Kivihiilen korvaaminen biomassoilla yhteistuotannon pölypolttokattiloissa

Transkriptio

1 Kivihiilen korvaaminen biomassoilla yhteistuotannon pölypolttokattiloissa Työ- ja elinkeinoministeriön VTT:ltä tilaaman taustaselvityksen tulosten yhteenveto Janne Kärki, Satu Helynen, Kai Sipilä, Martti Flyktman, Markus Hurskainen Hanasaari,

2 2 VTT:n taustaselvitys Uusiutuvan energian velvoitepaketissa huhtikuussa 2010 esitettiin yhtenä toimenpiteenä kivihiilen korvaamista biomassalla yhteistuotannon (CHP) kivihiilipölypolttokattiloissa Työn pääasiallinen sisältö: Teknologiset mahdollisuudet ja laitoskohtaiset erot kivihiilen korvaamiseen eri biomassan osuuksilla ja erityyppisillä biomassoilla. Biomassojen saatavuus (karkeasti) laitoksilla, biomassan maksukyky Tarvittavien taloudellisten tukien taso kivihiilen korvaamiseksi. Tarkasteltavina vaihtoehtoina ovat investointituet ja uusiutuvan sähkön tuotantotuet. Vuorovaikutteinen työtapa: selvityksen sisällön esittely toimijoille toimijakohtaiset luottamukselliset keskustelut 11/2010 3/2011 tulosten esittely toimijoille loppuraportti valmistui maaliskuussa 2011: englanninkielinen esitys aiheesta: International Nordic Bioenergy 2011

3 3 Tarkastelussa olleet pölypoltto-chp-voimalat Kivihiilen käyttö yhteensä noin 14 TWh vuodessa 1. Helsingin Energia: Hanasaari 2. Helsingin Energia: Salmisaari 3. Vantaan Energia Oy: Martinlaakso 4. Fortum Power and Heat Oy: Espoo (Suomenoja) 5. Fortum Power and Heat Oy: Naantali 6. Lahti Energia Oy: Kymijärvi 7. Vaskiluodon Voima Oy: Vaasa Nykyiset voimalat ovat melko vanhoja, osa on rakennettu jo luvuilla, loput 1980-luvun puoliväliin mennessä. Usean laitoksen korvaamista suunnitellaan vuoden sisällä, ja tavoitteena oli, että tarkasteltavat tukitoimet eivät saisi hidastaa uusinvestointeja, joissa bioenergiaa voidaan käyttää kustannustehokkaasti suuria määriä Myös IE-direktiivi edellyttää useilla laitoksilla investointeja päästöjen vähennyksiin lähivuosina biomassaratkaisut kytkeytyvät päästövähennysinvestointeihin. Kivihiiltä käyttävät lauhdelaitokset eivät kuuluneet tarkasteluun (hiilen käyttö n TWh/a).

4 4 Tarkastelussa huomioon otettavia tekijöitä Laitosten sijainti ja kaupunkitila vaikuttavat oleellisesti polttoaineen varastointiin, saatavuuteen ja logistiikkaan (sijainti Lahtea ja Vantaata lukuun ottamatta rannikolla) Tukitoimien tulisi lisätä biomassan käyttöä, eikä vain siirtää biomassan käyttöä laitokselta toiselle nostaen biomassan hintatasoa ja keskikuljetusmatkaa uusien biomassojen käyttö esim. olki, ruokohelpi mahdollistaa kalliimpien jalosteiden käyttö ja niiden valmistus alueilla, joissa ei paikallisia käyttökohteita tuontipolttoaineiden käyttömahdollisuus Kussakin laitoksessa on omat erityispiirteensä sekä teknisesti että polttoaineen saatavuuden että käsittelymahdollisuuksien osalta => kustannustarkastelut tehtiin valitulle keskimääräiselle tyyppilaitokselle, ja laitosten erityispiirteet on otettu huomioon arvioitaessa kokonaispotentiaalia

