VTT:n polttopuututkimuksia

Transkriptio

1 TEKNOLOGIAN TUTKIMUSKESKUS VTT OY Kuvapaikka (ei kehyksiä kuviin) VTT:n polttopuututkimuksia Halkoliiteri 10 vuotta -seminaari Jyrki Raitila, VTT

2 Pilkkeeseen liittyviä tutkimusaiheita Raaka-aineen ja pilkkeen laadunhallinta Kuivaus Pilkeketjun teknologia ja kustannukset Liiketoimintamallit Pienpoltto tulisijoissa Energiasisältöön perustuva pilkekauppa Standardit Kansainväliset hankkeet; markkinat, tiedonvaihto, polttopuukaupan edistäminen

3 Laadunhallinta

4 Kosteuden vaikutus puun lämpöarvoon ja energiatiheyteen 25 1,1 Lämpöarvo, MJ/kg MJ/kg MWh/i-m3 1 0,9 0,8 0,7 Energiatiheys, MWh/i-m 3 (koivu, runkopuu) Kosteus, % 0,6 1 MJ = 0,2778 kwh, 1 MWh = 1000 kwh

5 Eri puulajeista valmistetun pilkkeen sekä puubriketin keskimääräisiä lämpöarvoja Puulaji Kuivaaineen tehollinen lämpöarvo Tehollinen lämpöarvo, 20 %:n kosteus Tehollinen lämpöarvo kwh/kg kwh/irto-m 3 kwh/pino-m 3 Mänty 5,4 4, Kuusi 5,3 4, Koivu 5,3 4, Koivun tuohi 6,3 4.9 Haapa 5, Leppä 5, Puubriketti 5,3 4.7* * 10 %:n kosteudessa Lähde: Alakangas, Suomessa käytettävien polttoaineiden ominaisuuksia, VTT Tiedotteita Työtehoseura: Pilkeopas omakotitaloille

6 60 Kasvavan puun kosteuden vuodenaikainen vaihtelu 55 Kosteus % Mänty Kuusi Leppä Koivu Tammi Helmi Maalis Huhti Touko Kesä Heinä Elo Syys Loka Marras Joulu Lähde: Routa 2014, Hakkila

7 Koivurankapinoja

8 Peitetty varastokasa

9 Katettu rankakasa

10 Rankojen kuivuminen varastossa Koivu, moto, peittämätön Koivu, moto, peitto Koivu, moto, kate 40 Kosteus, % Lähde: Hillebrand & Kouki

11 Homeen esiintyminen rangan päässä eri varastoissa peittämätön peitetty katettu

12 Kuorittuja rankoja

13 Eri tavalla käsiteltyjen rankojen kuivuminen varastossa Kosteus, % Koivuranka, kuorellinen Koivuranka, moto, kate Koivuranka, ositt. kuorittu Lähde: Hillebrand & Kouki

14 Yhteenveto Polttopuun raaka-aine Motolla kaadettujen rankojen kosteus alenee ensimmäisen kesän aikana 50 %:sta noin 30 %:iin. Toisen kesän aikana rankojen kosteus alenee edelleen n. 20 %:iin. Rangat, joiden kuori on ehjä (metsurikaato), kuivuvat yhden kesän aikana vain n. 4 %-yksikköä. Peitetyt rangat ovat n. 10 %-yksikköä kuivempia kuin peittämättömät. Rankojen kuivumista ja siten niiden säilyvyyttä voidaan tehostaa merkittävästi rikkomalla kuorta (motokaato, kuorinta, aisaus)

15 Pilkkeen kosteuden muutokset luonnonkuivauksessa

16 Yksittäisiä pilkkeitä kuivumassa simulaattorissa

17 Erikokoisten kuorellisten ja kuorettomien pilkkeiden kuivuminen T = 20 C, RH = 40 %, v = 2 m/s kuorellinen, 34 cm kuoreton, 34 cm kuorellinen, 34 cm, puolta ohuempi kuoreton, 34 cm, puolta ohuempi Kosteus, % Aika, h Läpimitan puolittaminen lyhentää kuivumisaikaa puoleen

18 Samankokoisten kuorellisten pilkkeiden kuivuminen erilaisissa sääoloissa T=20 C, RH=60 %, WS=2 m/s T=20 C, RH=40 %, WS=2 m/s T=30 C, RH=40 %, WS=2 m/s Kosteus, % Aika, h Ilmankosteudella suurempi vaikutus kuin lämpötilalla

