hiilidioksidin talteenotto ja varastointi (CCS) mukana (kallis ratkaisu) Maakaasun käyttö pelkistimenä VoestAlpine rakentaa suorapelkistysraudan (DRI) tuotantolaitoksen Texasiin, USA:han

5 Bioreducer-hankkeen tavoitteet Vaihtoehtoisten raaka-aineiden saatavuuden arviointi Suomessa ja ominaisuudet metallurgisen käytön kannalta Termokemiallisten konversioteknologioiden arviointi biopelkistimien tuotannossa (kiinteät, nestemäiset ja kaasumaiset pelkistimet) Biomassan käytön vaikutusten arviointi integroidun terästehtaan näkökulmasta (massa- ja energiataseiden arviointi) Biomassan käytön kestävyyden arviointi raudan- ja teräksenvalmistuksessa

6 Bioreducer-hanke EAKR-hanke Projektiin osallistuneet yritykset ja yhteisöt Gasek Oy, Lassila & Tikanoja Oyj, Mustavaaran Kaivos Oy, Naturpolis Oy, Pohjois-Pohjanmaan liitto, Pohjolan Voima Oy, Rautaruukki Oyj, Sievin biohake Oy, Suomen biosähkö Oy, Taivalkosken kunta. Projektiin osallistuneet tutkimuslaitokset (johtoryhmä) Henrik Saxen, Lämpö- ja virtaustekniikka, Åbo Akademi, Olli Dahl, Puhtaat teknologiat-tutkimusryhmä, Aalto yliopisto, Puunjalostustekniikan laitos Projektin kesto 9/2010 4/2013 Tekes-rahoitus (EAKR) , kokonaisrahoitus Vastuullinen johtaja T.Fabritius, päätutkija H. Suopajärvi

7 7 Materiaalit ja metodit Pelkistimet metallurgisissa prosesseissa Kirjallisuusselvitys Raportti WP 0 Vaihtoehtoiset raaka-aineet pelkistimiksi Kirjallisuusselvitys saatavuuksista ja ominaisuuksista sekä laboratoriokokeita Raportit WP 2.1 ja WP 2.2 Konversioteknologiat biomassan jalostamisessa pelkistimiksi Kirjallisuusselvitys Raportti WP 3 Hiiltämön integrointi terästehtaan ympäristöön ja erilaisten pelkistimen injektointi masuuniin Laskennalliset tarkastelut Raportit WP 4.1 ja WP 4.2 Pelkistimien tuotantokustannukset Laskennalliset tarkastelut Raportit WP 4.1 ja WP 5 Pelkistimien tuotannon ympäristövaikutukset Laskennalliset tarkastelut Raportti WP 5

8 8 PELKISTIMET METALLURGISISSA PROSESSEISSA WP0 Pelkistimet metallurgisissa prosesseissa

9 Pelkistimet metallurgisissa prosesseissa-wp0 Teräksen tuotanto (Ruukki) Raakaraudan tuotanto Koksi kg/trr Öljy kg/trr Ruostumattoman teräksen tuotanto (Outokumpu) Ferrokromin tuotanto Koksi 500 kg/tfecr Valokaariuuni (romun sulatus) Koksi 10-15kg/tteräs Kromiittipelletin sintraus Koksi/koksipöly 60-90kg/tsintteri Nikkelisähköuuni (Boliden) Kuonan pelkistys Koksi 25 kg/tkuona Tulevaisuuden pyrometallurgiset laitokset (Mustavaaran Kaivos) Hiili tai kaasupelkistys? VALOKAARIUUNI MASUUNI UPPOKAARIUUNI

10 10 Pelkistinten ominaisuudet-wp0 Koksi Tärkein pelkistin masuunissa ja uppokaariuunissa Huokoista, mekaanisesti kestävää Keskikoko mm masuunissa Pähkinäkoksi uppokaariuunissa Optimointia tuhkan, rikin, jne. suhteen (useita kivihiililaatuja) Öljy Injektoidaan muutamissa masuuneissa maailmalla Korkea C- ja H-pitoisuus Pulverisoitu kivihiili Erityyppisiä (haihtuvapitoisuus, tuhka) Eniten käytetty injektoitu pelkistin masuunissa Maakaasu Suurin osa metaania Energianlähde ja pelkistin Haihtuvat (daf) Likimääräinen analyysi m-% Alkuaineanalyysi m-% (daf) HHV Kiinteä hiili (daf) Tuhka (db) C H N S O MJ/kg Kivihiili Kivihiili Kivihiili Ainesosa, % Koksi Pulverisoitu kivhiili Erikoisraskas polttoöljy C H O ND N ND S Tuhka CaO tuhkassa ND SiO 2 tuhkassa ND Tuhka-analyysi (db) Pulverisoitu kivihiili 1 Pulverisoitu kivihiili 2 SiO Al 2 O Fe 2 O TiO P 2 O CaO MnO MgO SO x Na 2 O K 2 O BaO ND ND SrO ND ND NiO ND ND V 2 O 5 ND ND

