PUUHIILEN KÄYTTÖ MASUUNISSA: ENERGIATASEIDEN, YMPÄRISTÖKUORMAN JA TALOUDELLISUUDEN ARVIOINTI

Transkriptio

1 PROSESSI- JA YMPÄRISTÖTEKNIIKAN OSASTO PROSESSIMETALLURGIAN LABORATORIO Hannu Suopajärvi PUUHIILEN KÄYTTÖ MASUUNISSA: ENERGIATASEIDEN, YMPÄRISTÖKUORMAN JA TALOUDELLISUUDEN ARVIOINTI Biomass raw material Thermochemical conversion Bio-based reducing agent Forest chips Industrial chips Energy crops Demolition wood Pulp mill residues Slow pyrolysis Torrefaction Fast pyrolysis Gasification Gasification + Methanation Charcoal Torrefied biomass Bio-oil Synthesis gas Synthetic natural gas Torrefied biomass, charcoal Biomass Coking plant Coal Biocoke BIOREDUCER: BIOMATERIAPOHJAISEN PELKISTYSAINEEN MAHDOLLISUUDET 2013

2 PROSESSI- JA YMPÄRISTÖTEKNIIKAN OSASTO PROSESSIMETALLURGIAN LABORATORIO Hannu Suopajärvi Puuhiilen käyttö masuunissa: Energiataseiden, ympäristökuorman ja taloudellisuuden arviointi Bioreducer: Biomateriapohjaisen pelkistysaineen mahdollisuudet

3 ESISANAT Tämä raportti on tehty osana Bioreducer Biomateriapohjaisen pelkistysaineen mahdollisuudet projektia ja kuuluu työpakettiin (WP) 4: Biomateriapohjaisten pelkistinaineiden käyttötutkimukset. Bioreducer-projekti on Oulun yliopiston prosessimetallurgian laboratorion (PYOMET) koordinoima hanke, joka toteutettiin välisenä aikana. Bioreducer hanke kuului Tekesin Biorefine-ohjelmaan. Hankkeessa oli mukana laaja kirjo pien- ja suuryrityksiä sekä muita yhteistyötahoja. Työn vastuullisena johtajana PYOMET:ssa oli professori Timo Fabritius. Projektin pääasiallisena tutkijana ja projektipäällikkönä toimi Hannu Suopajärvi. Kokeellisessa työssä on ollut mukana Mikko Iljana, Juho Haapakangas ja Tommi Kokkonen. Projektissa mukana olleet yritykset ovat: Gasek Oy, Lassila & Tikanoja Oyj, Mustavaaran Kaivos Oy, Naturpolis Oy, Pohjolan Voima Oy, Rautaruukki Oyj, Sievin biohake Oy ja Suomen biosähkö Oy. Lisäksi mukana on ollut Taivalkosken kunta ja Pohjois-Pohjanmaan liitto sekä Tekes. Projektin aikana johtoryhmätyöskentely oli onnistunutta ja osanotto erittäin aktiivista. Yhteistyö TIE-hankkeen (Taivalkosken Innovatiiviset Energiaratkaisut) kanssa toi Bioreducer-projektiin laajuutta entisestään ja kontakteja laajemmin bioenergian kanssa työskentelevien tahojen kanssa. Bioreducer-projektin vastuullisena johtajana ja projektin vastuullisena tutkijana haluamme kiittää kaikkia projektin osapuolia antoisasta yhteistyöstä. Erityiskiitos kuuluu projektin suurimmalle rahoittajalle, Tekesille, jonka tuki EAKR-rahoituksen muodossa oli korvaamaton. Oulussa Prof. Timo Fabritius Hankkeen vastuullinen johtaja DI Hannu Suopajärvi Hankkeen päätutkija 3

4 SISÄLLYSLUETTELO ESISANAT... 3 SISÄLLYSLUETTELO JOHDANTO OSA I: PUUHIILEN TUOTANTO INTEGROIDUN TERÄSTEHTAAN YHTEYDESSÄ: ENERGIATASEIDEN JA YMPÄRISTÖKUORMAN ARVIOINTI Integroidun terästehtaan mallinnus Factory ohjelmisto Systeemikuvaus Prosessimallinnus Masuunimalli Cowpermalli Koksaamomalli Kalkinpolttamo Konvertterimalli Jatkokäsittelyprosessit Valssaus Rautapitoisten rejektien käsittely Voimalaitos Hiiltämö Tulokset Masuunisimuloinnin tulokset Perusskenaarion simulointitulokset Puuhiilen injektointi masuuniin Tehtaanlaajuiset vaikutukset: Puuhiili tuotettu tehdassysteemin ulkopuolella Tehtaanlaajuiset vaikutukset: Puuhiili tuotettu tehdassysteemin sisäpuolella Yhteenveto ja tulosten tarkastelu OSA II: PUUHIILEN TUOTANTOKUSTANNUKSET I Johdanto Kustannukset puuhiilen tuotannon toimitusketjun eri vaiheissa Puuhiilen tuotannon kokonaiskustannukset Puuhiilen kilpailukyky verrattuna fossiilisiin pelkistimiin CO 2 päästökauppa huomioon ottaen Johtopäätökset OSA III: PUUHIILEN TUOTANTOKUSTANNUKSET II Johdanto Systeemikuvaus Raaka-aine Kuivaus Hidas pyrolyysi Sivutuotteiden hyödyntäminen Puuhiilen tuotannon kustannukset Raaka-aineen hinta Pääomakustannukset Muuttuvat käyttökustannukset Kiinteät käyttökustannukset

5 4.3 Tulokset Massa- ja energiatasetarkastelu Tuotantokustannukset Herkkyysanalyysi Sivutuotteiden hyödyntämisen vaikutukset Puuhiilen tuotantokustannusten vertaaminen fossiilisiin pelkistimiin Johtopäätökset JOHTOPÄÄTÖKSET LÄHTEET

6 1. JOHDANTO Suurin osa maailmassa tuotetusta teräksestä tuotetaan integroiduissa terästehtaissa. Integroitu terästehdas koostuu yleisesti masuuneista, terässulatoista ja valssaamoista. Integroiduissa terästehtaissa voi lisäksi olla oma koksaamo, sintraamo/briketöintilaitos, voimalaitos ja useita esikäsittelytoimintoja. Integroidut terästehtaat ovat varsin monimutkaisia kokonaisuuksia, joissa materiaali- ja energiavirrat pyritään saamaan mahdollisimman tehokkaasti hyötykäyttöön. Esimerkiksi eri yksikköprosesseissa syntyviä prosessikaasuja (koksaamokaasu, masuunikaasu) hyödynnetään toisissa yksikköprosesseissa tai niillä tuotetaan sähköä ja kaukolämpöä. Masuuni on integroidun terästehtaan ydin. Masuunin energiankäyttö muodostaa noin 60% koko integraatin energiankulutuksesta. Energiankulutus koostuu lähinnä hiilen, jota saadaan koksista ja öljystä, käytöstä pelkistimenä. Masuuneissa käytetään maailmalla erilaisia vaihtoehtoisia pelkistimiä, joilla pyritään pienentämään neitseellisten raaka-aineiden käyttöä. Pelkistiminä käytetään koksin, kivihiilen ja öljyn lisäksi mm. muovia, koksikaasua ja jäteöljyä. Brasiliassa on toiminnassa useita masuuneja, joissa pelkistimenä käytetään metallurgisen koksin sijasta puuhiiltä. Tässä raportissa tarkastellaan puuhiilen käyttöä masuunissa pelkistimenä kahdesta eri näkökulmasta. Ensimmäisessä osiossa: Puuhiilen tuotanto integroidun terästehtaan yhteydessä: energiataseiden ja ympäristökuorman arviointi arvioidaan laskennallisesti ja simuloimalla integroituun terästehtaaseen aiheutuvia muutoksia, kun biomassa tuodaan uutena pelkistinaineena systeemiin. Mallinnus ja simulointi suoritetaan Factoryohjelmistolla. Raportissa esitetyt tarkastelut perustuvat julkaisuun Suopajärvi & Fabritius (2012). Raportin toisessa osiossa: Puuhiilen tuotantokustannukset I tarkastellaan puuhiilen tuotantokustannuksia perustuen julkaisuun Suopajärvi & Fabritius (2013a), jossa tarkastellaan energiapuun saatavuutta, raaka-aineen kilpailutilannetta ja puuhiilen tuotantokustannuksia. Tässä tapauksessa tuotantokustannukset on johdettu puhtaasti kirjallisuudesta saatavista arvioista, eikä puuhiilen tuotannossa syntyvien sivutuotteiden mahdollisesti myynnistä esimerkiksi lämmön- ja sähköntuotantoon ole tehty hyvityksiä. Raportin kolmannessa osiossa: Puuhiilen tuotantokustannukset II tarkastellaan puuhiilen tuotantokustannuksia tarkemmin kehitetyt pyrolyysilaitosmallin avulla. Tarkastelu perustuu myös olettamukseen, että puuhiilen tuotantolaitos integroidaan terästehtaan välittömään läheisyyteen, jolloin puun hiillossa syntyvät sivutuotteet voidaan hyödyntää energiantuotannossa. Osioiden 1, 2 ja 3 tarkastelut ovat toisistaan erillisiä, mutta muodostavat siitä huolimatta raporttikokonaisuuden, jossa tuodaan esille muutokset, joita biopohjaisen pelkistimen tuotanto terästehtaan yhteydessä voisi aiheuttaa prosessikaasutaseisiin ja tehtaanlaajuisiin hiilidioksidipäästöihin. Puuhiilen tuotantokustannuksiin voidaan vaikuttaa muun muassa hyödyntämällä ylimääräistä kaukolämpövettä puuperäisen biomassan kuivaukseen. 6

7 2. OSA I: PUUHIILEN TUOTANTO INTEGROIDUN TERÄSTEHTAAN YHTEYDESSÄ: ENERGIATASEIDEN JA YMPÄRISTÖKUORMAN ARVIOINTI 2.1 Integroidun terästehtaan mallinnus Biomassan käyttö raudan ja teräksenvalmistuksessa aiheuttaa muutoksia niin raaka-aine kuin energiavirroissakin. Tässä raportissa esitellään tehtaanlaajuisia muutoksia, kun biomassaa käytetään masuunissa korvaamaan osa fossiilisista polttoaineista. Työssä käytetään matemaattista mallinnusta perustuen termodynamiikkaan ja massa- ja energiataseisiin. Erityisesti tarkasteluissa painotetaan masuuniprosessille aiheutuvia muutoksia erilaisilla fossiilisen polttoaineen korvaussuhteilla. Tämän lisäksi, perustuen elinkaariarvioinneista tuttuun elinkaaridatan tuottamiseen, arvioidaan tehtaanlaajuisesti, millaisia muutoksia erilaiset biomassan käyttöskenaariot aiheuttavat Factory ohjelmisto Factory ohjelmisto on Oulun yliopistossa, Prosessimetallurgian laboratoriossa kehitetty mallinnus- ja simulaatio-ohjelmisto, jota voidaan käyttää erilaisten yksikköprosessien ja kokonaisten systeemien mallinnukseen ja simulointiin. Factory on steady-state flowsheet ohjelmisto, joka on kytkettävissä HSC- Chemistry ohjelmistoon. HSC-ohjelmisto sisältää suuren määrän termodynaamista dataa ja funktioita, joita tarvitaan korkealämpötilaprosesseja mallinnettaessa. Factoryn käyttöliittymä on esitetty kuviossa 1. Nykyisellään Factoryn oikeudet ovat Mikko Angermanilla. Kuvio 1. Factory-ohjelmiston käyttöliittymä. Factoryssa on laaja tietopankki erilaisten raaka-aineiden kemiallisista ominaisuuksista, jota voidaan hyödyntää tarkasteltaessa erilaisia raaka-aineiden ja energian käytön mahdollisuuksia. Käyttäjä voi halutessaan luoda hyvinkin laajoja kokonaisuuksia laskenta-ajan kasvamatta kovinkaan suureksi. 7