19 Pilkkeiden sijainti kuivauspaikassa Pilkkeiden välistä kosteuseroa voi lisätä alustan kasvusto sade, aurinko kosteuden tiivistyminen viileimpään osaan (esim. kuivurissa, peitteen alla) Tutkittiin lavallisen kaikki pilkkeet Lavan yläosa Lavan alaosa Pilkkeiden numerointi lavan päällimmäisistä pilkkeistä alkaen Lähde: Erkkilä ym

20 Esimerkkejä, pilkkeet käsittely-yksiköissä Pienehköissä käsittelyyksiköissä pilkkeet kuivuvat hyvin ja tasaisesti Kuivaus 3,2 i-m 3 :n metalliverkkohäkissä Lähde: Erkkilä ym

21 Esimerkkejä, pilkonta-aika ja paikka 11 m 3 :n kehikko metsäaukealla Pilkottu 14.5., peitetty 13.8., näytteet keskiarvo 19,5 % ja keskihajonta 2,2 %. 15 m 3 :n kehikko metsäaukealla Pilkottu15.6., peitetty 13.8., näytteet keskiarvo 22,7 % ja keskihajonta 3,4 %. Pilkonta-ajankohta ja tuuliolosuhteet vaikuttavat kuivumiseen 15 m 3 :n kehikko järven rannassa Pilkottu kesäkuun alussa, peitetty myöhemmin, näytteet keskiarvo 19,5 % ja keskihajonta 1,9 %. 21

22 Esimerkkejä, isoissa erissä kuivaus Isotkin pilke-erät kuivuvat kevään ja kesän kuluessa, kun ilma kiertää. Näissä tapauksissa kehikon pienin mitta oli noin 3,5 metriä. Tätä suuremmista kehikoista ei ole mittaustuloksia. 60 m 3 :n kehikko Pilkottu toukokuun alussa, (alkukosteus 42%), peitetty loppukesällä, näytteet keskiarvo 19,9 % ja keskihajonta 2,2 %. 20 m 3 :n kehikko Pilkottu19.4. (alkukosteus 44%), peitetty heinäkuun puolivälissä, näytteet keskiarvo 18,7 % ja keskihajonta 4,1 %. 22

23 Kostuminen syksyllä Varastokehikot pilkkeet valmistettu keväällä kuivia jo kesäkuun lopulla syksyn aikana pilkkeiden kosteus lähestyy tasapainokosteutta Pilkkeen kosteus, % 40,0 35,0 30,0 25,0 20,0 15,0 10,0 5,0 0, Pvm Syksyllä pilkkeet kostuvat ulkovarastossa. Sateelta suojattuna kuitenkin melko hitaasti. 23

24 Yhteenveto Pilkkeet Pilkkeen koolla ja kuoren osuudella on huomattava merkitys pilkkeiden kuivumisnopeuteen. Kuivumisnopeuteen vaikuttaa eniten pilkkeen paksuus paksuuden puolittuminen lyhentää kuivumisaikaa noin puoleen. Pilkkeen kuivumista voidaan tehostaa merkittävästi rikkomalla kuorta, esim. pilkkeiden teon yhteydessä. Jo pienikin kuoren rikkominen edistää pilkkeen kuivumista. Pilkkeitten kuivumisnopeus varastossa riippuu voimakkaasti ympäristön lämpötilasta ja ilman suhteellisesta kosteudesta. Kuivumisnopeudessa ei ole merkittävää eroa eri kokoisten (1 15 m 3 ) katettujen varastokasojen välillä. Katetut/peitetyt pilkkeet ovat noin 7 %-yksikköä kuivempia kuin peittämättömät pilkkeet

25 Liiketoimintamallit ja kustannukset

26 Perinteinen tuotantolähtöinen pilkeketju Raaka-aineen etsintä Leimikon osto METSÄ metsänomistajat Metsäsuunnittelu Metsäkeskuksen ja MHY:n tuki Korjuun suunnittelu Korjuu Kuljetus Kemera-tuki Markkinointi Laskutus Jälkihoito Tehdasvarastointi Pilkonta Pakkaus Kuivaus TUOTANTO polttopuuyrittäjät Siistaus ja mahd. 2. pakkaus Varastointi Lastaus Kuljetus Pitkän matkan runkosiirto Varastointi Siirto polttoon Purku MARKKINAT loppukäyttäjä Siirto varastoon Lähijakelu Poltto YDINPROSESSIT (Airaksinen 2004) Raaka-aineen hankinta Pilkonta Tilaus ja toimitus Lähde: PUUT 46 Metla

