Teknillinen tiedekunta. LUT Energia. Energiatekniikan koulutusohjelma. Tomi Sarkala ORC-PROSESSIN INTEGRAATIO KAASUMOOTTORIVOIMALAAN

Transkriptio

1 Teknillinen tiedekunta LUT Energia Energiatekniikan koulutusohjelma Tomi Sarkala ORC-PROSESSIN INTEGRAATIO KAASUMOOTTORIVOIMALAAN Työn tarkastajat: Professori Jaakko Larjola Professori Jari Backman Työn ohjaajat: Toimitusjohtaja Jouko Kauhanen DI Pasi Parkkinen

2 2 TIIVISTELMÄ Lappeenrannan teknillinen yliopisto Teknillinen tiedekunta Energiatekniikan koulutusohjelma Tomi Sarkala ORC-prosessin integraatio kaasumoottorivoimalaan Diplomityö sivua, 36 kuvaa, 19 taulukkoa, 2 kuvaajaa ja 3 liitettä Tarkastajat: Professori Jaakko Larjola Professori Jari Backman Hakusanat: jätelämpö, kaasumoottori, myyntihinta, ORC-prosessi, suurnopeustekniikka, tolueeni, Tri-O-Gen, turbogeneraattori Tämä diplomityö on osa ORC-prosessin kaupallistamiseen liittyvää esiselvitysprojektia. Tässä työssä perehdytään ORC-prosessin tekniikkaan, sen kehitykseen ja kahden ORC-laitoksen suunnitteluun, joista toinen on yhden turbogeneraattorin ns. demolaitos ja toinen usean rinnakkaisen turbogeneraattorin ORC-laitos. Molemmat ORC-laitokset toimivat suurnopeustekniikalla ja käyttävät kieroaineena tolueenia. Tämän diplomityön tavoitteina on tehdä layout-suunnittelua yhden turbogeneraattorin laitokselle, siten että se voitaisiin toteuttaa käytännössä, suunnitteilla olevaan demolaitokseen. Samassa yhteydessä on tarkoitus perehtyä siihen miten moottorivoimalaitos ja ORC-yksikkö voidaan yhdistää toisiinsa. Tämän lisäksi on tarkoitus tehdä monen turbogeneraattorin ORC-prosessin laskenta Wärtsilän 20V34SG kaasumoottorille. Prosessilaskennalla tullaan selvittämään kuinka monelle turbogeneraattorille kyseisestä Wärtsilän moottorista savukaasujen lämpöteho riittää ja sen perusteella arvioida, paljonko sähkön tuotannon hyötysuhdetta voidaan nostaa. Lopullisena tavoitteena on perustella, miksi ORC:n kaltaista tekniikkaa haluttaisiin käyttää, missä sitä voitaisiin käyttää ja millä edellytyksillä se olisi mahdollista. Tämän diplomityön tuloksena on olemassa suunnitelma yhden turbogeneraattorin ORC-laitoksen yhdistämisestä moottorivoimalaan. Voimalan polttoaineena käytettävän maakaasun veropohjan kohottamisen takia demolaitosta ei nyt toteuteta. Monen turbogeneraattorin ORC-prosessin laskennassa määritettiin Wärtsilän 20V34SG kaasumoottorin pakokaasujen lämpötehon riittävän 5 turbogeneraattorille. Moottorin sähköntuotannonlisäykseksi saatiin 8 % pelkästään savukaasujen lämpötehon hyödyntämisellä. Kaupallisen kannattavuuden osalta päädyttiin tulokseen, että ORCtekniikalla on jo olemassa olevat markkinat ja niihin olisi mahdollista päästä mukaan aivan uudella tuotteella. Tämä kuitenkin vaatii oikeanlaiset yhteistyökumppanit, joiden yhteistyöllä pystytään vastaamaan niin teknisiin kuin taloudellisiin haasteisiin.

3 3 ABSTRACT Lappeenranta University of Technology Faculty of Technology Degree Programme in Energy technology Tomi Sarkala ORC-process integration engine for gas-fired power plant Master s thesis pages, 36 figures, 19 tables, 2 graphs and 3 appendices Examiners: Professor Jaakko Larjola Professor Jari Backman Keywords: waste heat, gas engine, selling price, ORC-process, high-speed technology, toluene, Tri-O-Gen, turbo generator This Master s thesis is a part of the ORC-process commercialization of exploratory projects. In this Master s thesis focus is in technology of ORC and that development. Also this work include two different ORC plants planning which another is one turbo generator plant and that called demo plant The another is several parallel turbo generators plant. Both of these ORC plants are based on high speed technology and use toluene as working fluid. The aim of this research is make layout planning of one turbo generator plant and the target is that plan could be the implement in practice in that demo plant. Also in this same demo plant we try to solve how could connect the engine power plant and the ORC unit. It also aims to make process calculations of several parallel turbo generators ORC process of Wärtsilä s engine 20V34SG. The meaning of process calculations is make sure how much heat we could have in exhaust gas and how many turbo generators ORC plant we could plan and also how much engine electricity generation efficiency rises with that. The final aim is find the reasons why we want to use ORC technology. Also we find out to know where we could use ORC technology and under what conditions it would be possible. As result of this Master's thesis we have a plan how we could built and connect one turbo generator ORC with engine power plant but due to the tax increase for natural gas proposed by the Finnish government, the planned demo plant did not materialize. In Several parallel turbo generators calculation was determined that Wärtsilä 20V34SG gas engine exhaust heat power is sufficient to five turbo generators. The engine electricity production increase were 8 % only with exhaust gases. The result of commercial viability was that ORC technology has the markets already and it would be possible to get in the markets with brand new product but it required that we have right partners and cooperation, which could meet the technical and economical challenges.

4 4 Alkusanat Tämä diplomityö on tehty Lappeenrannan teknillisen yliopiston teknillisessä tiedekunnassa vuonna Työn toimeksi antajana on ollut Naaraharju Oy. Diplomityö on tehty osana ORC tekniikan kaupallistamiseen liittyvää esiselvitysprojektia. Työn ohjaajana toimii DI Pasi Parkkinen ja Naaraharju Oy:n toimitusjohtaja Jouko Kauhanen. Työn tarkastajina toimivat professori Jaakko Larjola ja professori Jari Backman. Haluan osoittaa suuret kiitokset hyvistä neuvoista, kommenteista sekä haastavasta työstä toimitusjohtaja Jouko Kauhaselle, joka mahdollisti diplomityöni tekemisen. Haluan kiittää myös erityisesti työni tarkastajia professori Jaakko Larjolaa ja Jari Backmania asiantuntevista neuvoista ja kommenteista sekä heiltä saamastani tuesta. Lisäksi kiitokset kaikille muillekin Naaraharju Oy:n sekä LUT:n henkilöille, jotka ovat jollakin tavalla olleet mukana edesauttamassa työni valmistumista. Vielä erityiskiitokset DI Antti Uusitalolle, jonka apu prosessilaskennoissa oli todella merkittävää. Kotiväki ansaitsee myös todella suuret kiitokset kaikesta tuesta, jota olen heiltä opintojeni aikana saanut. Pieksämäellä Tomi Sarkala

5 5 SISÄLLYSLUETTELO SYMBOLI JA LYHENNELUETTELO JOHDANTO ORC-PROSESSISTA ORC-PROSESSIN TOIMINTAPERIAATE JA PROSESSIKOMPONENTIT ORC-PROSESSIN RAKENTAMISTAPOJA ORC-prosessin kytkentä vaihtoehdot Termoöljypiirin toiminta ja tarkoitus ORC- JA VESIHÖYRYPROSESSI Vesihöyryprosessi Vesihöyryprosessi verrattuna ORC-prosessiin ORC-PROSESSIN KIERTOAINEEN VALINTA KAASUMOOTTORITYYPIT ORC-PROSESSEISSA Kaasudieselmoottori (Gas Diesel = GD) Kaksipolttoainemoottori (Dual Fuel = DF) Kipinäsytytteinen kaasumoottori (Spark ignited Gas engine = SG) ORC-PROSESSIN KÄYTTÖTURVALLISUUS JA YMPÄRISTÖYSTÄVÄLLISYYS ORC-VOIMALAITOKSEN TYYPILLISIÄ TUNNUSLUKUJA ORC-PROSESSIN TUTKIMUSTYÖ LUT:SSA JA PROSESSIN KAUPALLISET TOIMITTAJAT Lappeenrannan teknillisen yliopiston ORC-prosessin tutkimustyö ORC-laitosten kaupalliset toimittajat ORC-PROSESSIEN SOVELLUSKOHTEITA Teollisuuden jätelämmön hyödyntäminen Pakokaasujen ja jäähdytys veden lämmön hyödyntäminen polttomoottoreista Biokaasun käyttö polttomoottoreissa Biomassan käyttö Geoterminen energia MikroORC... 41

6 6 3 ORC-DEMOLAITOKSEN INTEGRAATIO KAASUMOOTTORIVOIMALAAN NYKYINEN KAASUMOOTTORIVOIMALA ORC-DEMOLAITOKSEN ESITTELY Suurnopeustekniikkaan perustuvan ORC-prosessin toiminta Tri-O-Gen:n valmistama ORC-yksikkö ORC-LAITOKSEN INTEGROINTI KAASUMOOTTORIVOIMALAAN Laitosintegroinnin tarkoitus ja lähtökohdat Suunniteltava laitosintegraatio TULEVAISUUS IKAALISTEN KAASUMOOTTORIVOIMALASSA MONEN TURBOGENERAATTORIN ORC-VOIMALAITOKSEN SUUNNITTELU MONITURBOGENERAATTORISEN ORC-LAITOKSEN ESITTELY ORC-LAITOKSEN TOIMINTA, OHJAUS JA SÄÄTÖ MONI TURBOGENERAATTORISEN ORC-LAITOKSEN PROSESSILASKENTA Käytetyt laskentamenetelmät Prosessilaskennan lähtökohdat Prosessilaskennan tulokset Voimalaitosmoottorin kaikkien lämpötehojen hyödyntäminen KUSTANNUSVERTAILU YKSI JA MONI TURBOGENERAATTORISEN ORC-LAITOKSEN VÄLILLÄ LAITOSSUUNNITTELUN PERUSTEELLA TEHTÄVÄT JOHTOPÄÄTÖKSET IKAALISTEN MOOTTORIVOIMALAITOKSEN ORC-YKSIKKÖ MONEN TURBOGENERAATTORIN ORC-PROSESSI Tekninen toteutus Kaupallistaminen Lopputulos YHTEENVETO... 88

7 7 LÄHDELUETTELO LIITTEET I TOLUEENIN KÄYTTÖTURVALLISUUSTIEDOTE II TURBIININ PAISUNTA KÄYRÄT H,S -PIIRROKSESSA MONEN TURBOGENERAATTORIN LASKENTATAPAUKSISSA 1 JA 2 (VRT. LUKU 4, TAULUKKO 7) III TAULUKON 14 LASKENTATAPAUSTEN PROSESSIKYTKENTÄKAAVIOT

8 8 SYMBOLI JA LYHENNELUETTELO Lyhenteet DF G GD K ORC SG T Dual Fuel Generaattori Gas Diesel Kattila Organic Rankine Cycle Spark ignited Gas engine Turbiini Symbolit P teho [W] P pa kattilan maksimipolttoaineteho [W] Q e tuotettu sähköenergia [W] Q pa polttoaineen kokonaisenergia [Wh/a] Q th tuotettu lämpöenergia [W] Q pa, e sähkön tuotantoon käytetty polttoaine-energia [KJ/kg] Q pa, th lämmöntuotantoon käytetty polttoaine-energia [KJ/kg] q e sähköntuotannon kulutussuhde [-] q m massavirta [kg/s] q th lämmöntuotannon kulutussuhde [-] T lämpötila [ C, K] t h huipunkäyttöaika [h/a] Δh entalpiaero [KJ/kg]

9 9 Kreikkalaiset aakkoset ε rekuperaattorin rekuperaatioaste [-] η k kattilahyötysuhde [%] η kok kokonaishyötysuhde [%] σ rakennussuhde [-] Alaindeksit c e h in k m out pa pros t kylmä (puhuttaessa lämmönvaihtimen kylmästä puolesta) sähkön tuotanto kuuma(puhuttaessa lämmönvaihtimen kuumasta puolesta) sisään kattila massa ulos polttoaine prosessi turbiini

10 10 1 JOHDANTO Nykypäivänä lähes kaikissa teollisuusprosesseissa syntyy hukkalämpöjä, joista suurinta osaa ei hyödynnetä millään tavalla. Esimerkiksi valtaosa moottorivoimalaitoksista puhaltaa moottorien pakokaasut suoraan taivaalle sellaisenaan tai korkeintaan ottavat pienen osan pakokaasujen sisältämästä lämmöstä talteen, esimerkiksi veden lämmitykseen kaukolämpövoimalaitoksissa. Tällä kaikella nykyisellä hukkalämmöllä voitaisiin tuottaa huomattavia määriä muun muassa sähköä ja lämpöä yhteiskunnan käyttöön sekä parantaa merkittävästi teollisuusprosessien hyötysuhteita. Käytännössä näiden hukkalämpöjen parempaa hyödyntämistä kehitetään ja rakennetaan paljon eri puolilla maailmaa. Hukkalämpöjen hyödyntämisessä on kyse siitä että tehdään hyödynnettävää energiaa, kuten sähköä olemassa olevasta ns. ilmaisesta energiasta. Tämä diplomityö on tehty kesän ja syksyn 2010 aikana Naaraharju Oy:n toimeksiannosta. Tehtävä diplomityö on osa ORC-prosessin kaupallistamiseen liittyvää esiselvitysprojektia. Tässä diplomityössä perehdytään ORC-prosessin tekniikkaan, kehitykseen ja kahden ORC-laitoksen suunnitteluun, joista toinen on yhden turbogeneraattorin ns. demolaitos ja toinen viiden rinnakkaisen turbogeneraattorin ORC-laitos. Molemmat ORC-laitokset toimivat suurnopeustekniikalla ja käyttävät kieroaineena tolueenia. Naaraharju Oy on vuonna 1970 perustettu yritys, joka on erikoistunut vaativien ja raskaiden teräsrakenteiden valmistamiseen. Pieksämäen Naarajärvellä sijaitsevissa tuotantolaitoksissa työskentelee 120 ammattilaista. Naaraharju Oy toimittaa teräsrakenteiden lisäksi moduulirakenteita, joihin voidaan sijoittaa esimerkiksi dieselmoottorilla toimiva sähköntuotantoyksikkö. Teräsrakenteita ja moduuleja Naaraharju Oy toimittaa eripuolille Suomea ja maailmaa muun muassa Eurooppaan, Venäjälle ja Lähi-itään. Naaraharju Oy:n toimittamia teräsrakenteita ja moduuleja käytetään usein silloissa, voimalaitoksissa ja teollisuusrakennuksissa.[naaraharju Oy:n Internet sivut 2010] Lyhenne ORC tulee sanoista Organic Rankine Cycle eli orgaaninen Rankine-prosessi. Toisin sanoen kyseessä on normaalia höyryvoimalaitosprosessia vastaava prosessi mutta ORC-prosessissa kiertoaineena on jokin orgaaninen aine, kuten pentaani, silikoniöljy tai tolueeni veden sijaan.[larjola 2008]

11 11 Tämän diplomityön tekemiseen syntyi tarve, kun haluttiin selvittää olisiko kaupallisesti kannattavaa rakentaa ORC-voimalaitos, jolla tuotetaan sähköä useista rinnan kytketyistä turbogeneraattoreista yhdellä prosessilla. Eli tarkoituksena on selvittää millaisella hintatasolla moni turbogeneraattorinen/ turbiininen ORC-laitos olisi verrattuna yksi turbiiniseen laitokseen. Lisäksi haluttiin selvittää miten ORC-prosessi voidaan skaalata suurempaan teho luokkaan ja mikä vaikutus sillä on prosessin hyötysuhteeseen ym. toiminta-arvoihin. Diplomityön tavoitteena on perehtyä ORC-prosessin toimintaan ja teknisiin ratkaisuihin sekä antaa kuva ORC-prosessin tutkimustyöstä. Aivan omana osanaan tässä diplomityössä tullaan käsittelemään eri sovelluskohteita ORC-prosessille. Työssä tullaan myös tarkastelemaan suunniteltavien laitosten kustannuksia ja niiden perusteella arvioimaan kaupallista kannattavuutta. Lopullisena tavoitteena on prosessilaskelmien sekä kustannus arvioiden perusteella arvioida kannattaako ORC-prosessin kehittämiseen ja vielä nykyistä laajamittaisempaan kaupallistamiseen lähteä mukaan.

12 12 2 ORC-PROSESSISTA Tässä luvussa tullaan perehtymään ORC-prosessin toimintaperiaatteeseen, teknisiin ratkaisuihin ja ORC-prosessista tehtyyn tutkimustyöhön. Lisäksi selvitetään millä polttoaineilla ja lämmönlähteillä ORC-prosessin on mahdollista toimia. Teknisten ratkaisujen yhteydessä selvitetään ORC-prosessiin kuuluvat komponentit sekä kiertoaineen ominaisuudet verrattuna vesihöyryprosessiin. Lisäksi selvitetään ORC-prosessin eri sovelluskohteita ja syitä ORC-prosessin valinnalle kyseisissä kohteissa. Myös ORC-prosessin käyttöturvallisuuteen tullaan kiinnittämään huomiota. Kaikki luvussa 2 esitettävät ORC-prosessien ja -laitosten toiminnot perustuvat tavalliseen höyryvoimalaitokseen, jossa turbiinin pyörimisnopeus on suurimmillaan 3000 rpm. Suurnopeustekniikkaan perustuvaa ORC-voimalaitosta ja sen toimintaa käsitellään kattavasti luvuissa 3 ja 4. Tällaisessa suurnopeustekniikkaan perustuvassa ORC-voimalaitoksessa turbiinin pyörimisnopeus on rpm. Silloin kun halutaan saada mahdollisimman suuri osa jonkin lämmönlähteen lämpösisällöstä hyötykäyttöön, joudutaan sellaisten prosessin toiminta-arvojen alueelle, että perinteistä vesihöyryprosessia ei voida toteuttaa, jostakin teknisestä (heikko hyötysuhde, kosteus turbiinissa) tai taloudellisesta syystä. Haluttaessa hyödyntää matalia eli luokkaa C olevia lämpötiloja saadaan aikaan paras hyötysuhde Rankine prosessilla ja tällaisissa tapauksissa prosessin kiertoaineena käytetäänkin orgaanisia kiertoaineita, niiden veteen verrattuna pienemmän höyrystymislämmön ansiosta. [Huovilainen R. 1987] 2.1 ORC-prosessin toimintaperiaate ja prosessikomponentit ORC-prosessilla tarkoitetaan Rankine prosessia jonka työ-/kiertoaineena veden sijaan on jokin orgaaninen nestemäinen aine, kuten tolueeni, silikoniöljy tai n-pentaani. Tarkoituksena ORCvoimalassa on tuottaa suhteellisen alhaisen lämpötilan lähteestä sähköenergiaa ja tästä johtuen sovelluskohteita on lukuisia, koska rajoitetun lämpötilan lähteitä ovat kaikki kaasuturbiineista, moottorivoimaloista ja teollisuusprosesseista saatava hukkalämpö. Kuvassa 1 on esitetty ORCprosessin toimintaperiaate.

13 13 Kuva 1 ORC-voimalan toimintaperiaate Kuvassa 1 esitettyjen pääkomponenttien tehtävät ovat seuraavat: Kattilassa tapahtuu jätelämmönsiirto kattilan lämpöpintojen kautta työ-/kiertoaineeseen. Tavoitteena on siirtää mahdollisimman suuri osa esim. savukaasujen sisältämästä lämpöenergiasta, jotta prosessi olisi siltä osin mahdollisimman tehokas. Turbiinilla tuotetaan kaikki laitoksesta saatava sähköteho. Turbiini tuottaa sähkötehon paisuvan kiertoaineen aikaan saaman mekaanisen energian kautta. Generaattori muuntaa turbiinin mekaanisenenergian sähköenergiaksi, joka syötetään sähköverkkoon muuntamalla virta oikeaan taajuuteen taajuusmuuttajan avulla, mikäli generaattori pyörii suuremmalla nopeudella kuin verkon synkronointinopeus. Rekuperaattorissa esilämmitetään kattilaan menevää lauhduttimelta tullutta työaineen virtausta, turbiinista poistuvien höyryvirtojen avulla. Toisin sanoen rekuperaattori toimii lämmönvaihtimena. Rekuperaattoria tarvitaan, koska orgaaninen höyry poistuu turbiinista tulistuneena, päinvastoin kuin vesihöyry, joka yleensä poistuu kylläisenä tai kosteana. Lauhduttimessa turbiinista poistunut kiertoaineen höyry lauhdutetaan takaisin nestemäiseen muotoon, siis lauhdutin toimii lämmönvaihtimena.

14 14 Prosessipumpuista pääsyöttöpumpulla pumpataan nestemäinen kiertoaine rekuperaattorin kautta kattilaan, jossa kiertoaine höyrystyy uudelleen. Esisyöttöpumpun avulla ylläpidetään riittävää painetta syöttöpumpun imupuolella, jotta syöttöpumppu ei kavitoi. [Reunan et al. 2000] Erityisesti suurnopeustekniikkaan perustuvissa ORC-laitoksissa käytetään esisyöttöpumppua, koska tarvittava paineen nousu pääsyöttöpumpussa on huomattavan suuri hieman yli 30 bar. ORC-prosessin vaiheet ovat kuvassa 2, jossa koko kiertoprosessi on esitetty T, S-tasossa. Kiertoprosessin vaiheet ovat seuraavat: [Larjola 2010 s.6] 1 2: Turbiinissa tapahtuva höyryn paisunta 2 3: Tulistuksen poisto turbiinista tulleesta höyrystä 3 4: Kieroaineen lauhtuminen höyrystä nesteeksi 4 5: Nestemäisen kiertoaineen paineen nousu syöttöpumpussa 5 6: Nestemäisen kiertoaineen esilämmitys 6 7: Kiertoaineen höyrystyminen 7 1: Kiertoaineen tulistuminen

15 15 Kuva 2 ORC-prosessin vaiheet T, S-tasossa [Larjola 2010 s.7] [Honkatukia J s.4] 2.2 ORC-prosessin rakentamistapoja ORC-prosessin lämmönlähteenä käytetään hyvin usein jotakin toisen prosessin jätelämpöä mutta vaihtoehtoisesti voidaan käyttää muitakin eri lämmönlähteitä ja polttoaineita. ORC-prosessi on mahdollista kytkeä usealla eri tavalla ja seuraavassa käsitellään eri vaihtoehtoja.