11 [Mm3/a] ja [MtCO2/a] Puuhiilen ja puun arvioidut käyttömäärät Puuhiilellä voitaisiin korvata hiiltä useissa kohteissa integroidussa terästehtaassa Puuhiilen tarve voisi olla jopa t (injektiotapaus) Puun tarve tällöin 3.1 Mm 3 /a Suorien fossiilisten CO 2 päästöjen vähennys voisi olla jopa 1.3 Mt Tällä hetkellä Ruukilla öljyinjektio Viskositeetin puolesta noin 15 20% kokonaisinjektiomäärästä voisi olla kiinteää puuhiiltä (Salo 2012) Puuhiilen tarve t Muiden biopelkistimien mahdollisia käyttömääriä tarkasteltu raporteissa Puuhiiltä voitaisiin mahdollisesti käyttää Outokummun prosesseissa Kromiittipellettien sintrauksessa Valokaariuunissa Uppokaariuunissa Käyttö ja korvattu hiililähde Tyypillinen hiilen käyttömäärä Korvaus puuhiilellä (%) Puuhiilimäärä (kg/trr) Koksaamo kg/trr kg/trr (koksautuva kivihiili) Masuuni-injektio kg/trr kg/trr (pulverisoitu kivihiili) Masuunin pähkinäkoksi 45 kg/trr kg/trr Masuunibriketti (koksaamon sivutuotteet) Sintraus (koksimurska) Esipelkistetyt komposiittipelletit Koksaamo 56 kg/trr Kivihiili-injektio 200 kg/trr kg/trr kg/trr kg/trr kg/trr Puumäärä [Mm3/a] Ei käytetä tällä hetkellä Öljyinjektio 16 kg/trr CO2 vähenemä [MtCO2/a] Pähkinäkoksi 45 kg/trr Masuunibriketti 12 kg/trr kg/trr Esipelkistetyt komposiittipelletit 35 kg/trr Oletukset o Kostean puun tiheys 850 kg/m 3 o Raakaraudan tuotanto 2.0 Mt o Tuorekosteus 50% o Pyrolyysin saanto 30 % kuiva-aineesta

12 12 BIOMATERIAPOHJAISET RAAKA-AINESELVITYKSET JA BIOMATERIAN TERMOKEMIALLISET PROSESSOINTITAVAT WP2.1 Biomateriapohjaisten ja vaihtoehtoisten raaka-aineiden ja tuotteiden fysikaaliset ja kemialliset ominaisuudet WP2.2 Biomateriapohjaisten ja vaihtoehtoisten raaka-aineiden saatavuusselvitys WP3 Biomaterian prosessointitavat: esikäsittelyt, termokemiallinen konversio ja käyttö masuunissa

13 Raaka-aineiden saatavuus-wp2.2 Primary wood Tukkipuun korjuu Hakkuutähteet, kannot Sellupuun korjuu Hakkuutähteet Energiapuun hakkuu ja korjuu Primary residues Secondary residues Tertiary residues Sellu- ja paperiteollisuus Puutuoteteollisuus Hake, sahanpuru, kuori Kuori, mustalipeä, ligniini Energiateollisuus Biojalostamo Biopolttoaine ajoneuvoihin Puutuotteet Sellu- ja paperituotteet Sähkö- ja lämpö Purkupuu Kemianteollisuus Kemikaalit, vahat, jne. Mäntypikiöljy Termokemiallinen konversio Rakennusteollisuus Metallinjalostusteollisuus Puuperäinen raaka-aine olisi tärkein raaka-aine biopelkistimien tuotannossa (suuressa mittakaavassa) Energiakasvit jne. pienessä roolissa Muovit myös yksi vaihtoehto

14 14 Raaka-aineiden saatavuus ja ominaisuudet-wp2.2 Kiinteitä puuperäisiä polttoaineita käytettiin energiantuotannossa 31 TWh vuonna 2010 Mustalipeää käytettiin 37.8 TWh Raakamäntyöljyä tuotettiin noin tonnia Noin tonnia mäntypikiöljyä sivutuotteena Ligniinin erotus mustalipeästä Hiili Vety Typpi Happi Rikki Tuhka Natrium Hakkuutähde NA Sahanpuru (mänty) NA Männyn kaarna NA Kraft lignin (Indulin AT) NA Kraft lignin (Lignoboost TM ) < NA Raaka mäntyöljy NA Mäntypikiöljy NA Mäntypikiöljy NA Mustalipeä < NA 19.4