27 Perinteisen mallin kustannusjakauma 120,0 100,0 Euro / kiinto-m 3 80,0 60,0 40,0 20,0 ALV. (22 %) Markkinointi ja laskutus Jakelu Pakkaus Kuivaus ja varastointi Pilkonta Jatkettu lähikuljetus Hakkuu Kantohinta 0, Tuotantomäärä, kiinto-m 3 Yrittäjä tekee lähes kaiken

28 Palvelulähtöinen pilkeketju TIETO MITÄ ASIAKAS TODELLA HALUAA Markkinointi Jälkihoito MILLAINEN TOIMITUS ASIAKKAALLE SOPII Laskutus KUINKA VALMISTAN ASIAKKAAN HALUAMAT PILKELAADUT Korjuun suunnittelu MISTÄ LÖYDÄN LAADUKKAAN RAAKA-AINEEN SOPIVAAN HINTAAN Leimikon osto Siirto varastoon Purku Kuljetus Pitkän matkan runkosiirto Pilkonta Kuivaus Tehdasvarastointi Kuljetus Korjuu Metsäsuunnittelu Metsäkeskuksen ja MHY:n tuki Kemera-tuki PILKKEET Lähde: Sikanen, Tahvanainen/ Metla

29 Kaksilinjainen klapintuotanto Puumäärä luokassa, m Koivikon ensiharvennus Läpimittaluokka, cm Erän pilkonta Hakki 2X:llä - tuottavuus 2,2 m 3 /h, - kiinteät kustannukset /vuosi - pilkontakustannus 11,3 /m 3 Erän pilkonta 13 cm läpimittaan asti Superpilke 2000:lla ja loput Hakki 2X:llä - tuottavuus 5,4 m 3 /h, - kiinteät kustannukset /vuosi - pilkontakustannus 6,1 /m 3 Lähde: Sikanen, Tahvanainen/ Metla

30 Virtuaali-klapitehdas Metsään -palvelu PILKKEEN PIENTUOTTAJAT Oma metsä PILKEMYYJILTÄ NOUTO p-m3 PILKETERMINAALI TERMINAALIIN TOIMITUS RUNKOSIIRTO TERMINAALISTA NOUTO JAKELU ASIAKKAILLE LOPPUKÄYTTÖ

31 Noutoterminaali Metsään -palvelu PILKKEEN PIENTUOTTAJAT Oma metsä PILKEMYYJILTÄ 50 / m 3 (ALV 0%) NOUTO p-m3 TERMINAALIIN TOIMITUS 70 / m 3 (ALV 0%) TERMINAALISTA NOUTO

32 Energiasisältöön perustuva pilkekauppa Pilkonnan yhteydessä punnitaan ja otetaan kosteusnäyte Seuranta pilkeerän painon muuttuessa pystytään laskemaan kosteus Loppupunnitus ennen jakelua Asiakkaalle hyötyä Selkeä peruste pilkekauppaan - asiakas tietää mistä maksaa Vertailu muihin lämmitysmuotoihin helpottuu Dokumentoitu tuotantoprosessi ja tuoteseloste vakuuttaa Yrittäjälle hyötyä Myyntihinnalle selkeä peruste, merkittävin laatukriteeri Tuotantoprosessin ohjaus helpottuu, tieto pilkkeen kosteudesta ja energiasisällöstä massaa mittaamalla Verkottuneessa toimintamallissa voidaan yrittäjien kesken käydä kauppaa massa- tai energiapohjalta

33 Yrittäjien kokemuksia energiapilkekonseptista Laadunvarmistus alkaa jo pilkkeen teon yhteydessä Kuivumisen kontrollointi välipunnituksella Suojaan siirto, myyntivalmius Enemmän hyötyä suhteessa kuluneeseen työaikaan Toimituksen yhteydessä tehty punnitus luo uskottavuutta, vältytään ylikuormilta Asiakkaalle voidaan antaa tarkka tuoteseloste Asiakas kiinnostunut tiedosta, jos sitä on saatavilla Verkostoitumisessa varmistutaan tasalaatuisuudesta Pilke-erän tiiviimmälle pakkaamiselle saadaan korvaus Tyytyväiset asiakkaat!