16 ORC-prosessin kytkentä vaihtoehdot ORC-prosessin kytkentä vaihtoehdot ovat seuraavat: - Höyrystin voidaan kytkeä suoraan yhteyteen lämmönlähdevirtauksen kanssa tai termoöljypiiriin. - Turbiini voidaan kytkeä suoraan generaattoriin tai vaihteiston välityksellä. - Syöttöpumppu voidaan kytkeä suoraan turbiiniin tai erottaa monivaihepumppu toimimaan sähkömoottorilla. - Generaattori voi olla ilmajäähdytteinen tai altistua prosessin kiertoaineen höyrylle, joka jäähdyttää sitä. - Generaattori voidaan kytkeä suoraan sähköverkkoon ja ajaa synkronoitua nopeutta tai se voidaan kytkeä invertteriin joka mahdollistaa generaattorin pyörimisnopeussäädöt. - Prosessi voi olla hermeettinen tai se voi sisältää yhden tai useita akselitiivisteitä, joiden tarkoitus on estää vuotoja. - Turbiinin laakerit voidaan voidella prosessinesteellä, voidaan käyttää magneettilaakereita tai akseli voi olla varustettu ulkoisella öljyvoitelulla (tavallisesti prosessinesteen joukossa ei saa olla öljyä, koska se voi vähentää merkittävästi prosessiaineen lämmönkestävyyttä). - Lauhduttimen lämpöä voidaan käyttää lämmitykseen (CHP). Toinen vaihtoehto on johtaa lauhdelämpö ilmaan tai veteen. [Larjola 2010 s.10 11] Edellä mainituista kytkentävaihtoehdoista on huomionarvoista havaita että kattilan/ höyrystimen suora kytkeminen kiertoaineen virtaukseen yksinkertaistaa koko prosessia ja nostaa hyötysuhdetta verrattuna termoöljypiirillä toteutettuun kytkentään, silloin kun lämmönlähde on rajallinen, kuten polttomoottoreissa. Perinteisesti järjestelmässä käytetään suurnopeusturbiinia, akselitiivistettä, alennusvaihdetta ja ilmajäähdytteistä synkronoitua generaattoria. Tässä konstruktiossa ongelmia saattaa esiintyä erityisesti akselitiivisteen osalta, josta saattaa syntyä vuotoa järjestelmästä. Lisäksi tarvitaan erillinen öljyvoitelujärjestelmä alennusvaihdetta varten. Suurnopeus teknologiaan perustuvassa kytkennässä liitetään turbiini, generaattori ja syöttöpumppu suoraan toisiinsa ja myös mahdolliset kiertonesteen voitelemat laakerit. Tällaisessa tapauksessa käämit ovat alttiina kiertoaineen höyrylle ja generaattori on kytketty sähköverkkoon invertterillä. Havaitaan my että turbogeneraattori voi olla täysin ilmatiivis. [Larjola 2010 s.11]

17 Termoöljypiirin toiminta ja tarkoitus Termoöljypiiri on hyvin laajasti käytetty järjestelmä ORC-prosessin yhteydessä, käytössä muun muassa ORC-laitos valmistajilla Turboden ja GMK. Termoöljypiirin avulla siirretään savukaasujen lämpö erillisellä lämmönsiirtopiirillä ORC-prosessiin. [Larjola 2010] Kuvassa 3 on esitetty yhteistuotannossa olevan ORC-voimalaitoksen periaate kuva, jossa näkyy termoöljypiiri. Kuva 3 Yhteistuotanto käytössä oleva ORC-voimalaitos, jossa lämmönsiirto tapahtuu termoöljypiirillä [Aaltonen, Ukkonen, 2008] Termoöljypiiriin kuuluvat seuraavat osat: [Heinimö, Jäppinen 2005 s.21] - Lämmönsiirtimet kulutuskohteissa - Termoöljynsiirtoputkisto - Termoöljyn kierrätyspumput - Varastosäiliö - Paisuntasäiliö - Kattila tai lämmönsiirrin

18 18 Termoöljypiirissä voidaan käyttää kiertoaineena erilaisia termoöljyjä, kuten Therminol 66. Mikäli lämmönlähde on rajoitettu niin ylimääräinen lämmönsiirto termoöljypiirin kautta alentaa ORCprosessin höyryn lämpötilaa ja hyötysuhdetta. Lisäksi termoöljypiirin suurin sallittu lämpötilan tulisi olla suurempi kuin ORC-prosessin virtauksen, jotta se ei olisi rajoittamassa ORC-prosessin maksimilämpötiloja. [Larjola 2010] Termoöljypiirin tarkoituksena on siirtää erillisestä kattilasta tai lämmönsiirtimestä lämpöä ORCprosessiin. Tällöin kun käytetään termoöljypiiriä kattilan ja ORC-prosessin välissä, voidaan polttoaineena käyttää lähes mitä tahansa polttoainetta, jota voidaan polttaa kattilan tulipesässä. Huomion arvoista on havaita että kun käytetään lämmönlähteen ja ORC-prosessin epäsuoraa kytkentää on ORC-prosessin hyötysuhde heikompi kuin tapauksessa, jossa käytetään suoraa kytkentää. 2.3 ORC- ja vesihöyryprosessi Tässä kappaleessa perehdytään vesihöyryprosessin toimintaan verrattuna ORC-prosessiin. Lisäksi pyritään selvittämään miksi pienempitehoisissa prosesseissa ORC-prosessi toimii vesihöyryprosessia selvästi paremmin Vesihöyryprosessi Vesihöyryprosessilla tarkoitetaan kuvassa 4 esitettyä prosessia jossa kattilan ja tulistimen avulla tuotetaan vedestä tulistettua vesihöyryä. Tämä tulistettu vesihöyry ohjataan turbiinille, jossa se paisuu ja samalla pyörittää turbiinia. Turbiinin liike-energia puolestaan muutetaan sähköksi generaattorin avulla. Lauhduttimen avulla paisunut höyry muutetaan takaisin nesteeksi ja se pumpataan uuteen kiertoon syöttösäiliöstä syöttöpumpun avulla. Vesihöyryprosessi voidaan rakentaa, kuten kuvassa 4 on esitetty eli lauhdutusvoimalaitoksena, jolloin tuotetaan ainoastaan sähköä. Toinen vaihtoehto on ottaa prosessilämpö talteen esimerkiksi erillisen kaukolämpöpiirin avulla, jolloin tuotetaan sähköä ja lämpöä eli kyseessä on silloin CHP laitos (vastapainevoimalaitos). Riippuen siitä onko kyseessä lauhdutus vai CHP laitos vaihtelee myös turbiinin tyyppi ja lisäksi prosessissa on yleensä esilämmittimiä ja väliottoja turbiinissa. [Aaltonen, Ukkonen 2008 s.4-5]

19 19 Kuva 4 Yksinkertaistetun vesihöyryprosessin periaatekuva [Aaltonen, Ukkonen 2008] Vesihöyryprosessi verrattuna ORC-prosessiin Verrattaessa tavallista vesihöyryprosessia sekä ORC-prosessia keskenään havaitaan että kyseessä ovat täysin toistensa kaltaiset prosessit, jotka poikkeavat vain prosessin kiertoaineen ja toiminta arvojen suhteen. Prosessin konstruktio ja virtausten kulku ovat samanlaiset molemmissa prosesseissa. ORC-prosessissa olevan orgaanisen kiertoaineen ansiosta tässä prosessissa on mahdollista päästä sellaiseen prosessilämpötilaan, joka on lähellä lämmönlähteen lämpötilaa. Tämä johtuu siitä että orgaanisen aineen suhteellinen höyrystymislämpö on alhaisempi kuin veden. Vesihöyryprosessissa maksimiprosessilämpötila jää suhteellisesti pienemmäksi veden suuren höyrystymislämmön takia. Tämä tarkoittaa sitä että ORC-prosessilla voidaan hyödyntää paljon alhaisempia lämmönlähteiden lämpötiloja kuin vesihöyryprosessilla. Kuvassa 5 on esitetty ORC- ja vesihöyryprosessien periaatteelliset lämpötiladiagrammit.

20 20 Kuva 5 ORC- ja vesihöyryprosessien periaatteelliset lämpötiladiagrammit [Larjola 2010 s.7] Kuvasta 5 havaitaan että savukaasujen lämpötila laskee tasaisesti ja samalla veden ja orgaanisen aineen lämpötilat nousevat. Veden höyrystyminen kestää pitempään ja se tapahtuu alemmassa lämpötilassa kuin orgaanisen aineen. Tästä johtuen orgaanisella aineella saavutetaan suhteellisesti korkeampi lämpötila prosessissa, koska lämmönlähdeaineen ja höyrystettävänaineen käyrät eivät saa leikata toisiaan. Tästä seuraa että myös prosessista saatava teho on suhteellisesti parempi. Siis orgaanisen aineen lämpötila- kokonaisentalpia diagrammi seuraa hyvin savukaasujen lämpötilaa jolloin entalpian muutos turbiinissa on pieni, joka puolestaan helpottaa turbiinin suunnittelua. Edellä mainittujen asioiden lisäksi ORC-prosessin kiertoaineiden alhainen höyrystymislämpö takaa sen että ominaisentalpian muutos ORC-prosessissa on pienempi kuin vesihöyryprosessissa. Tästä johtuen ORC-prosessissa voidaan käyttää hyötysuhteeltaan hyviä yksivaiheisia turbiineja ja niiden etu näkyy selkeimmin sähköteholtaan pienissä kokoluokissa. [Heinimö, Jäppinen 2005]

21 21 Eräs etu edellä mainittujen asioiden lisäksi on se että ORC-prosessissa rekuperaattori, joka korvaa vesihöyryprosessissa käytettävät väliottoesilämmittimet, on rakenteeltaan yksinkertaisempi ja kustannuksiltaan edullisempi kuin edellä mainitut esilämmittimet. 2.4 ORC-prosessin kiertoaineen valinta ORC-prosessin kiertoaineen valinnalla on suuri merkitys prosessin toimintaan, sillä kiertoaineen aineominaisuudet määrittelevät prosessin lämmönlähteen, maksimi lämpötilan ja nämä molemmat vaikuttavat merkittävästi prosessin hyötysuhteeseen. [Heinimö, Jäppinen 2005 s.16] Kiertoaineen tarkasteltavina ominaisuuksina prosessissa ovat lämpötilankestävyys, tilavuusvirta, lauhtumispaine, kuiva ja/ tai märkä kiertoaineen paisunta turbiinissa ja ympäristö- sekä turvallisuusnäkökulmat. Lisäksi kiertoaineesta tulee tarkastella sen molekyylipaino, höyrynpaineen ja lämpötilan riippuvuus sekä lämpötilan ja entropian välinen riippuvuus. Tässä kappaleessa ei puututa kuitenkaan ympäristö- ja turvallisuusnäkökohtiin, vaan niihin perehdytään myöhemmin. Myös kiertoaineen hinnalla ja sen saatavuudella on suuri merkitys siihen, mikä kiertoaine valitaan kuhunkin prosessi tapaukseen. [Larjola 2010 s.9; Heinimö, Jäppinen 2005 s.17] ORC-prosessin kiertoaineen on tarkoitus tuottaa prosessin kautta sähköä ja sen lisäksi toimia voiteluaineena laakereille. [Larjola 2008] Lämpötilankestävyyden merkitys on suuri, koska kiertoaineet ovat orgaanisia, jotka hajoavat herkästi korkeissa lämpötiloissa. Tästä johtuen, mikäli valittava kiertoaine kestää korkeita lämpötiloja, sen vaihtoväli prosessissa pitenee ja käyttö on edullisempaa. Tilavuusvirtaa tulee tarkastella, koska useimmissa ORC-yksiköissä käytetään yksivaiheista turbiinia, niin tavallisissa tapauksissa kuin käytettäessä suurnopeustekniikkaakin. Valitsemalla turbiinin ulostulon tilavuusvirta optimaalisen ominaispyörimisnopeuden perusteella, voidaan turbiini mitoittaa hyvälle hyötysuhteelle Lauhtumispaineen valinnassa tulee huomioida että, mikäli lauhtumispaine on ilmakehän painetta suurempi, niin kiertoaineen vuoto ilmaan prosessista on mahdoton, kun tilavuusvirta on pieni turbiinille. Lauhtumispaineen ollessa hyvin alhainen saattaa ilma vuotaa helposti prosessiin. Tällöin tyhjöimua tulee käyttää vuotoilman poistamiseen.

22 22 Suurin osa orgaanisista kiertoaineista paisuu turbiinissa kuivana, johtuen siitä että kiertoaineen höyry on tulistettua. Tämä johtaa siihen että höyryn säätäminen on helppoa suurimmassa osassa tapauksista, kun varmistetaan että höyry todella on kuivaa turbiinissa. Paisuessaan orgaaninen kiertoaine tulistuu edelleen ja tämän ansiosta turbiinissa ei muodostu ongelmaa lauhtuvan höyryn kanssa, kun paine ja lämpötila alenevat. [Larjola 2010 s. 9] ORC-prosessissa lämmönsiirto voi tapahtua suoraan kattilasta ORC-prosessiin tai erillisen termoöljypiirin kautta. ORC-prosessissa käytettävät kiertoaineet voidaan luokitella seuraavasti: - Silikoniöljyt - Hiilivedyt tai osittain korvatut hiilivedyt (n-pentaani, butaani ja tolueeni) - Klooratut ja halogenoidut hiilivedyt eli CFC-yhdisteet ja kylmäaineet Yleisimmin ORC-prosessissa näistä käytetään silikoniöljyjä ja pentaania. Silikoniöljyt toimivat kiertoaineena hyvin prosessilämmön ollessa korkeintaan 280 C. Pentaania käytetään, kun prosessilämpö on alle 200 C, tolueeni toimii jopa 350 C prosessilämpötilassa. [Heinimö, Jäppinen 2005] Kuvassa 6 on esitetty kolmen (3) yleisen ORC-prosessin kiertoaineen tietoja, jotka on poimittu lähdeteoksesta [Larjola 2010]. Taulukko 1 ORC-prosessin kiertoaineiden tietoja [Larjola 2010 ORC] Työaine n-pentaani Silikoniöljy Tolueeni Molekyylipaino [g/mol] 72, ,1 Tiheys [kg/m 3 ] Sulamispiste [ C] 129 alle Kiehumispiste [ C] 36 yli Leimahduspiste [ C] Itsesyttymispiste [ C] Syttymisrajat ilmassa [til- %] 1,5-7,8 480 Viskositeetti [mpas] 0, ,1-1,7 Ominaislämpökapasiteetti []kj/kg C] 2,32 1,42-1,63 1,71 Höyrystymislämpö huoneenlämmössä 25 C [kj/kg] Ominaisuuksia Syttyvä, Syttyvä, jonkin Syttyvä, jonkin myrkyllinen verran verran myrkyllinen myrkyllinen

23 23 Taulukossa 1 taulukoiduista kiertoaineista n-pentaani on puhdas hiilivety, joka on väritön veteen liukenematon neste, joka syttyy helposti. n-pentaani on ilmaa raskaampaa ainetta eli se painuu muun muassa syvänteihin syrjäyttäen hapen. Ilmaseos ja pentaanihöyry ovat räjähtävä yhdistelmä. Ihmiseen n-pentaani vaikuttaa korkeina pitoisuuksina huumaavasti ja pieninäkin esiintyy ihoärsytystä ja keuhkovaurioita sekä huimausta ja tajuttomuutta. [Heinimö, Jäppinen 2005 s.20] Taulukossa 1 esitetty silikoniöljy on yksi kaikkein yleisimmin käytetyistä kiertoaineita ORCprosesseissa. Silikoniöljyissä olevaa siloksaania käytetään myös kumeissa, hartseissa ja elastomeereissä sekä korkean tai matalanviskositeetin omaavissa nesteissä, joita ovat muun muassa pesuaineet ja lämmönsiirtoöljyt. Siloksaanit ovat nopeasti ilmaan haihtuvia aineita, jotka sisältävät hiiltä, vetyä, happea, ja piitä. Ilmakehässä, vedessä tai maaperässä hajotessaan siloksaanit muodostavat hiilidioksidia, piidioksidia ja vettä. [Heinimö, Jäppinen 2005 s.20] Edellä mainittujen asioiden lisäksi taulukossa 1 on tietoja tolueenista, jota käytetään yleisesti liuottimena ja ohenteena maaleissa. Ulkoisesti tolueeni on väritön neste, jonka haju muistuttaa bentseeniä. Tolueeni on helposti syttyvä ja palava neste, joka voi muodostaa ilman kanssa räjähtävän seoksen. Tolueenin on todettu hajoavan melko nopeasti maaperässä aerobisissa olosuhteissa. Tolueenilla ei ole pieninä pitoisuuksina merkittävää vaikutusta ihmiseen mutta suurina pitoisuuksina se aiheuttaa päänsärkyä, sekavuutta ja tajuttomuutta. [Heinimö, Jäppinen 2005 s.20] 2.5 Kaasumoottorityypit ORC-prosesseissa Kuten jo aikaisemmin on mainittu, ORC-prosessilla tuotetaan sähköä toisen prosessin jätelämmöstä, esimerkiksi savukaasuista. Kaasumoottori nimitys johtuu siitä, että kyseessä on tavallinen polttomoottori mutta sen polttoaineena nestemäisen polttoaineen sijaan käytetään jotakin kaasua, kuten maakaasua. Tässä kappaleessa selvitetään minkä tyyppisiä kaasumoottoreita voimalaitosmittakaavassa käytetään ja miten ne toimivat Kaasudieselmoottori (Gas Diesel = GD) Kaasudieselmoottori on puristussytytteinen (vrt. diesel-prosessi), jossa kaasumainen polttoaine ruiskutetaan sylinteriin ja sylinterissä on vain puristettua ilmaa. Tämän moottorin toiminta on aivan samanlainen kuin dieselmoottorilla mutta ongelmaksi muodostuu kaasun puristaminen. Tämä

24 24 johtuu siitä että kaasun syöttämiseksi sylinteriin yläkuolokohdassa se tulee puristaa korkeaa noin 200 bar paineeseen. Kaasudieselmoottorin (GD) toimintaperiaate on esitetty kuvassa 6. Kuva 6 Kaasudiesel moottorin (GD) toimintaperiaate [Wärtsilä 2010] Kaksipolttoainemoottori (Dual Fuel = DF) Kaksipolttoainemoottorin toiminta perustuu otto- ja diesel-prosessien yhdistämiseen, koska laiha kaasu-ilma seos imetään sylinteriin ja sen sytyttämiseksi ruiskutetaan yläkuolokohdassa kevyttä polttoöljyä (noin 1 %). Tätä moottori voidaan käyttää myös tavallisena dieselmoottorina jos kaasua ei ole saatavilla. Tämä on yksi yleisimmin käytetty kaasumoottoriperiaate voimalaitosmoottoreissa. Edellä esitetty kaksipolttoainemoottorin toimintaperiaatetta on havainnollistettu kuvassa 7. Kuva 7 Kaksipolttoainemoottorin (DF) toimintaperiaate

25 Kipinäsytytteinen kaasumoottori (Spark ignited Gas engine = SG) Tämä kipinäsytytteinen kaasumoottori toimii ottoprosessilla, kuten ottomoottori. Kuvassa 8 on esitetty kipinäsytytteisen kaasumoottorin toimintaperiaate ja siitä havaitaan että laiha kaasu-ilma seos imetään sylinteriin ja rikas kaasu-ilma seos erilliseen sytytys tulpalliseen kammioon. Elektronisen ohjausjärjestelmän (WECS) avulla saavutetaan huomattavasti otto-moottoria korkeampi puristussuhde ja näin ollen suunnilleen sama hyötysuhde kuin dieselmoottorilla. (Huomioitava, että hyötysuhde on pääosin painesuhteen funktio) Kuva 8 Kipinäsytytteisen kaasumoottorin (SG) toimintaperiaate Kuvassa 9 on esitetty maakaasukäyttöisen SG-moottorin tehollinen keskipaine ilmakertoimen λ funktiona. Kuvan 9 perusteella voidaan todeta että tavallinen ottomoottori, jonka ilmakerroin λ on noin 1,0 voi käyttää korkeintaan tehollisena keski-paineena noin 9 bar ilman nakutusvaaraa (vrt. punainen alue). Vastaavasti SG-tyyppisellä laihaseos-moottorilla päästään elektronista sytytyksenohjausta hyödyntämällä noin 17 bar teholliseen keskipaineeseen.

26 26 Kuva 9 SG-moottorin tehollinen keskipaine ilmakertoimen λ funktiona 2.6 ORC-prosessin käyttöturvallisuus ja ympäristöystävällisyys Tämän kappaleen tarkoituksen on selvittää mitä teknisiä ratkaisuja ORC-prosessiin on tehty, jotta prosessin käyttöturvallisuutta ja ympäristöystävällisyyttä on saatu parannettua. Lisäksi pyritään pohtimaan voidaanko näitä asioita edelleen parantaa ja miten se onnistuisi. Lähtökohtaisesti voidaan ajatella että mitä turvallisemmaksi ORC-prosessi voidaan tehdä, myös sitä ympäristöystävällisempi se on. Käyttöturvallisuuteen liittyvät asiat voidaan jakaa karkeasti kahteen osaan eli rakenteellisiin ratkaisuihin ja prosessiaineiden sekä kytkentöjen aiheuttamiin riskeihin. Rakenteellisiin ratkaisuihin voidaan laskea seuraavat asiat: - Prosessikomponenttien kestävyys - Putkistojen lujuus - Akselitiivistykset Prosessiaineiden ja kytkentöjen aiheuttamiin riskitekijöihin voidaan laskea: - Prosessin kiertoaineen valinta - Termoöljypiiri - Suora kytkentä

27 27 ORC-prosessin rakenteellisten ratkaisujen merkitys käyttöturvallisuuteen on huomattava, sillä kaikkien prosessi komponenttien ja putkistojen tulee kestää kaikki prosessiolosuhteet, kuten paine ja lämpötila. Prosessikomponenttien on täytettävä paineastialainsäädännön vaatimukset täysimittaisesti. EU:n painelaitedirektiivi 97/23/EY toimii perustana Suomen paineastioita koskevaan lainsäädäntöön. Tämän lisäksi käytetään erilaisia standardeja, jotka määrittelevät millaisia paineastioiden tulee olla. Lisäksi tulee huomioida että kaikki prosessiin tehtävät liitokset komponenttien välille tulee olla määräysten mukaiset. Myös akselitiivistykset tulee olla suunniteltu ja rakennettu siten ettei kiertoainetta pääse vuotamaan ympäristöön, koska kiertoaineen vuotaessa ympäristöön se aiheuttaa tulipalovaaran. Kaikki turvallisuutta parantavat asiat tulee suunnitella siten, ettei ympäristöön mahdollisesti pääsevä vuoto ole suuri, vaan se saadaan rajoitettua välittömästi. Kiertoaineen vuotoa voidaan pyrkiä estämään niin sanotulla kaksoisputkirakenteella, jossa putket ovat sisäkkäin ja sisemmässä putkessa virtaa kiertoaine ja ulommassa on ilmatila, josta vuotanut kiertoaine saadaan helposti talteen. [Heinimö, Jäppinen 2005] Luonnollisesti tällainen kaksoisputkirakenne kasvattaa rakennuskustannuksia, mikä lienee pääasiallinen syy siihen, että sitä ei juuri ole käytetty. Yleensä ruostumattomasta teräksestä huolellisesti valmistetuilla putkistoilla on saavutettu riittävä kestävyys ja varmuus. Kytkentöihin ja prosessiaineisiin liittyvistä turvallisuustekijöistä prosessiaineen valinnalla on suuri merkitys turvallisuuteen, koska valitsemalla vähiten myrkyllinen ja ympäristöä kuormittava kiertoaine prosessiin varmistetaan mahdollisimman pienet vahingot vuototilanteen sattuessa. Lisäksi kiertoaineen osalta tulee huomioida kaikki kappaleessa 2.4 esitetyt kiertoaineen valintaan liittyvät asiat, koska ne vaikuttavat merkittävästi myös turvallisuuteen. Tässä työssä käsiteltävissä ORC-laitoksissa käytettävä kiertoaine eli tolueeni on herkästi syttyvä ja palava neste, joten sen käsittelyssä ja prosessisuunnittelussa tulee ottaa erityisesti huomioon palaturvallisuuteen liittyvät tekijät, koska kiertoaineen vuototilanteessa tulipalon vaara on aina olemassa. [Reunanen et. al 2000 s.8-9] Käytännössä tolueenikattiloille on kuitenkin saatu viranomaishyväksyntä suhteellisen helposti ja syttymisvaara myös vuototilanteissa on havaittu vähäiseksi, mikä johtuu siitä, ettei syttymiskelpoista ilma-tolueenihöyryseosta useinkaan pääse muodostumaan. [Buijtenen, Larjola suullinen keskustelu 2005] Myös kaikkien muiden kiertoaineiden yhteydessä tulee ottaa huomioon paloturvallisuustekijät.