8 2.1.2 Systeemikuvaus Erilaisia operatiivisia mahdollisuuksia on arvioitu perustuen prosessimallinnukseen. Factory-simulointiohjelmistoa on käytetty mallinnus ja simulointityössä.. Prosessimallinnuksella voidaan luoda gate-to-gate dataa, jota voidaan käyttää arvioitaessa systeemin toimintaa. Systeemi, jota tutkimuksessa on tarkasteltu, on integroitu terästehdas esitettynä kuviossa 2. Pelletti Kalkkikivi CO 2 päästöt Koksi Öljy Pyrolyysilaitos Kierrätysteräs Aihiot Kuumavalssaus Kalkinpolttamo Poltettu Tehdas kalkki Koksi Koksaamo Puuhiili Raudanvalmistus Raakarauta Teräksenvalmistus Tehdasalue Masuunikaasu Koksikaasu Pyrolyysikaasu Voimalaitos Sähkö, höyry. lämpö Sähkö, lämpö Levyt, nauhat Biomassa Kivihiili Kuvio 2. Systeemirajaus (Suopajärvi & Fabritius 2012). Systeemitarkastelu perustuu yksinkertaistettuun raaka-aineiden ja energiavirtojen mallinnukseen integroidun terästehtaan systeemissä. Olemassa olevien prosessien lisäksi systeemiin on lisätty kuvitteellinen puuhiilen tuotantolaitos, jonka päätuote on puuhiili ja sivutuote synteesikaasu, jota voidaan hyödyntää voimalaitoksessa sähköntuotannossa Prosessimallinnus Simulointien pohja on matemaattisessa mallinnuksessa, jossa prosessin syötteiden ja tuotteiden välille luodaan matemaattisia riippuvuuksia. Matemaattiset riippuvuudet voivat perustua mm. termodynamiikkaan, semiempiirisiin tai empiirisiin korrelaatioihin, jakaantumiskertoimiin, massa- ja energiataseisiin. Simulaatioissa käytettyjen mallien tarkkuustaso vaihtelee, mutta tarpeen mukaan malleja voidaan edelleen kehittää vastaamaan tarkastelun tarpeita Masuunimalli Masuunimalli perustuu käsitteelliseen jakoon, jossa uuni on jaettu kahteen aktiiviseen osioon, joiden välillä on ns. terminen ja kemiallinen reservivyöhyke (kuvio 3). Prosessimalli perustuu molemmille aktiivisille segmentille erikseen lasketuille aine- ja energiataseille. Tällainen mallinnustapa on varsin yleinen ja 8

9 samaa metodia ovat käyttäneet mm. Peacey & Davenport (1979), Rasul ym. (2007) Hooey ym. (2010) ja Ziebik ym. (2008). Panos F 2 O 3, F 3 O 4, Fe, C, MgO, CaO, SiO 2, Al 2 O 3, S, CaCO 3, H 2, H 2 O Fe O, Fe, C, MgO, CaO, SiO 2, Al 2 O 3, S Huippukaasu CO, CO 2, H 2, H 2 O, N 2 Kemiallinen ja terminen reservivyöhyke Puhallusilma Pelkistimet Raakarauta Fe, C, Si, Mn, S, Ti, V, P O 2, N 2, C, H 2, S CO, CO 2, H 2, H 2 O, N 2 Lämpöhäviöt Lämpöhäviöt Kuona CaO, SiO 2, Al 2 O 3, MgO, S Kuvio 3. Skemaattinen esitys masuuniprosessista (Suopajärvi & Fabritius 2012). Mallin oletuksena on, että kaikki korkeammat oksidit (Fe 3 O 4, Fe 2 O 3 ) ovat pelkistyneet uunin yläosassa wüstiitiksi (Fe0.947O) ennen laskeutumistaan termiselle reservivyöhykkeelle. Konseptuaalinen jako kahteen osaan ja terminen reservivyöhyke perustuvat oletukseen, että termisen reservivyöhykkeen yläpuolella, lämpötiloissa alle 1200 K, hiilidioksidi (CO 2 ), jota muodostuu wüstiitin pelkistysreaktiossa (1): CO Fe O 0.947Fe CO 2 (1) ei enää reagoi hiilimonoksidiksi (CO) Boudouardin reaktion avulla. Monissa tutkimuksissa on todennettu, että masuunissa on lähes reaktion 1 mukainen tasapaino. Masuunikaasun hiilimonoksidin ja hiilidioksidin osuudet voidaan laskea tasapainovakion lausekkeesta (2), kun oletetaan, että reaktion (1) tasapaino saavutetaan kemiallisessa reservivyöhykkeessä. K e ΔGr RT a a CO2 CO p p CO2 CO X X CO2 CO 1- X X CO CO X CO 1 (1 K) (2) Termisen reservivyöhykkeen lämpötilaksi oletetaan 1200 K, mutta se on masuunimalliin kirjoitettu muuttujana, jota voidaan tarvittaessa muuttaa. 9

10 Reaktion (3) eli wüstiitin pelkistyksen Gibbsin vapaaenergia on laskettu käyttämällä HSC-chemistryn laskentarutiineja: ΔG 1200 r,co 8.26 MJ kmol CO (3) Edelleen saadaan laskettua wüstiitin pelkistysalueelta poistuvan kaasun koostumus hiilimonoksidin ja hiilidioksidin osalta (4): X gwrz and X (4) gwrz CO CO 2 Samankaltainen tasapaino voidaan olettaa myös wüstiitin pelkistykselle vedyllä (H 2 ). Sen lisäksi voidaan kirjoittaa (5): (O/Fe) xwrz 1.06 and X gwrz H2O 0.38 (5) xwrz (O/Fe) jossa on wüstiitin pelkistysalueelle sisään tulevan oksidin O/Fe molekyylisuhde (kmol O/kmol Fe) ja on vesikaasun mooliosuus wüstiitin gwrz X H2 O pelkistysalueella. Tärkeimmät ainetaseet masuunin kannalta voidaan kirjoittaa raudalle, hiilelle ja hapelle seuraavasti (6): n n n I Fe O C B O n n O Fe g C O Fe 1 x C Fe n m A C g O C (6) Esitettyjen laskentaperiaatteiden lisäksi masuunimalli ottaa huomioon esimerkiksi piin ja mangaanin pelkistyksessä vapautuvan hapen. Masuunin entalpiatasetta laskettaessa otetaan huomioon uunin lämpöhäviöt, oksidien pelkistykseen tarvittava lämpö, piin, mangaanin ym. pelkistykseen tarvittava lämpö, kuonan muodostuksen tarvitsema lämpö, hormitasolta injektoidun polttoaineen tarvitsema lämpö, jne. Masuunimalli laskee pelkistysaineen tarpeen ja tarvittavan puhallusilman määrän eri tilanteille ottaen huomioon injektoidut apupolttoaineet, happirikastuksen, jne. Lämpöhäviöt, panoksen koostumus ja happirikastus vaikuttavat pelkistysaineen määrään. Panoslaskenta on tehty mahdollisimman joustavaksi erilaisten skenaarioiden simulointia ja tarkastelua varten Cowpermalli Cowperissa lämmitetään masuuniprosessin tarvitsema puhallusilma. Noin 1/3 masuunien tarvitsemasta lämpöenergiasta tuodaan masuuniin puhallusilman lämpösisällön muodossa. Cowper-malli perustuu massa- ja energiataseeseen. Masuunikaasua poltetaan cowperin polttokuilussa. Lämpöenergia sitoutuu cowperissa oleviin tiiliin, joiden läpi kylmä puhallusilma johdetaan. Tarvittava 10

11 masuunikaasumäärä tietyn puhallusilmamäärän lämmittämiseen lasketaan ottamalla huomioon masuunikaasun lämpöarvo ja lämmittämisen tehokkuus Koksaamomalli Koksaamossa kuivatislataan kivihiiltä koksiksi. Koksin ominaisuudet riippuvat käyttävistä kivihiililaaduista, jotka eroavat toisistaan esimerkiksi haihtuvien aineiden määrän, tuhkan määrän ja haitallisten aineiden kuten rikin osalta. Koksin lisäksi koksaamosta saadaan sivutuotteena raakaa koksikaasua, josta sivutuotelaitoksella saadaan erotettua hyötykäyttöön kivihiilitervaa ja muita tuotteita. Puhdistettua koksikaasua, jonka lämpöarvo on MJ/Nm 3 käytetään polttoaineena muissa prosesseissa. Periaatteellisesti koksipatterin mallinnus on jaettu kahteen osioon. Koksipatterissa tapahtuu kivihiilen kuivatislaus. Kivihiilen jakaantuminen tapahtuu koksiin ja koksikaasuun ennalta määrättyjen konversiokertoimien avulla. Koksauksen vaatima lämpötila vaatii energiaa, joka saadaan polttamalla puhdistettua koksikaasua polttokammiossa. Tarvittava energiamäärä sisään tulevaa kivihiilimäärää kohden on otettu lähteestä Ertem & Özdabak (2005) Kalkinpolttamo Poltettua kalkkia (CaO) käytetään fluxina teräksen valmistuksessa. Sen tarkoituksena on muodostaa sopiva kuona, johon poistuu teräksessä haitallisia aineita kuten fosforia, rikkiä ja piitä. Perusperiaate kalkkikiven kalsinoinnissa on muuttaa kalkkikivi (CaCO 3 ) poltetuksi kalkiksi (CaO). Kemiallisessa mielessä kyseessä on terminen kalkkikiven hajottaminen poltetuksi kalkiksi ja hiilidioksidiksi lämmön avulla. Reaktio, joka kuvaa hajoamista on (7): CaCO lämpö CaO 3 CO 2 (7) Reaktio on endoterminen ja tarvitsee lämpöä edetäkseen. Lämpö prosessiin tuodaan polttamalla koksaamokaasua kuilussa. Muitakin polttoaineita voidaan tarvittaessa käyttää; maakaasua, öljyä tai kivihiiltä. Toimintalämpötila on yleensä noin 1100 o C, jotta hilidioksidi saadaan irrotettua kalkkikivestä. Prosessi tuottaa päästöjä polttoaineen palamisesta ja kalkkikiven hajoamisesta poltetuksi kalkiksi ja hiilidioksidiksi. Poltetun kalkin tuottaminen aiheuttaa hiilidioksidipäästöjä noin t/tcao (Ohlström & Savolainen 2005) Konvertterimalli Konvertterin pääasiallinen tehtävä on laskea raakaraudan hiilipitoisuus tasosta 4 5 p-% aina niin alhaisiin pitoisuuksiin kuin 0.05 p-% raakateräksessä. Hiilen mellotus tehdään hapen avulla, jota puhalletaan sulaan kovalla nopeudella. Happi reagoi sulassa olevan hiilen kanssa hiilimonoksidiksi, joka on hyvin eksoterminen reaktio. Ylempänä konvertterissa/huuvassa hiilimonoksidi reagoi edelleen atmosfäärissä olevan hapen kanssa muodostaen hiilidioksidia. Hiilen poiston lisäksi konvertterissa tehdään haitallisten aineiden poistoa kuonan avulla. Nykyään konvertteria kuitenkin ajetaan enemmän mellotuskoneena, sillä teräksen jatkokäsittelyprosessien kehittymisen myötä maksimaalisen tuotannon saavuttaminen on avainasemassa. 11