15 Energiapuun saatavuus-wp2.2 Hakkuutähdettä, kantoja, pienpuuta on saatavilla Mahdollisia käyttäjiä on nyt ja tulevaisuudessa useita Sähkön- ja lämmöntuotanto Bioöljyn tuotanto Puun kaasutuslaitokset (Bio-SNG) Biodiesel Teknis-ekologinen potentiaali suurin pohjoisissa ja itäisissä metsäkeskuksissa

16 16 Biomassan termokemiallinen konversio-wp3 Biomassa raaka-aine Konversioprosessi Biomassa pelkistin Puu Viljelykasvien jäännökset Turve Jätepuu Mikrolevät Hidas pyrolyysi Torrefiointi Nopea pyrolyysi Kaasutus Kaasutus + Metanaatio Puuhiili Torrefioitu biomassa Bioöljy Synteesikaasu Synteettinen maakaasu Biomassa, torrefioitu biomassa, puuhiili Koksaus Biokoksi Kivihiili

17 Fysikaaliset ja kemialliset ominaisuudet WP2.1 Kiinteät tuotteet (torrefiointi & hidas pyrolyysi) 17 Kiinteän tuotteen saanto pienenee lämpötilan noustessa Torrefiointi alle 290 o C Pyrolyysi o C Haihtumaton hiili riippuu lämpötilasta, tuhkapitoisuus ja koostumus raaka-aineesta Puuhake Puupelletti Torrefioitu puupelletti Puuhiili Kivihiili Metallurginen koksi Kosteus (p-%) Lämpöarvo LHV (MJ/kg) ~ 30 Haihtuvat aineet (p-% ka) < 0.5 Haihtumaton hiili (p-% ka) Irtotiheys (kg/m 3 ) ~ 500 Energiatiheys (GJ/m 3 ) Hygroskooppiset omin. Hydrofilinen Hydrofilinen Lievästi hydrofobinen Hydrofobinen Hydrofobinen Hydrofobinen Biologinen hajoaminen Nopeaa Lievää Hidasta Ei hajoa Ei hajoa Ei hajoa Jauhatusominaisuudet Erityisvaatimukset Erityisvaatimukset Standardi Standardi Standardi - Tasalaatuisuus Rajoittunut Korkea Korkea Korkea Korkea Riippuu kivihiilistä Kuljetuskustannukset Korkeat Keskikorkeat Matalat Keskikorkeat Matalat Matalat

18 Fysikaaliset ja kemialliset ominaisuudet WP2.1 Nesteet ja kaasut (nopea pyrolyysi & kaasutus) 18 Ominaisuus Raskas polttoöljy Bioöljy puusta Autotrofinen mikrolevä Heterotrofinen mikrolevä Hiili 85% 54 58% 62.07% 76.22% Vety 11% Happi 1.0% Typpi 0.3% Tuhka 0.1% 0 0.2% Ei määritetty Ei määritetty Kosteus 0.1% 15 30% - - ph Ei määritetty Ei määritetty Tiheys HHV (MJ/kg) 40 Viskositeetti (cp) 180 (50 o C) (sisältää veden) (50 o C) 30 (kuiva-aineesta) 100 (40 o C) 41 (kuiva-aineesta) 20 (40 o C) Kiintoaine, m-% Ei määritetty Ei määritetty Synteesikaasun ominaisuudet Alloterminen Autoterminen Entrained flow Kivihiili/ entrained flow H 2 (%) CO (%) CO 2 (%) CH 4 (%) C 2 H 4 (%) N 2 (%) H 2 /CO LHV (MJ/m 3 ) Bio-öljyn lämpöarvo matala Kaasuttamalla saadaan kaasua, jota voitaisiin käyttää pelkistykseen H 2 O, CO 2 poiston jälkeen Bio-SNG:n tuotanto

