Miten eri energiantuotantomuotoja tulisi vertailla

Transkriptio

1

2 Miten eri energiantuotantomuotoja tulisi vertailla Polttotekniikka seminaari 2011 Esa K. Vakkilainen

3 Vanhoja poistuvia laitoksia on korvattava Teho (MW) kulutus CHP teollisuus CHP kaukolämpö Muu lauhde Hiililauhde Ydinvoima Vesi- ja tuulivoima Lähde: VTT, Esa K. Vakkilainen 3

4 Kristiinan lauhdevoimalaitos Lähde: Pohjolan Voima 4

5 Keravan bio-kaukolämpövoimalaitos Lähde: Pohjolan Voima 5

6 Ydinvoima Kiehautusvesireaktori (BWR Painevesireaktori (PWR) Ydinvoimalassa polttoaineen, uraanin, haljetessa syntyy lämpöä, jonka avulla vettä kiehautetaan korkeapaineiseksi höyryksi. Höyry pyörittää turbiinia, jonka akselille kytketty generaattori tuottaa sähköä. Lähde: Energia.fi

7 Vesivoimala Vesivoimalassa veden potentiaalienergia muunnetaan sähköksi; kahden eri vesitason välistä korkeuseroa käytetään ja vesi johdetaan turbiinin läpi ja turbiini pyörittää generaattoria, josta saadaan sähköä kuva: Wikipedia.org

8 Suomenoja, kaasuturbiini kombivoimalaitos SO2 Lähde: Fortum 8

9 Tuulivoimala Tuulivoimalan tuottama energia riippuu olennaisesti tuulivoimalan lapojen piirtämällä alueella vallitsevasta tuulen nopeudesta ja nopeuden jakaumasta yhtälön mukaan Footer lähde: Tuulivoimatieto.fi

10 Millä polttoaineella öljy hiili kaasu biomassa ydin vesi muut uusiutuvat Energian kulutus kasvaa Sähkön kehitys höyrykattiloilla kasvaa Perinteinen yhä suurta Biomassan käyttö 1.4 %/a Lähde IEA World Energy Outlook Esa K. Vakkilainen 10

11 Miksi höyrykattila Sähkön Luotett./käytettäv. Ympäristö Nykyisin hinta Teknologia Polttoaine päästöt CO2 t/mwh paras mahd. matala korkea korkea nolla nolla hiili nyky matala korkea korkea matala 1.0 hiili-ccs keski? korkea matala 0.8 maakaasu CC korkea korkea vaihtelee matala ydin keski korkea korkea nolla nolla biomassa keski korkea vaihtelee matala 1.5 aurinko/tuuli korkea? vaihtelee nolla nolla polttokenno korkea? vaihtelee matala 0.3 vesi matala korkea vaihtelee nolla nolla lähde, Rogan, Esa K. Vakkilainen 11

12 Polttoaineet

13 Suomessa käytettäviä polttoaineita Puuperäiset polttoaineet Mustalipeä Kuori Puru Metsätähde Maakaasu Öljy Hiili Turve Polttoaine %* PJ Öljy Hiili Maakasu Turve Mustalipeä Kuori, puru ym Puun pienpoltto *Osuus Suomen energian kokonaikulutuksesta

14 Kotimaisia biopolttoaineita 14

15 Suomessa käytettäviä biopolttoaineita Teollisuus Mustalipeä Kuori, puru,.. sahateollisuuden sivutuotteet Bioliete, siistausliete metsäteollisuuden sivutuotteet Energiantuotanto Risutukki Viherhake Jäte Kotitaloudet Puu; halot, klapit, pelletti Olki? Vilja? 15

16 Polttoaineiden kulutus, Mtoe, 12 kk liukuvasti KTM Energiakatsaus 3/7 16

17 Kaukolämmön polttoaineet Suomessa vuosina % muu 80 % turve bio 60 % maakaasu 40 % kivihiili 20 % öljy 0 % Lähde: 17

18 Fossiilinen uusiutuva Fossiilinen polttoaine on sellainen, jonka polttaminen aiheuttaa pysyvän muutoksen polttoainevaroihin Uusiutuvaa polttoainetta muodostuu enemmän kuin mitä sitä käytettään Rajana 300 vuoden uusiutumiskierto 300 vuotta määrittää esim. turpeen fossiiliseksi Nyt mietitään onko kestävää kehitystä jos ei-uusiutuvaa polttoainetta poltetaan sen vuotuista syntyä vastaava määrä (Vapo) Nyt mietitään onko kestävää kehitystä jos uusiutuvaa polttoainetta poltetaan ja sen paikalle ei välittömästi synny samaa määrää uutta 18