12 Factoryyn implementoitu konvertterimalli perustuu pääasiallisesti massa- ja energiataseisiin. Lämpötaseen avulla kontrolloidaan konvertteriin lisättävän romun, rautaharkkojen ja pellettien maksimaalista sulatusmäärää. Mallissa otetaan huomioon lämpöhäviöt seinämien läpi ja eksotermisten reaktioiden tuottama lämpö. Suurin osa sisään tulevasta lämmöstä tulee raakaraudasta, joka panostetaan konvertteriin noin 1400 o C asteisena. Simulointeja varten asetetaan haluttu lämpötila, johon teräs pitää saada jatkokäsittelyjä varten ja jotta teräs ja kuona pysyvät juoksevina. Lisälämpöä voidaan tuoda konvertteriin polttamalla lisäaineita. Konvertterissa voidaan myös suorittaa seostamista, jota sitten jatketaan jatkokäsittelyprosesseissa. Kuonan muodostamiseen tarvittavien fluksien määrä lasketaan käyttämällä Turkdoganin (1996) esittämiä semi-empiirisiä relaatioita (8,9): m poltettu kalkki m dolomiitti Si m metallinen syöte 19 B 100% tot m metallinen syöte mpoltettu kalkki B (8) (9), jossa B on kuonan emäksisyys määriteltynä B = CaO/SiO2 = 4. Poltettu kalkki on lähes puhdasta CaO: ta ja dolomiitti sisältää CaO: ta ja MgO: ta. Sopivan emäksisyyden omaavaa kuonaa tarvitaan poistamaan teräksestä epäpuhtauksia. Riippuen praktiikasta voi olla, että poltettu kalkki on ainoa kuonan emäksisyyttä säätelevä fluksi, mutta tässä mallissa sekä poltettua kalkkia että dolomiittia käytetään. Hapen tarve lasketaan hiilitaseesta ja kuonaan hapettuneiden metallien määrästä sekä mahdollisten lisäaineiden polttamisesta. Simuloinnissa oletetaan, että kaikki raakarauta, joka tulee mikseriltä konvertteriin, ei sinne päädy, vaan saantiprosentti on η BOF = Rautahäviöitä tulee mm. roiskeiden takia Jatkokäsittelyprosessit Konvertterin jälkeen integroidussa terästehtaassa on jatkokäsittelyprosesseja: senkkauuni, vakuumi CAS-OB, joissa terästä seostetaan ja käsitellään halutun loppupitoisuuden saavuttamiseksi. Teräs valetaan jatkuvavalukoneella, jossa sula teräs muuttuu kiinteäksi. Valussa tapahtuu häviöitä, jotka otetaan huomioon saantikertoimella η valu = Valssaus Kuumavalssaamossa kertaalleen jäähdytetyt aihiot kuumennetaan uudelleen lämmitysuuneissa, joissa poltetaan esimerkiksi koksaamokaasuja. Tämän lisäksi valssit käyttävät suuria määriä sähköä. Koksaamokaasun ja muiden polttoaineiden tarve on otettu saatavilla olevasta datasta ja on oletettu vakioksi kaikissa tapauksissa Rautapitoisten rejektien käsittely Valssauksessa ja muissakin yksikköprosesseissa syntyy paljon rautapitoisia rejektejä, jotka aikaisemmin on kierrätetty takaisin masuuniprosessiin sintraamon 12

13 kautta. Ruukki on kuitenkin sulkenut sintraamon vuoden 2012 lopussa, joten myös simulaatiomalliin ei ole sintraamoa mallinnettu. Sen sijaan kierrätys tapahtuu briketöinnin kautta, jotka syötetään masuuniin. Brikettejä syötetään masuuniin noin 90 kg/t raakarauta (Pisilä 2009) Voimalaitos Terästehtaan alueella oletetaan toimivan voimalaitos, joka tuottaa noin sähköä korkeapainehöyrystä turbiinin ja generaattorin avulla ja höyryä ja lämpöä prosessien tarpeisiin. Ruukin terästehtaan voimalaitos koostuu kahdesta höyrykattilasta, joiden yhteenlaskettu nimelliskapasiteetti on 295 MW. Voimalaitoksella on kaksi turbiinia, joiden nimelliskapasiteetit ovat 65 ja 21 MW (Kinnunen et al. 2008). Tässä tarkastelussa on tyydytty yksinkertaisempaan mallinnukseen. Normaalitapauksessa noin 51% tuotetusta masuunikaasusta ohjautuu voimalaitokselle poltettavaksi ja noin 5% koksikaasusta. Normaalitapauksessa voimalaitos tuottaa noin 50% tehtaan sähköntarpeesta. Loput terästehtaan sähköstä ostetaan siis markkinoilta. Sähköntuotantotehokkuuden oletetaan olevan Hiiltämö Jotta biomassa saadaan metallurgisiin prosesseihin sopivaksi kemiallisilta ominaisuuksiltaan, biomassa jalostetaan puuhiileksi. Puuhiili on hitaan pyrolyysin lopputuote. Hitaassa pyrolyysissa biomassaa kuumennetaan hapettomissa olosuhteissa eli se kuivatislataan, kuten tapahtuu myös kivihiilen koksauksessa. Puuhiilen ominaisuuksiin vaikuttavat suuresti lämpötila, paine jne. Puuhiilen ominaisuuksista tärkeimmät ovat hiilen osuus (myös haihtumaton hiili), hapen määrä ja tuhkan koostumus. Nämä yhdessä vaikuttavat myös puuhiilen lämpöarvoon, jonka tulee olla mahdollisimman korkea. Nostamalla pyrolyysilämpötilaa päästään korkeampaan hiilipitoisuuteen, mutta saannon kustannuksella. Hyvälaatuinen puuhiili injektiotarkoitukseen sisältää 80 90% hiiltä. Tällaisiin hiilipitoisuuksiin päästään, kun lämpötila on o C, jolloin puuhiilen saanto on noin 30 35%. Puuhiilen ylemmän lämpöarvon voi laskea esimerkiksi seuraavalla kaavalla (10) (Fagbemi et al. 2001): HHV(kJ/kg) C H Tuhka (O N) (10), jossa alkuaineet kiinteässä pyrolyysituotteessa (C=hiili, H=vety, O=happi, N=typpi) ja tuhka ilmoitetaan massaprosentteina. Pyrolyysin nettoenergiantarve on positiivinen, joka tarkoittaa sitä, että prosessin sivutuotteissa syntyy enemmän energiaa kuin prosessi kuluttaa. Syntynyttä sivutuotekaasua voidaan hyödyntää voimalaitoksella, synteesikaasun tuotannossa tai kemikaalien valmistuksessa. Hypoteettisen biomassan pyrolyysilaitoksen mallinnus toteutettiin hyvin yksinkertaisesti ja perustuen massa ja energiataseisiin lähinnä pyrolyysiyksikön osalta. Myös kuivaus on hyvin energiaintensiivinen prosessi, joka tässä tarkastelussa jätettiin pois. Pyrolyysiyksikön lämmöntarve tyydytettiin polttamalla osa syntyvästä pyrolyysikaasusta. 13

14 2.2 Tulokset Masuunisimuloinnin tulokset Seuraavissa osioissa on esitelty kolme erilaista skenaariota, jotka on esitetty lähteessä Suopajärvi & Fabritius (2012). Osiossa esitellään simulaatiomallin perusskenaarion tulokset koko tehtaan hiilidioksidipäästöjen osalta. Käytettävät raaka-aineet ovat normaalisti käytössä olevia. Ympäristötaakka on laskettu per funktionaalinen yksikkö (FU), joka tässä tapauksessa on yksi tonni kuumavalssattua levyä. Perusskenaarion tuloksia vertaillaan tieteellisessä kirjallisuudessa esitettyihin arvoihin, joka osaltaan toimii myös validointiperusteena. Osiossa esitellään tarkemmin puuhiilen vaikutuksia masuuniprosessin toimintaan. Osiot ja esittävät puuhiilen käytöstä aiheutuvia tehtaanlaajuisia vaikutuksia käyttämällä hyväksi energiatasapainoja ja gate-to-gate elinkaari-inventaaria Perusskenaarion simulointitulokset Hiilidioksidipäästöt laskettiin kuvioissa 1-2 esitetylle systeemille. Saatuja arvoja vertailtiin saatavissa olevaan dataan, joka on esitetty tieteellisessä kirjallisuudessa ja joissa on käytetty samanlaisia systeemirajauksia. Yksityiskohtaisen kuvauksen CO 2 päästölähteistä on esittänyt Birat (2009). Myös Iosif ym. (2008, 2010) ovat esittäneet CO 2 inventaarin integroidulle terästehtaalle. He ovat verranneet hiilidioksidipäästöjä, jotka on saatu olemassa olevalta terästehtaalta, heidän mallinnuksestaan ja datasta, joka on saatu World Steel Associationilta, joka kerää päästötietoja maailmanlaajuisesti. Toiminnallinen yksikkö sekä Iosifin että Biratin tarkasteluissa oli yksi tonni kuumavalssattua teräskela. Raportoituja hiilidioksidipäästöjä näistä lähteistä on vertailtu simuloimalla saatuihin tuloksiin (taulukko 2). Taulukko 2. CO 2 päästöt simulointimallilla laskettuna ja verrattuna kirjallisuuslähteisiin (Suopajärvi & Fabritius 2012). CO 2 päästöt [kg/fu] Tämä työ 1780 Tehdas data, (Iosif et al. 2008) 1949 Mallinnus, (Iosif et al. 2008) 1740 IISI, (Iosif et al. 2008) 2007 Tehdasdata, (Birat 2009) 1815 Edelleen hiilidioksidipäästöjä prosesseittain, ja vertailtuna kirjallisuudessa esitettyihin arvoihin on esitetty kuviossa 4. Vertailu on tehty dataan, jonka ovat esittäneet Iosit ym. (2008) ja Birat (2009). Kuvio 4 esittää seikkaperäisemmin hiilidioksidilähteet ja niiden kokonaisjakaantumisen integroidussa terästehtaassa. Tässä työssä suurimmat hiilidioksidipäästöt aiheutuvat masuunista; 660 kg/fu. Puhallusilman lämmittäminen cowpereissa masuunikaasulla aiheuttaa hiilidioksidipäästöjä 237 kg/fu. Voimalaitos, joka käyttää masuunikaasua ja jonkin verran koksaamokaasua, tuottaa 324 kg hiilidioksidia toiminnallista yksikköä kohden. 14

