Torrefioitujen pellettien raaka-aineet, kustannukset ja varastointi SECTOR-projektin tuloksia

Transkriptio

1 Torrefioitujen pellettien raaka-aineet, kustannukset ja varastointi SECTOR-projektin tuloksia A European R&D Project funded within the Seventh Framework Programme by the European Commission Eija Alakangas, Vesa Arpiainen & Kirsi Korpijärvi Teknologian tutkimuskeskus VTT Oy Keski-Suomen energiapäivä ,5,6: ECN; 2-4 Jasper Lensselink 1

2 Esityksen sisältö SECTOR-projektin lyhyt esittely Raaka-ainevarat ja valinta torrefiointikokeisiin Torrefiointilaitoksen integrointi metsäteollisuuteen Torrefioitujen pellettien varastointikokeet 2

3 SECTOR -projekti EU-projekti (FP7): SECTOR Kesto: Kokonaisrahoitus: 10 miljoonaa Osallistujat: 21 9 EU-maasta VTT, Helen Koordinaattori: DBFZ, Saksa 3

4 SECTOR-projektin osatehtävät Raaka-ainevarat Saatavuus nyt ja 2030 sisältäen hintatason - Soveltuvuus torrefiointiin - Käyttäjien tarpeet Torrefiointiprosessin optimointi pelletoinnin logistiikan ja käytön kannalta Torrefioidun biomassan tiivistämisen optimointi - Pelletointi - briketointi Tuotetun polttoaineen ominaisuuksien analysointi - Varastoinnin - käsittelyn ja - kuljetuksen kannalta Torrefioidun biomassan käytettävyys - Seospoltossa kivihiililaitoksissa - Kaasutuksessa - Pienpoltossa - Materiaalina Demonstraatiokokeet (WP5) Raakaaineet WP2 Torrefiointiprosessi WP3 Tiivistäminen WP 4 Logistiikka WP 6 Käyttö WP7 Tuotteiden spesifiointi ja analyysimenetelmät (WP 8) ja sosio-ekonomiset ja kestävän kehityksen analyysit (WP9) 4

5 Raaka-aineet ja raaka-aineiden valinta Biomassapotentiaalit Perustuu olemassa oleviin tutkimuksiin teknisesti saatavissa oleva potentiaali EU-maissa ja maailmanlaajuisesti Myös raaka-aineen hintatasoa ja ominaisuuksia selvitetty Raaka-aineen ja lopputuotteen laatuvaatimukset tuottajien ja käyttäjien kannalta Kyselytutkimus tuottajille sekä puupellettien ja torrefioitujen pellettien käyttäjille Tehty yhteistyötä International Biomass Torrefaction Council (IBTC) jäsenten kanssa. Valituista raaka-aineista laadittu ominaisuusprofiilit Raaka-aineet luokitettu SFS-EN standardin mukaan (korvattu 2014 kansainvälisellä SFS-EN ISO standardilla) Tehty kahdessa vaiheessa (esivalinta kokeet lopullinen valinta) Ominaisuustiedot kerätty kirjallisuudesta ja SECTOR-projektin laboratoriokokeista 5

6 Yhteenveto puubiomassan potentiaaleista Euroopassa Raaka-ainelähde k-m 3 PJ/a Runkopuu Maisemanhoidon puubiomassa Metsähake Metsäteollisuuden sivutuotteet ja tähteet Käytöstä poistettu puu (kierrätyspuu) EU-27 yhteensä Muu Eurooppa Ukraina Venäjä (luoteinen alue) Valko-Venäjä, Norja, Sveitsi Lähteet: BEE-projekti ja EU-Wood projekti 6

7 Puuenergiapotentiaalit EU-27 (PJ/a) 700 PJ/a Käytöstä poistettu puu Sivutuotteet ja tähteet teollisuudesta Hakkuutähteet suoraan metsästä Runkopuu 0 Lähde: VTT VTT 7