19 Fossiilisten polttoaineiden ja turpeen käytön hiilidioksidipäästöt, Mt KTM Energiakatsaus 3/7 19

20 Polttoaineiden käyttäjähinnat lämmöntuotannossa Suomessa /MWh Metsähake Jyrsinturve Maakaasu Kivihiili 0 Lähde:

21 Veron osuus prosentteina polttoaineen hinnasta vuosina % Moottoribensiini, lyijytön 95 okt, verot% Dieselöljy, verot % Kevyt polttoöljy, verot % Raskas polttoöljy, vähärikkinen, verot% Kivihiili, verot % Maakaasu, verot % Kotitaloussähkö, verot % Kaukolämpö,verot % Taulukossa esitettynä: Valmiste- ja arvonlisäverot sekä veroluonteiset maksut eri energialähteiden kuluttajahinnoissa Lähde:

22 Polttoaineiden ominaisuuksia Esa Vakkilainen 22

23 Polttoaineiden ominaisuuksia Lämpöarvo Tiheys Kosteus Tuhkapitoisuus Alkuaineanalyysi Haihtuvien osuus Tuhkan sulamiskäyttäytyminen 23

24 Lämpöarvo Tärkein polttoaineen ominaisuus on lämpöarvo. Se ilmoittaa poltettaessa vapautuvan lämpömäärän Lämpöarvo ilmoitetaan tavallisesti alempana lämpöarvona jolloin oletetaan palaessa muodostuvan veden Lämpöarvo mitataan kalorimetripommilla, jossa polttoainenäytteen lämpö siirretään veden lämmittämiseen Polttoaine MJ/kg(ka) Öljy 38 Hiili 28 Maakaasu 42 Turve 23 Mustalipeä 12 Kuori, puru ym. 11 Puun pienpoltto 11 24

25 Pommikalorimetri 25

26 Alempi ja ylempi lämpöarvo LHV MJ kg = HHV * 2 H x x MJ kg Alempi lämpöarvo saadaan vähentämällä ylemmästä lämpöarvosta Polttoaineen sisältämän vedyn palaessa syntyneen veden lauhtumislämpö Polttoaineen sisältämän veden lauhtumislämpö 26

27 Kosteus Kosteus (polttoaineen sisältämä vesi) vaikuttaa polttoaineen palaessa luovuttamaan lämpömäärään Ei ole yksikäsitteistä tapaa määrittää polttoaineen vesipitoisuutta, koska vesi voi sitoutua eri tavoin Tyypillisesti vesipitoisuus määritetään kuivaamalla polttoainenäytettä vakiolämpötilassa (105 o C), vakioajan (24 h) ja määrittämällä painon vähenemä Polttoaine Kosteus % Öljy 0 Hiili 2 Maakaasu 0 Turve 55 Mustalipeä 20 Kuori, puru ym. 50 Puun pienpoltto 30 27

28 Tuhkapitoisuus Polttoaineen tuhkalla tarkoitetaan sitä epäorgaanista osuutta polttoaineesta joka jää jäljelle poltettaessa Tuhka määritetään polttamalla näyte vakiolämpötilassa (815 o C 500 o C) ja määrittämällä painon vähenemä Oikeassa poltossa voivat tuhkan ominaisuudet poiketa vakiolämpötilapolton arvoista Polttoaine Tuhka %-ka Öljy <0.1 Hiili 3 Maakaasu 0 Turve 5 Mustalipeä 55 Kuori, puru ym. 0.5 Puun pienpoltto

29 Alkuaineanalyysi Alkuaineanalyysillä tarkoitetaan polttoaineen palavan osan alkuainejakaumaa Tärkeimmät ovat C hiili H vety O happi S rikki N typpi 29