19 19 Termokemiallinen konversio-wp3 Nopea pyrolyysi Hidas pyrolyysi Torrefiointi Kaasutus Olosuhteet ~ 500 o C, lyhyt kaasun viipymäaika ~ 1 s ~ o C, kaasun viipymäaika tunteja, päiviä ~ 290 o C, kaasun viipymäaika ~ min ~ o C Tuotejakauma, % (Neste/kiinteä/kaasu) 75/12/13 30/35/35 -/80/20 5/10/85 Teknologia (edut) Laitoksia nousemassa (myös Suomeen) Voi integroida esim. CHP-laitoksen kanssa Korkea massaja energiasaanto Voivat olla yksinkertaisia Puuhiiltä valmistettu kauan Korkea massaja energiasaanto Korkea massa- ja energiasaanto Biomassan ja kivihiilen yhteiskaasutus Teknologia (haitat) Vaatii pienen partikkelikoon Vaatii kuivan biomassan Matala saanto (massa- ja energia) Sivutuotteiden hyödyntäminen voi olla haastavaa Kaupallisia laitoksia ei ole vielä olemassa (isoja demolaitoksia kuitenkin käynnistetty) CO 2 ja H 2 O poisto tarvitaan, happi tai happi/höyrykaasutus Tuote (edut) Energiatiheys ja säilytysominaisuudet verrattuna hakkeeseen Korkea lämpöarvo (jopa yli 30 MJ/kg) Matala tuhkapitoisuus Energiatiheys ja säilytysominaisuudet verrattuna hakkeeseen Voidaan hyödyntää korkean tuhkapitoisuuden biomassoja Tuote (haitat) Matala lämpöarvo Korkea O- ja H 2 O-pitoisuus Korrodoiva Na, K, P-pitoisuus voi olla korkea joillakin biomassoilla Matalahko lämpöarvo Korkea O-pitoisuus Kaasujen varastointi hankalaa Teknologian toimittajia/tutkimusta Agritherm, RTI, Metso, Dynamotive, Ensyn Lambiotte, Lurgi Topell, Andritz, Agri-Tech, ECN ECN, Metso, Carbona

20 Biopelkistimien kaasuuntuminen ja koksauskokeet WP Biopohjaiset pelkistimet ovat reaktiivisempia kuin fossiiliset Puuperäisillä pelkistimillä alhainen tuhkapitoisuus Turvehiilillä tuhkapitoisuus korkeampi (7 16%) Kokeiltiin muutamien biohiilien vaikutusta metallurgisen koksin laatuun Teollisen koksin lujuus luokkaa 3 5 kn 5 % lisäys ei romahduta koksin lujuutta Reaktiivisuus kasvaa jonkin verran Lisätutkimusta tarvitaan! Kuva J. Heino Lujuus [kn] Keskihajonta [kn] Näytemäärä lujuustestissä Referenssikoksi I. Sekalehtipuuhiili 5 % I. Sekalehtipuuhiili 10 % L. Koivuhiili 5 % L. Koivuhiili 10 % M. Torrefioitu metsähake 5 % M. Torrefioitu metsähake 10 % N. Biohiili 5 % N. Biohiili 10 %

21 21 BIOMATERIAPOHJAISTEN PELKISTINAINEIDEN KÄYTTÖTUTKIMUKSET WP4.1 Puuhiilen käyttö masuunissa: Energiataseiden, ympäristökuorman ja taloudellisuuden arviointi WP4.2 Masuunin toiminta käytettäessä erilaisia injektoitavia pelkistimiä simulointitutkimus

22 Puuhiilen käyttö integroidussa terästehtaassa CO 2 -päästöt-wp Pyrolyysilaitos voitaisiin sijoittaa terästehtaan ympäristöön Saatavilla energiaa kuivaukseen Savukaasut Kaukolämpövesi Puuhiili voitaisiin käyttää pelkistimenä Pyrolyysin sivutuotteet energiantuotantoon Saavutettava CO 2 -päästövähenemä jopa 26.4% (Suopajärvi & Fabritius 2012), ei sivutuotehyvityksiä sähköntuotannosta mukana Koksi Öljy Pyrolyysilaitos Kierrätysteräs Pelletti Kalkkikivi Aihiot Kuumavalssaus Levyt, nauhat Kalkinpolttamo Poltettu kalkki Koksi Puuhiili Tehdas Koksaamo Raudanvalmistus Raakarauta Teräksenvalmistus CO 2 päästöt Biomassa Kivihiili Tehdasalue Masuunikaasu Voimalaitos Koksikaasu Pyrolyysikaasu Sähkö, höyry. lämpö Sähkö, lämpö

23 Puuhiilen käyttö integroidussa terästehtaassa Masuunisimulointi-WP4.2 Masuunisimulointi teetettiin Åbo Akademissa alihankintana (H. Saxenin laboratorio) Arvioitiin useiden vaihtoehtoisten pelkistimien vaikutusta masuuniprosessin toimintaan Kivihiilipöly, puuhiili, Torrefioitu biomassa, koksipöly, ligniini, turvehiili, kuuma pelkistyskaasu, Bio-SNG Referenssinä hiilipölyn injektointi (150/180 kg/trr) Parhaiten toimisi pitkälle pyrolysoitu puuhiili (paremmin kuin kivihiili) Myös pitkälle torrefioitu puu voisi toimia kohtalaisen hyvin 23