28 28 Yleisesti ottaen kiertoaineen tulisi täyttää vaatimukset joiden mukaan siinä ei saisi olla otsonia tuhoavia ainesosia ja kasvihuoneilmiötä edistävä vaikutus tulisi olla vähäinen. Paras vaihtoehto kiertoaineeksi voisi olla myrkytön ja palamaton sekä lisäksi sen tulisi olla edullinen ja lämpötilakestoltaan hyvä.. Tällaisia vaatimuksia ei yleensä voida saavuttaa samanaikaisesti koska ne ovat ristiriidassa keskenään. Tästä johtuen useimmin käytetyt kiertoaineet ovat palavia ja hieman myrkyllisiä. [Larjola 2010 s.9] Kytkentänä termoöljypiiri on hyvin toimiva ratkaisu mutta se lisää riskejä prosessissa, koska komponentteja on enemmän. Tämän seurauksena myös vuotojen mahdollisuus lisääntyy ja näin ollen suora kytkentä olisi turvallisempi käyttää prosessissa. Lisäksi on hyvä ymmärtää että tällöin ORC-piirin ylin lämpötila on termoöljypiirin lämmönsiirron vaatimia lämpötilaeroja pienempi, jolloin koko ORC-prosessin hyötysuhde alenee. Tulevaisuudessa ORC-prosessin turvallisuutta ja ympäristöystävällisyyttä voitaisiin parantaa kehittämällä sellaisia kiertoaineita, jotka ovat nykyisiä vähemmän myrkyllisiä. Lisäksi voitaisiin yrittää löytää tai kehittää sellaisia aineita jotka soveltuvat ORC-prosessiin mutta ovat palamattomia. Vaikeimpana vaatimuksena on saavuttaa kiertoaineella samalla riittävän korkea lämpötilan kesto, kun se täyttää edellä mainittuja kriteereitä. Prosessi komponenttien rakenteita tulisi pyrkiä parantamaan sellaiseksi että prosessivuotoja ei pääsisi syntymään lainkaan. Tällaisia kehitettäviä prosessin osia ovat erityisesti akselitiivistykset tai kokonaan hermeettinen eli ilmatiivisprosessi. Tällainen täysin hermeettinen ORC-prosessi on käytössä muun muassa Tri-O-Gen:lla, jonka ORCprosessi perustuu suurnopeustekniikkaan, josta tarkempaa tietoa esitellään luvuissa 3 ja ORC-voimalaitoksen tyypillisiä tunnuslukuja Tarkasteltaessa erilaisia voimalaitoksia ja vertailtaessa niitä keskenään käytetään useita erilaisia tunnuslukuja, jotka kuvaavat voimalaitoksen toimintaa. Tähän lukuun on koottu joitakin tärkeimpiä tunnuslukuja, joilla ORC-voimalaitoksiakin vertaillaan. ORC-voimalaitoksen kokonaishyötysuhde määritellään yhtälön (1) mukaisesti, jossa η kok on voimalaitoksen kokonaishyötysuhde, Q th on tuotettu lämpöenergia, Q e tuotettu sähköenergia ja Q pa on käytetty polttoaine-energia. Yleisesti lauhdutusvoimalaitosten kokonaishyötysuhde jää jonkin verran alle 45 % ja vastapainelaitoksilla voidaan päästä jopa noin 90 %.

29 29 (1) Voimalaitoksen rakennussuhde määritellään yhtälön (2) mukaan tuotetun nettosähköenergian ja nettolämpöenergian suhteena, jossa σ on rakennussuhde. Mikäli kyseessä on vastapainevoimalaitos, on sen rakennussuhdetta mahdollista nostaa lisäämällä prosessiin muun muassa lauhdutusturbiini, apulauhdutin tai lisäjäähdytin. Tästä toimenpiteestä johtuen prosessin lämpöhäviöt kasvavat ja siitä johtuen voimalaitoksen kokonaishyötysuhde alenee. (2) Lämmöntuotannon kulutussuhde määritellään kattilahyötysuhteen käänteislukuna yhtälössä (3) esitetyllä tavalla, jossa q th on lämmöntuotannon kulutussuhde ja η k on kattilahyötysuhde. Vastapainelaitosten tapauksessa voidaan käyttää yhtälöä (3) riittävällä tarkkuudella. Lämmöntuotannon kulutussuhde määrittelee, paljonko laitoksessa tarvitaan polttoainetta yhden energiayksikön tuottamiseen. (3) Yhtälössä (3) esiintyvä kattilahyötysuhde määritellään yhtälössä (4) esitetyllä tavalla, jossa Q pa,th on lämmöntuotantoon käytetty polttoaine-energia. Kattilahyötysuhteella määritellään, paljonko polttoaineen sisältämästä lämmöstä saadaan muutettua lämmöksi kattilassa. (4) Vastapainevoimalaitoksille määritellään polttoaineen kokonaisenergia yhtälössä (5) esitetyllä tavalla ja lämmöntuotantoon käytetty polttoaine voidaan laskea yhtälön (6) perusteella, jossa Q pa, e on sähköntuotantoon käytetty polttoaine-energia. (5)

30 30 Sähköntuotannon kulutussuhde voidaan laskea yhtälöstä (7). Tämä sähköntuotannon kulutussuhde kertoo miten paljon polttoaineen-energiaa kuluu yhden sähköenergiayksikön tuottamiseen. (6) (7) Vastapainevoimalaitoksille yhtälössä (7) esitetty sähköntuotannon kulutussuhde voidaan määrittää laitoksen polttoaineen kulutuksen, kattilahyötysuhteen ja sähkön- sekä lämmöntuotantojen perusteella. Sähköntuotannon kulutussuhde on noin 1,2 suurilla vastapainelaitoksilla ja pienemmissä laitoksissa se on merkittävästi suurempi eli jopa noin 3, koska suurin osa bruttosähköntuotannosta menee omakäyttösähköksi. Mikäli toteutetaan maksimaalinen sähköntuotanto apujäähdyttimen avulla, on mahdollista nostaa sähköntuotannon kulutussuhde tuotetun lisäsähkön osalta 9:ään. Tämä on mahdollista yhtälön (7) perusteella, koska tehostettaessa sähköntuotantoa siihen käytetty polttoaine-energia Q pa,e pysyy samana mutta tuotetun sähköenergian määrä Q e samasta polttoaine-energiasta kasvaa. Huipunkäyttöajalle on esitetty laskenta yhtälö (8), jossa t h on huipunkäyttöaika [h/a] ja P pa kattilan maksimi polttoaineteho [W]. Huipunkäyttöajalla tarkoitetaan tietyn ajanjakson energiamäärän suhdetta saman ajanjakson maksimikuormitukseen. [Heinimö, Jäppinen 2005 s.13 16] (8) 2.8 ORC-prosessin tutkimustyö LUT:ssa ja prosessin kaupalliset toimittajat ORC-prosessin kehityshistoria on alkanut 1960-luvun alussa. Kaksi ensimmäistä ORC-laitosten valmistajaa maailmassa olivat ORMAT ja Turboden. Nämä yritykset ovat edelleen suurimmat ORC-laitosten toimittajat maailmassa. Taulukossa 2 on esitetty tietoja ORC-laitoksista, joita on toimitettu eripuolille maailmaa 1960 luvulta vuoteen 1984 asti. [Larjola 1988] [Larjola 2010] Taulukkoon on poimittu vain joitakin valmistettuja ORC-laitoksia.

31 31 Taulukko 2 Eri puolille maailmaa toimitettuja ORC-laitoksia vuosina [Larjola 1988] Maa Valmistaja Teho [kw] Kiertoaine Lämpötila Max. paine Yksiköiden Rakentamisvuosi [ C] [bar] lukumäärä USA Turkline Gas Co. 347 R Japani IHI, Tokio 190 R , USSR 750 R Japani IHI, Tokio 3800 R , Japani IHI, Tokio 475 R , USA Thermo Electro Co. 108 Fluori , Japani IHI, Tokio 500 R , USA Sundstrand 600 Tolueeni Japani IHI, Tokio 500 R , USA Thermo Electro Co. 34 Fluori , USA Sundstrand 600 Tolueeni USA Sundstrand 200 Tolueeni Italia Gemmindustria, Milano 40 Tetrakloorietyleeni 110 0, Israel Ormat turbines R , Ranska Betin & Cien 1100 Fluori Japani Mitshubisi 3280 R , Italia Turboden 100 Diklooribentseeni 173 0, Suomi LUT 100 R Lappeenrannan teknillisen yliopiston ORC-prosessin tutkimustyö ORC-prosessin tutkimustyö on Lappeenrannan teknillisessä yliopistossa aloitettu vuonna 1981 ja se on alusta asti keskittynyt suurnopeustekniikkaa hyödyntävän ORC-laitoksen tutkimukseen. Tätä samaa tutkimustyötä jatketaan edelleen, ja tämän kyseisen diplomityön aihe liittyy tehtävään tutkimustyöhön, jossa selvitetään ORC-laitosten kaupallistamismahdollisuuksia. Lappeenrannan teknillinen yliopisto tekee tutkimustyötä yhteistyössä muun muassa Cardo Production Finlandin (entinen High Speed Tech Oy), Tri-O-Gen B.V., Naaraharju Oy:n, Wärtsilä Finlandin ja Imatran Kone Oy:n kanssa. Tutkimusprojektin aikana on rakennettu 4 erilaista testilaitteistoa, joiden tehot vaihtelevat 25 kw:sta 175 kw:iin. Projektin kuluessa on tuotettu lukuisia julkaistuja raportteja, joissa on esitelty paljon käytännön tuloksia projektista. Tutkimukseen liittyen on tehty myös väitöskirja ja lisensiaatin töitä. [Lappeenrannan teknillisen yliopiston Internet sivut, 2010]

32 ORC-laitosten kaupalliset toimittajat ORC-laitosten valmistajia ja toimittajia, joilla on pitkäaikaisesti käytössä olleita referenssilaitoksia, löytyy maailmasta vain muutamia, joista seuraavassa tullaan esittelemään ORMAT, Turboden ja Tri-O-Gen B.V.. Näiden lisäksi laitos toimittajia ovat Adoratec/Maxxtec sekä GET/GMK. Laitostoimittajista on yhteenveto taulukossa 3. Taulukko 3 ORC-laitosten toimittajia Toimittaja Liikevaihto Asiakaskunta Väliaine Laitoksia [kpl] [M ] ORMAT 320 Geoterminen n-pentaani 2500 Jätelämpö Biomassavoimalat 200kWe-10 MWe Piiöljy Turboden 36 Geoterminen Piiöljy 142 Jätelämpö Biomassavoimalat 200kWe-10 MWe muita väliaineita geotermisissä laitoksissa Adoratec/ Maxtec 5-10 Biomassavoimalat 500 kwe-2 MWe Piiöljyt 20 GET/ GMK 2-3 Biomassavoimalat Jätelämpö 500 kwe-2 MWe Tri-O-Gen 1-2 Jätelämpö 160 kw GL 160 WL 220 n. 10 Tolueeni > 10 ORMAT ORMAT on selvästi kaikkein suurin ja eniten resursseja omaava ORC-laitosten kaupallinen toimittaja maailmassa. Ormat on lähtöisin Israelista, mutta nykyisin se toimii pääasiassa Amerikan Yhdysvalloissa. ORMAT:n painopiste ORC-laitoksissa on hyödyntää matalia alle 200 C:een lämpötiloja käyttämällä prosessin kiertoaineena pentaania. Vuodesta 1965 alkaen tähän päivään mennessä ORMAT on toimittanut yli 3000 ORC-laitosyksikköä eri puolille maailmaa. Näistä yksiköistä suurin osa on normaalin sähkönjakeluverkon ulkopuolella olevia itsenäisiä sähköntuotantoyksiköitä. ORMAT rakentaa ORC-laitoksia, jotka hyödyntävät geotermistä energiaa, jätelämpöä ja biomassaa. Kooltaan ORMAT:n valmistamat laitosyksiköt ovat pienimmillään 200 kw e ja suurimmillaan 10 MW e sähköteholtaan. Portugaliin ja Itävaltaan ORMAT on toimittanut geotermistä energiaa hyödyntäviä ORC-laitoksia. [Heinimö, Jäppinen 2005 s.34], [ORMAT:n

33 33 Internet sivut 2010], Kuvassa 10 on esitetty periaatekuva ORMAT:n ORC-laitoksesta, jolla tuotetaan sähköä teollisuuden jätelämmöstä tai biopolttoaineesta. [Larjola 2010 s.14] Kuva 10 ORMAT:n ORC-laitos, jolla sähköä tuotetaan jätelämmöstä tai biopolttoaineesta

34 34 Turboden Turbodenin ORC-laitosten valmistus on alkanut 1980-luvulla, alkuun pienillä aurinkokeräimiä lämmönlähteenä käyttävillä ORC-yksiköillä, joiden teho oli 3-30 kw e. Tänä päivänä Italialaisen Turboden S.r.l yrityksen tuotevalikoimaan kuuluu ORC-yksiköitä, jotka hyödyntävät niin teollisuuden hukkalämpöä, biokattiloiden lämpöä, aurinko energiaa kuin geotermistäkin energiaa. Turbodenin toimittamien ORC-yksiköiden koko luokka vaihtelee samalla tavalla 200 kw e aina 10 MW e kuin ORMAT:lla. Turboden:lla on kaikkein eniten resursseja biopolttoainetta hyödyntävissä voimalaitoksissa. ORC-laitoksissaan Turboden käyttää termoöljypiirikytkentää biokattilan ja ORCprosessin välillä. Kiertoaineeksi ORC-prosessiin Turboden on valinnut silikoniöljyn, joka toimii prosessilämpötilassa noin 280 C:ta. [Heinimö et al s.34 35] Huomion arvoista on havaita että Turbodenin käyttämä termoöljypiiri alentaa sähköntuottohyötysuhdetta verrattuna ORC-prosessin ja lämmönlähteen suoraan kytkentään. Kun termoöljypiirillä päästään noin 18 % sähköntuottohyötysuhteeseen ja vastaava luku suoralla kytkennällä on jopa lähes 22 %. Kuvassa 11 on esitetty Turbodenin ORC-laitosmoduuli. [Larjola 2010 s. 16 kuva 16] Kuva 11 Turbodenin valmistama ORC-laitosmoduuli

35 35 Tri-O-Gen B.V. Tämän hollantilaisyrityksen ensimmäinen ORC-laitos on rakennettu vuonna Tuolloin kyseessä oli niin sanottu pilot laitos, jonka toiminta perustui Lappeenrannan teknillisessä yliopistossa kehitettyyn suurnopeustekniikkaan. Kuitenkin suurnopeustekniikkaa hyödyntävien ORC-laitosten kehittäminen on alkanut jo paljon aikaisemmin, eli vuonna 1984 Lappeenrannan teknillisessä yliopistossa. Tri-O-Gen B.V. omistaa kaupalliset oikeudet Suomessa kehitettyyn suurnopeustekniikkaan perustuvaan ORC-voimalaitostekniikaan. [Heinimö et al s.35] Tämä laitos on ollut pisimpään käytössä jo vuodesta 2004 lähtien ja se on toiminnassa edelleen. Laitoksen lämmönlähteenä käytetään moottorin pakokaasuja, jotka tuotetaan käyttämällä moottorin polttoaineena kaatopaikan biokaasua. Kyseisen laitoksen alkuvaikeuksien jälkeen huoltotarve on ollut erittäin vähäinen [Larjola, Buijtenen keskustelu 2010] Tämän jälkeen Tri-O-Gen on kaupallistanut suurnopeustekniikkaan perustuvan ORC-laitoksen ja nykyään Tri-O-Gen tarjoaa ORC-laitosta, jolla voidaan tuottaa 165 kw e sähkötehoa. [ Tri-O-Gen:n tarjoamassa laitoksessa käytetään suoraa kytkentää lämmönlähteen ja ORC-prosessin välillä. Lisäksi käytetään suurnopeustekniikka sekä hermeettistä kiertoprosessia. Kuvassa 12 on esitetty periaate kiertoprosessista ja kuvassa 13 on esitetty tarjolla olevan ORCyksikön kuva. Kuva 12 Tri-O-Gen:n käyttämän kiertoprosessin periaate kuva [Larjola 2010 s. 15]

36 36 Kuva 13 Tri-O-Gen:n tarjoama ORC-yksikkö Tulevaisuudessa on tarkoitus kehittää edelleen olemassa olevaa Tri-O-Gen:n ORC-laitosta yhteistyössä Lappeenrannan teknillisen yliopiston kanssa. Tavoitteena on suunnitella ja rakentaa moni turbogeneraattorinen ORC-laitos, joka tuottaisi useita satoja kilowatteja tehoa. Muun muassa tämän diplomityön yhtenä osa-alueena on tällaisen ORC-laitoksen suunnittelua. Luvussa 3 käsitellään tarkemmin Tri-O-Gen:n ORC-laitosta ja sen toimintaa sekä ominaisuuksia.

37 ORC-prosessien sovelluskohteita Tässä kappaleessa käsitellään erityyppisten lämmönlähteiden soveltumista ORC-voimalaitosten käyttöön ja lisäksi tutustutaan mikro ORC-voimalaitosten tekniikkaan sekä toimintaan Teollisuuden jätelämmön hyödyntäminen Monet teollisuuslaitokset tuottavat omien prosessiensa sivutuotteina kuumia kaasuja, joiden sisältämää lämpöä ei tavallisesti hyödynnetä missään, vaan se päästetään ympäristöön. Kuvassa 14 on esitetty keraamisista polttouuneista tulevien kuumien savukaasujen hyödyntäminen ORCprosessilla. [Larjola 2010 s. 3 kuva 3] Kuva 14 Sähkön tuottoa ORC-prosessilla kuumien polttokaasujen avulla [Larjola 2010 s. 3 kuva 3] Sähkön tuottaminen prosessin jätelämmöstä lisää varsinaisen prosessin hyötysuhdetta ja hyvin usein tuotettu sähkö korvaa lähes kokonaan aikaisemmin ulkopuolelta ostetun tai itse prosessista otetun omakäyttösähkön Pakokaasujen ja jäähdytys veden lämmön hyödyntäminen polttomoottoreista Polttomoottorien pakokaasuissa ja jäähdytys vedessä on runsaasti lämpöä, joten ne ovat erinomainen lämmönlähde ORC-voimalaitokselle. Suurten moottorivoimalaitosten pakokaasulämpöjen hyödyntäminen on tuttua vesihöyryprosesseista, joissa saavutetaan korkea hyötysuhde suuren tehon ja usean painetason ansiosta. Kuitenkin vesihöyryprosessin tekeminen

38 38 hyvälle hyötysuhteelle on vaikeaa, kun moottorin teho on 8-12 MW. Samalla teholla ORC-prosessi voidaan rakentaa hyvähyötysuhteisena. Esimerkiksi Tri-O-Gen tuottaa 2MW moottorin pakokaasuista jo 145 kw sähkötehoa. [Larjola 2010 s. 4] Biokaasun käyttö polttomoottoreissa Sähköntuotantoon voidaan käyttää biokaasua esimerkiksi kaatopaikkojen läheisyydessä, jossa sitä syntyy jätteen hajotessa. Biokaasun käyttöä saattaa kuitenkin rajoittaa mahdolliset epäpuhtaudet, jotka tulisi kyetä poistamaan. Yleensä vain suuremmilla ORC-laitoksilla on mahdollista puhdistaa biokaasuja kohtuullisilla kustannuksilla, jonka jälkeen kaasuja voidaan käyttää moottorin polttoaineena. Silloin kun biokaasun määrä kaatopaikalla on pieni, voidaan se käyttää sellaisenaan ORC-laitoksen lämmönlähteenä. Kuvassa 15 on esitetty kaatopaikkakaasulla toimiva ORC-laitos. [Larjola 2010 s. 4] Kuva 15 Kaatopaikka kaasulla toimiva ORC-laitos [Larjola 2010 s.4 kuva 5]

39 Biomassan käyttö Biomassaa syntyy valtava määrä muun muassa metsänhoidon sivutuotteena. Tällaisia tuotteita ovat muun muassa kuori, puu lastu, olki ja hake. Yleisesti biomassan käyttö ei ole taloudellisesti kannattavaa pitkillä kuljetusetäisyyksillä. Käytettäessä biomassaa voimalaitoksen polttoaineena, tulisi biomassantuotannon olla mahdollisimman lähellä voimalaitosta ja tällaiseen soveltuu pienikokoinen helposti liikuteltava ORC-laitos erinomaisesti. Lisäksi useimmissa tapauksissa biopolttoainetta ei pystytä tuottamaan niin paljoa kuin esimerkiksi vesihöyryprosessi vaatisi (teho noin 3 MW), jolloin ORC-laitos on toimiva ratkaisu, kun polttoaineena on biomassa. Biomassaa poltettaessa käytetään yleensä termoöljypiiriä, kuten kuvasta 16 näkyy. [Larjola 2010] Kuva 16 Biopolttoainetta käyttävän ORC-laitoksen toimintaperiaate CHP kytkennällä

40 Geoterminen energia Kuvassa 17 on esitetty geotermisellä lämmöllä toimiva ORC-laitos. Vesihöyryprosessiin voidaan hyödyntää suuria lämpötiloja geotermisestä lämpöenergiasta mutta lämpötilojen ollessa alhaisempia lämpö teho on rajallinen ja tällaisessa tilanteessa ORC-laitos saattaa olla parempi vaihtoehto. [Larjola 2010] Kuva 17 Geotermistä lämpöä käyttävän ORC-laitoksen toimintaperiaate

41 MikroORC MikroORC tarkoittaa ORC-laitosta, jonka teho on alle 10 kw e. Tällainen mikroorc-laitos voidaan toteuttaa käyttämällä oikeanlaista kiertoainetta ja suurnopeustekniikkaa. Näillä asioilla voidaan toteuttaa hyvin pienitehoinen ja hyötysuhteeltaan kohtuullinen tai jopa hyvä ORC-laitos, tietynlaisiin erikoiskohteisiin. Tällaisia mikroorc-laitoksia on valmistanut muun muassa ORMAT jo luvuilla erikoiskohteisiin. MikroORC:lle on tyypillistä yksinkertaistettu kytkentä ja vaatimaton hyötysuhde, osittain tästä johtuen mikroorc-laitteistoja käytetään vain erikoiskohteissa. [Larjola 2010 s.6] [Bronicki 1988] Mikäli tällaisen mikroorc-laitoksen sarjatuotanto haluttaisiin aloittaa, tulisi hintatason alentua huomattavasti, jonka seurauksena siitä tulisi kotitalouksiin soveltuva CHP voimalaitos. Tätä asiaa tutkitaan ja siihen liittyvä projekti on käynnistymisvaiheessa. Kuvassa 18 on esitetty ORMAT:n valmistaman mikroorc-laitoksen toimintaperiaate. [Larjola 2010 s.6] Kuva 18 Mikro ORC-laitoksen toiminta periaate, valmistaja ORMAT

42 42 3 ORC-DEMOLAITOKSEN INTEGRAATIO KAASUMOOTTORIVOIMALAAN Kyseessä oleva ORC-demolaitos on tarkoitus rakentaa Ikaalisissa sijaitsevaan kaukolämpöä ja sähköä tuottavaan kaasumoottorivoimalaan. Naaraharju Oy:n on mahdollisesti tarkoitus toimia yhteistyössä Tri-O-Gen:n kanssa, hankkeen toteuttamiseksi. Tavoitteena on pystyä tuottamaan kaasumoottorivoimalan moottorin pakokaasulämmöstä lisää sähköenergiaa Tri-O-Gen:n valmistamalla ORC-yksiköllä. Muita lämmönlähteitä kuten, moottorin jäähdytyspiirin lämpöä ei ole tarkoitus yrittää hyödyntää. Lisäksi tavoitteena on tämän koelaitoksen avulla kehittää menetelmiä, joilla tulevaisuudessa voidaan nostaa moottorivoimalan tehoa %, ilman että polttoainekulutuksen kustannukset lisääntyisivät. Seuraavissa kappaleissa tarkastellaan tämän mahdollisen ORC-demolaitoksen rakennetta ja toimintaa, sekä integraatiota kaasumoottorivoimalaan, jossa tärkeänä tarkastelu kohtana ovat laitteistojen sijoittamiset nykyisiin kaasumoottorivoimalaitoksen tiloihin. Lisäksi tutustutaan Ikaalisten nykyiseen kaasumoottorivoimalaan ja sen toimintaan. Mikäli tietolähdettä ei ole erikseen mainittu tekstissä, niin tiedot on hankittu sekä Ikaalisissa tehtyjen suunnittelujen perusteella, jolloin kävin keskusteluja Leppäkosken sähkön tuotantojohtajan Kari Kuivalaisen sekä käyttöpuolen tuotantopäällikön Pekka Roivaisen kanssa ORC-yksikön sijoituksista ja kytkennöistä sekä käydyt keskustelut ja tehdyt suunnitelmat perustuvat toukokuun lopussa 2010 tehtyyn alustavaan tutustumisvierailuun Ikaalisten kaasumoottorivoimalaan. Lisäksi keskusteluja on käyty professori Jaakko Larjolan ja toimitusjohtaja Jouko Kauhasen kanssa, liittyen laitteisto kytkentöihin ja sijoitteluihin. 3.1 Nykyinen kaasumoottorivoimala Ikaalisissa sijaitsevassa kaasumoottorivoimalassa tuotetaan kaukolämpöä kaupungin tarpeisiin. Lisäksi voimalaitoksesta saadaan sähkötehoa ulos. Moottorivoimalaitoksen ylläpitäjän antamien tietojen mukaan koko voimalaitoksen sekä sähkö- että lämpöteho on 5800 kw ja kokonaishyötysuhde 89 %, josta sähkön osuus on 42 % ja lämmön osuus 47 %. Kaasumoottorivoimalan moottori on Wärtsilän valmistama kipinäsytytteinen, tyypiltään 18V34SG oleva ottomoottori, jonka polttoaineena käytetään maakaasua. Kaasumoottorivoimalaitoksen toimintaperiaate on esitetty kuvassa 19. [Leppäkosken Sähkö 2010]

43 43 Kuva 19 Ikaalisten kaasumoottorivoimalaitoksen toimintaperiaate [Leppäkosken Sähkö 2010] Kuvasta 19 havaitaan että moottorista tulevista lämpövirroista hyödynnetään nykyään kaukolämpöpuolelle voiteluöljystä, jäähdytyksestä ja pakokaasuista saatava lämpö, joilla jokaisella on oma lämmönvaihtimensa. Nykyisen laitoksen kaikki moottorista tulevat pakokaasut johdetaan ainoastaan kuvassa 19 näkyvän savukaasukattilan läpi. Savukaasut jäähtyvät savukaasukattilassa ja luovuttavat lämpönsä kaukolämpöverkkoon. Kuitenkin tulevaisuudessa osa näistä savukaasuista pyrittäisiin hyödyntämään sähköntuotannon tehostamiseen ORC-prosessin avulla. Kuvassa 19 näkyvistä komponenteista fyysisesti lämpölaitoksen alueella sijaitsee lämmön- ja voimanlähteenä toimiva Wärtsilän 18V34SG moottori, kaukolämpöverkon laitoksen puoleiset lämmönvaihtimet ja polttoaineena käytettävän maakaasun syöttöhuone sekä radiaattorikenttä, jolla hoidetaan moottorin ilmajäähdytys. Kaasumoottorivoimalan automaatiotaso on hyvin korkea ja tämä taas helpottaa laitoksen käyttöä, koska ohjaus ja säätö toimenpiteitä voidaan tehdä niin valvomosta kuin etäkäytölläkin. [Leppäkosken Sähkö 2010] Tulevaisuudessakin laitoksen automaatiotaso voitaisiin pyrkiä säilyttämään samanlaisena tai jopa hieman kehittämään sitä, jotta käyttöön otettavaa ORC-laitosta voidaan käyttää miehittämättömänä.