8 8

9 Agrobiomassapotentiaali Euroopassa Raaka-ainelähde PJ/a Kirjallisuuslähde Olki 560 BEE, Böttcher et al DBFZ, Thrän et al BIOMASS FUTURES, Elbersen et al MTT, Pahkala & Lötjönen 2012 Sokerijuurikastähde 25 BEE, Böttcher et al MTT, Pahkala & Lötjönen 2012 (EU-25) Auringonkukka 34 BEE, Böttcher et al Riisin kuori 9 BEE, Böttcher et al Maissitähde 85 BEE, Böttcher et al Viinitarhojen ja oliivipuiden korjuutähde, yhteensä 423 BIOMASS FUTURES, Elbersen et al Viinitarhat 14 BEE, Böttcher et al Oliivipuut 28 BEE, Böttcher et al Viljellyt energiakasvit, kasvisruokavalio BEE, Böttcher et al Viljellyt energiakasvit, sekaruokavalio 742 BEE, Böttcher et al Monivuotiset peltokasvit BIOMASS FUTURES, Elbersen et al 2012 Maataloustähteet (sokerrjuurikas, palkokasvit, 656 MTT, Pahkala & Lötjönen 2012 perunakasvit ja öljykasvit) Elefanttiheinä RENEW, Seyfried et al Ruokohelpi (teoreettinen potentiaali) BEE, Böttcher et al Puumaiset peltokasvit (poppeli, teoreettinen) BEE, Böttcher et al Lyhytkiertoviljelykasvit RENEW, Seyfried et al

10 Maailmanlaajuinen potentiaali Oljen potentiaali noin PJ/a maissi, sokeriruoko, sokerijuurikas, riisi ja vehnä Kiinassa suurin. Palmuöljytuotannon tähteet teoreettinen potentiaali yli PJ/a Malesia ja Indonesia. Sokeriruohon puristustähde PJ/a Brasilia, Intia, Kiina Bambua kasvatetaan 37 miljoonalla hehtaarilla ja kasvava varanto on noin 389 miljoonaa tonnia. Oljen tekninen potentiaali, PJ/a. Lähde: DBFZ 10

11 Kokeisiin valitut raaka-aineet No. Valittu raaka-aine (pilotkokeisiin valitut merkitty lihavoinnilla, 12 kpl) Kokeen tyyppi 1 Karsittu havupuun ranka (kuoreton) : Mänty ja kuusi (Referenssi 1) Lab ja pilot 2 Hakkuutähde, havupuu Lab ja pilot 3 Olki, vehnä (Pohjoismainen lajike) Lab 4 Käytöstä poistettu puu kierrätyspuu, kemiallisesti käsittelemätön (A, B) Lab ja pilot 5 Kuori Lab 6 Karsittu lehtipuun ranka (kuorellinen): Pyökki (Referenssi 2) Lab ja pilot 7 Poppeli Lab ja pilot 8 Olki (ohra ja vehnä, Etelä-Euroopan lajike) Lab ja pilot 9 Oliivipuiden karsintatähde puubiomassa Lab ja pilot 10 Eucalyptus Lab ja pilot 11 Paulownia Lab ja pilot 12 Bambo Lab ja pilot 13 Palmutuotannon tähde (mm. tyhjä öljypalmun hedelmän kota) Lab 14 Sokeriruuon puristustähde Lab ja pilot 15 Maissin tähkä Lab 16 Elefanttiheinä Lab 17 Auringonkukan tähde Lab 18 Paju (Salix) Lab ja pilot 19 Ruokohelpi Lab 20 Olki, ohra (Pohjoismainen lajike) Lab 21 Rapsin olki Lab 11

12 Integrointi nykyaikaisen sahaan Nykyaikainen saha, joka käyttää havupuuta 250,000 k-m 3 /a Vaihtoehto 1: Uusi saha ja torrefiointilaitos, t/a torrefioituja pellettejä Käytetään kuorta ja sahanpurua, kattila 35 MW th kuuman veden tuottoon (nauhakuivuri torrefiointilaitoksella) Sahanhake (39 MW th ) käytetään raaka-aineena torrefiointilaitoksella Lisäksi metsähaketta (136 MW th ) torrefiointilaitoksella Vaihtoehto 2: Olemassaoleva saha ja uusi torrefiointilaitos, t/a torrefiotuja pellettejä Uusi biomassakattila kuorelle torrefiointilaitosta varten (12 MW th ) Sahanhake ja sahanpuru käytetään raaka-aineena torrefiointilaitoksella Lisäksi metsähaketta (77 MW th ) torrefiointilaitoksella 12

13 Rinnakkaisprosessi: Moderni saha päämassa- ja energiavirrat kun tuotantomäärä on m 3 havusahatavaraa 13

14 Rinnakkaisprosessit ja integraatit: Moderni pohjoismainen sellutehdas Moderni Pohjoismainen sellutehdas, joka käyttää havupuuta kuiva-aine tonnia sellua vuodessa Vaihtoehto 5: Sellutehdas ja uusi torrefiointilaitos, t/a torrefioituja pellettejä Sellutehtaan kuori käytetään torrefiointilaitoksen kattilan polttoaineena (45 MW th ) (nauhakuivuri torrefiointilaitoksella) Sellutehdas tuottaa lähisähköä (50 /MW e ) torrefiointilaitoksen jauhatukseen ja pelletointiin Metsähaketta (299 MW th ) käytetään raaka-aineena torrefiointilaitoksella Integrointi säästää logistiikka- ja henkilöstökustannuksissa (75 % standalone-laitoksen kustannuksista) ja käyttökustannuksissa (75% stand-alonelaitoksen kustannuksista) kuten myös sahavaihtoehdossa on oletettu. 14