5 5 Tarkastellut vaihtoehdot kivihiilen korvaamiseksi (1/2) Käytetään 5 % polttoaineiden kokonaisenergiamäärästä sahanpurua tai muuta palakooltaan vastaavaa biomassaa pölypolttokattiloiden nykyistä polttoainejärjestelmää hyödyntäen ilman merkittäviä investointeja ja käyttökustannusten kasvua. Pellettejä käyttämällä voidaan kivihiiltä korvata 15 % ilman suuria investointeja kattilan polttoainelinjoihin pellettien pääraaka-aine kutterinlastu ja sahanpuru suurkäyttäjille soveltuvia teollisuuspellettejä voidaan valmistaa myös muista teollisuuden sivutuotteista, kuten kuoresta ja pieniläpimittaisesta puusta, ja niihin voi seostaa esimerkiksi peltobiomassoja, kuten olkea ja ruokohelpeä. Erillistä biomassalle suunniteltua puulinjaa kuivaa, hienojakoista polttoainetta käyttäen voidaan kivihiiltä korvata 30 %. Puulinjaan kuuluu polttoaineen vastaanotto, haketus tai murskaus pieneen palakokoon, kuivaus ja erilliset syöttölinjat kattilaan biopolttoaineita varten suunnitelluille polttimille. Tarvittavat investoinnit, kuivuri mukaan luettuna, ovat luokkaa miljoonaa euroa laitosta kohti ( MW kapasiteetti). Tilantarve tontilla on merkittävä, ja toiminnan pölypäästöjä ja muita ympäristövaikutuksia on vaikea kokonaan välttää.

6 6 Tarkastellut vaihtoehdot kivihiilen korvaamiseksi (2/2) Kivihiilen käytöstä voidaan korvata puolet, jos kiinteä biomassa kaasutetaan Kattilan viereen rakennetusta kaasuttimesta syötetään kivihiilikattilaan tuotekaasua, joka tuotetaan puhtaasta biomassasta, kuten metsähakkeesta ja peltobiomassoista. Kaasutininvestointi on laitosta kohti tyypillisesti miljoonaa euroa ( MW kapasiteetti), joten kattilalla tulee olla käyttöikää merkittävästi jäljellä. Sekä kaasuttimen että polttoaineen käsittelyja purkausjärjestelmien tilantarve on merkittävä, ja voimalaitosten tonteilla on harvoin tarpeeksi tilaa biomassojen varastointiin. Vastaavasti kivihiilestä voidaan korvata puolet, jos kiinteä biomassa on jalostettu biohiileksi (paahdettu eli torrefioitu biomassa) tai bioöljyksi Biohiilen tai bioöljyn käyttöönotto ei edellytä suuria muutosinvestointeja kattilaan, mutta mm. polttoaineen varastointi on järjestettävä voimalaitoksella tai jossain muualla. Biomassaa on mahdollista kuljettaa kaasumaisena metaanina maakaasuverkostoa käyttäen. Biomassasta kaasuttamalla ja prosessoimalla tehtyä synteettistä maakaasua (SNG) tai maakaasuverkkoon syötettyä, mädättämällä aikaansaatua puhdistettua biokaasua voidaan käyttää kustannustehokkaimmin maakaasulaitoksissa, mikä voi vähentää kivihiililaitosten käyttöä.

7 7 Käytännön rajoitteita kivihiilen korvaamisessa Kattilan suunnitteluarvot vaikuttavat oleellisesti kivihiilen maksimikorvausosuuteen ilman merkittävää suoritusarvojen (teho, hyötysuhde, rakennusaste) laskua. Voimalaitoksen tontin koko ja kattilan sijoitus tontilla vaikuttaa teknisiin vaihtoehtoihin toteuttaa biomassan purku, käsittely ja varastointi. Tontin sijainti vaikuttaa siihen, voidaanko biomassa tuoda myös rautatie- tai vesikuljetuksena, vai onko maantiekuljetus ainoa vaihtoehto. Biomassan käyttöönotto lisää jonkin verran laitoksen muuttuvia käyttökustannuksia huolto- ja kunnossapitokustannusten nousun myötä, mahdollisena kattilan käytettävyyden laskuna ja merkittävämmin kaasuttimen omakäyttöenergian tarpeena. Biomassan lisääminen vaikuttaa myös mm. tuhkan laatuun ja sen hyötykäyttömahdollisuuksiin sekä kattilan päästöihin, joskaan niiden merkitys ei useimmissa tapauksissa ole merkittävä. Investointien kannattavuuteen ja siten halukkuuteen tehdä investointeja kivihiilen korvaamiseksi vaikuttaa olennaisesti kattilalle suunniteltu jäljellä oleva käyttöikä ja laitoksen vuotuinen käyttöaika. Laitosten rikki- ja typenoksideja ja hiukkaspäästöjä koskevat päästömääräykset kiristyvät vuodesta 2016 alkaen IE-direktiivin (Directive on Industrial Emissions) mukaisesti, ja niiden täyttäminen edellyttänee useilla laitoksilla merkittäviä investointeja.