44 ORC-demolaitoksen esittely Tässä luvussa esitetään Ikaalisiin tulevan ORC-laitoksen periaatteellinen toiminta ja fyysiset ominaisuudet. Tarkoituksena on selvittää miten Tri-O-Gen:n valmistama suurnopeustekniikkaan perustuva ORC-laitos toimii verrattuna tavallisiin ORC-laitoksiin. Lisäksi selvitetään minkä kokoisesta ja näköisestä laitosyksiköstä on kyse. Tässä luvussa siis käsitellään demolaitosta, jolla tarkoitettaan nykyään ainoaa Tri-O-Gen:n valmistamaa ORC-yksikköä Suurnopeustekniikkaan perustuvan ORC-prosessin toiminta Ikaalisten kaasumoottorivoimalaan asennettava ORC-laitos on Tri-O-Gen:n valmistama suurnopeustekniikkaan perustuva ORC-voimalaitos, jota on kehitetty Lappeenrannan teknillisessä yliopistossa. Tämän ORC-laitoksen lämmönlähteenä tulee olemaan ainoastaan Wärtsilän moottorin 18V34SG pakokaasujen lämpö eli moottorin jäähdytys tai voitelu puolen lämpöä ei hyödynnetä lainkaan tässä yhteydessä. Suurnopeustekniikkaan perustuvan ORC-voimalaitoksen toimintaperiaate on esitetty kuvassa 20. Kuva 20 Suurnopeustekniikkaan perustuvan ORC-laitoksen toimintaperiaate[tri-o-gen 2010]

45 45 Kuten kuvasta 20 nähdään, suurnopeustekniikkaan perustuvan ORC-laitoksen toiminta on aivan vastaava kuin luvussa 2 esitettiin tavalliselle ORC-laitokselle. Ainoana erona on että suurnopeustekniikkaan perustuvassa ORC-laitoksessa turbiini, suurnopeusgeneraattori ja pääsyöttöpumppu on kytketty samalle akselille ilman vaihteistoa. Suurnopeus ORC:n turbiinin pyörimisnopeus on yleensä rpm, tämän ansioista on mahdollista rakentaa yksivaiheinen turbiini kyseiseen prosessiin, eikä tarvita monivaiheista turbiinia, hyvän hyötysuhteen aikaan saamiseksi. Suurnopeustekniikkaan perustuvassa ORC-voimalaitoksessa on lisänä erityispiirteitä, kuten hyvin kompakti laitos moduulikoko sekä täysin hermeettinen eli ilmatiivisprosessi, jossa ei ole erillisiä akselitiivistyksiä tai tiivisteiden voitelujärjestelmiä. Akselin laakereiden voitelu suoritetaan kiertoaineella, jota esisyöttöpumppu syöttää laakereille. Siis prosessissa ei ole vaihdelaatikkoa tai mitään erillistä voitelujärjestelmää, turbogeneraattorille. Laitteiston suurnopeusgeneraattori jäähdytetään kaasumaisella ja nestemäisellä kiertoaineella. [Tri-O-Gen 2010] [Backman et. al 2005] [Honkatukia J. 1996] [Sternlicht B. 1984] Kuvan 20 pisteessä 1 on kattilassa tulistunutta höyryä korkeassa paineessa, joka kulkeutuu turbiinille ja paisuu siellä. Höyrynpaisunnan seurauksena paine alenee ja teho siirtyy suurnopeusgeneraattorille, joka on yhdistetty sähköverkkoon invertterillä. Pieni osa turbiinin tuottamasta tehosta käytetään samalla akselilla olevan pääsyöttöpumpun käyttöön. Turbiinissa paisuva höyry tulistuu edelleen ja on edelleen siten käyttökelpoista lämmitykseen. Tämä lämpö hyödynnetään rekuperaattorissa (2 3) esilämmittämällä kylmää nestemäistä kiertoainetta. Rekuperaattorin jälkeen höyry lauhdutetaan lauhduttimessa (3 4) ja lopputuloksena saadaan nestemäistä kylmää kieroainetta. Tämän jälkeen kiertoaine pumpataan esi- ja pääsyöttöpumpuilla rekuperaattoriin, jossa nestemäinen aine lämpiää. Esisyöttöpumpun tehtävänä on tuottaa riittävä painetaso (noin 3 bar), jotta pääsyöttöpumppu ei kavitoi. Pääsyöttöpumppu tuottaa loput tarvittavasta paineesta eli noin 30 bar. Rekuperaattorin jälkeen kiertoaine kulkeutuu kattilaan ja höyrystyy siellä, jonka jälkeen tulistettu höyry ohjataan jälleen turbiinille ja prosessi alkaa alusta (6 7 1). [Tri-O-Gen 2010] [Backman et. al 2005] [Honkatukia J. 1996] Suurnopeustekniikkaan perustuvan ORC-prosessin tärkeimpinä etuina tavalliseen ORC-prosessiin verrattuna ovat prosessin hermeettisyys, öljyttömyys ja hyvin vähäinen huollontarve. Hyvä osoitus suurnopeustekniikkaan perustuvan ORC-prosessin täydellisestä hermeettisyydestä on syvänmeren tutkimussukellusveneeseen rakennettu 25 kw voimanlähde, jonka testaukset on suoritettu 5000 m syvyydessä onnistuneesti. [Reunanen et. al 2000 s.4]

46 Tri-O-Gen:n valmistama ORC-yksikkö Tri-O-Gen toimittaa suurnopeus ORC-laitoksia, joiden suositellun mitoitustilan tehojen ja lämpötilojen suuruudet on esitetty kuvassa 21. Kuvan 21 ORC-laitoksen sähköteho on enimmillään noin165 kw e, ja tämän sähkötehon tuottamiseen tarvitaan noin 900 kw th lämpötehoa. Tällöin savukaasujen sisääntulolämpötilan on oltava 350 C ja poistolämpötila on 180 C. Tri-O-Gen:n valmistaman ORC-laitoksen tekniset toiminta-arvot ja yksikkömoduulin dimensiot sekä massa on esitetty taulukoissa 4 ja 5. Savukaasujen poistolämpötilaa ei ammoniakin muodostumisen ja savukaasuissa olevan veden kondensoitumisen takia lasketa alle 180 C. Mikäli ammoniakkia syntyisi tai kondensoitumista pääsisi tapahtumaa, ORC-laitoksen laitteistojen materiaalit eivät kestäisi riittävän hyvin, vaan alkaisi syntyä korroosiota yms. ja tällöin laitoksen käyttöikä lyhenee huomattavasti. Taulukko 4 Tri-O-Gen:n valmistaman ORC-laitoksen tekniset toiminta-arvot [ Nettosähköteho kw e Turbiinin pyörimisnopeus rpm Sisään otettava lämpöteho kw th Jäähdytysveden teho kw th Savukaasujenlämpötila (min.) 350 C Pakokaasujen lämpötila noin 180 C Jännite 400 V Taajuus 50 Hz Taulukko 5 ORC-yksikön ja sen ohjausyksikön dimensiot ja massat [ Mitat: ORC-yksikkö Ohjaus ja taajuusmuuttajayksikkö Pituus 3,2 1,2 m Leveys 2,4 1,6 m Korkeus 4,0 2,2 m Massa kg

47 47 Kuva 21 Havainne kuva Tri-O-Gen:n valmistaman ORC-yksikön lämpötiloista ja tehoista, jotka myös esitetty taulukossa 4 [Tri-O-Gen Internet sivut 2010] Lähtökohtaisesti Tri-O-Gen ilmoittaa että savukaasujen, joista lämpö otetaan ORC-prosessiin, lämpötila olisi oltava vähintään 350 C ja tämä johtuu turbiinin mitoituksesta eli mikäli savukaasulämpötila on tätä alhaisempi, suunnittelupisteen mukaisia tuorehöyryarvoja ei saavuteta ja laitoksen teho alenee. Kuvassa 21 on havainnollistettu miten savukaasujen ja jäähdytyspiirin lämpötilat tulee valita, jotta saavutetaan haluttu maksimaalinen sähköteho. Kuvan 21 arvot pitävät keskenään paikkansa eli mikäli lämpötilat muuttuvat niin muuttuvat myös tarvittavat ja saatavat sähkö- sekä lämpötehot. Tämä tarkoittaa sitä, että ORC-prosessi toimii hyvin jonkin verran alle 350 C:n lämpötilassa, ja mitä kuumempia savukaasut ovat, niin sitä suurempi on ORC-prosessilla saatava sähköteho. Kuvassa 22 on esitetty Tri-O-Gen:n valmistama ORC-yksikkö.

48 48 Kuva 22 Tri-O-Gen:n valmistama ORC-yksikkö, takana tilaa savukaasulämmönvaihtimelle [ 3.3 ORC-laitoksen integrointi kaasumoottorivoimalaan Tässä kappaleessa perehdytään Ikaalisten lämpölaitoksen ja Tri-O-Gen:n ORC-yksikön yhteen sovittamiseen. Tarkoituksena on esittää pohdintoja tärkeimmistä asennuksiin, sijoitteluihin ja laitoksen toimintaan liittyvistä asioista. Lopullisena tarkoituksena on tuoda esille perusteet sekä lähtökohdat laitosintegroinnille. Lisäksi esitetään toteuttamiskelpoinen laitosintegraatio suunnitelma, joka on tarkoitus toteuttaa käytännössä Ikaalisten lämpölaitokselle Laitosintegroinnin tarkoitus ja lähtökohdat Tärkeimpänä tavoitteena laitosintegroinnissa on saada aikaan toimiva, järkevästi sijoiteltu ja vanhan laitososan toiminnot huomioiva järjestely uuden ORC-yksikön ja vanhan lämpölaitoksen välille. Tämän oikeanlaisen kytkentäjärjestelyn ansiosta on tarkoitus ensin hyödyntää noin kolmannes Wärtsilän moottorin 18V34SG pakokaasujen lämmöstä ja tulevaisuudessa pyrkiä mahdollisesti lisäämään ORC-yksiköiden määrää kolmeen, jotta kaikki moottorin pakokaasujen lämpö voidaan hyödyntää sähkön tuotantoon. Lähtökohtana laitosintegroinnille on olemassa olevan lämpölaitoksen laitteistojen sijainnit sekä laitoksen nykyinen toiminta. Tämän perusteella tullaan määrittelemään ORC-yksikön sijainti ja tarvittavat laitteistojen kytkennät. Siis toisin sanoen lähtökohtana voidaan pitää kahden valmiin ja erillisen laitoksen yhdistämistä siten, että lämpölaitoksen tuottamien pakokaasujen lämmöllä voidaan tuottaa ORC-yksiköllä lisää sähköä ja näin parantaa koko laitoksen hyötysuhdetta. Muita

49 49 laitoksen nykyiseen toimintaan liittyviä asioita on kerrottu aikaisemmin luvussa 3.1, jossa on esitelty nykyisen kaasumoottorivoimalan toimintaa ja rakennetta Suunniteltava laitosintegraatio Lämpölaitos ja ORC-yksikkö tullaan yhdistämään kahdella eri kytkennällä, joilla huomioidaan sähkön tuotantoon tarvittavat kiertoaineen höyrystäminen ja lauhdutus. Lisäksi ORC-yksikön ohjaus kytketään lämpölaitoksen ohjaukseen siten, että ORC-yksikön savukaasulämmönvaihtimelle menevää savukaasujen määrää kyetään säätämään tarpeen mukaan. Käytännössä ORC-yksikölle tullaan ohjaamaan säätöpeltien avulla noin 1/3 koko moottorin pakokaasujen massavirrasta. Loput pakokaasujen massavirrasta 2/3 ohjataan suoraan lämpölaitoksella olevaan savukaasukattilaan tai mahdolliseen uuteen savukaasukattilaan, mikäli sellaisen katsotaan olevan tarpeellinen.. Ikaalisten lämpölaitoksen ja ORC-yksikön periaatteellinen kytkentä on esitetty kuvassa 23. Kuva 23 Tri-O-Gen:n ORC-yksikön kytkentä Ikaalisten kaasumoottorivoimalaan Kuvassa 23 esitettyjen kytkentöjen suunnittelu voidaan jakaa seuraaviin kolmeen (3) osaan:

50 50 - ORC-yksikön savukaasupuoli o Moottorista tulevien savukaasujen vieminen ORC-yksikön höyrystimelle ja poistaminen lämpölaitoksesta - ORC-yksikön lauhdutuspuoli o Lauhdutusveden ottaminen kaukolämpöverkosta ORC-yksikön lauhduttimelle ja palauttaminen takaisin kaukolämpöverkkoon - ORC-yksikön kytkeminen lämpölaitoksen ohjausjärjestelmään o ORC- ja lämpölaitoksen automaatiojärjestelmien yhdistäminen ORC-yksikön savukaasupuoli Suunniteltaessa savukaasujen putkitusta moottorilta ORC-yksikölle tärkeimpänä huomioitavana asiana on se että savukaasut halutaan mahdollisimman kuumina ORC-yksikön lämmönvaihtimelle. Tämä tarkoittaa sitä, että ORC-yksikön tarvitsema noin 1/3 moottorin savukaasujen massavirrasta ohjataan ORC-yksikölle ennen lämpölaitoksen savukaasukattilaa, jolloin savukaasut ovat kuumimmillaan noin 380 C (jopa 400 C), kuten kuvasta 23 nähdään. ORC-yksikön höyrystimen jälkeen 180 C lämpötilaiset savukaasut ohjataan takaisin putkilinjaan, jonka kautta ne kulkevat lämpölaitoksen savukaasukattilaan tai tämän rinnalle kytkettyyn erilliseen lämmönsiirtimeen. Savukaasukattilan jälkeen savukaasut poistuvat laitoksesta yhden savupiipun kautta eli ORCyksiköstä poistuville savukaasuille ei rakenneta erillistä savupiippua. ORC-yksikön savukaasulämmönvaihdin eli kuvassa 23 höyrystin, sijoitetaan lämpölaitoksella mahdollisimman lähelle paikkaa, jossa moottorista tulevat savukaasut ovat. Tässä rajoittavana tekijänä on lämmönvaihtimen fyysinen koko, jonka perusteella päätetään voidaanko ko. lämmönvaihdin sijoittaa rakennuksen sisälle lähelle savukaasukattilaa. Mikäli ORC-yksikön lämmönvaihdin on liian suuri kooltaan sijoitettavaksi savukaasukattilan viereen, se sijoitetaan samaan tasoon mutta rakennuksen ulkopuolelle, omille tukirakenteilleen. Lisäksi on tiedossa että savukaasut ovat likaisia, mikä aiheuttaa tarpeen käyttää lämmönvaihtimessa sileää lämmönsiirtoputkipintaa, mikä onkin vakio ratkaisu Tri-O-Gen:n savukaasukattiloissa. Tämän tarkoituksena on estää sekä vähentää mahdollisimman tehokkaasti lämmönvaihtimen likaantumista ja lisäksi helpottaa lämmönvaihtimen puhdistusta. ORC-yksiköön meneviin savukaasukanaviin tullaan asentamaan säätöpellit, jotka täyttävät paloturvallisuus vaatimukset. Moottorista lämpölaitoksen savukaasukattilalle kulkevassa savukaasukanavassa on jo valmiiksi asennettuna säätö-/ sulkupelti, jota on käytetty aikaisemmin johdettaessa savukaasut lämpölaitoksen savukaasukattilan ohituslinjaan. Tätä säätö-/sulkupeltiä on tarkoitus jatkossakin käyttää moottorista tulevien savukaasujen ohjaukseen, siten että se toimii yhdessä säätö/sulkupellin kanssa, joka tullaan asentamaan ORC-yksikön lämmönvaihtimelle

51 51 johtavaan savukaasukanavaan. Lisäksi tulee huomioida savukaasukanavien eristys niin lämpöhäviöiden vähentämiseksi kuin työturvallisuuden parantamiseksi. Työturvallisuuden tärkeys korostuu lämpölaitoksen kaltaisissa ahtaissa ja kuumissa tiloissa, joissa putkistoissa kulkee hyvin kuumia savukaasuja ja polttoaineena käytetään maakaasua. Eristeenä tullaan käyttämään mm paksua villaeristystä. Lisäksi erityisesti tulee huomioida turvallisuusohje, jonka mukaan vaakatasoisen pakokaasulinjan tulee olla jatkuvasti hieman nouseva siten, että linjaan ei pääse muodostumaan taskuja, joihin häiriötilanteissa vapautunut metaani pääsisi nousemaan. Siis paikkoihin, joissa tuuletus ei ole riittävää. [Laasanen, keskustelu 2010] ORC-yksikön lauhdutuspuoli Tolueenin lauhdutus ORC-yksikössä suunnitellaan siten, että lauhdutus tapahtuu vedellä ja lauhdutusvesi otetaan kaukolämpöverkon paluulinjasta, jossa vesi on noin 50 C:sta. Lauhdutin sijaitsee ORC-yksikön moduulin sisällä, jonne vedetään putkilinjat suoraan kaukolämpölinjasta. Lauhduttimessa on putkiyhteet valmiina liitäntöjä varten. Lauhduttimesta poistuva vesi palautetaan takaisin kaukolämpölinjaan siten, ettei se lämmitä lauhduttimeen otettavaan vettä (katso kuva 23). Lauhdutusvedenkierto ORC-yksikölle saadaan aikaan erillisellä kiertopumpulla, mikä yleensä kuuluu ORC-yksikön vakiovarusteisiin. Lauhdutusjärjestelmään tulee asentaa lisäksi säätö- ja/tai sulkuventtiilit molempiin lauhduttimeen tuleviin putkiyhteisiin. Lauhdutusta varten tehtävien putkilinjojen mitoituksessa ja asennuksessa pyritään vetämään putkilinjat mahdollisimman suoraan ORC-yksikön ja kaukolämpölinjan väliin, kuitenkin huomioiden järkevä mitoitus mahdollisia laajennuksia ajatellen. Näiden edellä mainittujen tekijöiden tarkoituksena on tehdä mahdollisimman turvallinen ja hyvin toimiva yhteen kytkentä ja prosessi. Lisäksi talviolosuhteita ja kokeita varten ORC:n lauhdevesipiiri voidaan varustaa kylmävesijäähdyttimellä. Tätä tarvitaan, koska talviaikaan palaava kaukolämpövesi on noin C:sta. Kylmävesijäähdytin sijoitettaisiin ennen ORClauhdutinta, jolloin voitaisiin talvellakin käyttää ORC-voimalaa ilman tehoreduktiota.

52 52 ORC-yksikön kytkeminen lämpölaitoksen ohjausjärjestelmään Lämpölaitos ja ORC-yksikkö tullaan kytkemään toisiinsa savukaasulämmönvaihtimella, jossa toisella puolella virtaa tolueeni ja toisella savukaasut. Lisäksi ORC-yksikön lauhdutin liitää lämpölaitoksen ja ORC-yksikön yhteen. Lauhduttimessa on toisella puolella tolueenia ja toisella kaukolämpövettä. Tässä yhteydessä on hyvä huomioida että kaukolämpövedenpaine on aina korkeampi kuin tolueenin paine lauhduttimessa. ORC-yksikössä on oma ohjausjärjestelmänsä ja se integroidaan lämpölaitoksen järjestelmään siten että ORC-yksikkö tuottaa sähköä niin paljon kuin pakokaasujen lämmöstä on mahdollista saada irti. Pakokaasuista saatavaa lämpömäärää tullaan säätämään savukaasujen massavirtaa muuttamalla ja tämä tapahtuu säätö-/ sulkupellin avulla. Savukaasukattilalle ja lämmönvaihtimelle menevien kanavien säätö-/ sulkupellit tulee kytkeä toisiinsa siten että kun toinen aukeaa niin toinen sulkeutuu ja päinvastoin. Edellä esitetyn säädön lisäksi on säädettävä myös lauhduttimeen menevää kaukolämpöveden massavirtaa, sen mukaan miten paljon tolueenia on tarpeen lauhduttaa tai toisaalta miten paljon kaukolämpöveden lämpötilan halutaan nousevan ORC-yksikön lauhduttimessa. ORC-yksikön sijoittaminen lämpölaitoksen alueelle ja kytkentöjen reititykset Suunniteltaessa ORC-yksikön sijoittamista lämpölaitoksen alueelle tulee huomioida niin käyttöön kuin huoltoonkin liittyvät asiat. Kuvassa 24 on esitetty ORC-yksikön mittatiedot ja niiden lisäksi tulee mukaan huomioida työskentelytilaa 0,8 m yksikön eteen. ORC-yksikön sijoituspaikan viereen tulee varata tilaa ohjausyksikölle ja myös sen eteen tulee jättää työskentelytilaa vähintään 0,8 m. ORC-yksikölle on olemassa useita mahdollisia sijoituspaikkoja kyseisessä kohteessa. ORC-yksikön parhaaksi sijoituspaikaksi kaikkien vaihtoehtojen jälkeen valittiin kuvassa 25 esittävä sijoituspaikka, moottorivoimalaitoksen katolla. Kuvassa 25 näkyy miten ORC-yksiköt sekä sähkökaapit sijoittuvat katolle niin toisiinsa kuin rakennukseenkin nähden. Kuvan 25 mallissa on huomioitu tilavaraus yhteensä kolmelle mahdolliselle ORC-yksikölle. Kun ORC-yksikkö sijoitetaan ulos, joudutaan rakentamaan työskentelytasot sekä suojarakennukset sähkölaitteistoille. Tällä pyritään varmistamaan, etteivät sääolosuhteet vaikuta ORC-yksikön toimintaan tai kestävyyteen. Myös ORC-yksikköön tulevat ja lähtevät putkilinjat, venttiilit ja muut toimilaitteet tulee suojata niin että korroosion tai muun kulumisen vaikutus ulkopuolelta on mahdollisimman vähäistä.