15 Stand alone-laitokset: Eurooppalaiset ja kansainväliset vaihtoehdot Perusvaihtoehto: Referenssilaitos, t/a torrefioituja pellettejä Raaka-aineen hinta on Pohjoismaissa /MWh Kustannuslaskelmissa käytetty metsähakkeelle hintaa 18 /MWh (< 150 MW th ) Vaihtoehto 8: Suuri eurooppalainen torrefiointilaitos, t/a torrefioituja pellettejä Metsähakkeen hinta laskelmissa 20 /MWh (>150 MW th ) Vaihtoehto 9: Suuri, Euroopan ulkopuolella toimiva iso torrefiointilaitos, t/a torrefioituja pellettejä Näissä kohteissa raaka-aineen hintavaihtelut suuremmat, /MWh Kustannuslaskelmissa käytetty hintaa 15 /MWh 15

16 Stand alone-laitokset: Puun hinta Hinta Venäjällä huomattavasti halvempi tänään Selluhakkeen hinta toimitettuna laitokselle vuonna 2013, m 3 sob (kuorellinen kiintokuutiometri) Source: Sipilä, E., Biomassan kaasutus, AEL seminaari, 29 lokakuu 2013, Tampere 16

17 Perustiedot tuotantokustannuksien laskentaan Kustannuslaji Raaka-ainekustannukset Hakkuutähde < 150 MW th Hakkuutähde > 150 MW th Kuori Sahanpuru Sahanhake (sahalta) Viljelty puubiomassa (Etelä-Eurooppa Lämpö Kuumavesi Höyry (matalapaineinen) Sähkö Ilman siirtokustannuksia Siirtokustannuksien kanssa Työvoima (sisältää henkilösivukustannukset) Kustannus 18 /MWh 20 /MWh 16 /MWh 16 /MWh 18 /MWh 15 /MWh 20 /MWh th 25 /MWh th 50 /MWh e 60 /MWh e 55 /h Kustannustekijät Vuotuiset pääomakustannukset (annuiteetti) Käynnistyskulut, rakentamisen aikaiset korot Skaalauskomponentti Käyttökustannukset, vakuutukset, verot Vuotuinen käyttöaika (stand-alone-laitokset ja saha- ja selluintegraatit) 0,1175 (10 %, 20 v) 21 % laitosinvestoinnista 0,7 4 % kokonaiskustannuksista h/a 17

18 Yhteenveto tuotantokustannuksista torrefioiduille pelleteille Laji Torrefioitujen pellettien tuotanto, t/a Perus Standalone 1 (uusi saha) 2 (olemassa oleva saha) 5 Moderni sellutehdas 8 Stand-alone Eurooppa 9 Stand-alone Euroopan ulkopuolinen Tuot.kust. M /a 19,3 48,8 24,3 82,5 104,2 87,6 Tuot.kust. /MWh Puupelletit /MWh* Hinta verrattuna perustapaukseen, % Hinta verrattuna puupellettiin, % * PIX Pellet Nordic index

19 Tuotantokustannukset, /MWh Jyväskylä, Eri vaihtoehtojen tuotantokustannusjaottelu, /MWh 50,0 45,0 40,0 35,0 30,0 Eri vaihtojen tuotantokustannusjaottelu, /MWh Perustapaus t/a Sahaintegraatit t/a t/a Sellutehdasintegraatti t/a t/a Suuret stand-alone laitokset Merikuljetuksen kustannukset 25,0 20,0 15,0 10,0 Kiinteät kustannukset Pääomakustannukset Muut muuttuvat kustannukset 5,0 Raaka-ainekustannukset 0,0 Kuva: VTT 19