8 8 400 MW pa tyyppilaitokselle (115 MW sähköä/230 MW kaukolämpöä, polttoaineen käyttö 2 TWh/a) tehtyjen kannattavuustarkastelujen lähtökohtia Sahanpuru Pelletti Puulinja* Kaasutus* Biohiili Bio-osuus, % Biomassateho, MW * Kaasutuksessa ja biomassalinjassa polttoaine on metsähaketta Polttoaine /MWh Metsähake 20 Kuiva metsähake 22 Sahanpuru 18 Muut sivutuotteet 18 Peltobiomassa 20 Pelletti 30-(40) Biohiili 35-(50) Alkuvuosi 2011 IEA 2020** Kivihiili ( /MWh) Päästöoikeus ( /t) ** World Energy Outlook, New policy scenario Huom! Laitoksella ilmaisia päästöoikeuksia 50 % laitoksen päästöistä kivihiilellä

9 9 Kustannustekijät A) Biomassan käytöstä aiheutuvat muuttuvat ylimääräiset käyttökustannukset Polttoaineen käsittelyn ja syötön kustannukset Kattilavaiheen kustannukset Lämmönsiirtopintojen likaantuminen ja korroosio Omakäyttösähkön kulutus Lisäaineet Tuotantorajoitukset ja suunnittelemattomat alasajot Tuhkan käyttö B) Biomassan käytöstä aiheutuvat ylimääräiset pääomakustannukset (8 % / 12 a) ja kiinteät käyttökustannukset Polttoaineen käsittelyn ja syötön järjestelmät Kattilavaiheen järjestelmät Huolto- ja korjaus Lisääntyneet henkilökustannukset C) Polttoaineiden osto D) Lämmöntuotannon verot (kivihiili, RPÖ) E) CO 2 -päästöoikeuksien osto/myynti F) Muuttuva sähkön tuotantotuki metsähakkeella (2011 taso)

10 10

11 11 Feed-in tuotantotuki eri vaihtoehdoissa 2011: kivihiili 13 /MWh, päästöoikeus 15 /t (metsähakesähkön tuotantotuki 11,1 /MWh) 2020: kivihiili 10 /MWh, päästöoikeus 30 /t (metsähakesähkön tuotantotuki 0 /MWh) Kaasutus ja jalosteiden käyttö vaatisivat enemmän tukea kuin 2011 metsähakesähkön tuotantotuki sekä että tilanteessa, myös puulinja 2020-tilanteessa

12 12 Investointituen tarve puulinja- ja kaasutusvaihtoehdossa 2011: kivihiili 13 /MWh, päästöoikeus 15 /t (metsähakesähkön tuotantotuki 11,1 /MWh) 2020: kivihiili 10 /MWh, päästöoikeus 30 /t (metsähakesähkön tuotantotuki 0 /MWh) Kaasutus ja puulinja vaatisivat investointitukea 2020-tilanteessa, kaasutus myös tilanteessa

13 13 Yhteenveto kivihiilen korvausmahdollisuuksista uusiutuvilla ja arvio lisätukitarpeesta vuoteen 2015 Toimenpide Kivihiilen korvausmahdollisuus lähivuosina TWh/a Sahanpuru, edullisten polttoaine-erien käyttö 0,2 Tarvittava lisätuki laskettuna 2011 hinnoilla Tuki yhteensä milj. /a Pellettien käytön edistäminen: päästöoikeuden ja kivihiilen hinnan mukaan muuttuva sähkön tuotantotuki 0,5 0,8 Pelleteillä 27,5 /MWh yhteistuotantosähkölle 3,9 6,2 Peltobiomassan käytön edistäminen: päästöoikeuden hinnan mukaan muuttuva sähkön tuotantotuki (kuten metsähake) 0,5 11 /MWh yhteistuotantosähkölle 1,6 Energiatuki a) Uuden teknologian kaasuttimille TAI b) (vaihtoehtoisesti uuden teknologian puulinjoille) 2 (1) 40 % investoinnista TAI (40% investoinnista) yht. 40 milj. TAI (yhteensä 20 milj. ) Biohiili, pyrolyysiöljy ja vastaavat jalosteet: a) Energiatuki uuden jalostetuotantoteknologian demonstroinnille SEKÄ b) Päästöoikeuden ja kivihiilen hinnan mukaan muuttuva sähkön tuotantotuki jalosteiden käytön edistämiseksi 0,6 40 % investoinnista SEKÄ 27,5 /MWh Yhteistuotantosähkölle yht. 40 mijl. SEKÄ 4,7 Yhteensä uusiutuvaa polttoainetta - uusiutuvaa energiaa (loppukulutus) 5,8 6,1 4,9 5,2 Tuot.tuet 10,2 12,5 milj. /a Inv.tuet 80 milj.