53 53 Kuva 24 ORC-yksikön ja sen ohjausyksikön mittatiedot Kuva 25 3D malli: ORC-yksikön sijainti Ikaalisten moottorivoimalaitoksen katolla. Kuvassa on esitetty nyt suunniteltu laitos ja kaksi mahdollisesti myöhemmin asennettavaa laitosta

54 54 Kuvassa 25 ORC-yksikkö on merkitty keltaisella värillä ja sähkökaapit sinisellä värillä. Vihreällä sävyllä on erotettu sähkökaappien ympärille tuleva sähkötila. Kaikki komponentit ovat mittasuhteiltaan vertailukelpoisia keskenään. Kuvassa 25 näkyvät kaarevan katon alapuoliset osat ovat olemassa olevia rakenteita ja sen yläpuolella olevia rakenteita on suunniteltu. Tarkoituksena olisi jatkaa rakennuksen tukipalkkeja suoraan ylöspäin ja rakentaa niiden päälle riittävän tukeva taso ORC-yksikölle ja sen kaikille komponenteille. Tässä luvussa aikaisemmin esitettyjen kytkentälinjojen vaatimuksien perusteella on hahmoteltu kuvaan 26, sitä miten eri linjat kulkisivat moottorivoimalaitosrakennuksen sisältä ORC-yksikölle. Kyseisessä kuvassa on esitetty sekä savukaasukanavat että lauhdelinjat, sähkö kytkentöjä ei ole havainnollistettu. Kuitenkin sähkökytkennät tulevat olemaan ORC-yksikön, sähkökaapin ja voimalaitoksen ohjaamon sekä ORC-yksikön toimintaan vaikuttavien toimilaitteiden välillä. Kuvassa 26 on esitetty vain menoputkilinjat ORC-yksikölle mutta paluulinjat tulisi sijoittaa menolinjojen viereen, asennustyön ja putkien reititysten yksinkertaistamiseksi. Kuvassa 26 savukaasukanavat on merkitty punaisella ja lauhdelinjat sinisellä värillä, muut putkilinjat ovat jo olemassa olevia rakenteita. Kuvien 25 ja 26 esitykset ovat karkeita hahmotelmia ja niissä on tehty erityisesti putkilinjojen osalta paljon yksinkertaistuksia. Tavoitteena kuvilla on havainnollistaa sitä millainen komponenttien välinen konstruktio olisi mahdollista toteuttaa. Kuva 26 3D malli: ORC-yksiköiden sijoitus paikka pääkytkentälinjoineen(vrt. kuvaan 25)

55 Tulevaisuus Ikaalisten kaasumoottorivoimalassa Ikaalisten kaasumoottorivoimalan moottorina oleva Wärtsilän 18V34SG moottorin pakokaasujen lämpöteho mahdollistaa kolmen (3) ORC-yksikön käytön samanaikaisesti. Tulevaisuudessa siis olisi mahdollista ottaa käyttöön yhden sijaan vielä kaksi ORC-yksikköä lisää sähkön tuotannon parantamiseksi ja hyötysuhteen nostamiseksi (ks. kuva 26). Tällaisessa tapauksessa että pakokaasujen hyödyntäminen tapahtuisi täysimittaisesti kolmella ORCyksiköllä, vaaditaan laitteistojen sijoittelulta ja kytkennöiltä erityistarkasteluja. Tärkeimpänä huomioitavana asiana on ORC-yksiköiden sijoitus paikka ja tilavaraukset, jotka tulevat olla 3 kertaa suurempia kuin luvussa 3.3 esitetyn yhden yksikön vastaavat tilat. Alustavien pohdintojen ja tarkastelujen perusteella kolmen ORC-yksikön yhdistelmä saattaisi olla parasta sijoittaa voimalaitoksen rakennuksen katolle, kuten kuvissa 25 ja 26 on esitetty. Tällöin uusille ORCyksiköille tarvittavat putkilinjat ja muut kytkennät olisi helppo toteuttaa. Toisena vaihtoehtona olisi myydä vanha ORC-yksikkö pois ja ottaa tilalle mahdollisesti suunniteltu ja rakennettu kolmen (3) turbiinin ORC-yksikkö, jonka sähkö teho olisi 3 X 160 kw = 480 kw. Mikäli käyttöön otettaisiin tulevaisuudessa kolme erillistä ORC-yksikköä, ne kytkettäisiin rinnan ja sen ansiosta niitä voitaisiin käyttää kaikkia yhdessä tai vain osaa erikseen. Tämä tekee säätötoimenpiteistä helpompia varsinkin kun Wärtsilän kaasumoottoria 18V34SG ajetaan osakuormilla, koska kolmen ORC-yksikön kokonaiskapasiteetti vastaa moottorin maksimitehoa. Edellä esitetty ORC-yksiköiden sijoittaminen ja niiden kytkennät on vaihtoehto, joka voitaisiin tietyin tarkennuksin toteuttaa Ikaalisten voimalaitokselle. Myös edellä esitetyt kaavailut mahdollisesta ORC-yksiköiden lukumäärän lisäämisestä ja sitä kautta sähkötehon nostamisesta, kauempana tulevaisuudessa olisivat tietyin tarkennuksin mahdollisia. Suunnittelujen aikana kävi kuitenkin ilmi että Suomen valtioneuvosto teki periaatepäätöksen huomattavasta veronkorotuksesta maakaasulle, jonka toteutuessa Ikaalisten moottorivoimalaitos tulee olemaan peruslämpökuormaajoon kannattamaton. Siis tulevaisuudessa Ikaalisten voimalaitosta tultaisiin käyttämään vain huippukuormien aikana noin 100 h/a. Tästä johtuen, ORC-yksikköä hankkimassa ollut Leppäkosken Sähkö päätyi ratkaisuun, ettei se halua viedä hanketta eteenpäin. Kaikkia tehtyjä suunnitelmia ja kerättyjä tietoja tullaan jatkossa kuitenkin hyödyntämään kaikin mahdollisin tavoin tulevissa ORC kohteissa.

56 56 4 MONEN TURBOGENERAATTORIN ORC-VOIMALAITOKSEN SUUNNITTELU Tässä luvussa perehdytään suurnopeustekniikkaan perustuvaan moniturbogeneraattorisen ORCvoimalaitoksen toimintaan, rakenteeseen, ohjaukseen ja säätöön. Lisäksi esitetään tehdyn prosessilaskennan tulokset sekä taustatiedot prosessilaskentaan. Näiden asioiden lisäksi esitetään kustannusvertailua yksi ja moniturbiinisen ORC-laitoksen välillä ja sen perusteella pyritään selvittämään miten kannattavaa on rakentaa moniturbiininen ORC-voimalaitos. Tarkoituksena ja tavoitteena on selvittää miten moni turbiininen ORC-laitos olisi mahdollista toteuttaa käytännössä ja millaisia vaihtoehtoja ORC-laitoksen toteutukseen voisi olla olemassa. Koko tämän luvun ajan puhuttaessa moniturbogeneraattorisesta ORC-laitoksesta tai -yksiköstä, tarkoitetaan 5- turbogeneraattorista ORC-laitosta tai -yksikköä. Tämän luvun 4 tietoja on saatu laskelmien aikana käydyistä keskusteluista. Keskusteluissa on ollut mukana professori Jaakko Larjola, TkL Juha Honkatukia ja DI Antti Uusitalo. 4.1 Moniturbogeneraattorisen ORC-laitoksen esittely Monisylinterisellä ORC-laitoksella tarkoitetaan ORC-laitosta, jossa on useita rinnan kytkettyjä turbogeneraattoreita samassa laitoksessa. Moniturbogeneraattorisen ORC-voimalaitoksen toimintaperiaate on sama kuin luvuissa 2 ja 3 on selostettu yksi turbogeneraattoriselle ORClaitokselle. On huomioitava että suunniteltava moni turbogeneraattorisen ORC-voimalaitoksen toiminta perustuu suurnopeustekniikkaan. Merkittävin ero yksiturbogeneraattorisen ORC-laitokseen on se että nimensä mukaisesti turbogeneraattoreita on enemmän kuin yksi ja siten tehoa tuotetaan enemmän, eli kyetään hyödyntämään suurempia hukkalämpöjä teollisuusprosesseista ja muista lämmönlähteistä kuin yksiturbogeneraattorisella laitoksella. Toinen merkittävä ero on merkittävästi alempi ominaishinta, mikä johtuu muun muassa yhteisistä lämmönsiirtimistä, moduulikehikosta ja putkistosta. Tähän perehdytään tarkemmin kappaleessa 4.4. Moniturbogeneraattorisia suurnopeustekniikkaan perustuvia ORC-voimalaitoksia ei ole vielä rakennettu, mutta Lappeenrannan teknillisen yliopiston toimesta tällaista laitosta on mallinnettu, laskettu ja simuloitu sekä siitä on tehty kustannuslaskelmia. Avainkysymyksinä moniturbogeneraattorisissa ORC-laitoksissa ovat virtausten jakaminen turbogeneraattoreille, säätö- ja ohjausjärjestelmän toteutus sekä rakentamista varten laitteistojen modulointi. Tärkeänä asiana on myös tarkastella ORC-laitoksen kytkentää sähköverkkoon invertterien avulla.

57 57 Monen turbiinin ORC-voimalaitos soveltuu erityisen hyvin käytettäväksi suurten voimalaitosmoottorien hukkalämmön hyödyntämisessä ja koko tässä luvussa käsitellään Wärtsilän 20V34SG kaasumoottorin pakokaasujen hyödyntämistä ORC-prosessissa. Suurien voimalaitosmoottorien hyödyntäminen moniturbiinisella voimalaitoksella onnistuu hyvin, koska yhden turbiinin tuottama sähkömäärä 165 kw e tarvitsee noin 900 kw th ja voimalaitosmoottorien lämpötehot ovat yleensä megawattien luokkaa. Tämä tarkoittaa sitä että yksiturbogeneraattorisella ORC-laitoksella ei saada hyödynnettyä kuin murto-osa suuren voimalaitosmoottorin pakokaasujen lämpöhäviöistä ja tästä johtuen moniturbogeneraattoriset laitokset olisivat käyttökelpoisempia tällaisissa kohteissa. Moniturbogeneraattorinen laitos soveltuu hyvin monenlaisiin kohteisiin, sillä sitä voidaan ajaa lähes nimellisellä hyötysuhteella myös osakuormilla. Lämpöteho määrää käytössä olevien turbogeneraattorien lukumäärän. Osakuorma ajoa voitaisiin hyödyntää esimerkiksi sellaisilla tuotantolaitoksilla, missä on hyvin vaihteleva lämmön saanti ORC-prosessiin. 4.2 ORC-laitoksen toiminta, ohjaus ja säätö Seuraavassa perehdytään moni turbogeneraattorisen ORC-voimalaitoksen prosessin toimintaan, rakenteisiin sekä niiden mahdollisiin eri vaihtoehtoihin. Lisäksi esitetään mahdollisia ORCprosessin säätö- ja ohjaustapoja. Moni turbogeneraattorinen ORC-laitos voidaan toteuttaa pitämällä kiertoaineen virtaukset kattilassa, rekuperaattorissa ja lauhduttimessa yhdessä tai erikseen. Tämän perusteella määrätään miten turbogeneraattorien ohjaus, säätö ja yksittäiset komponentit sekä rakenteet toteutetaan. Seuraavaksi käydään läpi ORC-laitoksen rakenteen toteutus, virtausten suunnittelu ja ohjauksen sekä säädön toteutus. ORC-laitoksen fyysiset rakenteet ORC-laitos koostuu eri laitteisto komponenteista, jotka ovat seuraavat: - Turbogeneraattorit (sisältää: turbiinin, generaattorin, pääsyöttöpumpun) - Rekuperaattori - Lauhdutin - Esisyöttöpumppu - Ohjaus ja taajuusmuuttajayksikkö eli sähkökaapit, joka turbogeneraattorille omansa Edellä mainitut rakenneosat/ laitteistot kuuluvat ORC-yksikön sisälle ja niiden lisäksi ORC-yksikön ulkopuolelle asennetaan aina savukaasulämmönvaihdin, jolla ORC-yksikköön tuodaan käytettävissä oleva ja sähköntuotantoon tarvittava lämpöteho. Savukaasulämmönvaihtimessa toisessa

58 58 virtauspiirissä kiertää prosessiaine eli tolueeni. Kuvassa 27 on esitetty moni turbogeneraattorisen ORC-yksikön rakenteet, laitteistosijoitteluita ja dimensioita. Huomattavaa kuvassa 27 on, että ORCyksikön takana oleva tilavaraus on tehty savukaasulämmönvaihdinta varten. Tavallisesti savukaasulämmönvaihdin asennetaan kuvassa 27 näkyvälle, sille varatulle paikalle mutta se voidaan asentaa mihin tahansa muuallekin ORC-yksikön läheisyyteen ja yhdistää ne putkituksilla toisiinsa. Joka tapauksessa tulee varmistua siitä että savukaasulämmönvaihtimen toisessa piirissä kulkeva tolueeni ei pääse vuotamaan ulos putkistoista vaikka itse savukaasulämmönvaihdin olisikin kauempana ORC-yksiköstä eli rakenteisiin tulee valita ja asentaa huolellisesti tiivistykset ja eristykset. Kuva 27 Moni turbogeneraattorisen ORC-yksikön laitteistosijoittelua ja dimensioita Kuvasta 27 havaitaan että moniturbogeneraattorisesta ORC-yksiköstä saadaan hyvin kompaktin kokoinen, kun turbogeneraattorit, rekuperaattori ja lauhdutin asennetaan päällekkäin ja esisyöttöpumppu moduulin pohjalle. ORC-yksikössä kaikille turbogeneraattoreille on vain yksi yhteinen lauhdutin ja rekuperaattori, joissa jokaista turbogeneraattoria varten on oma putkiyhteensä turbiinista tulevaa höyryä varten. Esisyöttöpumpulle virtaukset tulevat ja lähtevät yhtenäisenä sekä jakautuvat turbogeneraattoreiden syöttöpumpuille.

59 59 Kiertoaineen virtauksen ohjaus ORC-yksikössä Suunniteltavassa ORC-laitoksessa käytetään kiertoaineena tolueenia ja sen prosessikierron toteutuksessa on kaksi eri vaihtoehtoa, joissa on sekä hyviä että huonoja puolia ja seuraavassa pyritään selvittämään molempien vaihtoehtojen periaatteet ja esittämään perusteita miksi toinen niistä olisi parempi vaihtoehto. Kuvissa 28 ja 29 esitettyjen ORC-prosessin toimintaperiaatteiden vaiheet ovat seuraavat: 1 2: Lauhtunut kiertoaine pumpataan esisyöttöpumpulla (näkyy kuvassa) pääsyöttöpumpuille (5 rinnakkain, integroitu turbogeneraattoreihin), ja sieltä rekuperaattoriin 2 3: Kiertoaine esilämmitetään rekuperaattorissa 3 4: Kiertoaine höyrystyy kattilassa 4 5: Kiertoaine paisuu turbiinissa 5 1: Kiertoaine lauhtuu nesteeksi lauhduttimessa

60 60 Sekoitettu kiertoaineenvirtaus ja ORC-prosessin ohjaus sekä säätö Puhuttaessa sekoitetusta kiertoaineen virtauksesta tarkoitetaan sitä että tolueeni (kiertoaine) kulkee yhdessä putkilinjassa kaikkialla muualla paitsi turbogeneraattoreissa sekä niistä poistuessaan rekuperaattorin ja lauhduttimen läpi. Kuvassa 28 on esitetty sekoitettujen virtausten toiminta periaate. Kuva 28 Sekoitettujen virtausten periaate ORC-prosessissa Kuvasta 28 havaitaan että sekoitettujen virtausten ideana on sekoittaa turbogeneraattorien turbiineilta tulevat virtaukset keskenään siten, että ne kulkevat pääsyöttöpumpulta takaisin turbiineille yhtenä virtauksena lauhduttimen, rekuperaattorin ja kattilan läpi. Eri turbogeneraattoreiden virtaukset kulkevat sekoitettuna koko prosessin ajan lukuun ottamatta itse turbogeneraattoreita, joissa virtaukset jakautuvat tasan jokaiselle turbogeneraattorille. Tällöin rekuperaattori voisi olla levylämmönsiirrin tyyppinen ja kattilaan rakennettaisiin vain yksi putkisto. Osakuormien ajaminen on edullisempaa verrattuna erillisten virtausten tapaukseen. Kuitenkin säätöjärjestelmältä vaaditaan lisä-älykkyyttä, kun laitosta käynnistetään. Osakuormien säätö ja ohjaus tapahtuisi turbogeneraattorikohtaisesti venttiilien ja prosessin ohjausyksikön avulla. Prosessissa tulee olla mukana esisyöttöpumppu, joka tuottaa riittävää painetta (noin 3 bar) pääsyöttöpumppujen kavitoinnin estämiseksi. Esisyöttöpumppu syöttää myös kiertoainetta

61 61 kiertoainevoideltuihin liukulaakereihin. Pääsyöttöpumput tuottavat loput tarvittavasta paineesta eli noin 30 bar. Tämä virtausten reititystapa vastaa nykyisiä Tri-O-Gen:n ORC-yksiköitä joita olisi kytketty useita rinnakkain. Erotettu kiertoaineenvirtaus ja ORC-prosessin ohjaus sekä säätö Erotetusta kiertoaineen virtauksesta puhuttaessa tarkoitetaan kiertoaineen virtausta ORC-prosessissa siten, että jokaisella turbogeneraattorilla on oma virtauslinjansa läpi koko prosessin, lukuun ottamatta esisyöttöpumpulta turbogeneraattorin pääsyöttöpumpulle menevää virtauslinjaa, jossa kaikki virtaukset kulkevat samaa linjaa pitkin. Erotettujen virtausten periaate on esitetty kuvassa 29. Kuva 29 Erotettujen virtausten periaate ORC-prosessissa Kuvasta 29 havaitaan, että erotettujen virtausten ideana on pitää pääsyöttöpumpuilta tulevat virtaukset täysin erillisinä kun ne kulkevat rekuperaattorin, kattilan ja turbogeneraattorien turbiinien läpi takaisin rekuperaattorin kaasupuolelle. Rekuperaattorin höyrypuolelta virtaukset kulkevat sekoittuneena lauhduttimen ja esisyöttöpumpun kautta pääsyöttöpumpuille, jossa ne erottuvat jälleen eri turbogeneraattoreille. Esisyöttöpumpun tarkoituksena on tuottaa pääsyöttöpumppujen kavitoinnin estävä paine (noin 3 bar) ja pääsyöttöpumput tuottavat loput tarvittavasta paineesta noin

62 62 30 bar. Esisyöttöpumppu syöttää myös kiertoainetta kiertoainevoideltuihin liukulaakereihin. Erilliset virtaukset muodostavat rinnakkaiset prosessit, jotka toimivat jokainen samalla tavalla. Tämän ansiosta turbogeneraattorien käynnistys ja säätö voidaan toteuttaa samalla tavalla kuin nykyisissä yksiturbiinisissa Tri-O-Gen:n valmistamissa laitoksissa. Virtausten eriyttäminen tarkoittaa käytännössä sitä että rekuperaattori tulee olemaan putkilämmönsiirrin. Toisena vaihtoehtona rekuperaattori voisi olla levylämmönsiirrin, jossa jokaiselle turbogeneraattorille on omalevypakkansa yhteisessä rungossa. Kattilan putkipatterissa putkien määrä on sama kuin sekoitettujen virtausten tapauksessa, mutta ne on jaettu tasan kunkin turbogeneraattorin virtaukselle. 4.3 Moni turbogeneraattorisen ORC-laitoksen prosessilaskenta Tässä kappaleessa perehdytään moniturbogeneraattorisen ORC-laitoksen prosessilaskentaan, sen lähtökohtiin ja oletuksiin, käytettävään laskentamenetelmään sekä prosessilaskennalla saataviin tuloksiin. Tarkastelukohteina tulevat olemaan lämmönlähteenä toimiva Wärtsilän 20V34SG kaasumoottori ja laskettavan ORC-yksikön prosessi Käytetyt laskentamenetelmät Tässä työssä käytetään Excel-pohjaista laskentaohjelmaa joka on kehitetty Lappeenrannan teknillisessä yliopistossa. Laskentaohjelman toiminta perustuu laskentafunktioihin ja aineominaisuuskirjastoon, josta ohjelma hakee tarvittavat tiedot laskentayhtälöihin. Aineominaisuuskirjastona käytetään FluidProp kirjastoa, joka käyttää RefProp aineominaisuuskirjastoa. Nämä aineominaisuuskirjastot ovat maksullisia ja tarkempaa tietoa niistä on olemassa Internet sivuilla ja Näistä aineominaisuuskirjastoista löytyy useiden eri ORC- ja Rankine-prosesseissa käytettyjen kiertoaineiden aineominaisuudet. Tällaisia kiertoaineita ovat muun muassa vesi, tolueeni, propaani ja butaani. Yhteensä tällaisia puhtaita aineita ohjelman kirjastossa on 84 ja sen lisäksi on olemassa aineyhdisteitä, joille löydetään aineominaisuudet aineominaisuuskirjastosta. Excel-pohjalla voidaan määrittää tiettyjen alkuarvojen ja oletusten perusteella lämmönlähteenä käytettävän moottorin pakokaasuista ORC-prosessiin siirtyvän lämpötehon suuruus ja sen perusteella ORC-yksikköön tarvittavien turbogeneraattorien lukumäärän. Lisäksi ohjelma laskee koko ORC-prosessin määrittelyssä tarvittavien tilapisteiden entalpiat, entropiat, paineet, lämpötilat, ominaislämpökapasiteetit ja ominaistilavuudet sekä prosessin kiertoaineen massavirran. Excellaskentapohjassa käytetyt laskentafunktiot ovat Rankine-prosessin laskentayhtälöitä, joista seuraavassa on esitelty rekuperaatioasteen (yhtälö 9), prosessikomponentin tehon (yhtälö 10) ja prosessihyötysuhteen (yhtälö 11) laskeminen. [Uusitalo 2010], [Larjola 2008]

63 63 Yhtälössä 9 esitetty rekuperaatioaste määritellään rekuperaattorin kuuman ja kylmän puolen lämpötilaerojen suhteena. Yhtälössä 9 kylmänpuolen lämpötiloja merkitään symbolilla T c ja kuuman puolen lämpötiloja symbolilla T h. Symbolien alaindekseissä in tarkoittaa rekuperaattoriin sisään tulevaa virtausta ja out ulos menevää virtaa. ORC-laitoksessa kuumalla puolella virtaa höyrystynyt tolueeni ja kylmällä puolella nestemäinen tolueeni. [Hassinen 2008] Kaikkien prosessikomponenttien tehot voidaan määrittää yhtälön (10) mukaisesti, kun tunnetaan komponentin läpi kulkevan aineen massavirta q m ja entalpia ero Δh komponentin yli. Koko ORC-prosessin hyötysuhde voidaan määrittää yhtälöstä (11) turbiinin ja kattilan yli olevien entalpia erojen suhteena, siten että hyötysuhde ei ylitä arvoa 100 %. [Uusitalo 2010], [Larjola 2008]