15 Tehdasdata, (Birat 2009) IISI, (Iosif et al. 2010) Mallinnus (Iosif et al. 2010) Tehdasdata, (Iosif et al. 2010) Tämä työ Muut Fakkeli Voimalaitos Kuumavalssaamo Konvertteri Cowper Masuuni Kalkinpolttamo Sintraamo Koksaamo kg CO 2 /FU Kuvio 4. CO 2 päästöt simuloiduista gate-to-gate-prosesseista verrattuna kirjallisuudessa esitettyihin arvoihin (Suopajärvi & Fabritius 2012). Merkille pantavaa, vertailtaessa hiilidioksidipäästöjä kirjallisuuden arvoihin, on se että prosesseittain ne vaihtelevat hyvin paljon, vaikka kokonaispäästöt ovat samaa luokkaa. Erot johtuvat hyvin todennäköisesti siitä, että eri tapauksissa on käytetty erilaisia polttoaineita. Esimerkiksi masuunikaasun polttaminen aiheuttaa suuremmat hiilidioksidipäästöt kuin koksikaasun polttaminen. Myös prosessiketju voi olla hieman erilainen. Esimerkiksi tässä työssä ei ole mallinnettu ja simuloitu lainkaan sintraamoprosessia, mutta sellainen on muissa vertailun tapauksissa. Päästöjen allokointitapa todennäköisesti vaikuttaa tuloksiin eniten. Hiilidioksidipäästöjen allokointi on yksi elinkaariarvioinnin ratkaisevista vaiheista. Elinkaari-inventaarissa kaikkia päästöjä ja raaka-aineen kulutusta ei voida allokoida päätuotteelle, mikäli päätuotteen lisäksi syntyy muitakin hyödynnettäviä tuotteita. Tällainen tapaus on teräksen valmistuksessa. Päätuotteen eli teräksen lisäksi syntyy hyödynnettäviä kuonia, tervaa, energiapitoisia kaasuja, joille voidaan allokoida ympäristökuormaa. Tässä tutkimuksessa on pyritty tietoisesti välttämään elinkaari kuorman allokointia eri ulostuloille, vaikkakin se on mahdollista. Sen sijaan hiilidioksidipäästöt on allokoitu prosessille siten että ainoastaan prosessissa syntynyt hiilidioksidi luetaan kyseiselle prosessille ominaispäästöksi. Eli esimerkiksi voimalaitoksella masuunikaasun poltossa ainoastaan CO konversio CO 2 : ksi luetaan voimalaitoksen ominaispäästöksi Puuhiilen injektointi masuuniin Puuhiilen mekaaninen kestävyys ei ole riittävä korvatakseen masuuniin ylhäältä panostettavaa koksia moderneissa, suurissa masuuneissa. Korvaus ei ole mahdollista ainakaan suuressa mittakaavassa, mutta pieniä määriä (20 kg/trr) 15

16 Koksimäärä [kg/t] voisi olla mahdollista käyttää. Sen sijaan puuhiiltä voidaan injektoida hormitasolta pulverisoidun kivihiilen tapaan. Kirjallisuudessa on raportoitu, että puuhiili-injektiossa on päästy kg/t raakarautaa tasoon Brasiliassa, jossa on käytössä ns. minimasuuneita (Mathieson 2011). Puuhiilen kemialliset ominaisuudet vertautuvat varsin hyvin fossiiliseen kivihiileen, joiden ominaisuuksien ollessa jopa paremmat. Simuloinnissa käytetyt arvot puuhiilen kemialliselle koostumukselle on otettu lähteestä Babich ym. (2010): hiili 88.3%, vety 2.7%, happi 8.4%, typpi 0.2, rikki 0.03%, kosteus 1.2% ja tuhkapitoisuus 0.6%. Erikoisraskaan polttoöljyn koostumus on seuraavanlainen: hiili 87.0%, vety 10.45% ja rikki 2%. Koksi, jonka kemiallinen koostumus määräytyy simuloinnissa valittujen kivihiililajien mukaan, on koostumukseltaan seuraavanlainen: hiili 87.2%, rikki 0.7% ja tuhkapitoisuus 11.5%. Raaka-aineiden koostumuksella on suuri merkitys masuunin toimintaan ja myös sen tarvitsemaan pelkistysaineen määrään. Yksi oleellisimmista parametreista, kun arvioidaan eri polttoaineiden vaikutusta tarvittavan pelkistysaineen määrään, on koksin korvaamissuhde (coke replacement ratio, RR). Korvaussuhteet ERP: lle ja puuhiilelle koksin suhteen laskettiin masuunimallin oletuksien mukaisesti. Laskettaessa korvaussuhdetta kaikki panos parametrit pidettiin muuttumattomina lukuun ottamatta puhallettavan hapen määrää. Liekin lämpötilaa pidettiin korvaussuhteita määritettäessä kontrolliparametrina ja se pidettiin vakiona happirikastuksella. Kuviossa 5 esitetään miten ERP ja puuhiili vertautuvat koksiin pelkistysaineena Puuhiili [kg/t] Erikoisraskas polttoöljy [kg/t] Injektoitu pelkistin [kg/t] Kuvio 5. Koksin kulutus hormeilta injektoitavan apupolttoaineen funktiona (Suopajärvi & Fabritius 2012). Simulointitulosten mukaan korvaussuhde puuhiilelle koksia kohtaan on Vastaavasti ERP: n korvaussuhde koksiin verrattuna on Eli jos masuuniprosessissa halutaan korvata yksi kilo koksia puuhiilellä, tarvitaan sitä 1.03 kiloa. Korvattaessa yksi kilo koksia ERP: llä, tarvitaan sitä 0.89 kiloa. Kun vertaillaan puuhiilen ja ERP: n keskinäistä suhdetta, voidaan laskea, että yhden ERP kilon korvaaminen vaatii noin 1.15 kiloa puuhiiltä. Geerdes ym. (2009) ovat esittäneet koksin korvaussuhteelle (koksi, jossa 87.5% hiiltä) seuraavanlaisen kaavan (11): 16

17 RR 2 C %(kivih.) 2.5 H %(kivih.) 2 kosteus %(kivih.) tuhka %(kivih.) (11) Kuten masuunisimuloinnissakin yllä oleva kaava on johdettu masuunin massa ja energiataseesta. Kuten tiedetään korvaussuhteeseen vaikuttavat hiili- ja vetypitoisuus, tuhkapitoisuus, sidosten hajottamiseen tarvittava lämpö, jne. Toinen tärkeä kontrolliparametri masuuniprosessissa on adiabaattinen liekin lämpötila (AFT). Liekin lämpötilaan vaikuttavia tekijöitä ovat mm. hormeilta injektoitavan apupolttoaineen määrä, happirikastus, puhallusilman lämpötila, jne. Kuviossa 6 on esitetty, miten puuhiilen ja ERP: n injektoiminen vaikuttavat adiabaattiseen liekin lämpötilaan. Injektoiden hapen määrä pidettiin koko ajan 54.9 Nm 3 /t raakarautaa. Malli sen sijaan laskee tarvittavan puhallusilman ja sitä kautta happirikastuksen määrän erikseen kullekin tapaukselle. Adiabaattinen liekin lämpötila (oc) Erikoisraskas polttoöljy Puuhiili Injektoitu pelkistin [kg/t] Kuvio 6. Injektoitavan polttoaineen vaikutus adiabaattiseen liekin lämpötilaan. Valitut parametrit masuunimallin simuloinnista on esitetty taulukossa 3. Ensimmäinen tapaus (Perustapaus) kuvaa perinteistä masuunin ajoa, jossa injektoitavana apupolttoaineena on ERP. Toinen tapaus kuvaa tilannetta, jossa injektoidaan puuhiiltä ERP: n sijasta korvaussuhteen määrittämän verran. Kolmannessa tapauksessa puuhiilen määrää on edelleen nostettu, 150 kg/t raakarauta. Malliin itse määritettävät parametrit pidettiin eri simulaatioissa mahdollisimman muuttumattomina, kuitenkin niin että liekin lämpötila ja kuonan emäksisyys saatiin pidettyä sopivalla tasolla. Taulukko 3. ERP: n ja puuhiilen injektoinnin vertailua masuuniprosessin kannalta (Suopajärvi & Fabritius 2012). Öljy perustapaus Puuhiili tapaus 1 Puuhiili tapaus 2 Panos, kg/t raakarauta pelletti briketti Konvertterikuona Masuuniromu Kalkkikivi Kvartsi

18 Kuonan emäksisyys Injektantit Puhallus lämpötila, o C happirikastus% Puhallusmäärä. Nm öljy/puuhiili, kg/trr Lasketut Koksimäärä kg/trr Kuonamäärä kg/trr Huippukaasu til. (kuiva) Nm 3 /trr CO 2 % CO% H 2 % N 2 % lämpöarvo, MJ/Nm Liekin lämpötila, o C Taulukossa 4 on esitetty hiilitase taulukossa 3 esitetyille tapauksille. Merkillepantavaa on se, että vaikka kokonaishiilidioksidipäästöt kasvavat masuuniprosessin osalta niissä tapauksissa, joissa puuhiiltä käytetään, fossiiliset CO 2 -päästöt pienenevät merkittävästi. Taulukko 4. Hiilitase masuunille (Suopajärvi & Fabritius 2012). Hiili sisään Öljy perustapaus Puuhiili tapaus 1 Puuhiili tapaus 2 Hiili sisään C koksissa, kg/trr C öljyssä, kg/trr C puuhiilessä, kg/trr Kokonais C sisään, kg/trr kg CO 2 (pelkistimet)/trr kg CO 2 (yhteensä)/trr Puuhiili CO 2 -neutraali fossiilinen C sisään kg/trr kg CO 2 /trr Hiili ulos C huippukaasussa kg /trr CO 2 huippukaasussa kg/trr C/trr C raakaraudassa, kg/trr Kokonais C ulos, kg/ trr kg CO 2 (yhteensä)/trr Tulokset masuunisimuloinnista osoittavat että suurimmat erot perusskenaarion ja Puuhiili tapaus 1: sen välillä ovat muutokset puhallusilman määrässä, joka laskee 944 Nm 3 : sta 922 Nm 3 : n per tuotettu raakarautatonni. Puhallusilman määrä edelleen laskee tapauksessa, jossa puuhiilen määrää lisätään (Puuhiili tapaus 2), mutta muutokseen vaikuttaa myös puhallusilman nostettu lämpötila ja sallittu laskema liekin lämpötilassa. Kuonan määrä pienenee perusskenaarion 190 kg: sta 188 kiloon Puuhiili tapaus 1: ssä ja 186 kiloon Puuhiili tapaus 2: ssa. Tuotetun masuunikaasun määrä laskee myös varsin selvästi. Pienenevä kuonan ja kaasujen 18