24 24 BIOMATERIAPOHJAISTEN PELKISTINAINEIDEN KÄYTÖN VAIKUTUSTEN ARVIOINTI WP5 Biopelkistimien tuotannon hiilidioksidipäästöt, energiantarve ja taloudellisuus

25 Biopelkistimet Hiilijalanjälki, energiankulutus ja tuotantokustannus-wp5 25 Polttoaine, sähkö, raaka-aineet Päästöt Lannoitteen tuotanto Päästöt Päästöt polttoaineen käytöstä Päästöt polttoaineen käytöstä Dieselin tuotanto Päästöt polttoaineen käytöstä Energia ja raaka-aineet Päästöt polttoaineen, lämmön ja sähkön käytöstä Päästöt sähkön käytöstä Puun kasvu Puun hakkuu Puun kaukokuljetus Puun haketus Termokemiallinen käsittely Jatkokäsittelyt Biopelkistin Epäsuorat päästöt Polttoaine Polttoaine hiilivaraston muutoksista Polttoaine, sähkö Sivutuotehyvitykset Sähkö, lämpö Sähkö Mallinnus Factory Simulation Tool Erikseen kolme raaka-ainetta (hakkuutähde, pienpuu 30 ja 50% kosteus, kannot) Kolme termokemiallista konversioteknologiaa 50 MW (kuiva raaka-aine) kapasiteetti Sivutuotehyvitykset sähköntuotanto 30% hs Epäsuorat päästöt (hiilivaraston muutos) Koksin korvaaminen masuunissa

26 26 Metsähakeketju-WP5 Vaihe Toiminto Tuottavuus (tehollinen) Toiminnot metsässä Hakkuu (pienpuu) 9.5 (m3/h) 12 (l/h) Kantojen nosto 10.0 (m3/h) 18 (l/h) Metsäkuljetus 10.6 (m3/h) 10.0 (l/h) (hakkuutähde) Metsäkuljetus (kanto) 7.0 (m3/h) 10.0 (l/h) Metsäkuljetus (pienpuu) 11.8 (m3/h) 9.5 (l/h) Polttoaineen/Sähkön kulutus Toiminnot tien varressa Lastaus (kannot) (l/kuorma) Haketus (pienpuu) 80 (i-m3/h) 40 (l/h) Haketus (hakkuutähde) 80 (i-m3/h) 40 (l/h) Kaukokuljetus Pienpuuhake Kuljetustilavuus 120 i-m3 Hakkuutähdehake Kuljetustilavuus 120 i-m3 Kannot Kuljetustilavuus 150 i-m3 Toiminnot käyttöpaikalla Lastin purku Polttoaineen kulutus lasketaan kuorman mukaan, joka määräytyy joko maksimitilavuuden tai -massan mukaan 1.7 (l/kuorma) Murskaus (kannot) 200 (i-m3/h) 1.05 (kwh/i-m3) Toiminnot käyttöpaikalla Purku Metsähake/murske Purku Kuiva-ainehäviöt ketjun eri vaiheissa (%) Vaihe Hakkuutähde Kanto Pienpuu (50%) Pienpuu (30%) Metsäkuljetus Kuivuminen Haketus Kuormaus Kaukokuljetus Purku Murskaus

27 27 Biopelkistimien tuotanto-wp5 Hiilijalanjälki (CFP) EROI E EROI bioreducerand by-products E in, non-renewable Tuotantokustannukset (kirjallisuus) Kapasiteettikorjaus C C S S n Kuoletusarvo (15 v, 6% korko) C vuosi 0 * 0 N i(1 i) (1 i) N * C IC 1 Pohjautuen massa- ja energiataseisiin Ulkoinen lämpö- ja sähköenergia Tarkemmat oletukset (WP 5 raportti) Biomassa Biomassan esikäsittely Biomassa Biomassan esikäsittely Hidas pyrolyysi Biomassan kaasutus Biomassan ja kaasun poltto Biomas san torrefiointi Torrefiointi Kaasun puhdistus Jäähdytys Metanointi Kaasutus ja metanointi Torrefioitu biomassa SNG:n jalostus Bio-SNG