64 Prosessilaskennan lähtökohdat Koko prosessilaskenta perustuu lämmönlähteenä käytettävään Wärtsilän 20V34SG kaasumoottoriin, jonka lämpötasetietoja on esitetty taulukossa 6. Kaikessa laskennassa tullaan käyttämään 50 Hz vastaavia moottorin arvoja, jotka ovat Wärtsilän ilmoittamia. Moottorin pakokaasujen koostumuksena käytetään Lappeenrannan teknillisen yliopistossa määritettyä koostumusta puhtaalle maakaasun poltolle. Taulukon 6 lämpötasetietojen lisäksi, on tehtävä muutamia oletuksia ORC-prosessin komponenttien toiminta-arvoista, joita on esitetty taulukossa 7. Edellä mainittujen tietojen lisäksi taulukossa 8 on esitetty Wärtsilän kaasumoottorin 20V34SG lämpötila ja massavirtatietoja, joita hyödynnetään laskennassa. Lämmönlähteenä käytettävien moottorin pakokaasujen savukaasukoostumus on esitetty taulukossa 9. Taulukon 7 laskentatapausten tuloksista on piirretty h,s piirrokseen turbiinin paisuntakäyrät jokaiselle tapaukselle ja tämä on esitetty liitteessä II. [Wärtsilä 2010] Kaikkien laskelmien oletuksena on että moottorin hukkalämpötehoista hyödynnetään vain pakokaasujen sisältämä lämpöteho. Tämä tarkoittaa sitä että sähköntuotantoon hyödyntämättä jää moottorin jäähdytyksen sisältämä lämpöteho. Antti Uusitalo on tarkastellut eri vaihtoehtoja hyödyntää näitä lämpötehoja eri ORCprosessien avulla ja näitä vaihtoehtoja sekä niillä saavutettuja hyötysuhteita on esitetty kappaleessa Taulukko 6 Wärtsilän moottorin 20V34SG lämpötasetietoja [Wärtsilä 2010] Moottorin arvo Toleranssi Yksikkö Sähköntuottohyötysuhde 46,3 % Sähköteho 9730 kw Pakokaasujen teho yhteensä ±10 % 6252 kw Jäähdytyspiirin teho yhteensä, josta ±10 % 5199 kw - Sylinterin jäähdytys ±10 % 1540 kw - Voitelujärjestelmä ±10 % 1179 kw - Ahtoilman jäähdytys HT ±10 % 1972 kw - Ahtoilman jäähdytys LT ±10 % 508 kw Säteilylämpöhäviöt yhteensä ±20 % 300 kw

65 65 Taulukko 7 Tehtäviä oletuksia ORC-prosessin komponenttien toiminta-arvoista Tapaus 1 Tapaus 2 Tapaus 3 Tapaus 4 Turbiinin Lämpötila C sisääntulo: Paine 32,3 32,3 12 1,4 bar Lauhdutin: Lauhtumislämpötila 57, ,5 57,5 C Painehäviö % Rekuperaattori: Painehäviö % Rekuperaatioaste 0,68 0,68 0,5 0 Hyötysuhteet: Turbiini % Syöttöpumppu % Generaattori % Invertteri 96,5 96,5 96,5 96,5 % Savukaasut: Sisääntulolämpötila C Poistolämpötila C Taulukko 8 Moottorin 20V34SG lämpötila ja massavirta tietoja[wärtsilä 2010] Toleranssi Sisään Ulos Yksikkö Jäähdytyspiiri lämpötila C - Sylinteri C - Voitelujärjestelmä C - Ahtoilma HT C - Ahtoilma LT C Ahtoilman massavirta ± 5 % 15 kg/s Pakokaasun massavirta ± 5 % 15,4 kg/s Pakokaasujen lämpötila ± 15 C 390 C [Wärtsilä 2010]

66 66 Taulukko 9 Moottorista 20V34SG poistuvien pakokaasujen savukaasukoostumus Aine Lyhenne mol- % osuus Metaani CH 4 98,87 Etaani C 2 H 6 0,14 Propaani C 3 H 8 0,01 Hiilidioksidi CO 2 0,04 Typpi N 2 0,92 Happi O 2 0,02 [Uusitalo 2010] Prosessilaskennassa määritetään Wärtsilän kaasumoottorin 20V34SG pakokaasuista saatava lämpöteho ja sen perusteella ORC-prosessiin tarvittavien turbogeneraattorien määrä, kun oletuksena on että yksi turbogeneraattori tuottaa noin 160 kw e sähköä, kuten Tri-O-Gen:n nykyinen yksi turbogeneraattorinen ORC-yksikkö. Lisäksi Excel-pohjalle lasketaan samalla ORC-prosessin tilapisteiden arvot, jotka on mainittu kappaleessa käytettyjen laskentamenetelmien yhteydessä. Lisäksi prosessikomponenttien tehot sekä prosessin netto hyötysuhde lasketaan samalla. Tavoitteena on saada aikaan sellainen ORC-prosessi, jonka hyötysuhde olisi luokkaa %. Taulukossa 7 esitetyt laskennan lähtöarvot on valittu tapauskohtaisesti, pyrkien vertailukelpoisiin arvoihin. Tärkeimpinä lähtöarvoina on valittu tolueenin (ORC-prosessin kiertoaine) turbiiniin sisään meno lämpötila ja paine sekä prosessin lauhtumislämpötila. Näiden edellä mainittujen arvojen merkitys prosessin toimivuudelle on erittäin ratkaiseva ja tästä johtuen ne on valittu siten, että ORC-prosessin höyrystimen lämpötilapiirroksessa tolueenin lämpötila seuraisi mahdollisimman hyvin savukaasujen lämpötilaa. Lauhtumislämpötilan vaikutus on suuri prosessista saatavaan sähkötehoon ja sitä kautta prosessin netto hyötysuhteeseen. Tolueenin tuorehöyryn arvot ja lauhtumislämpötila valittiin lähtökohtaisesti Tri-O-Gen:n käyttämien laskenta-arvojen perusteella, joita on käytetty yksi turbogeneraattorisessa ORC-prosessissa. Taulukon 7 tapausten 1 ja 3 lauhtumislämpötila tulee siitä että Tri-O-Gen käyttää lauhtumislämpötilana 50 C:tta ja laskettavan ORC-prosessin lauhduttimen asteisuudeksi oletetaan 7,5 C, jolloin saadaan lauhtumislämpötilaksi 57,5 C. Tällä lauhdutuslämpötilalla voitaisiin olettaa että käytettävissä olisi esimerkiksi kaukolämpövettä. Taulukon 7 tapauksen 2 lauhtumislämpötilaksi valittiin 40 C, jotta kyettäisiin mallintamaan paremmin tilannetta, jossa olisi käytettävissä selvästi kylmempää lauhdetta, esimerkiksi merivettä, jolloin lämpötila voisi olla jopa alhaisempi. Savukaasujen poistolämpötila ORC-prosessista vaikuttaa huomattavasti prosessista saatavaan tehoon ja hyötysuhteeseen ja siitä johtuen tarkastellaan sen muuttujan osalta kahta eri tapausta, kuten taulukosta 7 havaitaan. Lisäksi

67 67 on hyvä kiinnittää huomiota taulukon 7 laskentatapaukseen 4, joka poikkeaa merkittävästi muista taulukon 7 tapauksista. Tämän laskentatapauksen 4 tarkoituksena on selvittää voitaisiinko savukaasut jäähdyttää ensin 180 C:een asti ja siitä vielä 120 C:een omalla ORC-prosessilla. Laskentatapauksessa 4 ei käytetä lainkaan rekuperaattoria, koska tällöin saavutetaan tehokkaampi prosessi. Taulukossa 8 esitettyihin moottorin lämpötila ja massavirta arvoihin ei itse voida vaikuttaa lainkaan vaan ne tiedot on hankittu Wärtsilän moottori esitteestä vuodelta Huomioitava että taulukossa 8 esitettyjen moottorin jäähdytyspuolen arvoja ei hyödynnetä laskelmissa, koska ORC-prosessi käyttää hyödykseen vain pakokaasuista saatavaa lämpötehoa, joka on riittävän korkea sähkön tuottamiseen, tolueenin ollessa kiertoaineena ORC-prosessissa. Tämä pätee, mikäli käytetään Tri-O- Gen laitosten vakiotyyppistä turbiinia. Turbiinin tulotilan modifiointi tulisi mahdollistamaan huomattavasti alempienkin lämpötilojen hyödyntämisen samalla kieroaineella, mutta sitä ei tämän työn yhteydessä käsitellä. [Wärtsilä 2010], [Larjola 2010] Laskettavan Wärtsilän kaasumoottorin 20V34SG pakokaasujen savukaasu koostumuksena on käytetty taulukossa 9 ilmoitettuja savukaasujen mooliosuuksia, jotka ovat määritetty alun perin Wärtsilän DF moottorille. Oletuksena on että DF moottorin ilmakerroin on 2, mikä on hieman pienempi kuin SG moottorissa todellisuudessa olisi. Kuitenkin näitä taulukon 9 mooliosuuksia voidaan käyttää, Wärtsilän SG moottorille, koska DF moottoreissa käytetään 99 %:sti samaa polttoainetta eli maakaasua kuin SG moottoreissa. DF moottoreissa vain 1 % on kevyttä polttoöljyä. Tällöin päästään riittävän tarkkaan laskentaan, jotta laskettua ORC-prosessia voitaisiin pitää luotettavana suunnittelun tässä vaiheessa. Laskentojen aikana kokeiltiin myös, mikä vaikutus on suuremmalla ilmakertoimella ja havaittiin, ettei se vaikuttanut mitenkään tarvittavien turbiinien lukumäärään. Lisäksi prosessilaskennan lähtökohtana käytetään kappaleessa 4.2 esitettyä erotettujen virtausten periaatetta. Myös ohjaus ja säätö laitteistot suunnitellaan toimimaan tässä erotettujen virtausten tapauksessa, mikä tarkoittaa sitä, että tämän moni turbogeneraattorisen ORC-laitoksen ohjaus ja säätötoimenpiteet ovat käytännössä hyvin samankaltaisia kuin yksi turbogeneraattorisessa ORClaitoksessa.

68 Prosessilaskennan tulokset Tässä kappaleessa on tarkoituksena esitellä kaikkien neljän eri ORC-prosessin laskentatapausten tulokset. Laskentatapauksia kolme on itsenäisesti toimivia ja yksi voitaisiin yhdistää kahteen näistä itsenäisesti toimivista tapauksista. Tässä kappaleessa esitetyt laskentatulokset perustuvat kappaleessa esitettyihin laskennan lähtöarvoihin ja oletuksiin. Saatujen laskentatulosten perusteella on tolueenin h,s piirrokseen piirretty turbiinin paisuntakäyrä eri laskentatapauksissa ja nämä käyrät ovat liitteessä II. Kaikkien eri laskentatapausten ilmoitetut nettohyötysuhteet ovat ORC-prosessin hyötysuhteita. ORC-prosessin hyötysuhde vaikuttaa nostavasti voimalaitoksen kokonaishyötysuhteeseen ja tästä on esitetty laskentatuloksia taulukossa 14. Edellisiin liittyen kappaleessa on esitetty Antti Uusitalon tekemiä laskentatuloksia sekä kytkentävaihtoehtoja (liite III), kun hyödynnetään muitakin moottorin hukkalämpöjä kuin pakokaasuja. Kappaleen taulukossa 10 esitetyn tapauksen 1 laskenta-arvojen sekä muiden samassa kappaleessa olevien lähtötietojen perusteella on laskettu tapaukselle 1 taulukossa 10 esitetyt tulokset. Taulukko 10 Laskentatapauksen 1 tulokset: Tri-O-Gen moni turbogeneraattorinen standardilaitos Tri-O-Gen standardilaitos Netto sähköteho 775,5 kw Nettohyötysuhde 21,35 % Turbogeneraattorien lukumäärä 4,8 5 kpl Laskentatapauksen 1 lämpötilapiirrokset kattilalle ja rekuperaattorille on esitetty kuvissa 30 ja 31.

69 T, C T, C ,9 365,2 298,9 390,0 322, ,0 138,7 298,9 Cycle side Heat source side Relative heat rate, % Kuva 30 Kattilan lämpötilapiirros laskentatapauksessa , , ,1 59,0 Liquid side Vapour side Relative heat rate, % Kuva 31 Rekuperaattorin lämpötilapiirros laskentatapauksessa 1 Taulukossa 7 esitetyn laskentatapauksen 2 alkuarvojen ja muiden luvussa esitettyjen lähtötietojen perusteella laskettiin tapaukselle 2 taulukossa 11 esitetyt tulokset. Lisäksi tapaukselle 2 saatiin kuvissa 32 ja 33 esitetyt lämpötilapiirrokset kattilalle ja rekuperaattorille.

70 T, C T, C 70 Taulukko 11 Laskentatapauksen 2 tulokset: Tri-O-Gen moni turbogeneraattorinen standardilaitos Tri-O-Gen standardilaitos Netto sähköteho 851 kw Nettohyötysuhde 23,4 % Turbogeneraattorien lukumäärä 5,3 5 kpl ,5 298,9 366,4 298,9 390,0 322, ,0 122, Relative heat rate, % Cycle side Heat source side Kuva 32 Kattilan lämpötilapiirros laskentatapauksessa , , ,7 Liquid side 50 41,5 Vapour side Relative heat rate, % Kuva 33 Rekuperaattorin lämpötilapiirros laskentatapauksessa 2

71 T, C 71 Kappaleessa esitetyn taulukon 7 laskentatapauksessa 3 pyrittiin tarkastelemaan miten ORCprosessi toimisi, mikäli savukaasut jäähdytettäisiin 120 C:een. Tästä lopputuloksena saatiin taulukossa 12 esitetyt tulokset sekä kuvissa 34 ja 35 esitetyt kattilan ja rekuperaattorin lämpötilapiirrokset. Taulukko 12 Laskentatapauksen 3 tulokset: Tri-O-Gen moni turbogeneraattorinen standardilaitos Tri-O-Gen standardilaitos Netto sähköteho 796,8 kw Nettohyötysuhde 17,2 % Turbogeneraattorien lukumäärä 4,98 5 kpl ,0 366, ,0 249,2 228,1 252,8 228,1 Cycle side Heat source side , Relative heat rate, % Kuva 34 Kattilan lämpötilapiirros laskentatapauksessa 3

72 T, C , ,9 102,9 Liquid side 50 58,0 Vapour side Relative heat rate, % Kuva 35 Rekuperaattorin lämpötilapiirros laskentatapauksessa 3 Edellä esitettyjen laskentatapausten tulosten lisäksi pyrittiin selvittämään yhdellä laskentatapauksella vaihtoehtoa, jossa moottorista tulevat savukaasut jäähdytettäisiin ensin 180 C:een yhdellä ORC-prosessilla ja sen jälkeen siitä toisella ORC-prosessilla aina 120 C:een asti. Tämä tarkoittaa käytännössä sitä että yhdistettäisiin edellä esitetty laskentatapaus 1 tai 2 ja seuraavaksi esitettävä laskentatapaus 4. Nämä olisivat käytännössä peräkkäiset ja ORC-prosessit, joissa voisi olla mahdollista käyttää samaa kiertoainetta vaikka lämpötilat jälkimmäisessä ORCprosessissa ovatkin huomattavan alhaiset. Huomioitava, että tapauksessa 4 ei käytetä lainkaan rekuperaattoria ja tästä johtuen rekuperaattorin lähtöarvoina on nollia. Myös tästä johtuen tuloksissa ei esitellä lainkaan rekuperaattorin lämpötilapiirrosta. Laskentatapauksen 4 tulokset on esitetty taulukossa 13 ja lisäksi Excel-laskentapohjan antama kattilan lämpötilapiirros on esitetty kuvassa 36. Taulukko 13 Laskentatapauksen 4 tulokset: Tri-O-Gen standardilaitos Tri-O-Gen standardilaitos Netto sähköteho 86 kw Nettohyötysuhde 8,5 % Turbogeneraattorien lukumäärä 0,54 kpl

73 T, C ,2 180, ,7 143, ,0 122,4 122,4 Cycle side 50 57,6 Heat source side Relative heat rate, % Kuva 36 Kattilan lämpötilapiirros laskentatapauksessa 4 [Uusitalo keskustelu 2010], [Larjola keskustelu 2010], [Honkatukia keskustelu 2010] Kaikkien edellä esitettyjen tulosten lisäksi laskettiin, mikä vaikutus ORC-yksiköllä tulisi olemaan koko moottorin sähköntuottohyötysuhteeseen ja nämä tulokset on esitetty taulukossa 14. Taulukko 14 ORC-yksikön vaikutus Wärtsilän moottorin 20V34SG kokonaishyötysuhteeseen eri laskenta tapauksissa Tapaus 1 Tapaus 2 Tapaus 3 Tapaus 4 Wärtsilän moottorin 20V34SG sähköteho [MW] 9,73 9,73 9,73 9,73 Wärtsilän moottorin 20V34SG sähköntuottohyötysuhde [%] 46,3 46,3 46,3 46,3 Polttoaineteho [MW] 21,0 21,0 21,0 21,0 ORC:n sähköteho [MW] 0,78 0,85 0,77 0,09 Moottorin sähköntuotannon lisäys [%] 7,97 8,75 7,91 0,88 Moottorin kokonaishyötysuhde ORC:yksikön kanssa [%] 50,0 50,3 50,0 46,7 Taulukosta 14 havaitaan että hyödynnettäessä moottorin savukaasujen lämpötehossa saavutetaan noin 4 % nousu moottorin kokonaissähköntuottohyötysuhteessa. Tämä on kuitenkin vain pieni osa siitä, mihin on mahdollista päästä, mikäli hyödynnetään kaikki moottorin hukkalämpövirrat. Tätä asiaa on tutkinut Antti Uusitalo diplomityössään, jossa kokonaissähkötuottohyötysuhdetta on saatu nostettua noin 20 prosenttiyksikköä tietyn tyyppisellä kytkennällä. Kappaleessa käsitellään tarkemmin muiden hukkalämpövirtojen hyödyntämistä, kuten Uusitalo on työssään esittänyt.

74 Voimalaitosmoottorin kaikkien lämpötehojen hyödyntäminen Tämän kappaleen tarkoituksena on selvittää miten merkittävä hyötysuhteen nousu voidaan saada aikaan kun hyödynnetään kaikki voimalaitosmoottorista saatavat lämpötehot mahdollisimman tarkasti. Tämä tarkoittaa sitä että hyödynnetään moottorin ahtoilman ja jäähdytysveden lämpötehot savukaasujen lisäksi. Näissä kaikissa moottorin eri järjestelmissä vallitsee erilaiset lämpötilat ja näin ollen jokainen niistä vaatii hieman erilaisen ORC-prosessin. Eri prosessikytkentävaihtoehtoja ja niillä saatavia hyötysuhteita on tarkastellut Antti Uusitalo diplomityössään. Tässä yhteydessä esiteltävissä tarkasteluissa moottorin polttoaineena on käytetty maakaasua. Taulukossa 15 on esitetty Uusitalon tekemien laskelmien perusteella moottorista saatavia lämpötehoja sekä hyötysuhteiden nousua eli moottorista hyötykäyttöön saatavaa lisätehoa. Liitteessä III on esitetty taulukon 15 laskentatapausten prosessikytkentäkaaviot. Taulukossa 15 on myös esitetty moottorin sähköntuotantohyötysuhde eri laskentatapauksissa. Taulukko 15 Saatava sähköteho moottorista eri kytkennöillä, poltettaessa maakaasua [Uusitalo 2010]

75 75 Taulukosta 15 on havaittavissa huomattava sähkötehon kasvu kun pyritään hyödyntämään kaikki hukkalämmöt moottorista. Moottorin valmistajan ilmoittamat hyötysuhteet sähköntuotolle ovat luokkaa 46 %. Tämä tarkoittaa sitä, että ORC:n avulla moottorin sähköntuottohyötysuhdetta voidaan nostaa yli 10 %. Tästä vastaavasti seuraa että samasta polttoainemäärästä voidaan tuottaa enemmän sähköä ja sitä kautta ostettua polttoainemäärää kohti sähkönmyynnistä on mahdollista saada enemmän tuloja. 4.4 Kustannusvertailu yksi ja moni turbogeneraattorisen ORC-laitoksen välillä Tässä kappaleessa perehdytään yksi ja moniturbogeneraattorisen ORC-laitoksen tuotekehityksen, suunnittelun ja testauksen sisältämiin kustannuksiin. Tarkoituksena on kartoittaa mistä osa-alueista kustannukset muodostuvat ja miten mahdollinen suhteellinen myyntihinta käyttäytyy ORClaitoksen tehon funktiona. Yksi tärkeimmistä asioista moniturbogeneraattorisen ORC-laitoksen investoinnin kannalta on se miten suuret suunnittelu- ja rakentamiskustannukset ovat kaiken kaikkiaan. Tämän kappaleen tarkoituksena on selvittää miten paljon edullisempi on rakentaa moni turbogeneraattorinen laitos kuin asentaa useita yksi turbogeneraattorisia ORC-laitoksia rinnakkain. Lisäksi verrataan määritettyä ominaishintaa kilpailijoihin ja sen perusteella pyritään selvittämään kyetäänkö uuden ORC-laitoksen ominaishinta pitämään vähintään kilpailijoiden tasolla. Johtuen siitä, ettei monen turbogeneraattorin ORC-voimalaitosta ole koskaan rakennettu, sen kustannusarvion lähtökohtana on ollut jakaa kehittäminen kahteen osaan eli konseptin kehittämiseen ja sen testaamiseen. Lisäksi on lähdetty siitä oletuksesta, että rakentamisessa käytetään vakio-osia ja moduuleita, joita ei erikseen suunnitella tätä kyseistä tuotetta varten. Testausvaiheessa pyritään siihen, ettei suuria järjestelmätason virheitä tai rikkoontumisia tapahdu ja tästä oletuksesta on myös lähdetty liikkeelle. [Ojaniemi et. al 2010] Kaikki tässä kappaleessa esitetyt hinnat ovat suhteellisia. Todellisiin hintoihin on mahdollista tutustua hankkimalla lupa julkaisun [Ojaniemi et. al 2010] tarkasteluun. Tällöin saa käyttöönsä myös muita yksityiskohtaisempia tietoja asiasta. Kaikki vertailussa esitettävät kokonaishinnat perustuvat ORC-laitokseen tarvittavien komponenttien yksikköhinnoista, jotka on selvitetty erillisillä laitteisto kyselyillä suoraan laitevalmistajilta, selvitysryhmän toimesta. Kustannusvertailussa on pyritty huomioimaan rakentamiskustannusten lisäksi moni turbogeneraattorisen ORC-laitoksen suunnittelun, hankintojen, tuotannon käynnistämisen ja testauksen aiheuttamat kustannukset. Näiden lisäksi on varauduttu kustannusten ylittymiseen 20 % marginaalilla. Lopullisena tuloksena on muodostettu edellä mainittujen asioiden