19 määrä prosessissa merkitsee sitä, että masuuniprosessin tuottavuus nousee. Samankaltaisen efektin ovat raportoineet myös Babich ym. (2010). Puuhiilen käyttö apupolttoaineena pienentää masuunikaasun määrää ja sen lämpöarvoa. Tämä merkitsee perusskenaarion ja Puuhiili tapaus 1: sen välillä masuunikaasun vähenemää 4822 MJ/FU: sta 4326 MJ/FU: een, joka on noin 10.3% vähenemä. Energian vähenemän korvaa kuitenkin se, että masuuniprosessin tuottavuus nousee Tehtaanlaajuiset vaikutukset: Puuhiili tuotettu tehdassysteemin ulkopuolella Puuhiili tapaus 1: ssä puuhiili on tuotettu tehtaan rajojen, esitetty kuviossa 1, ulkopuolella. Tämä tarkoittaa sitä, että tehdastasolla ainoa materiaaleihin liittyvä muutos on ERP: n muutos puuhiileksi. Tämä aiheuttaa varsin maltillisia tehtaanlaajuisia muutoksia. Masuunikaasun laskeva energiasisältö kuitenkin muuttaa tehtaan energiatasapainoa jonkin verran. Masuunikaasun käytön energiajakauma on esitetty kuviossa 7, kuviossa 7 a) ERP: n käytölle ja kuviossa 7 b) puuhiilen käytölle. a) Masuunikaasu 4.82 GJ b) Masuunikaasu 4.33 GJ 37.2% Masuuni 1.84 GJ 40.8% Masuuni 1.80 GJ 50.0% Voimalaitos 2.41 GJ 46.1% Voimalaitos 2.02 GJ 10.6% Koksaamo 0.51 GJ 12.0% Koksaamo 0.51 GJ Kuvio 7. Masuunikaasun tuotanto ja käyttö: a) perusskenaariossa, b) Puuhiili tapaus 1: ssä (Suopajärvi & Fabritius 2012). Jos oletetaan, että kaikki muut prosessit käyttävät masuunikaasusta saatavaa energiaa kuten perusskenaariossa, masuunikaasun määrä, joka voidaan ohjata voimalaitokselle mm. sähköntuotantoon, laskee varsin paljon. Perusskenaariossa 2.41 GJ per toiminnallinen yksikkö menee voimalaitokselle, kun taas Puuhiili tapaus 2: ssa energiamäärä on 2.02 GJ per toiminnallinen yksikkö. Voimalaitoksen mallintamisessa tehtyjen oletusten mukaisesti tuotetun sähkön määrä tippuu 177.6: sta 152.6: een kwh/fu Tehtaanlaajuiset vaikutukset: Puuhiili tuotettu tehdassysteemin sisäpuolella Suurimmat muutokset tehtaanlaajuiseen prosessikaavioon erilaisten puuhiilien hyödyntämisskenaarioiden välillä on esitetty kuviossa 8. Skenaariossa (a) on esitettynä prosessikaavio ERP: n käytölle ja tilanteelle, jossa puuhiili on tuotettu tehtaan systeemirajojen ulkopuolella. Skenaario (b) kuvaa tilannetta, jossa biomassan pyrolyysi puuhiileksi tapahtuu systeemirajojen sisäpuolella. 19

20 (a) Koksaamokaasu Kivihiil i Koksaamo Koksi Masuunikaasu Öljy Puuhiili Masuuni Voimalaitos (b) Koksikaasu Kivihiili Koksaamo Koksi Masuunikaasu Pyrolyysikaasu Masuuni Puuhiili Pyrolyysi Voimalaitos Biomassa Kuvio 8. Yksinkertaistettu materiaalien virtauskaavio a) perusskenaariolle ja Puuhiili tapaus 1: lle, b) Puuhiili tapaus 2: lle (Suopajärvi & Fabritius 2012). Norgate ja Langberg (2009) ovat arvioineet, että sivutuotteista saatavat energiahyvitykset ovat 63.2 MJ/kg puuhiiltä, 13.4% saannolla kosteasta puusta. Puuhiilen saanto ja sivutuotteiden määrä ja laatu riippuvat hyvin pitkälle prosessointiolosuhteista. Mallinnuksessa ja simuloinnissa saatujen tulosten varjolla saatiin hyötykäytettävälle kaasulle 18.8 MJ energiasisältö per tuotettu puuhiilikilo. Noin 20% tästä energiasta käytetään pyrolyysiyksikön lämmöntarpeiden täyttämiseen. Energiamäärä, joka on käytettävissä voimalaitoksella, on 14.1 MJ per tuotettu puuhiilikilo. Hiilidioksidipäästöt, jotka aiheutuvat poltettaessa biomassaperäisiä sivutuotteita on oletettu hiilidioksidineutraaleiksi ja niitä ei ole sisällytetty tehtaan hiilidioksiditaseeseen. Integroidun terästehtaan energiatase muuttuu varsin paljon Puuhiili tapaus 2: ssa, jossa puuhiili siis tuotetaan tehtaan systeemirajojen sisäpuolella ja injektiomäärä on nostettu 145 kg/fu. Ensinnäkin masuuniprosessia varten tuotetun koksin määrä vähenee 360: sta 308: aan kiloon per toiminnallinen yksikkö. Näin ollen koksausprosessista syntyvä koksaamokaasun määrä vähenee ja samoin koksausprosessin tarvitseman energian määrä per toiminnallinen yksikkö. Toisaalta biomassan pyrolysoiminen tehdasalueella tuo uuden mahdollisuuden käyttää hyväksi sivutuote-energiaa, jota syntyy pyrolyysissa varsin suuria määriä. Kuviossa 9 on esitetty simuloidun systeemin muutokset kaasujen tuotannossa ja käytössä toiminnallista yksikköä eli tonnia kuumavalssattua levyä kohden. Konvertterikaasut on jätetty huomiotta, koska ne eivät muutu merkittävästi tapausten välillä. 20

21 Kuvio 9. Kaasutase kolmelle mallinnetulle skenaariolle (Suopajärvi & Fabritius 2012). Perusskenaariossa tuotettujen ja tehtaan sisällä hyötykäytettyjen energiapitoisten kaasujen määrä on 7.8 GJ/FU, Puuhiili tapaus 1: ssa 7.3 GJ/FU ja Puuhiili tapaus 2: ssa 10.5 GJ/FU. Tapauksessa, jossa puuhiili tuotetaan tehdassysteemin rajojen sisäpuolella (Puuhiili tapaus 2), tarjolla on lisäenergiaa, joka pienentää integroidun terästehtaan ympäristötaakkaa. Jos oletetaan, että tapauksessa Puuhiili tapaus 2 tarjolla oleva sivuainevirtaenergia käytetään sähkön tuottamiseen tehdassysteemin sisällä sijaitsevassa voimalaitoksessa, tuotetun sähkön määrä nousisi 337 kwh/fu. Tämä sähkön määrä kattaisi lähes täysin integroidun terästehtaan sähkön tarpeen. Tässä yhteydessä on kuitenkin huomioitava, että tämä skenaario vaatisi suuria investointeja voimalaitoksen kapasiteetin kasvattamiseen. Fossiiliset hiilidioksidipäästöt vähenevät luonnollisesti kasvavan puuhiilimäärän käytön mukana. Kuviossa 10 on esitetty kokonaishiilidioksidipäästöt kolmelle tarkastellulle tapaukselle ja myöskin hiilidioksidipäästöt siinä tapauksessa, että puuhiilen poltosta aiheutuvat CO 2 - päästöt lasketaan neutraaleiksi. CO 2 -päästöt, jotka aiheutuvat pyrolyysiprosesissa ja voimalaitoksessa poltettavasta pyrolyysikaasusta, on jätetty laskennan ulkopuolelle, koska biomassan kasvuvaiheessa hiilidioksidi sitoutuu takaisin kasveihin hiileksi. Hiilidioksidipäästöjen allokointi on tehty samalla periaatteella kuin Tapauksessa Puuhiili tapaus 2 CO 2 -päästöt vähenevät kahdella tavalla. Fossiilisen hiilen määrä, joka syötetään masuuniin, vähenee, koska ERP ja osa koksista korvataan puuhiilellä. Koksin käytön väheneminen pienentää siten myös päästöjä koksaamoprosessista. Kokonaisvähenemä fossiilisissa CO 2 - päästöissä perusskenaarion ja Puuhiili tapaus 1: sen välillä on 273 kg/fu, joka on noin 15.4% vähenemä. Kokonaisvähenemä perusskenaarion ja Puuhiili tapaus 2: en välillä on sen sijaan 469 kg CO 2 /FU, joka tarkoittaa noin 26.4% vähennystä fossiilisissa hiilidioksidipäästöissä. 21

22 Kuvio 10. Kokonais- ja fossiiliset hiilidioksidipäästöt tutkituille skenaarioille (Suopajärvi & Fabritius 2012). Jos oletetaan, että integroidun terästehtaan vuosittainen kapasiteetti on 2.6 Mt kuumavalssattua levyä, CO 2 -päästöt gate-to-gate-systeemin sisällä tulisivat vähenemään 4.63 Mt: sta 3.92 Mt: iin perusskenaarion ja Puuhiili tapaus 1: sen välillä. Tämä CO 2 -päästövähenemä saavutettaisiin varsin pienillä muutoksilla tehtaan infrastruktuurissa. Kuitenkin siirtyminen erikoisraskaan polttoöljyn injektoinnista puuhiilen injektointiin vaatisi uudenlaisen injektointilaitteiston asentamisen ja mahdollisesti puuhiilen murskaus/hienonnuslaitteiston rakentamisen. Perusskenaarion ja Puuhiili tapaus 2: sen välillä CO 2 - päästövähenemä olisi huomattavasti suurempi eli 4.63 Mt: sta 3.41 Mt: iin. Tässä vaihtoehdossa muutokset tehtaan infrastruktuurissa ovat kuitenkin suuremmat, sillä pyrolyysilaitoksen rakentaminen tarvittavalle puuhiilikapasiteetille olisi varsin suuri satsaus. Kaikissa tarkastelluissa tapauksissa on pyritty pitämään masuuniin syötettävien materiaalien määrät ja suhteet varsin samankaltaisina, jotta tapausten vertaaminen keskenään olisi helpompaa. Merkittävimmät muutokset syötetyissä materiaaleissa liittyvät käytettyihin pelkistysaineisiin ja myös puhallusilman määrään. Taulukossa 5 on esitetty gate-to-gate-systeemin elikaariinventaario valittujen tunnuslukujen osalta. Inventaari osoittaa varsin selkeästi sen, että tuomalla systeemiin biomassapohjaisen pelkistysaineen, systeemin ympäristökuormaa voidaan selkeästi alentaa. 22