20 Johtopäätöksiä torrefiointilaitoksen integroinnista Integrointi uuteen sahaan on suositeltavin (Vaihtoehto 1: t/a torrefioituja pellettejä, kustannukset 80% perustapauksesta) Sellutehdasintegraatti voi tuottaa lähes samoilla kustannuksilla kun sahaintegraatti (Vaihtoehto 5: t/a torrefioituja pellettejä, kustannukset 80% perustapauksesta) Edut ovat energian tuotannon integroinnissa (sähkö, lämpö ja erityisesti kuivausprosessi), raaka-aineen logistiikassa, biomassan käsittelyssä ja muissa yleisissä toiminnoissa. Tiettyjä hyötyjä: puun hankinta, logistiikka- ja kuljetuskustannukset, varastointia ja käsittely laitoksella sekä mahdollisissa muissa tuotteissa, joita ei ole täysimääräisesti huomioitu näissä laskelmissa Tarvitaan tarkempi tapauskohtainen analyysi. 20

21 Käsittelykestävyyden ja varastoitavuuden tutkimukset 5 erää torrefioidusta biomassasta valmistettuja pellettejä - suomalainen puupelletti vertailuna VTT:n kehittämät käsittelymenetelmät Pellettien kostutus tasapainokosteuteen Sadetuskoe Upotuskoe Pellettien ominaisuuksien määritys lähtötilanteessa ja erilaisten käsittelyjen jälkeen Pellettien mitat, kosteus, irtotiheys ja mekaaninen käsittelykestävyys, puristuslujuus Kuvat: VTT 21

22 Pellettien kosteus, % Jyväskylä, Pellettien kostuminen 15,0 14,0 13,0 12,0 11,0 10,0 9,0 8,0 7,0 6,0 5,0 4,0 3,0 2,0 1,0 ECN Spruce 260 ECN Poplar 270 ECN Pine 270 CENER Straw 270 Topell Wood Residues Wood Pellets Kuvat: VTT 0, Aika, h Pellettilaatujen tasapainokosteudet suhteellisen ilmankosteuden ollessa % ja 26 C lämpötilassa 22

23 Kosteus, % Jyväskylä, Pellettien kosteus eri käsittelyjen jälkeen 80,0 70,0 Lähtötilanne Tasapainokosteus Lähde: VTT 72,0 60,0 50,0 Sadetuskokeen jälkeen Upotuskokeen jälkeen 40,0 30,0 20,0 25,2 21,5 23,9 24,6 23,3 35,8 30,0 25,0 27,8 27,4 25,9 10,0 0,0 8,8 8,7 9,6 3,8 4,2 5,1 12,4 12,9 10,3 8,4 ECN Spruce 260 ECN Poplar 270 ECN Pine 270 CENER Straw 270 Topell Wood residues ,3 12,0 Wood pellets 23

24 Mekaaninen käsittelykestävyys, % Lähtötilanne 98,2 Tasapainokosteus 97,4 Sadetus 58,9 Upotus 54,2 Lähtötilanne 97,5 Tasapainokosteus 97,9 Sadetus 81,3 Upotus 80,7 Lähtötilanne 93,0 Tasapainokosteus 89,2 Sadetus 49,7 Upotus 54,0 Lähtötilanne 98,0 Tasapainokosteus 97,0 Sadetus 74,9 Upotus 80,8 Lähtötilanne 96,0 Tasapainokosteus 95,0 Sadetus 64,2 Upotus 60,1 Lähtötilanne 98,2 Tasapainokosteus 94,6 Jyväskylä, Sadetus Upotus Pellettien kostumisen vaikutus käsittelykestävyyteen 100 Lähde: VTT ECN Spruce 260 ECN Poplar 270 ECN Pine 270 CENER Straw 270 Topell Wood residues Wood pellets 24

25 Johtopäätökset varastointikokeista Kaikki testatut torrefioidusta biomassasta valmistetut pelletit kestivät kostumista ja kastumista puupellettejä paremmin Kostuminen tasapainokosteuteen heikensi pellettien käsittelykestävyyttä vain vähän Sadetus tai upottaminen veteen heikensi käsittelykestävyyttä huomattavasti Käsittelykestävyydessä oli eroja pellettilaatujen välillä, joita voitiin perustella mm. pellettien mitoilla ja raakaaineilla Laboratoriomitan kokeiden perusteella torrefioidut pelletit tulisi varastoida katettuna 25

26 Helsinki, 17 September 2014 Karl-Heinz Liebisch/PIXELIO Kiitos! SECTOR-projekti Prof. Dr.-Ing. Daniela Thrän DBFZ ggmbh Torgauer Str Leipzig Germany SECTOR-projektin VTT:n yhdyshenkilöt Eija Alakangas (varat, standardisointi) Vesa Arpiainen (kustannukset, integrointi) Kirsi Korpijärvi (varastointi) Leena Fagernäs (kemikaalit) Lisää tietoa SECTOR projektista URL: 26