76 76 perusteella kuvaajaan 1 ORC-laitoksen suhteellinen myyntihinta sekä kuvaajaan 2 suhteellinen ominaismyyntihinta ORC-laitoksen tehon funktiona. Taulukossa 14 on esitetty eri kustannusten jakautumisen osa-alueet. Taulukko 16 Moni turbogeneraattorisen ORC-laitoksen konseptin kehittämisen ja testauksen kustannusten osa-alueet Konseptin kehittämisen osa-alueet Testaus vaiheen osa-alueet Engineering Hankinta Kartoitus Sopimukset Toimitusvalvonta Prosessisuunnittelu Valmistuksen ja kokonpanon käynnistäminen Projektijohtaminen Tuotantojärjestelmien suunnittelu ja valmistelu Kokoonpano jigien valmistus Sähkösuunnittelu Testaus ja käyttöönotto Vahvasähkösuunnittelu Kustannusylitysvaraus 20 % Automaatiosuunnittelu Modulointi ja 3D-suunnittelu Suunnittelujohtaminen Kustannusylitysvaraus 20 % Monen turbogeneraattorin ORC-laitosten myyntihintoja on lähdetty kartoittamaan yksiturbogeneraattorisen ORC-laitoksen myyntihinnan perusteella. Taulukossa 16 on esitetty yksiturbogeneraattorisen sekä mahdollisesti suunniteltavien useampi turbogeneraattorisen ORClaitoksen myyntihinnan kustannusrakenne komponenteittain. Kustannusten jakautumisen pohjana on käytetty selvityksen tehneen yrityksen kustannusrakennetta, taulukossa 16. Yksi turbiinisen laitoksen myyntihinta on hankittu yksiköitä valmistavalta yritykseltä ja kaksi sekä kolme turbogeneraattoristen laitosten myyntihinta arvio on muodostettu selvitysryhmän laskelmien ja saatujen laitetarjousten perusteella. Kuitenkaan mitään näistä hinnoista ei tässä työssä ilmoiteta, eikä siten julkaista Naaraharju Oy:n pyynnöstä. [Ojaniemi et. al 2010]

77 Hinta[yks.] 77 Taulukko 17 ORC-laitoksen kustannusrakenne Savonia Powerin kustannusrakenteen perusteella Konttirakenne ja kokoonpano 13 % Turbogeneraattori 18 % Prosessilaitteet esikokoonpanoineen 28 % Käyttöönotto ja tarkastukset 4 % Vahvasähkö 18 % Automaatio, sähköistys ja instrumentointi 19 % Kuvaajassa 1 on esitetty ORC-laitoksen suhteellinen kokonaismyyntihinta tehonfunktiona. Tämän kuvaajan 1 kaikki tulokset on saatu laskemalla lähtien liikkeelle 1 turbogeneraattorisen ORClaitoksen myyntihinnasta (vrt. taulukko 16). Kuvaajasta 1 on huomioitava että yhtä turbogeneraattoria vastaa 160 kw sähköteho. Näiden kuvaajien 1 ja 2 käyrien perusteella voidaan riittävän tarkasti määrittää moni turbogeneraattorisen ORC-laitoksen myyntihinnan suuruusluokka ja sen perusteella päätellä sekä perustella, voidaanko kyseisiä moni turbogeneraattorisia laitoksia rakentaa kuvaajien osoittamien hintojen suuruusluokissa. [Ojaniemi et. al 2010] 4 3,5 3 2,5 2 1,5 1 Suunniteltava ORC Kilpailija 1 Kilpailija 2 0, ORC-yksikön teho [kw] Kuvaaja 1 ORC-laitosten myyntihinta sähkötehon funktiona [Savonia Power 2010] Edellä esitetystä kuvaajasta 1 havaitaan että ORC-laitoksen suhteellinen myyntihinta kasvaa laitoskoon kasvaessa mikä on luonnollista. Tämä tapahtuu kuitenkin siten että myyntihinnan kasvu hidastuu koko ajan teholuokan kasvaessa. Suunniteltavaa ORC-laitosta ja kilpailijoiden tarjoamia vaihtoehtoja verrattaessa havaitaan että laitoksen myyntihinta tulisi olemaan pienissä teholuokissa edullisempi. Tehon kasvaessa kilpailijoiden tuotteet näyttäisivät olevan edullisempia mutta tässä

78 Hinta [yks.] 78 tulee huomioida se että kilpailijalla 1 pääasiassa tuotteet ovat teholuokassa > 1MW ja kilpailija 2 valmistaa sekä pienen että suuren teholuokan vesihöyryprosesseja. Yksi merkittävistä hintaan vaikuttavista tekijöistä on lisäksi termoöljypiiri, jota kilpailija 1 käyttää omissa laitoksissaan(tämä on mukana suhteellisissa hinnoissa). Vastaavasti tätä termoöljypiiriä ei ole lainkaan suurnopeustekniikkaan perustuvassa suunniteltavassa laitoksessa, mikä saa aikaa varsinkin suuremmissa kokoluokissa huomattavia kustannussäästöjä. Selvityksen tehnyt yritys on arvioinut yksiturbogeneraattorisen ORC-voimalan kustannusrakennetta käyttämällä pohjana heidän yrityksensä kustannusrakennetta. Kaksi- ja kolmiturbiinisen ORCvoimalan myyntihinta-arvioissa on käytetty pohjana tehtyjä laskelmia ja saatuja laitetarjouksia. Kuvaajassa 2 on esitetty ORC-voimalaitoksen ominaismyyntihinnan kehitys laitostehon funktiona. Kuvaajan 2 suhteelliset ominaismyyntihinnat on saatu jakamalla kuvaajassa 1 esitetyt myyntihinnat vastaavilla laitostehoilla ja niistä on muodostettu ominaiskäyrä. 120,0 100,0 80,0 60,0 40,0 20,0 Suunniteltava ORC Kilpailija 1 Kilpailija 2 0, ORC-yksikön teho [kw] Kuvaaja 2 ORC-laitoksen ominaismyyntihinnankehitys tehon funktiona Kuvaajissa 1 ja 2 on esitetty sekä suunniteltavan monen turbogeneraattorin ORC-laitoksen hintakäyrä (sininen väri) sekä kahden eri kilpailijan vastaavan kokoisten ORC-laitosten hinta käyrät. Näiden perusteella kuvaajasta 2 havaitaan että suunniteltavan laitoksen ominaismyyntihinta asettuisi samaan suuruusluokkaan kilpailijoiden kanssa. Tällä hetkellä ei ole olemassa kaupallisesti tarjolla noin kw:n suuruisia ORC-prosesseja kuin muutamilla yksittäisillä valmistajilta

79 79 maailmassa. Esimerkiksi kuvaajissa 1 ja 2 esiintyvä kilpailija 1 valmistaa myös alle 1 MW:n ORCprosesseja mutta vain tapauskohtaisesti Käytännössä edellä mainitun kokoluokan suurnopeustekniikkaan perustuva ORC tuote puuttuu ORC markkinoilta toistaiseksi kokonaan. Siis tämän kilpailijan 1 ORC-laitoksissa ei käytetä suurnopeustekniikkaa mistä johtuen laitosmoduulit ovat fyysiseltä kooltaan hyvin suuria verrattuna suunnitteilla olevaan ORC-laitokseen. Myös muut suurnopeustekniikan edut, kuten prosessin hermeettisyys yms. puoltavat tämän tietyn tehoisen uuden ORC tuotteen markkinoille tuomista. Tarkasteltaessa ominaishintaa ja verrattaessa sitä muiden valmistajien ORC-voimaloiden ominaishintaan, tulee huomioida, että ko. ominaishinta sisältää täydellisen ORC-voimalan, avaimet käteen toimitettuna, käsittäen itse ORC moduulin lisäksi pakokaasukattilan putkituksineen ja eristyksineen, sähköliitynnän, lauhdutusjärjestelmän, käyttöönoton ja takuuajan huollon. Niiden lisäksi tarvitaan jokaiseen kohteeseen tietynlaiset suojarakenteet, sähkötilat, sähkölaitteistot, kuten muuntajat yms. jotka kasvattavat lopullista hintaa. Kuitenkin nämä asiat on huomioitava, jotta ORC-voimala saadaan toimintaan kohteessa. Yleisenä huomiona kuvaajista 1 ja 2 voidaan todeta että monen turbogeneraattorin ORC-laitos on merkittävästi edullisempi suhteelliselta myyntihinnaltaan kuin vastaavan tehon omaava useasta yksi turbiinisesta ORC-yksiköstä muodostettu kokonaisuus. Kuvaajien 1 ja 2 perusteella voidaan lisäksi todeta, että Lappeenrannan teknillisen yliopiston vuonna 1998 tekemä laskelma ja tämän selvityksen tehneen yrityksen muodostama laskelma sekä saadut komponentti tarjoukset vastaavat hyvin toisiaan. Niiden perustella voidaan todeta että monen turbogeneraattorin ORC-laitoksen ominaismyyntihinnan tulee olla suuruusluokaltaan kuvaajassa 2 olevien käyrän alueella, jotta kyetään olemaan kilpailukykyisiä olemassa olevilla ORC markkinoilla. Suuri lisäetu saavutetaan, kun tarjotaan kaupalliseksi sellaista ORC tuotetta jota ei toiseksi ole olemassa. Tällöin voidaan tarjota jo olemassa oleville ORC-laitoksille varteenotettava kilpailija, koska uusi tuote perustuu eri tekniikkaan sekä on moduulirakenteiltaan merkittävästi pienemmän kokoinen. [Ojaniemi et. al 2010] Sähkön myyntihinta ja sähkölle tuotannolle maksettavat tuet vaikuttavat merkittävästi siihen millä tavoin sähkö kannattaa tuottaa ja missä päin. Tätä asiaa on selvitellyt sama yritys joka määritteli monen turbogeneraattorin ORC-laitoksen myynti- sekä ominaismyyntihintoja Taulukossa 15 on

80 80 esitetty muutamien maiden sähkön hintoja sekä syöttötariffien suuruksia ja niiden perusteella laskettu kokonaishinta sähkölle. Taulukko 18 Sähkön hintoja tariffeineen eri maissa. Tariffit ovat valtion maksamia tukia ja sähkön kokonaishinta on tuottajan saama kokonaishinta. Tuen saamisen edellytyksiä on esitetty tekstissä taulukon 19 alla. Valtio Sähkönhinta Tariffi Kokonaishinta sähkölle /MWh /MWh /MWh Italia Belgia Iso-Britannia Tšekki Espanja Puola Ruotsi Norja Suomi 50 / / 80 Kuten taulukosta 18 havaitaan, Suomessa ei ole toistaiseksi minkäänlaista syöttötariffia tai sertifikaattia, jolla tuettaisiin jätelämpöjen hyödyntämistä. Kuitenkin syöttötariffeista on tehty esitystä ja sen mukaan tuki tulisi olemaan parhaimmillaan 1-2 MW e kokoluokassa. Selvityksen tehnyt yritys on myös määrittänyt Suomessa olevalla sähkön hinnalla maksimi investoinnin suuruusluokan noin 4 turbogeneraattorin ORC-laitokselle. Näiden laskelmien tulokset on esitetty taulukossa 19. Taulukko 19 ORC maksimi ominaisinvestointi Suomen sähkön hinnoilla suunniteltavalle ORC-laitokselle Tapaus 1 Tapaus 2 Sähkönhinta [ /MWh] Pitoaika [a] Maksimi Investointi [ /kw] Jätelämmön hyödyntämiseen sertifikaattien kannalta suhtaudutaan seuraavasti: Jätelämmön hyödyntämistä ei yleensä lasketa energialähteisiin. Biokaasulaitosten sekä kaasuturbiinien jätelämmöt kuuluvat syöttötariffien piiriin. Vastaavasti moottorivoimalaitosta taas tuetaan syöttötariffeilla, mikäli sähköntuotantoon käytettävä polttoaine kuuluu tariffin piiriin. Tällaisia ovat uusiutuvat polttoaineet, kuten kasviöljy. Näistä kasviöljyllä toimivista laitoksista on lukuisia käyttökokemuksia eri puolilta Eurooppaa. [Ojaniemi et. al 2010]

81 81 Esitettyjen hintatarkastelujen perusteella tällä hetkellä kannattavinta olisi tuottaa sähköä jollakin sertifikaatti tuetulla biopolttoaineella, kuten kasviöljyllä ja hyödyntää kaikki mahdolliset voimalaitosmoottorin hukkalämmöt, joilla voidaan tuottaa lisää vihreää sähköä. Lisäksi sähkön tuotanto olisi järkevää sijoittaa sellaisen valtion alueelle, jossa maksetaan syöttötariffia. Verrattaessa taulukossa 18 esitettyjä sähkön kokonaishintoja eri valtioissa havaitaan, ettei Suomessa ORC:n avulla sähkön tuotannon lisääminen ole yhtä kannattavaa verrattuna muualle Eurooppaan, syöttötariffin puuttumisesta johtuen. Tähän asiaan vaikuttaa kuitenkin merkittävästi vallitseva sähkön hinta, joka vaihtelee kysynnän ja tarjonnan mukaan. Kysyntä ja tarjonta puolestaan ovat hyvin riippuvaisia vuoden ajoista ja vallitsevista sääolosuhteista. ORC-laitosten rakentamisen merkittävimpänä etuna on se, että sillä on mahdollista saavuttaa merkittävää hyötysuhteiden nousua teollisuusprosesseissa, kun samalla polttoaineteholla voidaan tuottaa enemmän sähköä. Esimerkiksi suuremmilla ORC-laitoksilla voitaisiin tuottaa huomattava osa teollisuuslaitosten omakäyttösähköstä olemassa olevasta jätelämmöstä. Kaikki edellä mainitut tulokset kertovat että monen turbogeneraattorin ORC-laitoksen ominaismyyntihinta tulisi olemaan mahdollista asettaa kilpailijoiden tasolle mutta tämä vaatii laajaa yhteistyötä eri tahojen kanssa. Tällä yhteistyöllä voitaisiin löytää hyvinkin potentiaalisia kohteita eri puolilta maailmaa ja erityisesti sellaisista maista, joissa sähkölle maksetaan syöttötariffia, unohtamatta tietenkään Aasian ja Afrikan kehittyviä markkinoita. Tässä ideana on se että oikeiden yhteistyötahojen avulla olisi mahdollista saavuttaa kohtuullinen markkinavolyymi heti lähtötilanteessa ja siten tulevaisuudessa mahdollistuisi vakaan markkinapaikan saavuttaminen ja myös sen pitäminen.

82 82 5 LAITOSSUUNNITTELUN PERUSTEELLA TEHTÄVÄT JOHTOPÄÄTÖKSET Tässä luvussa tullaan pohtimaan monipuolisesti ja seikkaperäisesti moni turbogeneraattorisen ORClaitoksen suunnitteluun, toteutukseen ja kaupallistamiseen liittyviä tekijöitä. Nämä kaikki tekijät vaikuttavat omalta osaltaan siihen, miten kannattavaa on suurnopeustekniikkaan perustuvan ORCtekniikan käyttöönotto suuressa mittakaavassa. Lisäksi käydään läpi Ikaalisten moottorivoimalaan tulossa olleen ORC-yksikön tekniset ja taloudelliset näkökohdat, jotka vaikuttivat lopulliseen ratkaisuun, ettei hanke toteutunut, yrityksistä huolimatta. Kaikki tässä luvussa 5 esitettävät näkökohdat perustuvat tämän työn aikaisempien lukujen asioihin ja niiden yhdistelmiin. Tämän luvun tärkeimpänä tavoitteena on perustella miksi ORC:n kaltaista tekniikkaa haluttaisiin käyttää, missä sitä voitaisiin käyttää ja millä edellytyksillä se olisi mahdollista. Tarkastelussa tullaan huomioimaan sekä tekninen toimivuus että kaupallinen kannattavuus. 5.1 Ikaalisten moottorivoimalaitoksen ORC-yksikkö Ikaalisiin suunnitteilla olleen ORC-yksikön sijoitus maakaasulla toimivaan moottorivoimalaitokseen olisi ollut mahdollista toteuttaa teknisesti suhteellisen helposti. Tämä johtui siitä, että oli olemassa voimalaitos, jossa olisi ollut riittävästi tilaa ORC-yksikön sijoittamiseen. Lisäksi kytkennät yms. tarvittavat toimenpiteet yksikön käyttöön ottamiseksi olisi kyetty toteuttamaan helposti eli kyseessä oli paikka, johon käytännössä ORC-yksikkö olisi tarvinnut vain nostaa paikalleen ja asentaa kytkennät toisiinsa. Lisäksi ORC-yksikkö olisi ollut valmis Tri-O- Gen:n toimittama paketti. Vastaavasti Naaraharju Oy olisi toimittanut tarvittavat teräsrakenteet kohteeseen. Kaikki suunnitelmat olivat jo hyvin pitkällä, kunnes ORC-yksikköä hankkimassa ollut Leppäkosken Sähkö ilmoitti, ettei ole halukas toteuttamaan hanketta. Syy hankkeen keskeyttämiselle oli periaatepäätös maakaasun veronkorotuksesta, jolla se nousee 5-kertaiseksi nykyisestä. Tämä aikaan sai sen, ettei Ikaalisten moottorivoimalaitosta enää kannattaisi ajaa peruskuormakäytössä, vaan sen pääasiallisena tarkoituksena on toimia huippuvoimana, noin 100 h/a. Tämä taas puolestaan aiheutti sen, ettei ORC-yksikköä kannattanut taloudellisesti asentaa voimalaitokseen, koska edellä mainitulla huipunkäyttöajalla ei pystytä tuottamaan riittävästi sähköä, jotta hankkeen takaisinmaksuaika ei kasvaisi liian pitkäksi.

83 83 Toisin sanoen mikäli Ikaalisten moottorivoimalaitosta voitaisiin käyttää peruskuorma-ajossa eli noin 5000 h/a niin ORC-yksikkö olisi ollut taloudellisesti kannattava. Lisäksi se olisi tällöin parantanut huomattavasti voimalaitoksen sähköntuottohyötysuhdetta eli jokaista noin 900 kw:a lämpöä kohden olisi saatu 160 kw sähkötehoa ulos jo nykyisten tehojen lisäksi, jo olemassa olevasta ja joka tapauksessa tuotettavasta lämmöstä, pakokaasusta. 5.2 Monen turbogeneraattorin ORC-prosessi Tutkittujen asioiden perusteella voidaan todeta että suurnopeustekniikkaan perustuvan monen turbogeneraattorin ORC-laitos on mielenkiintoinen ja hyvin varteen otettava vaihtoehto tulevaisuuden ORC markkinoilla suurelta osalta siksi, ettei sellaista ole koskaan vielä tähän mennessä rakennettu ja suurnopeustekniikka tarjoaisi monia etuja myös suuremmassa kokoluokassa, ks. kappale ORC-tekniikan suurin yksittäinen etu sähköenergian tuotantomenetelmänä on, se että sen tarkoituksena on tuottaa sähköenergiaa jo olemassa olevasta lämpöenergiasta. Tämä tarkoittaa sitä että teknisesti ORC-laitoksen yhdistäminen toiseen prosessiin, jossa on lämpöhäviöitä parantaa huomattavasti tämän yhteen kytketyn prosessin sähköntuottohyötysuhdetta. Tämä parantaa prosessin kannattavuutta myös taloudellisesti kun voidaan tuottaa enemmän sähköä samasta polttoainetehosta ja häviöitä muodostuu näin ollen vähemmän. ORC-voimalaitoksen voidaan ajatella olevan mihin tahansa teollisuusprosessiin kuuluva lisälaite, joka tehostaa ja parantaa prosessin hyödynnettävyyttä. Tällöin käytettävästä polttoainetehosta saadaan nykyistä suurempi osa hyötykäyttöön Tekninen toteutus Suurnopeustekniikkaan perustuvaa ORC-prosessia on tutkittu aina 1980-luvulta alkaen ja sen tekniikka on onnistuttu kehittämään niin pitkälle, että jo olemassa olevien yksi turbogeneraattoristen laitosten käyttötuntien ja niistä saatujen kokemusten perusteella ORC-prosessia voidaan pitää hyvin luotettavana. Merkittävä tekijä prosessin luotettavuudessa on se että käytetään täysin hermeettistä prosessia, jolloin ei muodostu ongelmia erillisten voiteluöljyjen tai -järjestelmien kanssa. Tällaisia hermeettisiä ORC-laitoksia on olemassa yli 10, Tri-O-Gen:n toimittamana ja pisimpään käytössä olleen laitoksen kanssa ei ole ollut merkittäviä ongelmia, vaikka laitos on toiminut jo vuodesta Lisäksi nykyään Tri-O-Gen:n valmistaman ORC-yksikön moduloinnilla on saatu aikaan erittäin kompakti ja toimiva ORC paketti. Näistä edellä mainitusta asioista havaitaan että

84 84 käytettävissä on huomattava määrä konkreettista käytännöntietoa ja lisäksi paljon tehtyä suunnittelutyötä. Tästä johtuen on olemassa erinomaiset tekniset edellytykset suunnitella, rakentaa, testata ja kehittää monen turbogeneraattorin ORC-voimalaitos, jonka tekniikka pohjautuu vahvasti olemassa oleviin yksi turbogeneraattorisiin laitoksiin. Mallina rakentamisessa siis olisi suositeltavaa käyttää yksi turbogeneraattorisen ORC-laitoksen prosessin toteutus periaatetta, joka voidaan monistaa toimimaan suuremmassa kokoluokassa, rinnakkaiden turbogeneraattorien avulla. On myös huomattava, että Lappeenrannan teknillisellä yliopistolla on tietoa ja kokemusta monen turbogeneraattorin ORC-laitoksen suunnittelusta, mallintamisesta ja simuloinneista. LUT:n antaman tiedon merkitys on erittäin huomattava myös mahdollisessa tulevassa ORC hankkeessa. Monen turbogeneraattorin ORC-voimalaitoksen teknisessä toteutuksessa on erityisesti huomioitava tolueenipiirin virtauskanavat eli miten virtaukset kulkevat prosessissa, prosessin ohjaus ja säätö vaatimukset sekä moduloinnin toteutus. Näiden asioiden toteuttamiseen on esitetty mahdollisia toteutustapoja luvussa 4 ja kaikissa niissä on pyritty huomioimaan että kehitetään tekniikkaa olemassa olevan yksi turbogeneraattorisen ORC:n pohjalta. Kappaleessa esitettyjen ORC-prosessin laskentatulosten sekä kokonaissähköntuotannon hyötysuhteen laskennan perusteella voidaan todeta että voimalaitosmoottorin hukkalämpövirtojen hyödyntämisellä on huomattava merkitys käytönaikaisiin käyttökustannuksiin, joista polttoaine muodostaa valtaosan. Lopputuloksena todettiin että pelkästään savukaasujen hyödyntämisellä moottorin kokonaissähköntuotannon hyötysuhdetta ORC-yksikön kanssa voidaan nostaa noin 4 prosenttiyksikköä kyseisessä tapauksessa, mikä jo itsessään on huomattavaa. Tämän lisäksi on mahdollista hyödyntää muita voimalaitosmoottorin hukkalämpövirtoja, kuten jäähdytys- ja voitelujärjestelmän lämpötehoja. Kappaleessa todettiin että Uusitalo oli diplomityössään määrittänyt moottorista saatavaksi lisätehoksi tietyllä kytkennällä noin 20 %. Tämä tarkoittaa sitä, että samalla polttoaineteholla voidaan ko. kytkennällä nostaa moottorin sähköntuotto hyötysuhdetta noin 10 % (kts taulukko 15). Tällä taas on merkittävä vaikutus muun muassa dieselvoimalaitoksiin, joissa käytönaikainen polttoainekustannus on noin puolet kaikista kustannuksista. Tällaisissa voimalaitoksissa saavutettaisiin merkittävä säästö polttoainekustannuksissa, kun myytävää sähköä kyetään tuottamaan enemmän samasta polttoaine määrästä. Tämä tarkoittaa että moottorivoimalaitoksen käyttö ORC-yksikön kanssa on kustannustehokkaampaa kuin ilman sitä.