30 Haihtuvien osuus Haihtuvilla tarkoitetaan sitä osaa polttoaineesta, joka kaasuuntuu polttoainetta kuumentaessa Haihtuvat määritetään laittamalla näyte vakiolämpötilaiseen uuniin (900 o C) vakioajan (7 min) ja määrittämällä painon vähenemä Oikeassa poltossa voi haihtuvien määrä poiketa standardimäärityksen arvoista merkittävästikin Polttoaine Haihtuvat-% Öljy 100 Hiili 34 Maakaasu 100 Turve 72 Mustalipeä 30 Kuori, puru ym. 85 Puun pienpoltto 87 30

31 Lämpöarvo vs. haihtuvat Esa Vakkilainen Saastamoinen 2009

32 Tuhkan sulamiskäyttäytyminen Polttoaineen tuhkalla on merkitystä kattilan likaantumisen hallinnassa, tuhkan poiston suunnittelussa ja leijukerroskattilan keon pitämisessä leijuvana Tyypillisesti tuhkalle määritetään pehmenemispiste ja sulamispiste Määritys tehdään lämmittämällä tuhkaa uunissa ja tarkkailemalla sen käyttäytymistä lämpötilan noustessa 32

33 Raskasmetallit ja halonit Ympäristösyistä on usein tarpeen määritellä polttoaineen sisältämät raskasmetallit (Cr, Cd, As, Cr, V ) jotka aiheuttavat polton jälkeisessä muodossa ongelmia eliöstöille Samoin ongelmallisia ovat fluori ja elohopea Kaikissa polttoaineissa vain pieniä, mutta merkittäviä määriä 33

34 Palaminen

35 Palaminen Palamisella (poltto) tarkoitetaan lämpöä tuotavaa kokonaisreaktiota kun polttoaine ja hapetin reagoivat keskenään Palamisreaktio tuottaa yleensä lämpöä ja valoa Tyypillisesti hapetin on ilma tai happikaasu Yleensä palamisen lopputuote on kaasumainen Kontrolloimaton palaminen voi johtaa räjähdykseen 35

36 Liekki putkessa

37 Ilmakerroin Ilmakertoimella saadaan stökiömetrisen palamisen ylittävä todellinen polttoilmamäärä Termodynaaminen tasapaine edellyttää aina palamisen välituotteiden muodostumista Öljyn ja kaasun poltossa on ilmakerroin matala 1,03 1, 05 Biopolttoaineiden poltossa on ilmakerroin korkeahko 1,10.. 1,15 Ilmakertoimen määrää sallittu palamisen välituotteiden määrä savukaasuissa (CO-pitoisuus esim. <200 ppm.) 37

38 Palaminen pesässä on sekasortoista From, Mitsubishi Heavy Industries Ltd 38

39 Syttyminen Syttyminen vaatii sopivan polttoaine-ilmaseoksen Pelkkä polttoaine ei pala Pelkkä ilma ei pala Lisäksi vaaditaan riittävä syttymisenergia Itsesyttymislämpötilat yleensä useita satoja asteita Pöly syttyy yleensä helposti 39

40 Sammuminen Yleensä liekin palamista pyritään varmistamaan Energiaa tuodaan liekkiin säteilemällä (muuraus) Energiaa tuodaan liekkiin kuumia kaasuja kierrättämällä Pidetään yllä apuliekkiä Jos virtaus liian suuri, liekki voi karata 40

41 Palamisen vaiheet Kuivuminen Haihtuvien vapautuminen Hiiltojäännöksen palaminen Tuhkareaktiot 41

42 Kuivuminen Polttoaineen joutuessa tulipesään se alkaa lämmetä Lämpö alkaa höyrystää polttoainepartikkelissa olevaa vettä Veden höyrynpaine nousee Vesi poistuu huokoisen polttoaineen läpi H 2 O 42

43 Haihtuvien palaminen Polttoaineen lämpötilan noustessa pienimolekyyliset yhdisteet höyrystyvät Heikot sidokset hajoavat lisäten pienimolekyylisiä yhdisteitä Kaasujen paine nousee Kaasut poistuvat huokoisen polttoaineen läpi Liekki pinnalla CH 4, CH 3 OH, CO, CO 2,H 2 O 43