34 Kuivaus

35 Polttopuun kuivaustavat Luonnonkuivaus, ulkoilman lämpötila Edullinen, hidas, voi heikentää laatua, sääriippuva Kylmäilmakuivaus, ulkoilman lämpötila Nopeuttaa kuivumista, tasaisempi laatu, sääriippuva Lämminilmakuivaus, T<100 o C Mahdollistaa ympärivuotisen toiminnan Nopeuttaa raaka-aineeseen sitoutunutta pääoman kiertoa Lämpöenergian kulutus (ilman lämmön talteenottoa) n. 100 kwh/i-m 3, kun ulkolämpötila on +15 n. 160 kwh/i-m 3, kun ulkolämpötila on

36 Kuivauksessa poistettava veden määrä Kosteussuhde, kgh2o/kgka Vedestä poistuu 70 % Polttoaineen vesipitoisuus, % märkäpainosta

37 Lämminilmakuivuri vs. kylmäilmakuivuri Water content (g/kg) Δx = 10 g/kg

38 Kuivausilman lämpötilan vaikutus kuivausaikaan 60 Pilkkeen kosteus, % C 70 C 90 C 110 C 150 C Aika, h

39 Yli- ja alipainekuivuri Kuivuri Kuivuri Kuivausilman puhallus (ylipainekuivuri) Kuivausilman imu (alipainekuivuri) Kuivuri Kuivuri

40 Kuivausilman kierrätys Kostea ilma ulos Ei ilman takaisinkierrätystä Kuivausilma sisään Kostea ilma ulos Ilman sisäinen takaisinkierrätys, suht.kost. kasvaa Kuivausilma sisään Kostea ilma ulos Ilman sisäinen takaisinkierrätys, suht.kost. pystytään pitämään halutulla tasolla Kuivausilma sisään

41 Jatkuvatoiminen kuivuri Kostea ilma ulos Kuivausilma sisään Kostea ilma ulos Kuivausilma sisään Uusi pilke-erä sisään Kuiva pilke-erä ulos

42 Pilkkeiden kylmäilmakuivausta

43 Merikontista tehty kuivuri Tässä versiossa myös tuloilman lämmitys auringolla

44 Konttikuivurin pohjaratkaisu

45 Potkuripuhallin 50 cm, 2,2 kw/3000 kierr. moottorilla

46 Lämminilmakuivuri esimerkki kuivausilman kanavoinnista Kuivausilman tulokanava katossa Poistoilman kanavat

47 Latomallinen lämminilmakuivuri esimerkki kuivausilman kanavoinnista 2 Ilma imetään pohjasta reikälevyn läpi, jonka alla ilmakanavat Lämmönvaihdin on kuivurin katossa, tuloilma katon raoista

48 Kuivaus 80 kuution kylmäilmakonttikuivurissa Kontin 1. koivupilke-erä Kuivaus huhtikuun alusta., keskiarvokosteus: ,5 % keskihajonta 2,9 %. Kontin 2. koivupilke-erä Kuivaus alkoi 6.6., keskiarvokosteudet: ,7 % ,2 % ,7 % keskihajonnat 1,9 % 2,1 %. Pilkkeen kosteus, % Pilkkeen kuivamassa, g Puhaltimia käytetään sääolosuhteiden (T, rh) ja kuivumisvaiheen mukaan. Tuloksena tasalaatuiset kuivat pilkkeet. 40 Toisen kontin 1. koivupilke-erä Kuivaus alkoi , keskiarvokosteus: ,9 % keskihajonta 1,4 %. Pilkkeen kosteus, % Lähde: Erkkilä ym Pilkkeen kuivamassa, g 48

49 Pilkkeiden kuivuminen Kylmäilmakuivurissa kuivausaika 5 viikkoa pilkkeiden alkukosteus %, loppukosteus % Kanavan vieressä kuivui, seinustalla ei, irronnut kuori yms. sälä vaikeuttaa ilman liikkumisen, värimuutoksia C A D E B F

50 Kuivauksen poistoilman säätö Kuivurin poistoilman lämpötila ja suht. kosteus Lämpötila, C Poistoilman lämpötila Poistoilman kosteus Suhteellinen kosteus, % Tyypillisesti poistuvan ilman kosteus vähenee, kun puut alkavat kuivua Hyötysuhteen parantamiseksi ilman säätöä pitää optimoida 50