28 Ominaiskustannus ( /t torrefioitu biomassa) Ominaiskustannus ( /t Bio-SNG) Puuhiilen tuotantokustannukste ( /GJ) 28 Biopelkistimien tuotantokustannukset-wp5 Ominaiskustannus ( /t puuhiili) Hakkuutähdehake Pienpuuhake Kantomurske Huolto- ja muut kustannukset Työvoima Sähkö Energiakustannukset (puu) Pääomakustannukset Raaka-aine /MWh Hakkuutähdehake Pienpuuhake Kantomurske Sivutuote vähennykset Huolto- ja muut kustannukset Työvoima Sähkö Energiakustannukset (puu) Pääomakustannukset Raaka-aine Yhteensä ( /GJ) /MWh Huolto- ja muut kustannukset Työvoima Sähkö Energia (hake) Pääomakustannukset Raaka-aine Huolto- ja muut kustannukset Työvoima Happi Sähkö Pääomakustannukset Raaka-aine 0 Hakkuutähdehake Pienpuuhake Kantomurske /MWh 0 Hakkuutähdehake Pienpuuhake Kantomurske /MWh

29 2008 M M M M M M M M M M M M M M M M M M M M M M4 Metallurginen koksi /t 1996 Q Q Q Q Q Q Q Q Q Q Q Q Q Q Q Q Q Q Q Q Q Q Q Koksautuva kivihiili $/t 29 Fossiilisten pelkistimien hinta Fossiilisten pelkistimien hinta alhaisempi kuin mahdollisten biopelkistimien (varsinkin kun lasketaan vaikkapa hiiliekvivalentteina vrt. torrefioitu puu) Koksautuvan kivihiilen konsensusennuste vuosille : $/t Pulverisoitu kivihiili ~ $/t LNG buumi LNG Pohjolassa ei välttämättä kultakaivos (ainakaan pelkistimenä) Hinta USA:ssa niinkin alhainen kuin 14.5 /MWh Hinta Euroopassa huomattavasti korkeampi Voest Alpine rakentaa DRI tehtaan Texasiin Coking coal $ export USA Coking coal $ USA Concensus forecast Australia (FOB) recast_%28april_2013%29.html?opendocument

30 Puuhiilen nettohinta ( /t) 30 CO 2 -päästöhinta Mikä pitäisi olla CO 2 -tonnihinta, jotta puuhiili olisi kilpailukykyinen pelkistimenä? Kaksi perustapausta (öljy ja kivihiili (PC) injektantteina) Puuhiili korvaa (kg/trr) Palakoossa koksia 20 kg Puuhiilipölynä öljyä 13.5 kg (sekainjektio) Puuhiilipölynä PC:tä (kaiken) Hinnat (Suopajärvi & Fabritius 2013) Ostokoksi 350 /t Öljy 300 /t PC 150 /t Puuhiili 400 /t CO 2 -tonnin tulisi maksaa /t Perustapaus 1 Perustapaus 2 Puuhiiliskenaario 1 Puuhiiliskenaario Puuhiiliskenaario 2 3 Koksi (kg/trr) ERP (kg/trr) Pulverisoitu kivihiili (kg/trr) Puuhiili (kg/trr) Pelkistinten kokonaiskulutus (kg/trr) Fossiilinen CO 2 (kg/trr) Puuhiiliskenaario 1 Puuhiiliskenaario 2 Puuhiiliskenaario CO 2 päästöoikeuden hinta ( /t)

31 CO2 päästät [kgco2/t puuhiili] Pienpuu (50%) Pienpuu (30%) Hakkuutähde Kanto Pienpuu (50%) Pienpuu (30%) Hakkuutähde Kanto Pienpuu (50%) Pienpuu (30%) Hakkuutähde Kanto CO2 päästöt [kgco2/t] 31 Biopelkistimien hiilijalanjälki-wp Biopelkistimen tuotannon CO2 päästöt Pelkistimen jauhatus (sähkö) Pelkistimen tuotanto (sähkö) Pelkistimen tuotanto (lämpö) Lannoitteen tuotanto Dieselin tuotanto Toimitusketju CO2 emissions [gco2/mj] Biopelkistimen tuotannon CO2 päästöt Puuhiili Torrefioitu puu Bio-SNG Pelkistimen jauhatus (sähkö) Pelkistimen tuotanto (sähkö) Pelkistimen tuotanto (lämpö) Lannoitteen tuotanto Diesel production Toimitusketju Puuhiili Torrefioitu puu Bio-SNG Biopelkistimien CFP (ilman sivutuotehyvityksiä) kgco 2 /t gco 2 /MJ Sivutuotehyvityksillä kgco 2 /t Epäsuorat päästöt ja sivutuotehyvitykset mukana kgco 2 /t Pienpuu (50%) Pienpuu (30%) Hakkuutähde Kanto