44 Hiiltojäännöksen palaminen Polttoaineen lämpötilan edelleen noustessa yhdisteet joissa vetyä ovat poistuneet Polttoaine sisältää pääosin hiiltä Jäljelle jäänyt hiili reagoi hitaasti; CO-kaasutus, H 2 O- kaasutus, reaktiot hapen kanssa, Kaasut poistuvat huokoisen polttoaineen läpi Hehkuva partikkeli CO, CO 2 44

45 Tuhkareaktiot Hiilikin on pääosin palanut pois Jäljellä epäorgaaninen aines Fe, SO 4, CO 3, Mg, Si, Ca, Epäorgaaninen aines voi jatkaa reagointia esim. hapettumista Tuhkapartikkeli 45

46 Polttotapojen vertailu Kiinteät polttoaineet

47 Kuplaleijukerroskattilan toiminta BFB leijutus öljyn poltto - sytytys biomassan poltto Esa K. Vakkilainen 47

48 Kuplapeti Forssan Energia Oy Foster Wheeler, 66 MWth BFB, Kuori, sahanpuru ja hake From, Peltola et al., 1999

49 Suspensiopoltto leijukerroksessa Polttoaineita Sekapoltto Hiili Kuori+turve+lietteet Isot yksiköt > 100 MW th Sähkön tuotanto From Metso Power 49

50 CFB kiertoleijupeti 385 MWth, 125 MWe, 149 kg/s, 115 bar(a), 550 C Kaukaan Voima Oy Lappeenranta, Finland

51 CFB KATTILA Kaukaan Voima Oy, Lappeenranta, Finland HÖYRYN ARVOT POLTTOAINEET Kokonaislämpöteho Total Heat Output Höyryvirta Steam Flow Höyryn Steam Pressure paine Höyryn Steam Temperature lämpötila Syöttöveden Feedwater Temperature lämpötila 385 MWth 149 kg/s 115 bar(a) 550 C 213 C Rikki Typpi Kosteus Tuhka LHV Biomassa 0.05% 0.6% 48.0% 2.5% 9.2 MJ/kg Turve 0.2% 1.9% 45.0% 5.0% 11.3 MJ/kg AIKATAULU Contract Lupa myönnetty Award Start Asennuksen of Erectionaloitus Commercial Kaupallinen Operation käyttö April March February TAKUUARVOT, O 2 6% kuivat kaasut Biomassa 149 C 91% Savukaasun lämpötila Kattilan hyötysuhde Päästöt -Nox -SO2 -CO Pöly 150 mg/nm³ 200 mg/nm³ 200 mg/nm³ 20 mg/nm³ Turve (75%) 140 C 150 mg/nm³ 200 mg/nm³ 200 mg/nm³ 20 mg/nm³

52 Leijukerrospalaminen Kaikki polttoaineen lämpö voidaan käyttää palamisen ylläpitämiseen Tulipesän pohjalla oleva paksu hiekka/tuhkakerros auttaa ylläpitämään stabiilia palamista. Kuuma peti kuivaa ja polttaa haihtuvat aineet tehokkaasti, pienet polttoainehiukkaset palavat loppuun pedin päällä sekundääri-ilmalla Jäännöskoksi ja isot polttoainepartikkelit palavat hiekka/tuhkakerroksessa. Sopii polttoaineille joilla lämpöarvo ja kosteus vaihtelee kuten; kuori, hake, sahanpuru, metsätähde, turve, olki, kierrätyspolttoaine, siistausjäte, puhdistamoliete, yms. Isoilla kiertoleijukattiloilla myös hiilen polttoa aina 550 MWe asti Etuna alhaiset päästöt Esa K. Vakkilainen 52

53 Arinapoltto Arinapoltossa palaminen tapahtuu kiinteässä polttoainekerroksessa/patjassa Lähes aina ilmaa puhalletaan arinan läpi Loppuunpalaminen tapahtuu arinan yläpuolella lisäilmasuihkujen ansiosta Esa K. Vakkilainen 53