23 Taulukko 5. Portilta-portille elinkaari-inventaari kolmelle tarkastellulle tapaukselle. Materiaalivirrat Virta Yksikkö Perustapaus Puuhiili tapaus 1 Puuhiili tapaus 2 Materiaali sisään Pelletti kg/fu Briketti kg/fu Koksautuva kivihiili kg/fu Öljy kg/fu Nestekaasu kg/fu Biomassa kg/fu Kierrätysteräs kg/fu Kalkkikivi kg/fu Poltettu kalkki kg/fu Dolomiitti kg/fu Välituotteet Koksi kg/fu Puuhiili kg/fu Energiantuotanto Sähkö kwh/fu Materiaali ulos Raakarauta kg/fu Aihio kg/fu Koksikaasu Nm 3 /FU Masuunikaasu Nm 3 /FU Konvertterikaasu Nm 3 /FU Masuunikuona kg/fu Konvertterikuona kg/fu Kivihiiliterva kg/fu Tuote Kuumavalssattu levy kg/fu Päästöt ilmaan CO 2 kokonaispäästö kg/fu CO 2 puuhiili neutraali kg/fu Systeemirajat, jotka valittiin tässä tutkimuksessa, ovat rajoittuneet arvioimaan ainoastaan integroidun terästehtaan prosesseja ja niiden aiheuttamaa ympäristökuormaa. Jotta biomassan käytön kokonaisympäristökuormaa voitaisiin paremmin arvioida, tulisi koko elinkaaren aikaiset vaikutukset ottaa mukaan arviointiin. Tämä tarkoittaisi sitä että puun korjuu, puun esikäsittely, kuljetukset ja muut ylävirran prosessit tulisi ottaa huomioon. Näissä prosesseissa käytetään fossiilisia polttoaineita, joka vie jonkin verran pois puuhiilen CO 2 - neutraalisuutta. Hyvitykset, joita voidaan tehdä sähköntuotannon aiheuttamien fossiilisten CO 2 -päästöjen vähentyessä, tulee myös ottaa huomioon. Simulaatiotulokset, jotka on esitetty taulukossa 5 antavat kuitenkin portiltaportille-systeemin osalta positiivisen merkin mahdollisuuksista vähentää sekä kokonais- että fossiilisia hiilidioksidipäästöjä raudan ja teräksenvalmistuksessa. Metodologia, joka on esitetty tässä paperissa portilta-portillesysteemirajauksella, voidaan edelleen laajentaa kattamaan koko elinkaari. Näin voidaan lisätä tietoisuutta biomassan käytön ympäristövaikutuksista ja samalla huomioida prosessitekniset rajoitteet ja vaikutukset, joita erilaisilla raaka-aineilla on. 23

24 2.3 Yhteenveto ja tulosten tarkastelu Tässä työssä on tutkittu tehtaanlaajuisia vaikutuksia, joita biomassan käyttöönottamisella, puuhiilen muodossa, on integroidussa terästehtaassa. Arviointimenetelmänä on käytetty gate-to-gate elinkaari-inventaaria ja energiataseita. Metodologia perustuu systeemin mallintamiseen prosessitasolla ja kaikki oleelliset integroidun terästehtaan yksikköprosessit on mallinnettu perustuen fysikaalis-kemiallisiin vuorovaikutuksiin täyttäen massa ja energiataseet. Tarkastelu keskittyi masuuniin, joka tuottaa suurimman osan fossiilisista hiilidioksidipäästöistä integroidussa terästehtaassa. Tutkimuksen tulokset voidaan tiivistää seuraavasti. 1) Puuhiilen injektointi masuuniin korvaten fossiilisia pelkistysaineita on mahdollinen toimenpide vähentää fossiilisten CO 2 -päästöjen määrää. Yhden ERP kilon korvaaminen puuhiilellä vaatii noin 1.15 kiloa puuhiiltä. 2) ERP: n korvaaminen puuhiilellä korvaussuhteen mukaisesti alentaa masuunikaasun määrää ja lämpöarvoa siten pienentäen masuunikaasusta saatavaa energian määrää noin 10.3%. Tämä vaikuttaa tehtaan energiataseeseen. Samalla kuitenkin masuunin tuottavuus paranee alentuneen kuonamäärän ja pienemmän kaasumäärän johdosta. 3) Puuhiili-injektion edelleen lisääminen alentaa tehdasalueella tuotettavan koksin määrä, näin ollen pienentäen teräksenvalmistuksen ympäristötaakkaa. 4) Puuhiilituotannon yhdistäminen integroidun terästehtaan prosesseihin antaa mahdollisuuden pienentää ympäristökuormaa, koska pyrolyysiprosessin energiapitoisia kaasuja voidaan käyttää hyväksi esimerkiksi tehtaan voimalaitoksella tai muissa lämpöä tarvitsevissa prosesseissa. CO 2 -päästöt tässä skenaariossa voivat tippua 26.4% valituilla systeemirajauksilla. Johtopäätöksenä voidaan todeta, että lisätutkimuksia tarvitaan perusteellisen kuvan luomiseen koko elinkaaren aikaisista vaikutuksista, joissa raudan ja teräksenvalmistukseen käytetään Pohjois-Euroopassa tuotettua biomassaa. Tämä vaatii systeemirajauksen laajentamista eli ylä- ja alavirran prosessien mukaan ottamista arviointiin. Tarkempi tutkimus on myös paikallaan, jotta optimaalinen käyttöskenaario saadaan rakennettua pyrolyysin sivutuotteille. Yksi merkittävimmistä rajoituksista yllä esitetylle tarkastelulle on eri yksikköprosessien validointi. Sen ei kuitenkaan nähty olevan tarkastelua rajoittava tekijä ja arvioimalla kriittisesti saatuja tuloksia voidaan niiden luotettavuus varmistaa. 24

25 3. OSA II: PUUHIILEN TUOTANTOKUSTANNUKSET I 3.1 Johdanto Tässä osiossa raportoidaan lyhyesti puuhiilen tuotantokustannuksiin liittyvistä tekijöistä. Tarkempi analyysi on saatavissa julkaisusta: Towards More Sustainable Ironmaking An Analysis of Energy Wood Availability in Finland and the Economics of Charcoal Production (Suopajärvi & Fabritius 2013a). 3.2 Kustannukset puuhiilen tuotannon toimitusketjun eri vaiheissa Biopohjainen raaka-aine, esimerkiksi puu ei ole sellaisenaan sopiva käytettäväksi masuunissa. Ennen biomassan käyttöä pelkistinaineena tulee sen kosteus- ja happipitoisuus olla riittävän alhainen. Periaatteessa metsistä saadaan neljäntyyppistä puujaetta (energiapuu), jota voitaisiin käyttää puuhiilen tuotannossa raaka-aineena: hakkuutähteet, kannot, pieniläpimittainen puu ja runkopuu, jota ei voida hyödyntää ainespuuna. Kuviossa 11 on esitetty periaatteellinen vuokaavio puuperäisestä raaka-aineesta puuhiileksi. Riippuen puujakeesta ja yleisesti kuljetusetäisyyksistä, energiapuun haketus voidaan tehdä tien varressa, terminaalissa tai käyttöpaikalla. Suurimmat puuhiiltämöt maailmanlaajuisesti ovat kapasiteetiltaan noin tonnia (Vamvuka 2011). Suomessa ei tällä hetkellä ole suuria tuotantolaitoksia. Suunnitteilla on kuitenkin suuren mittakaavan tuotantolaitos mahdollisesti Nurmekseen, jonka puuhiilen tuotantokapasiteetti olisi tonnia, jonka lisäksi tuotetaan jonkin tyyppistä puuöljyä (Huikuri & Okkonen 2012). Biojalostamon investointikustannuksiksi on arvioitu 19.1 miljoonaa euroa. Kuvio 11. Puuhiilen tuotannon vuokaavio raaka-aineesta lopputuotteeseen (Suopajärvi & Fabritius 2013a). Puuhiilen tuotannon kustannusrakenne on erilainen riippuen käytetystä raakaaineesta. Kustannuksiin vaikuttavat mm. raaka-aineen laatu, metsäkuljetuksen pituus, metsäkoneiden tuottavuus, jne (Ihalainen & Niskanen 2010). Puuhiilen tuotantokustannukset voidaan vaiheittain esittää kaavan (12) avulla: C Yhteensä C Kantohinta C Hakkeen tuotanto C Hakkeen kaukokuljetus C Puuhiilen tuotanto (12), jossa C Yhteensä on puuhiilen tuotannon kokonaiskustannus, C Kantohinta on puusta maksettava hinta, C Hakkeen tuotanto on metsähakkeen tuotantoon liittyvät kustannukset (hakkuu, metsäkuljetus, haketus ja yleiskustannukset), C Hakkeen 25