14 14 Tukitoimien vaikutusten arviointia Toimenpide Myönteiset tekijät Mahdolliset riskit ja uhat Pellettien käytön edistäminen Vähentää mahdollisesti pellettien vientiä Ylisuuri tuki siirtäisi pellettejä pienkäytöstä pois -päästöoikeuden ja kivihiilen hinnan mukaan Nopeasti käyttöönotettavissa Metsäteollisuuden raaka-ainetta energiakäyttöön muuttuva sähkön tuotantotuki Käyttöönotosta käyttäjälle vähän riskejä (esim. sellutehtaiden purukeittimet, levyteollisuus) Peltobiomassan käytön edistäminen Hyödynnettävät biomassavarat kasvavat Käytettävyysriskit kasvavat kattiloilla - päästöoikeuden hinnan mukaan muuttuva Suuret vuotuiset vaihtelut saatavuudessa (olki) sähkön tuotantotuki (vastaava kuin metsähakesähkön tuki) Energiatuki uuden teknologian kaasuttimille Mahdollisuus hyödyntää monia biomassoja Lisää kilpailua biomassasta ko alueella Sitoutuminen biomassan käyttöön investoimalla ja nostaa siten mahdollisesti hintatasoa Mahdollisuus suureen hiilen korvausosuuteen TAI vaihtoehtoisesti energiatuki Kohtuullisen pieni investointi Suomessa ei käyttökokemuksia uuden teknologian puulinjoille Sitoutuminen biomassan käyttöön investoimalla Energiatuki uuden jalosteteknologian Mahdollisuus hyödyntää biomassavaroja alueilta Riski: tuotantokustannukset arvioitua korkeampia demonstroinnille SEKÄ joissa ei käyttökohteita, suuret korvausosuudet Jalosteet päätyvät vientiin biohiiilen, pyrolyysiöljyn ja vastaavien Mahdollistaa pitkät kuljetukset ja varastoinnin jalosteiden käytön edistämiseksi: Mahdollistaa teknologioiden kehittämisen päästöoikeuden ja kivihiilen hinnan mukaan jatkossa tuottamaan arvokkaampia tuotteita muuttuva sähkön tuotantotuki jalosteille öljyn korvaukseen ja pienkäyttöön (vastaava kuin pellettisähkön tuki)

15 15 Mahdollisia kehityspolkuja vuoteen 2020 Pellettien käyttö voidaan aloittaa nopeasti pienehköllä osuudella ilman merkittäviä investointeja, mutta vaatii laajennuksen nykyiseen muuttuvaan sähkön tuotantotukeen Kaasutus- ja puulinjainvestointeja voidaan käynnistää portaittain uuden teknologian investointiavustuksilla IE-direktiivin toteutusratkaisut päätetään ja toteutetaan nykylaitoksilla arviolta Ne voivat vaikuttaa joidenkin bioenergian käyttövaihtoehtojen priorisointiin laitoksilla Biohiilen (ja puuöljyn) demonstraatiolaitokset voisivat käynnistyä aikaisintaan ja isommat kaupalliset ehkä , vaativat uuden teknologian investointiavustuksen Linjaukset uuden tekniikan vaihtoehtoineen olisi tarkistettava Linjauksiin vaikuttaa mm. miten muut EU-jäsenvaltiot suunnittelevat 2020 vaihtoehtojaan ja mitä uusia velvoitteita jäsenvaltioille tulee. Biopolttoaineiden koti- ja kansainvälisten markkinoiden kehitys vaikuttaa linjauksiin tulevaisuudessa. Biomassan energiakäytön vaikutukset puuraaka-aineen hankintaan tulee sisällyttää linjausten tekemiseen.