32 Puuhiili Torrefioitu puu Bio-SNG Maakaasu Kivihiili 32 Biopelkistimien hiilijalanjälki-wp5 Biopelkistimien tuotannon aiheuttamat CO 2 -päästöt alhaiset verrattuna kivihileen ja maakaasuun (ilman epäsuoria päästöjä) Epäsuoria päästöjä ei tulla ottamaan voimakkaasti mukaan biopolttoaineiden kestävyyttä arvioitaessa Kanto Hakkuutähde Pienpuu (30%) Pienpuu (50%) Kanto Hakkuutähde Pienpuu (30%) Pienpuu (50%) Kanto Hakkuutähde Pienpuu (30%) Pienpuu (50%) CO2 yhteensä (hyvitykset ja epäsuorat päästöt mukana) CO2 yhteensä (ei hyvityksiä, mutta epäsuorat päästöt) CO2 yhteensä (ei epäsuoria päästöjä) CO2 päästöt (gco2/mj)

33 EROI 33 Biopelkistimien EROI-WP5 Kaikkien tutkittujen pelkistimien EROI selvästi yli yhden Tuotteen energiasisällön vapautumisessa suurempi energia kuin sen tuotannossa sitoutunut Bioetanolilla jopa alle yhden Fossiilisilla pelkistimillä suurempi EROI Kivihiili Öljy ja maakaasu ~ EROI päätuote EROI kaikki tuotteet PP 50% HT 50% PP 30% K 30% PP 50% HT 50% PP 30% K 30% PP 50% HT 50% PP 30% K 30% Puuhiili Torrefioitu puu Bio-SNG

34 Pienpuu (50%) Pienpuu (30%) Hakkuutähde Kanto Pienpuu (50%) Pienpuu (30%) Hakkuutähde Kanto Pienpuu (50%) Pienpuu (30%) Hakkuutähde Kanto CO2 päästöt [kgco2] 34 Koksin korvaaminen masuunissa METALLURGINEN KOKSI 1 YKSIKKÖ Biopelkistimen tuotannon CO2 päästöt korvattaessa 1 tonni koksia masuunissa Pelkistimen jauhatus (sähkö) Pelkistimen tuotanto (sähkö) Pelkistimen tuotanto (lämpö) Lannoitteen tuotanto Dieselin tuotanto FOSSIILISET PELKISTIMET Erikoisraskas polttoöljy: 1.17 Kivihiiliterva: 1.0 Pulverisoitu kivihiili: Maakaasu: BIOPOHJAISET PELKISTIMET Puuhiili: 0.95 Torrefioitu puu: 0.40 Synteettinen maakaasu: Toimitusketju Puuhiili Torrefioitu puu Bio-SNG Injektoitavilla pelkistimillä vaihteleva koksin korvaussuhde masuunissa Tässä valossa torrefioidulla puulla ei olekaan pienin hiilijalanjälki

35 Puun tarve (t) vähennettyä CO 2 tonnia kohden 35 Koksin korvaaminen masuunissa 60.0 Laskennassa arvioitu vuositasolla pelkistimien tuotannon ja käytön aiheuttamia CO 2 -päästöjä Arvioitu myös puun tarvetta (t) yhtä CO 2 -tonni vähennystä kohti Koksin tuotannon päästöt 673 kgco 2 /t koksi (Gabi 5 datapankki) 53.0 Puuhiili Torrefioitu puu Bio-SNG Koksi [kg/trr] Arvio pelkistimien käyttömääristä masuunissa Öljy [kg/trr] Puuhiili [kg/trr] Torrefioitu puu [kg/trr] Bio-SNG [kg/trr] Injektoitavat pelkistimet [kg/trr] Yhteensä [kg/trr] Perustapaus Puuhiili masuuni TB masuuni Bio-SNG masuuni Pelkistimien tuotannon CO 2 -päästöt Perustapaus Puuhiili masuunissa Torrefioitu puu masuunissa Bio-SNG masuunissa CO 2 koksi [t/a] CO 2 biopelkistin (ei sivutuotteita) [t/a] CO 2 biopelkistin (sivutuotteet) [t/a] CO 2 yhteensä (ei sivutuotteita) [t/a] CO 2 yhteensä (sivutuotteet) [t/a] CO 2 päästövähenemä (ei sivutuotteita) [%] CO 2 päästövähenemä (sivutuotteet) [%] CO2-päästöt mukaan lukien koksin polton vapauttama CO 2 ja tarvittava puun määrä vuodessa 40.0 Perustapaus Puuhiili masuuni TB masuuni Bio-SNG masuuni Koksin polton CO 2 -päästöt [t/v] CO 2 päästö yhteensä (ei sivutuotteita) [t/v] CO 2 päästö yhteensä (sivutuotteet) [t/v] CO 2 tuotanto vähenemä (ei sivutuotteita) [t/v] Pelkistimien tuotanto (ei sivutuotehyvityksiä) 4.6 Pelkistimien tuotanto (sivutuotehyvitykset mukana) Koksin päästöt mukana (ei sivutuotehyvityksiä) Koksin päästöt mukana (sivutuotehyvitykset mukana) CO2 tuotanto vähenemä (sivutuotteet) [t/v] CO 2 vähenemä (koksin päästöt mukana, ei sivutuotteita) [t/v] CO 2 vähenemä (koksin päästöt mukana, sivutuotteet) [t/v] Puun tarve [t/v]