54 Arinapoltto Kuivuminen Haihtuvien palaminen Koksin palaminen Tuhkareaktiot Esa K. Vakkilainen 54

55 Pohjasyötteinen kekoarina Polttoaineita Kuori Hake Metsätähde Yksiköt < 30 MW th Lämmön tuotanto CHP MW-Biograte

56 Arinapoltto Polttoaineen lämpöä pitää kierrättää kuivumisen aikkansaamiseksi Arinalla oleva paksu polttoainekerros auttaa ylläpitämään stabiilia palamista. Jäännöskoksi ja isot polttoainepartikkelit ongelmia Sopii polttoaineille joilla lämpöarvo ja kosteus tasainen kuten; kuori, hake, sahanpuru Sopii jättenpolttoon koska ei arka isoille kappaleille Aikanaan tehty myös hiilen polttoa aina 150 MWe asti Etuna halvempi hinta Esa K. Vakkilainen 56

57 Polttotapojen vertailu Maakaasun ja öljyn poltto - Poltinpoltto

58 Polttolaitteet Poltinpoltto - yksittäinen poltin jossa liekki Öljy ja kaasu Poltinpoltto poltinjärjestelmät, suspensio Hiilen pölypoltto Poltinpoltto ruiskutus, suspensio Öljyn poltto 58

59 Tulitorvi-tuliputki kattila yksi poltin Poltin tulitorven päässä From, Aalborg Industries,

60 Kaasupoltin kattilan seinällä 60

61 Polttimet kattilan seinällä Yhdellä tai useammalla tasolla Liekin mitta määrää Pääsääntöisesti polttimet ovat symmetrisesti keskiviivan suhteen Erityisesti kaasu/öljykattiloissa 61

62 Etuseinäpolttimia 1000 MWe kattila From, Babcock Hitachi 62

63 Kaasumainen polttoaine Kaasumaisessa polttoaineessa on vesi jo höyrynä joten kuivuminen jää pois Hiiltojäännöstä ei muodostu Tuhkaa ei ole Palaminen on pelkästään kaasureaktioita Voidaan polttaa halvalla ja edullisesti liekissä Pienet päästöt Haittana polttoaineen korkea hinta 63

64 Öljy Öljyssä palaminen tapahtuu ilman kuivumisvaihetta (vesipitoisuus pieni) Lämpö kaasuttaa pinnalta hiilivetyjä, jotka palavat liekillä Hiiltojäännös on yleensä pieni ja palaa nopeasti Tuhkaa ei juurikaan ole Voidaan edullisesti polttaa poltinpolttona Haittana polttoaineen kallis hinta ja rikkipitoisuus 64

65 Esa Vakkilainen 65

66 Palamisreaktiot Palamisreaktiolla tarkoitetaan kemiallista yhtälöä jossa kuvataan polttoaineen ja hapen lämpöä tuottavaa reaktiota Palamisreaktio on moolipohjainen Hiili reagoi hapen kanssa muodostaen hiilidioksidia C + O CO

67 Palamisreaktiot Palamisreaktio voidaan kirjoittaa myös polttoaineen oletetulle koostumukselle CH + 2 O CO + 2H O C H + x + y O 4 xco y 2 H x y O 67

68 Yleinen palamisyhtälö ( ) ,77 2 3, zo N x z y w v u yso O H w uco N O z y w v u S N O H C y x w v u Esa Vakkilainen

69 Stökiömetrinen palaminen Stökiömetrisellä palamisella tarkoitetaan ideaalista palamista jossa polttoaineen palavat komponentit reagoivat täydellisesti ideaaliseen lopputuotteeseen Stökiömetrisellä ilmamäärällä tarkoitetaan stökiömetrisen palamisen vaatimaa ilmaa 69

70 Moolipainoja C 12,011 CO 28,010 CO 2 44,010 H 2 2,014 H 2 O 18,0153 N 2 28,0134 O 2 31,9988 S 32,065 SO 2 64,065 70

71 Kuiva ilma merenpinnan tasolla Yhdiste Tilavuusosuus Typpi N % Happi O % Argon Ar % Hiilidioksidi CO % Neon Ne % Metaani CH % Helium He % Krypton Kr % Vety H % Xenon Xe % Yksinkertaisimmillaan oletetaan ilman olevan sekoitus 1 osa O 2 ja 3,77 osaa N 2 71