51 Kuivaus lämminilmakuivurissa Lämminilmakuivuri DRY-AIR DA 6 -puutavarakuivaamo Kostean ilman kondensointi (lämpöpumppuperiaate), nimellistäyttö 15 m 3, kuivauslämpötila 60 C, nimellishaihdutusteho 450 litraa/vrk, kiertoilmapuhaltimet 6 kpl 0,55 kw, joissa pyörimissuunnan vaihto, kompressorin teho 5,8 kw Lämmöntuotanto pellettilämpökeskuksesta 51

52 Pilkkeiden kuivuminen lämminilmakuivurissa koivupilkkeet Raaka-aineen läpimitta kuivamassa 1/ 2-klapi 1/ 4-klapi 500 g 9 cm 13 cm 1000 g 13 cm 18 cm 1500 g 16 cm 22 cm Lähde: Erkkilä ym

53 Kuivauksen kustannukset Kuivauksen kustannus riippuu Kuivurin kustannuksista (pääomakulut) Kuivurin käyttökustannuksista (muuttuvat kulut) Lämmön hinta Puhallusilman tarve (sähkö) Työ Yksikkökustannus riippuu kuivausvolyymistä, /i-m

54 Kuivauskustannusesimerkki Kuivuri Kapasiteetti 25 m 3 Investointikustannus Käytettävä lämpöenergian hinta 35 /MWh Vertailu: Kylmäilmakuivauksen kustannus jäänee n. 1 /i-m 3 Kuivaus 100 erää vuodessa Kuivauksen energiantarve 340 MWh Kuivauskustannukset yht. n , josta 77 % muuttuvia kustannuksia Eli 6,7 /i-m

55 Aurinkolämmöllä tehostettu biomassan kuivaus TARVE Useat biomassalle sopivat termo-kemialliset konseptit vaativat lähes kuivan syötteen. Nykyinen tapa kuljettaa ja polttaa märkää biomassaa on monessa mielessä tehoton. Lisäksi tarve edullisille energian varastointiratkaisuille on jo olemassa ja jatkuvassa kasvussa. RATKAISU Tehostamalla biomassan kuivausta aurinkoenergialla, rajallisia kestävän bioenergian resursseja voidaan lisätä Tuotantopaikoille hajautettuna, kuivaus mahdollistaa energian tehokkaan kausivarastoinnin HYÖTY Kustannustehokas energian kausivarastointi kesästä talveen Uusille termo-kemiallisille prosesseille sopiva kuiva syöte Kustannustehokkaampi logistiikkaketju Parempi hyötysuhde ja pienemmät päästöt sekä kuljetuksissa että loppukäytössä

56 Uudet aurinkolämmön käyttökohteet Biokuivuri VTT:n kuivauslaitteistolla voidaan kuivata n. 1 m 3 haketta kerrallaan. Kuivausilma voidaan lämmittää aurinkokeräimillä tai sähkövastuksilla, joilla voidaan simuloida hallitusti koeajoon halutut olosuhteet. CO 2 :n erotus ilmasta (DAC) Aurinkolämpöä voidaan hyödyntää myös suoraan ilmasta tehtävässä hiilidioksidin erotuksessa

57 Yhteenveto Raaka-aine vaikuttaa alkukosteuteen ja kuivumiseen raaka-ainetta voidaan kuivata jo ennen pilkkeiden/hakkeen valmistusta Keinokuivauksella voidaan nopeuttaa puun kuivumista ja hallita kuivausprosessia paremmin kuivaustapa riippuu tuotantovolyymistä, toimintamallista ja investointihalukkuudesta Pilkkeen tuotannon sesonkiluonteisuus vähenee Varaston kierto lyhenee Voidaan vastata paremmin muuttuvaan kysyntään Parempi hinta? Tehokkaan ja toimivan kuivurin voi rakentaa edullisesti, mutta kuivauksen taselaskentaan ja mitoitukseen kannattaa kiinnittää huomiota Kaikilla kuivaustavoilla voidaan saavuttaa hyvää polttopuuta kunhan kiinnitetään huomiota koko tuotantoketjuun Energiasisältöön perustuva pilkekauppa mahdollistaa paremman laadun ja määrän kontrollin 57

58 TEKNOLOGIASTA TULOSTA