26 kaukokuljetus on hakkeen kuljettamisesta aiheutuvat kustannukset ja C Puuhiilen tuotanto on hiiletysvaiheen kustannukset. Seuraavassa tarkastellaan puuhiilen tuotannon kustannusrakennetta käytettäessä suomalaista hakkuutähdettä raaka-aineena. Hakkuutähde on edullisin raaka-aine, mutta sen saatavuudessa saattaa olla alueittain vaikeuksia. Suurin osa hakkuutähteestä valmistetusta metsähakkeesta tuotetaan tienvarsihaketuksella (Kärhä 2011). Useimmissa tutkimuksissa hakkuutähteelle ei ole annettu kantohintaa ollenkaan (Ihalainen & Niskanen 2010). Tässä työssä käytetään kuitenkin kantohintana 1 /m 3 (Kallio et al. 2011). Hakkuu- ja metsäkuljetuksiin vaikuttavat useat tekijät. Hakkuutähteiden tapauksessa hakkuuta ei tarvita, mutta tähteet on kuljetettava tienvarteen. Metsäkuljetuskustannuksiksi oletetaan 6 /m 3. Haketuskustannukset ovat myös 6 /m 3 ja yleiskustannukset 3.5 /m 3 (Kallio et al. 2011, Ihalainen & Niskanen 2010, Petty & Kärhä 2011). Kaukokuljetuskustannukset metsähakkeelle lasketaan yhtälön (13) avulla, jonka ovat esittäneet Petty & Kärhä (2011). C Kuljetus x (13), jossa C Kuljetus on kaukokuljetuskustannus, euroa per kuutio kohden ( /m 3 ) ja x on kaukokuljetusmatka (km). Oletettu kuorman koko on 42.5 m 3, joka on suurin piirtein keskimääräinen hakekuorman koko Suomessa. Keskimääräisen kuljetusetäisyyden oletetaan olevan 70 km, jolloin kaukokuljetuskustannuksiksi muodostuu noin 7.5 /m 3. Puuhiilen tuotantovaiheen eli hiiletyksen kustannukset eivät ole helposti arvioitavissa. Arvioita puuhiilen kokonaistuotantokustannuksista ovat esittäneet mm. Norgate & Langberg (2009) ja Noldin Jr. (2011). Puuhiilen tuotantokustannukset Australiassa, perustuen Lambiotte teknologian käyttöön, olivat 386 US$/t puuhiiltä (Norgate & Langberg 2009). Puuhiilen tuotantokustannukset Brasiliassa olivat 255 US$/t puuhiiltä (Noldin Jr. 2011). Puuhiilen tuotantovaiheen kustannuksiin vaikuttaa mm. käytetty teknologia, hyödykkeiden, kuten sähkön hinta, polttoaineet, vesi, lämpöenergia, työvoimakustannukset ja kunnossapitokustannukset (Shackley et al. 2011). Nämä vaihtelevat maan ja myös tehtaan kapasiteetin mukaan. Norgaten & Langbergin (2009) mukaan hiiletysvaiheen kustannukset olisivat Australiassa 113 US$/t puuhiiltä ja Noldin Jr:n (2011) mukaan Brasiliassa 60 US$/t puuhiiltä. Shackley et al. (2011) arvioivat kolmen kokoluokan hiiltämön hiiltovaiheen kustannuksia. Hiiltovaiheen kustannukset, sisältäen pääomakustannukset, varastoinnin, tuotantohyödykkeet, työvoimakustannukset ja muut käyttökustannukset, vaihtelivat kapasiteetin mukaan GB /t ( US$/t) puuhiiltä. He kuitenkin toteavat, että kustannuksissa on suuri epävarmuus johtuen suuren mittakaavan pyrolyysilaitosten vähäisyydestä Euroopassa. 3.3 Puuhiilen tuotannon kokonaiskustannukset Yhden puuhiilitonnin tuotantoon tarvitaan noin 6.7 tonnia 50% kosteuden omaavaa puuta, jos pyrolyysin massasaannoksi oletetaan 30% kuiva-aineesta. Mikäli oletetaan havupuun tuoretiheys, tarkoittaa se noin 7.8 kuutiometriä tuoretta puuta. Edellisessä luvussa esitettyjen kustannusten perusteella metsähakkeen kustannukset ovat 24 /m 3. Käyttämällä edellä esitettyä raaka- 26

27 Puuhiilen tuotantokustannukset ( /t puuhiili) aineen tarvetta (7.8 m 3 ), yhden puuhiilitonnin tuottamisen raakaainekustannukset ovat noin 188 euroa. Hiiltovaiheen kustannukset eri lähteiden mukaan vaihtelevat /t puuhiiltä välillä (Norgate & Langberg 2009, Shackley et al. 2011). Kuvioon 12 on kerätty puuhiilen tuotantokustannukset eri vaiheittain. Hiiltovaiheen kustannuksiksi on esitetty edellä mainitut kustannusten ääripäät. Palkit esittävät kustannukset vaiheittain ja viiva kumulatiivisia kustannuksia per tuotettu puuhiilitonni. 500 Puuhiilen tuotannon vaiheiden kustannukset Kumulatiiviset kustannukset Hiiletyskustannus Hiiletyskustannus Kuvio 12. Puuhiilen tuotannon kustannukset Suomessa (Suopajärvi & Fabritius 2013a). Toimitusketjun eri vaiheiden kustannukset osoittavat yhteenlasketuiksi kustannuksiksi /t puuhiiltä, kun raaka-aineena on hakkuutähde. Realistinen puuhiilen tuotantokustannus on todennäköisesti jossain tällä välillä, riippuen mm. laitoksen kapasiteetista. Edempänä oletetaan puuhiilen tuotantokustannuksiksi 400 /t. Tässä tarkastelussa ei ole huomioitu pyrolyysin sivutuotteita ja niistä mahdollisesti saatavia lisätuloja. Pyrolyysissa syntyy pyrolyysikaasua ja erityyppisiä tervoja, jotka voivat vaikuttaa tuloihin varsin voimakkaasti (Shackley et al. 2011, Brown et al. 2011). Toisaalta hakkuutähteet ovat halvin raaka-aine metsähakkeen tuotantoon, jonka saatavuus on kuitenkin rajoitettua. Hakkuutähteen saatavuuteen vaikuttaa myös markkinahakkuiden määrä, joka vaihtelee vallitsevan taloustilanteen mukaan. 3.4 Puuhiilen kilpailukyky verrattuna fossiilisiin pelkistimiin CO 2 päästökauppa huomioon ottaen Terästeollisuuden puustamaksukykyä ei ole kirjallisuudessa arvioitu aikaisemmin kovinkaan tarkasti. Masuunissa käytetään maailmanlaajuisesti erityyppisiä 27

28 pelkistimiä. Ylhäältä panostettavan koksin lisäksi masuunin alaosasta injektoidaan esimerkiksi pulverisoitua kivihiiltä, öljyä, maakaasua tai jätemuovia. Pelkistinten hinta vaihtelee koksin ollessa arvokkain pelkistin. Puustamaksukykyyn vaikuttaa se, mitä pelkistintä biopohjainen pelkistin masuunissa korvaisi. Eri pelkistinten vertailu toisiinsa ei ole täysin suoraviivaista. Yksi tärkeimmistä tekijöistä on se, että pelkistin tuo masuuniin riittävän määrän hiiltä ja vetyä, jotka muodostavat masuuniin pelkistävän atmosfäärin raudanoksidien pelkistykseen. Toisaalta esimerkiksi pelkistimen tuhkan ominaisuuksilla on vaikutusta masuunin kokonaistoimintaan. Puuhiilen käyttö masuunissa voi pienentää fossiilisia CO 2 -päästöjä, mutta sen lisäksi puuhiilen emäksinen tuhka voisi pienentää erikseen lisättävän Ca-pitoisen kuonanmuodostajan (kalkkikivi, teräskuona) määrää. Tämä pienentäisi kuonan määrää ja mahdollisesti lisäisi myös masuunin tuottavuutta (Babich et al. 2010). Tässä raportissa tehty taloudellinen tarkastelu ei ota huomioon mahdollista tuottavuuden kasvua masuunissa, vaan eri pelkistimiä, joita käytetään suomalaisessa raakaraudantuotannossa, verrataan sellaisinaan toisiinsa. Ainoa poliittinen ohjauskeino, jonka vaikutusta arvioidaan, on CO 2 päästöoikeuden hinta. Eri pelkistinten kulutuksiin liittyvät laskennat pidetään yksinkertaisina ja ne pohjautuvat teollisuuden keskimääräisiin arvoihin (Luengen et al. 2011, Larsson 2004, Kinnunen et al. 2011). Tällä hetkellä Suomen masuuneissa (Ruukki) käytetään pääasiallisina pelkistiminä koksia ja erikoisraskasta polttoöljyä (Perustapaus 1). Pulverisoitu kivihiili on yleisin käytetty injektoitu pelkistin maailmalla ja sen vuoksi sitä tarkastellaan myös tässä yhteydessä (Perustapaus 2). Taloudellisessa tarkastelussa on kolme erilaista puuhiiliskenaariota, joissa korvataan eri määrä fossiilisia pelkistimiä. Ensimmäisessä tapauksessa (Puuhiiliskenaario 1) kappalekokoisen puuhiilen oletetaan korvaavan 20 kg/trr ylhäältä panostettavaa koksia koksin korvaussuhteella 1.0 (Hanrot et al. 2009). Toisessa skenaariossa (Puuhiiliskenaario 2) puuhiilen oletetaan korvaavan osa ERP:stä injektiosta käyttämällä kiinteä-neste injektiota (Salo 2012). Kolmannessa skenaariossa (Puuhiiliskenaario 3) oletetaan, että puuhiili-injektio korvaa pulverisoidun kivihiilen injektion kokonaan. Tämän pitäisi olla myös teknisesti mahdollista (Babich et al. 2010, Mathieson et al. 2011, Mathieson et al. 2012). Puuhiilen oletetaan korvaavan suuremman määrän koksia kuin kivihiilen, perustuen Mathieson et al. (2012) laskentoihin. CO 2 -kustannusten laskemiseksi oletetaan, että kaikki hiili, joka masuuniin tulee, muuttuu hiilidioksidiksi. Todellisuudessa raakarauta sisältää noin 4.5% hiiltä, joka kuitenkin poistetaan konverttereissa ja raakaraudasta tehdään terästä. Koksin ja puuhiilen hiilipitoisuus oletetaan olevan 88%, kivihiilen ja ERP:n 87%. Taulukossa 6 on esitetty tapaukset, joiden tapaukset ovat taloudellisen tarkastelun alaisena. Kaikki pelkistinten kulutukset on esitetty yhtä raakarautatonnia kohden (trr). Tässä tarkastelussa ei huomioida hiilidioksidivähenemiä, jotka ovat seurausta pienentyneestä koksin tuotannosta ja mahdollisesti pienentyneestä kalkkikiven tarpeesta. Laskennallinen tarkastelu ei ole täysin verrannollinen proseduuriin, jota käytetään päästöoikeuksien laskennassa, mutta antaa yleiskatsauksen poliittisten ajurien vaikutuksesta raakaraudan valmistuksen taloudellisuuteen. 28

29 Puuhiilen nettohinta ( /t) Taulukko 6. Pelkistinten kulutus ja fossiiliset CO 2 -päästöt (Suopajärvi & Fabritius 2013a). Perustapaus 1 Perustapaus 2 Puuhiiliskenaario 1 Puuhiiliskenaario 2 Puuhiiliskenaario 3 Koksi (kg/trr) ERP (kg/trr) Pulverisoitu kivihiili (kg/trr) Puuhiili (kg/trr) Pelkistinten kokonaiskulutus (kg/trr) Fossiilinen CO 2 (kg/trr) Pulverisoidun kivihiilen hinnaksi on kirjallisuudessa esitetty /t (Riesbeck et al. 2012, Wang et al. 2012). Tässä tarkastelussa käytetään kivihiilen hintana 150 /t. ERP:lle on aikaisemmin käytetty hintana 150 /t (Helle et al. 2009). Tässä työssä käytetään kuitenkin arvoa 300 /t, johtuen kallistuneesta raskaan polttoöljyn hinnasta (BP 2012). Koksin hinnaksi oletetaan 350 /t sisältäen laivaukset ja muut kustannukset (Steelonthenet). Puuhiilen kilpailukyky verrattuna fossiilisiin pelkistimiin on esitetty kuviossa 13. Varovainen arvio puuhiilen nettohinnasta Suomessa, olettaen että tulot pyrolyysin sivutuotteista vastaisivat tuottajan voittovaatimusta, voisi olla noin 400 /t suuressa mittakaavassa. Puuhiiliskenaariossa 1, jossa puuhiili korvaisi pienen osan koksista, break-even hinta päästöoikeudelle olisi noin 16 /t CO 2. Puuhiiliskenaariossa 2, jossa puuhiili korvaisi osan injektoidusta öljystä, breakeven hinta päästöoikeudelle olisi noin 31 /t CO 2. Korkein CO 2 -päästöoikeuden break-even hinta päästöoikeudelle olisi Puuhiiliskenaariossa 3, jossa puuhiili korvaa kivihiilen injektanttina, 47 /t CO Puuhiiliskenaario 1 Puuhiiliskenaario 2 Puuhiiliskenaario CO 2 päästöoikeuden hinta ( /t) Kuvio 13. CO 2 -päästöoikeuden hinnan vaikutus puuhiilen kilpailukykyyn pelkistimenä (Suopajärvi & Fabritius 2013a). Yksinkertaisesta tarkastelusta voidaan havaita, että päästöoikeuden hinnan tulisi olla huomattavasti nykyistä korkeampi (noin 5 7 /t CO 2 ), jotta puuhiili tulisi kannattavaksi vaihtoehdoksi terästeollisuuden kannalta. Mikäli sivutuotteiden 29