85 Kaupallistaminen Kaupallistamisen näkökulmasta monen turbogeneraattorin ORC-voimalaitoksen rakentaminen on osittain hyvinkin haasteellista, koska kyseessä on täysin uusi tuote. Tämä asettaa vaatimuksen, että tuntematon tuote tulee tehdä tunnetuksi ja tarpeelliseksi mahdolliselle asiakaskunnalle. Tähän haasteeseen on mahdollista vastata moottorivoimaloiden valmistajien markkinavolyymin avulla sekä edullisemmilla tai vähintään vastaavilla myyntihinnoilla kuin kilpailijoilla (katso kappale 4.4). Lisäksi yhtenä merkittävänä vaihtoehtona on löytää ORC:n teholuokka, jossa ei olisi vielä paljoa valmistajia mutta jolle on kysyntää. kotimaisen moottorivalmistajan tietojen perusteella on määritetty ORC-laitoksen teholuokaksi 800 kw e eli rakennettavaksi tulisi 5 turbogeneraattorinen ORC-laitos, joka kytkettäisiin Wärtsilän 20V34SG moottoriin (katso kappale 4.3). Hintavertailun osalta yksi ja moni turbogeneraattorisen ORC-laitoksen välillä kappaleen 4.4 perusteella voidaan todeta että monen turbogeneraattorin ORC-laitos tulisi olemaan ominaishinnaltaan merkittävästi edullisempi kuin useasta yksi turbogeneraattorisesta koottu ORC-voimala. Esimerkiksi 800 kw e sähkötehon laitoksen hinta tulisi olemaan suuruusluokaltaan puolet vastaavan tehoisesta erillisistä yksiköistä kootusta ORC-voimalasta. Tämä tarkoittaa sitä, että monen turbogeneraattorin ORCvoimalan rakentaminen on kannattavaa tähän verrattuna. Kuten edellä olevassa vertailussa ilmenee ja kuten muutakin kautta on voitu todeta, on 800 kwe kokoluokassa moni turbogeneraattorisen ORC-voimalan ominaishinta varsin kilpailukykyinen muihin ORC-voimala ratkaisuihin verrattuna. [Larjola sähköpostikeskustelu 2010] Kappaleessa 4.4 kilpailijoihin tehdyn hintavertailun perusteella voidaan todeta, että suunniteltavan monen turbogeneraattorin ORC-laitoksen ominaishinta olisi mahdollista saada asettumaan kilpailijoiden tasolle, kun alusta asti pyritään tekemään tiivistä yhteistyötä eri yhteistyötahojen kanssa. Lisäksi asiakaspiireiltä saatu palaute monen turbogeneraattorin ORC-laitoksen kilpailukykyisyydestä on rohkaiseva. Edellä mainittujen asioiden lisäksi on hyvä huomioida kokonaisuudessaan tämän hetkinen ja tulevaisuudessa odotettava globaalimarkkinatilanne. ORC tekniikka on vakiinnuttanut paikkansa pienessä sähköntuotantoteholuokassa ja sitä tuetaan merkittävästi useissa eri maissa, kun sähkö on tuotettu biopolttoaineella. Tulevaisuudessa pieniä laitoksia (alle 1 MW) tulee myös olemaan paljon, koska sähkön tuotantoon halutaan tukea ja sitä ei saa mikäli hukkalämpöjä ei hyödynnetä jollakin tavalla. Näiden hukkalämpöjen hyödyntämistä tuetaan tällä hetkellä sellaisissa tapauksissa joissa voimalaitosmoottoreiden polttoaineena käytetään biopolttoaineita, kuten kasviöljyä. Lisäksi on hyvä huomata että syöttötariffi sähkölle lisää merkittävästi tuotannon lisäämisen kannattavuutta mutta tällaista järjestelmää ei toistaiseksi ole olemassa Suomessa.[Ojaniemi et. al 2010] Tämän kaiken perusteella voidaan todeta, ettei ORC-laitosten

86 86 rakentaminen Suomeen ole taloudellisesti yhtä kannattavaa kuin maihin, joissa maksetaan syöttötariffeja tai investointitukia (katso taulukot 18 ja 19). Erittäin suuri potentiaali ORC-voimaloille on kehittyvien maiden kohteissa Afrikassa ja Aasiassa, joissa sähköä tuotetaan kaasuturbiini- tai dieselmoottorivoimaloilla ja sähkön tuotannon tarve on merkittävässä määrin kasvava. Tässä on kyse sellaisista paikoista, joissa ei toistaiseksi ole lainkaan käytettävissä sähköä ja lämmöntuotantoa ei lämpimän ilmaston vuoksi tarvita. Tällaisilla alueilla oleva asiakaskunta hankkii tarvitsemansa sähkön sieltä mistä se on saatavissa, ja tästä johtuen sähköä on kannattavaa tuottaa, vaikka hieman kalliimmalla polttoaineella. Edellä mainituissa kohteissa, joihin rakennetaan esimerkiksi uusia dieselvoimalaitoksia, niin niihin kannattaa yhdistää ORC-yksikkö, joka parantaa koko voimalaitoksen hyötysuhdetta merkittävästi. Tämä puolestaan tarkoittaa että polttoainetehosta saadaan tällöin suurempi osa sähköksi ja hukkatehon osuus pienenee. Dieselvoimalaitoksella tämä säästö on merkittävä, sillä noin puolet kaikista dieselvoimalaitoksen käyttö kustannuksista tulee käytettävästä polttoaineesta. Siis, mikäli pystytään samalla rahalla tekemään enemmän myytävää sähköä ja saamaan siitä sama markkinahinta, tehdään enemmän voittoa Lopputulos Lyhyesti yhteenvetona voidaan todeta, että suurnopeustekniikkaan perustuvan tekniikan selkeimpinä etuina tavalliseen tekniikkaan verrattuna on useita eri tekijöitä, kuten kilpailijoihin verrattuna kevyemmät komponentit eli jopa turbogeneraattori voidaan pitää varaosana, tolueenin lämpötilakesto on poikkeuksellisen korkea eli kiertoaineen hajoamisvaaraa ei ole läpivirtauskattilassa ja prosessilla on korkea luotettavuusaste, koska yhden turbogeneraattoripiirin vikaantuminen ei estä muita toimimasta. Lisäksi hermeettisyyden ansiosta kiertoaineen kuluminen on erittäin vähäistä eli kiertoainetta ei tarvitse vaihtaa prosessissa usein. Tämä tarkoittaa, että ORCprosessissa ei käytetä laakerien tai muiden osien voiteluun erillistä voiteluöljyä eikä voiteluöljyjärjestelmää vaan kiertoainetta käytetään voiteluaineena. Edellä mainittujen asioiden lisäksi yksi turbogeneraattoristen ORC-laitosten käyttökokemusten perusteella ORC-prosessia voidaan pitää erittäin luotettavana, koska vanhimmat yksi turbogeneraattoriset laitokset ovat olleet käytössä yli viisi (5) vuotta ja niiden käytettävyys on ollut korkealla tasolla sekä huoltokulut ovat olleet matalat. [ORC kokous 2010]

87 87 Kaiken kaikkiaan voidaan todeta että monen turbogeneraattorin ORC-voimalaitoksen kehittäminen, rakentaminen, testaus ja kaupallistaminen ovat erittäin haastavia projekteja, joilla kuitenkin on erittäin vahvat tekniset edellytykset toteutua. Monen turbogeneraattorin ORC-laitoksen suunnittelun, rakentamisen ja käyttöönoton kannattavuuden tarkastelussa on useita eri näkökulmia, joita on aikaisemmin tässä työssä esitetty ja niiden perusteella voidaan todeta seuraava lopputulos: Toteutusta varten olemassa oleva tekninen osaaminen on erittäin hyvällä ja toteutukseen vaadittavalla tasolla sekä tehdyt ominaishinta-arviot kilpailijoihin nähden ovat erittäin rohkaisevia kannattavuuden osalta. Kaupallistamisen tilanne vaikuttaa siis erittäin hyvältä, kun mukana ovat oikeanlainen asiakaskunta sekä oikeat yhteistyökumppanit. Erittäin vahvoina yhteistyökumppaneina keskenään tässä projektissa tulisivat olemaan mieluiten kotimainen moottorivoimalavalmistaja, Tri- O-Gen, Naaraharju Oy ja Lappeenrannan teknillinen yliopisto. Moottorivoimalavalmistajan kaupallisella markkinavolyymilla, Tri-O-Gen:n ja LUT:n prosessiteknisellä tuntemuksella sekä Naaraharju Oy:n rakenneteknisellä osaamisella olisi mahdollista saada aikaan uusi erikoistuote, jolla voisi olla huomattavaa kysyntää maailmalla. Voidaan siis todeta että ORC-voimalaitoksilla on jo olemassa olevat globaalit markkinat ja nämä markkinat tulevat kasvamaan sekä kehittymään tulevaisuudessa. Lisäksi uusia toimijoita saadaan vähitellen lisää ja sen seurauksen kilpailu kiristyy huomattavasti. Tässä vaiheessa on vielä olemassa ORC markkinoilla sellaisia alueita, joilla ei ole toimijoita tai ne ovat vasta alkutaipaleella. Tästä syystä mikäli halutaan olla mukana luomassa uusia tuotteita markkinoille ja todella kaupallistaa suurnopeustekniikkaa globaalisti saattaisi kaikkien edellä mainittujen asioiden perusteella tällä hetkellä olla oikea hetki lähteä mukaan maailmanlaajuisille ORC-markkinoille, suurnopeustekniikkaan perustuvalla monen turbogeneraattorin ORC-laitoksella, jota markkinoilla ei vielä ole olemassa.

88 88 6 YHTEENVETO Seuraavassa käydään läpi tämän diplomityön kaikki keskeisimmät kohdat ja annetaan selkeän kattava kokonaiskuva siitä miten hyvin on saavutettu alun perin asetetut tavoitteet. Tarkoitus on myös tuoda esiin näkökulmia joilla pohditaan missä asioissa on onnistuttu, missä ei ja miksi on tapahtunut joitakin asioita työn aikana. Lisäksi muodostetaan vielä lopullinen kuva siitä, mikä tulevaisuudessa ORC-tekniikan kaupallistamisen osalta olisi kannattavaa. Tässä diplomityössä on perehdytty kahden erilaisen ORC-voimalaitoksen suunnitteluun niin prosessiteknisen kuin layout suunnittelunkin kannalta. Suunnittelukohteista toinen sijaitsi Ikaalisissa ja kyseessä oli Leppäkosken sähkön kaasumoottorivoimala, jolla tuotetaan edelleenkin kaukolämpöä ja sähköä. Tässä kohteessa tarkoituksena oli selvittää miten Tri-O-Gen:n valmistama ORC-yksikkö voidaan yhdistää tähän moottorivoimalaitokseen ja yksikön avulla nostaa koko voimalaitoksen sähköntuottohyötysuhdetta. Kytkennöistä, laitteisto sijoitteluista ja laitoksen toiminnasta ORC-yksikön kanssa tehtiin suunnitelmia hyvin pitkälle ja kartoitettiin toteutus vaihtoehdot. Tämän hankkeen suunnittelut ja toteutus kuitenkin keskeytettiin, mikä johtui yksinomaan Suomen hallituksen kaavailemista maakaasun veronkorotuksista. Veronkorotuksista johtuen koko Ikaalisten moottorivoimalaitoksen käyttö peruslämpökuorman tuotannossa muuttui kannattamattomaksi ja Leppäkosken Sähkö päätyi ratkaisuun jossa laitosta tullaan jatkossa ajamaan vain huippukuormien aikaan noin 100 h/a. Tämän seurauksena ORC-yksikön hankkiminen ja käyttö muuttui kannattamattomaksi. Kaikki Ikaalisten laitoksen suunnitteluista saadut tiedot tullaan säilyttämään ja niitä pyritään käyttämään hyödyksi tulevissa ORC projekteissa. Tämän diplomityön toisena suunnittelukohteena oli monen turbogeneraattorin ORC-laitos, jolle tehtiin Wärtsilän moottorin 20V34SG lämpötehon laskenta sekä itse ORC-prosessin laskenta ja määritettiin miten paljon moottorin sähköntuottohyötysuhdetta voidaan nostaa kyseisen ORCprosessin avulla. Lisäksi pohdittiin vaihtoehtoja kytkentöjen, virtausten jakamisen sekä moduloinnin osalle. Virtausten jakamiselle esitettiin kaksi mahdollista periaatetta, joissa molemmissa on hyvät ja huonot puolet. Kuitenkin ehdotus joka vastaa nykyisen Tri-O-Gen:n ORCyksikön virtauksia, tulee olemaan keskustelujen perusteella todennäköisempi vaihtoehto toteuttaa, koska sen toimivuudesta on enemmän tietoa käytettävissä. Lopputuloksena monen turbogeneraattorin laskelmista saatiin muutamia eri prosessi vaihtoehtoja, joista parhaana vaihtoehtona voitaisiin pitää tapausta, joka laskettiin nykyistä Tri-O-Gen:n ORC-prosessia vastaavilla arvoilla. Näitä laskentatuloksia voidaan sellaisenaan hyödyntää tarkentavassa suunnitteluvaiheessa. Monen turbogeneraattorin ORC-voimalaitokselle tehtiin myös hieman

89 89 pohdinnan tasolla modulointi suunnittelua eli pyrittiin hahmottelemaan millainen yksikkö todella olisi (kts kuva 27). Tutkittujen asioiden perusteella voitiin todeta, että suurnopeustekniikkaan perustuvan ORC-tekniikan selkeimpinä etuina tavalliseen ORC-tekniikkaan verrattuna ovat kilpailijoihin verrattuna kevyemmät komponentit eli jopa turbogeneraattori voidaan pitää varaosana, tolueenin lämpötilakesto on poikkeuksellisen korkea eli kiertoaineen hajoamisvaaraa ei ole läpivirtauskattilassa ja prosessilla on korkea luotettavuusaste, koska yhden turbogeneraattoripiirin vikaantuminen ei estä muita toimimasta. Lisäksi hermeettisyyden ansiosta kiertoaineen kuluminen on erittäin vähäistä eli kiertoainetta ei tarvitse vaihtaa prosessissa usein. Hermeettisyydellä tarkoitetaan sitä, että ORC-prosessissa ei käytetä laakerien tai muiden osien voiteluun erillistä voiteluöljyä eikä voiteluöljyjärjestelmää vaan kiertoaineena oleva tolueeni toimii voiteluaineena. Kustannusvertailulla pyrittiin selvittämään monen turbogeneraattorin ORC-voimalaitoksen rakentamisen kannattavuutta taloudellisesta näkökulmasta. Kustannuksissa vertailukohtana käytettiin yksi turbogeneraattorisen ORC-laitoksen hintaa, jonka perusteella määritettiin useasta yksiköstä kootun ORC-laitoksen kokonaishinta. Vastaavan kokoisen yhdessä moduulissa olevan ORC-laitoksen hintaa mallinnettiin tekemällä laitteisto kyselyjä ja käyttämällä tunnettua kustannusrakennettaan hyväksi. Tämän lopputuloksena todettiin että monen turbogeneraattorin ORC-voimalaitoksen ominaishinta tulee olemaan merkittävästi edullisempi kuin erillisistä yksiköistä kootun laitoksen. Luvun 4 kappaleessa 4.4 esiteltiin kaikki kustannusten jakautumiset sekä myynti ja ominaishintojen kehitykset laitostehon funktiona. Kustannusvertailun perusteella voitiin siis todeta että monen turbogeneraattorin ORC-laitos on suhteessa sitä edullisempi mitä suurempaan teholuokkaan mennään. Kilpailijoihin tehdyn vertailun perusteella voitiin todeta että monen turbogeneraattorin ORC-laitoksen määritetty ominaishinta asettuisi aivan kilpailijoiden tasolle ja tätä tulosta vahvisti myös asiakaspiireiltä saatu palaute, jonka mukaan mahdollisesti suunniteltavan laitoksen ominaishinta on varsin kilpailukykyinen muihin saman kokoluokan ORCvoimala ratkaisuihin verrattuna. Tämän työn tärkeimpänä tavoitteena oli löytää perusteita ORC tekniikan käyttämiselle, perusteltuja käyttökohteita sekä selvittää mitä edellytyksiä ja vaatimuksia ORC tekniikka asettaa. ORC tekniikan (erityisesti suurnopeustekniikkaan perustuvaa) käyttöä voidaan perustella energiatehokkuuden parantamisella ja monen turbogeneraattorin laitoksen osalta edullisemmalla ominaishinnalla verrattuna useasta pienemmästä laitos yksiköstä koottuun kokonaisuuteen. Lisäksi ominaishinta monen turbogeneraattorin ORC-voimalalle on varsin kilpailukykyinen verrattaessa sitä muihin ORC-voimala ratkaisuihin. Käyttökohteiksi ORC tekniikan soveltamiselle voidaan

90 90 käyttää periaatteessa kaikkia sellaisia kohteita, joissa syntyy prosesseista hukkalämpöjä eli lämpöhäviöitä. Tällaisia kohteita ovat muun muassa moottorivoimalaitokset, kaatopaikat, terästeollisuuden prosessit yms. ORC tekniikka vaatii toimiakseen riittävästi lämpöä ja luotettavat prosessilaitteistot. Nämä asiat toteutuvat kun sijoituspaikaksi valitaan kohde, jossa on tarjolla ylimäärin lämpöä prosessista ja luotettavuus ongelmat on ratkaistu, kun käytetään hermeettistä kiertoainevoideltua prosessia. Lisäksi on huomioitu että mahdollisten kiertoainevuotojen tapahtuessa ympäristöön kohdistuvat vahingot ovat mahdollisimman pienet. Näiden asioiden lisäksi on esitetty näkemyksiä tähänkin asiaan tarkemmin luvussa 5. Voimalaitosmoottorivalmistajalta saatujen näkemysten mukaan ORC-tekniikan soveltamisessa tärkeimpänä huomioitavana asiana ovat käyttöturvallisuuteen vaikuttavat tekijät. Heidän mukaansa suorakytkentä savukaasulämmönvaihtimissa on hyväksyttävissä tolueeni kiertoaineeksi, mikäli järjestelmä kyetään tarvittaessa eristämään riittävän helposti ja värähtelyihin sekä kaasuräjähdyksiin liittyvät riskitekijät kyetään eliminoimaan. Parhaimman potentiaalin ORCtekniikalla he näkevät matalalämpötilojen hyödyntämisessä. Heidän mukaansa kokemuksen puute suorakytkennällä toimivista ORC-laitoksista, joissa tolueeni toimii väliaineena, aiheuttaa epäilyjä toimivuuden ja turvallisuuden suhteen. Tämän diplomityöntyön alussa esitetyt tavoitteet on onnistuttu saavuttamaan mielestäni erittäin hyvin ja tämän työn aikana kerättyä tietoa pystytään jatkossa hyödyntämään vastaavan tyyppisissä ORC projekteissa. Tulevaisuudessa monen turbogeneraattorisen ORC-voimalaitoksen suunnittelua jatketaan ja jo tehtyjä prosessilaskelmia, virtaus-, ohjaus-, säätö- ja modulointisuunnitelmia tarkennetaan ja mahdollisesti jonakin päivänä on saatu rakennettua toimiva, luotettava ja kaupallisesti kannattava sekä kuluttajia kiinnostava uusi ORC tuote, monen turbogeneraattorin ORC-voimalaitos.

91 91 LÄHDELUETTELO Aaltonen, Ukkonen 2008: Jenni Aaltonen, Juuso Ukkonen 2008 tekniikankandidaatin työ, Pienet alle 4 MW yhdistetty sähkön- ja lämmöntuotanto mahdollisuudet Backmann J Jari Backman, Juha Honkatukia, Teemu Turunen-Saaresti, Jaakko Larjola, Pekka Punnonen, Juha-Pekka Lemponen, Arttu Reunan, Tang Jin, Vastapaineturbiinin kiertoainehöyrystimen suunnittelu biomassanpolton savukaasuja hyödyntävään ORC-prosessiin, s.3-4. ORC hajautetussa energiahuollossa: perustutkimuskohteet, TEKES Dnro 2878/31/02, Tutkimusrahoituspäätös Nro 40355/03, Loppuraportti. Buijtenen J.P Tri-O-Gen B.V., Goor/Delft University of Technology, The Netherlands. Journal of the IDGTE Power engineer: The Tri-O-Gen Organic Rankine Cycle: development and perspectives. March Pages Hassinen 2008: Anne Hassinen, Helsingin ammattikorkeakoulu. Insinöörityö: Martinlaakson kaasuturbiinin jäähdytysjärjestelmän parantaminen s.40. Saatavuus on tarkistettu Heinimö Jussi, Jäppinen Eero ORC- teknologia hajautetussa sähköntuotannossa Tutkimusraportti EN B-160, ISBN , ISSN Honkatukia J ORC-pienoisvoimalan kiertoprosessin mallintaminen, Lisensiaatin tutkimus. Lappeenrannan teknillinen korkeakoulu, Energiatekniikan osasto, Lämpö- ja ympäristötekniikan laitos, Huovilainen R Huovilainen Reino, Alamäki Jarmo, Tarjanne Risto, Orgaanista kiertoainetta käyttävän voimalaitosprosessin (ORC) soveltaminen hajautettuun sähköntuotantoon. Esitutkimus, EN C-42, Lappeenrannan teknillinen korkeakoulu, Energiatekniikan osasto, Lappeenranta ISBN , ISSN

92 92 Larjola 1988: ORC power plant based on High Speed Technology. Proceedings of Conference on High Speed Technology, August 21-24, 1988, Lappeenranta, Finland. Lappeenranta University of Technology, Department of Energy Technology, publ. No ENTE D- 15, pp , 1988 Larjola J BH40A0300 Energianmuuntoprosessit luentomateriaali luennot 2, 5 ja 7 Lappeenrannan teknillinen yliopisto, LUT Energia, Energiatekniikan koulutusohjelma Lappeenranta 2008 J. Larjola 2010: Organic Rankine cycle (ORC) based waste heat / waste fuel recovery systems for small CHP applications. Invited chapter in Small- and micro-combined heat and power (CHP) systems. Advanced design, performance, materials and applications. Woodhead Publishing Limited, England. To be published 2011 Leppäkosken Sähkö diasarja 2010 Ojaniemi Asko toimitusjohtaja Benet Oy ORC-laitosten toimittaja yhteenveto 2010.(ei julkaistu) Ojaniemi Asko, Benet Oy, Koponen Jaakko, Savonia Power Oy, Huttunen Jukka, Savonia Power Oy, Nissinen Hannu, Savonia Power Oy, ORC voimalaitoksen kaupallistamismahdollisuudet (rajoitettu jakelu). Reunanen Arttu, Honkatukia Juha, Esa Hannu, Pitkänen Harri, Lattu Jukka, Larjola Jaakko ORC-voimalan soveltuvuus hyödyntämään dieselvoimalan hukkalämpöä. Lappeenrannan teknillinen korkeakoulu, energiatekniikan osasto. Tekes DrNo 1549/401/98, Loppuraportti EN B ISBN X, ISSN Sternlicht B Developments and prospects for Organic Rankine Cycles (ORC S) and heat pumps. VDI-Berichte 539: ORC-HP-Technology, page 10. Dusseldorf 1984

93 93 Uusitalo 2010: Diplomityö Antti Uusitalo, Polttomoottorivoimalan energiatehokkuuden parantaminen hukkalämpövirtojen sähköksi muunnolla. LUT Energia 2010 ORC kokous Diasarja Moni turbogeneraattorilaitoksen tiedot Vaasassa LUT Energy / Naaraharju Oy Wärtsilä 2010 moottoriesite. Power plants product catalogue Naaraharju Oy:n Internet sivut: Tolueenin ominaisuuksia: Kemikaalien EU-riskinarviointi ja vähennys päivitetty Saatavuus tarkistettu Internet osoitteesta: 3.lomake2a.pdf Tolueenin käyttöturvallisuustiedote, julkaistu Tri-O-Gen yrityksen Internet sivut: Wärtsilä Oy:n Internet sivut Buijtenen, Larjola keskustelu 2005, tolueenikattiloiden paloturvallisuuteen ja viranomaismääräyksiin liittyen Buijtenen, Larjola keskustelu Aiheena on ollut Tri-O-Gen:n vuonna 2004 käyttöön otetun ORC-laitoksen toiminta. Muut keskustelut ja kirjeenvaihto vuoden 2010 aikana: Jos van Buijtenen Tri-O-Gen, Larjola Jaakko LUT Energia, Laasanen Juha Wärtsilä, Kuivalainen Kari Leppäkosken Sähkö, Roivainen Pekka Leppäkosken sähkö, Huttunen Jukka Savonia Power, Uusitalo Antti LUT Energia, Honkatuki Juha LUT Energia,

94 94 LIITTEET I Tolueenin käyttöturvallisuustiedote

95 95

96 96

97 97

98 98

99 99

100 100