36 BIOREDUCER YHTEENVETO JA POHDINTA 36

37 Yhteenveto Bioreducer-hankkeessa on tarkasteltu biomassan käyttöä metallurgisessa teollisuudessa useasta eri näkökulmasta Biomassasta voidaan tuottaa erilaisia pelkistimiä Raaka-ainetta on saatavilla Ympäristövaikutukset olisivat positiiviset Mutta: Tällä hetkellä biomassa Suomen terästeollisuuden raaka-aineena ei ole kilpailukykyinen Ei ole olemassa laitoksia, jotka tuottaisivat pelkistimiä Tilanne voi muuttua nopeastikin Vielä ei ole riittävän voimakkaita poliittisia ajureita EU ETS voi tulevaisuudessa olla sellainen Euroopan terästeollisuuden kilpailukyky? Teknologioiden kehitys, monituotelaitokset

38 Yhteenveto Mitä tarvitaan? Teknologian kehitys Useita tuotteita biomassasta Bioöljy+puuhiili Puuhiili+Bio-SNG Lääke/kemianteollisuus+puuhiili Prosessi-integraatio Metallurgisessa teollisuudessa paljon uuneja, joissa tarvitaan erilaisia kaasuja (koksikaasu, nestekaasu). Näitä voitaisiin myös korvata bioenergialla Tukipolitiikka: Puun teollisuuskäyttäjät mahdollisesti eri asemassa biomassan käytön tukitoimissa Millaiset ovat EU:n kiinteiden polttoaineiden kestävyyskriteerit? Jos ja kun tulevaisuudessa halutaan vähentää fossiilisia CO 2 - päästöjä, on siihen terästeollisuudessa mahdollisuuksia biomassan avulla!

39 39 KIITOKSET Tekes Bioreducer-hankkeen johtoryhmän jäsenet Prosessimetallurgian laboratoriosta hankkeessa mukana olleet Mikko Angerman Juho Haapakangas Mikko Iljana Tommi Kokkonen Timo Fabritius

40 Lähteitä Salo A. (2012) Masuuni-injektanttien viskositeettimittaukset. Diplomityö, Prosessimetallurgian laboratorio, Oulun yliopisto, Suomi, Suopajärvi H, Angerman M (2011) Layered sustainability assessment framework. METEC In-SteelCon. Proc. of 1st Int. Conference on Energy Efficiency and CO2 reduction in the Steel Industry, Düsseldorf, Germany Suopajärvi H, Fabritius T (2012) Effects of biomass use in integrated steel plant gate-to-gate life cycle inventory method. ISIJ International 52: Suopajärvi H, Fabritius T (2012) Evaluation of the possibility to utilize biomass in Finnish blast furnace ironmaking. Scanmet IV, June 2012, Luleå, Sweden. Suopajärvi, H. Biomassan käytön kestävyyden arviointi hiiliteräksen valmistuksessa. Materia 3/2012. pp Suopajärvi H, Salo A, Paananen T, Mattila R, Fabritius T (2013) Recycling of Coking plant Residues in Finnish Steelworks Laboratory Study and Replacement Ratio Calculation. Resources 2: Suopajärvi H, Fabritius T (2013) Towards more Sustainable Ironmaking Analysis of Energy Wood Availability in Finland and Economics of Charcoal Production. Sustainability 5: Suopajärvi H, Pongrácz E, Fabritius T (2013). The potential of using biomass-based reducing agents in the blast furnace: A review of thermochemical conversion technologies and assessments related to sustainability. Renewable and Sustainable Energy Reviews 25: Suopajärvi, H. Possibilities of bio-based materials in reduction application/use Bioreducer. Biorefine New Biomass Products Programme , Final report. pp Suopajärvi H (2012) Bio based reducing agents in ironmaking: Industry integration opportunities. Process Integration Forum 2012, September, Luleå, Sweden.

41 KIITOS!