30 CO 2 -vähennykset voitaisiin myös allokoida puuhiilelle, saataisiin CO 2 - vähennykset optimistisemmiksi. Tarkastelluista puuhiiliskenaarioista osittainen koksin korvaaminen puuhiilellä voisi olla realistisin taloudellisesta näkökulmasta. Kirjallisuuden mukaan puuhiilellä voitaisiin kuitenkin korvata varsin pienehkö määrä koksia masuunissa (Hanrot et al. 2009). Esimerkiksi Ruukin tapauksessa, jonka raakaraudan tuotanto on 2 Mt vuodessa, CO 2 päästövähenemä olisi noin 0.13 Mt verrattuna Perustapaus 1:een. Puuhiilitapauksessa 2 fossiiliset CO 2 -päästöt vähenisivät noin 0.9 Mt verrattuna Perustapaus 1:een. Fossiilisten pelkistimien korvaaminen Perustapaus 2:ssa tarjoaisi suurimman CO 2 -päästövähenemä mahdollisuuden. Perustapaus 2:ssa fossiiliset hiilidioksidipäästöt ovat suuremmat kuin Perustapaus 1:ssä, koska öljy on tehokkaampi pelkistinkuin kivihiili. Vuosittaiset fossiiliset CO 2 -päästöt olisivat Puuhiiliskenaario 3:ssa 0.99 Mt pienemmät verrattuna Perustapaus 1:een ja 1.15 Mt pienemmät verrattuna Perustapaus 2:een. Tuoreen metsähakkeen (50% kosteus) tarve kolmelle Puuhiiliskenaariolle olisivat 0.21, 0.31 ja 2.35 miljoonaa kiintokuutiota. Puuhiiliskenaariossa 3 voisi puuhiilen osuus vaihdella 0 100% välillä (sekainjektio), joten esitetty metsähakkeen tarve (2.35 Mm 3 ) edustaa maksimi metsähakkeen määrää. 3.5 Johtopäätökset Puuhiilen tuotantokustannuksista suuren mittakaavan pyrolyysilaitoksissa on kirjallisuudessa varsin vähän tietoa. Tässä raportissa esitettiin karkea arvio puuhiilen tuotantokustannuksista Suomen kustannustasolla. Raaka-aineena oli hakkuutähde, josta tuotetaan ensin metsähaketta. Tämän jälkeen metsähake pyrolysoidaan puuhiileksi. Pyrolyysivaiheen kustannukset on poimittu kirjallisuudesta ja edustavat eri kapasiteetin laitoksia. Puuhiilen tuotantokustannuksiksi saatiin tällä tavoin laskettua /t puuhiiltä. Työssä tarkasteltiin myös puuhiilen kilpailukykyä verrattuna fossiilisiin pelkistimiin, joita yleisesti käytetään masuunissa. Mukaan tarkasteluun otettiin poliittinen ohjauskeino, CO 2 -päästöoikeuden hinta. Tämän tarkastelun perusteella voidaan todeta, että nykyisillä päästöoikeuden hinnoilla puuhiili ei ole kilpailukykyinen verrattuna fossiilisiin pelkistimiin, riippumatta siitä korvaisiko puuhiili masuunissa koksia, öljyä tai kivihiiltä. 30

31 4. OSA III: PUUHIILEN TUOTANTOKUSTANNUKSET II 4.1 Johdanto Tässä osiossa esitetään teknis-taloudellinen arvio puuhiilen tuotantokustannuksista, kun raaka-aineena käytetään suomalaista puuperäistä raaka-ainetta ja prosessina hidasta pyrolyysia. Fokus on tarkastella niitä tekijöitä, joilla on suurin vaikutus tuotantokustannusten muodostumisessa. Puun pyrolyysi ja puun kuivaaminen vaativat suuren määrän energiaa. Tässä tarkastelussa on oletettu, että puuhiilen tuotantolaitos on integroitu Suomalaisen terästehtaan yhteyteen, jolloin voidaan olettaa, että edullista energiaa puun kuivaamiseen on tarjolla. Tämä osio on jatkoa osiolle 3, mutta tarkastelua on tietyin osin tarjennettu ja tarkennettu. 4.2 Systeemikuvaus Puuhiilen tuotannon integroimisella olemassa oleviin teollisuuslaitoksiin (esimerkiksi terästeollisuus), joilla on ylimääräistä lämpöä tarjolla, voitaisiin puuhiilen tuotantokustannuksia laskea. Hyödyt tällaisesta integroimisesta olisivat mm. jätelämmön hyödyntäminen biomassan kuivaamisessa ja pyrolyysin sivutuotekaasujen hyödyntäminen terästehtaan voimalaitoksen höyrykattilassa. Terästehtaan yhteydessä olevat voimalaitokset voivat hyödyntää terästehtaalla syntyviä energeettisiä kaasuja, kuten masuunikaasua, koksikaasua ja konvertterikaasua. Pyrolyysissa syntyvät kaasut voitaisiin ohjata voimalaitokselle ja kasvattaa energiantuotantoa, mikäli kapasiteetti antaa myöten. Pyrolyysilaitoksen kapasiteetiksi oletetaan tonnia puuhiiltä vuodessa. Tämän kokoluokan laitos vastaa suurimpia tällä hetkellä olemassa olevia laitoksia (Vamvuka 2011). Puuhiilen tuotantokustannuksia arvioitiin tekemällä yksinkertaistettu massa- ja energiataseisiin perustuva malli, joka implementoitiin Factory-ohjelmistoon, jota on käytetty aikaisemmin terästehtaan mallinnuksessa (Suopajärvi & Fabritius 2012) Raaka-aine Raaka-aine puuhiilen tuotannossa oletetaan olevan suomalainen puuperäinen biomassa. Halvin tällä hetkellä saatava raaka-aine on metsähake, jota voidaan tuottaa päätehakkuiden latvusmassasta, kannoista, pieniläpimittaisesta harvennuspuusta ja suuremmista rangoista, jotka eivät esimerkiksi lahoamisen vuoksi sovellu puutuoteteollisuuden käyttöön. Vaihtoehtoisesti myös selluteollisuuden käyttämää kuitupuuta voitaisiin käyttää raaka-aineena. Tukkipuu on selvästi kantohinnaltaan kalliimpaa ja jätetään tarkastelun ulkopuolelle. Merkittävä osa metsähakkeen kustannuksista muodostuu jo raakaaineen saamisesta metsäautotien varrelle, jopa puolet riippuen metsähakkeen raaka-aineesta ja valitusta haketustavasta (Ihalainen & Niskanen 2010). Tässä työssä arvioidaan kolmen eri raaka-aineen hiiltämistä; hakkuutähdehake, pieniläpimittainen kokopuuhake ja kuitupuuhake. Taulukossa 7 on listattu puuperäisen raaka-aineen tärkeimmät ominaisuudet. Kemiallinen koostumus oletetaan samaksi kaikille puulajeille. 31

32 Taulukko 7. Raaka-aineen ominaisuudet (muokattu lähteestä: Alakangas 2000). Puuraaka-aineen ominaisuudet Hiili (C) 51.3% Vety (H) 6.1% Happi (O) 41.85% Rikki (S) 0.05% Typpi (N) 0.3% Tuhka 0.4% Lämpöarvo, kuiva (tehollinen) 19.3 MJ/kg Lämpöarvo, saapumistilassa (tehollinen) 8.43 MJ/kg (50% kosteus) Kuivaus Puun kuivaus on olennaista tehokkaalle pyrolyysille. Termokemiallisia konversioteknologioita voidaan käyttää biomassan prosessoinnissa halutuiksi tuotteiksi ja ylimääräinen vesi kuluttaa pyrolyysissa energiaa, vaikuttaa saantoon ja muodostuvan synteesikaasun koostumukseen. Tämän takia biomassa oletetaan kuivattavan 10%:n kosteuteen ennen pyrolysointia. Kuivaukseen on olemassa erilaisia teknologisia ratkaisuja, joita on esitelty esimerkiksi Fagernäsin et al. (2010) artikkelissa. Kuivausteknologian valinta riippuu hyvin pitkälti siitä, millaista kuivausenergiaa on saatavilla ja kuinka suuri kuivauskapasiteetti tarvitaan. Nauhakuivainta voidaan käyttää tilanteessa, jossa on saatavilla kohtalaisen matalalämpötilaista energiaa. Tässä tarkastelussa kaukolämpövesi, jota saadaan terästehtaalta, toimii lämmönlähteenä. Nauhakuivain on tällöin suositeltava valinta. Termisen energian tarve, joka tarvitaan kosteuden poistamiseen puusta, riippuu poistettavan veden määrästä, veden höyrystymiseen tarvittavasta energiasta ja kuivaimen lämmönsiirtokyvystä (Wang et al. 2009). Kosteus on puussa periaatteessa kahdessa eri tilassa: 1) vesi nesteenä puun huokosissa (> 23%) ja 2) adsorboituneena puun osiin (hygroskooppinen vesi < 23%). Tarvittava lämpömäärä, joka tarvitaan hygroskooppisen veden poistamiseen kasvaa lähes eksponentiaalisesti, kun halutaan päästä alhaisempiin kosteuspitoisuuksiin. Peukalosäännöt, joita on esitetty kirjallisuudessa termisen energian tarpeelle nauhakuivaimelle poistaa vettä biomassasta vaihtelevat MJ/kg vettä (Fagernäs et al. 2010, Li et al. 2012). Tässä tarkastelussa tarvittavan lämpöenergian tarve on laskettu seuraavalla kaavalla (14): E kuivaus (m sisään 23% 23% ulos H2O mh2o )*ΔHvap (mh2o mh2o )*ΔHav,hygroskoop pinen sisään, jossa määrän aikayksikössä. (m m 23% H2O H2O 23% ) η kuivain c c,puu, av. *m puu *ΔT (14) määrittelee huokosissa olevan ja poistettavan veden ΔH vap on energiamäärä, joka tarvitaan höyrystämään ulos vapaa vesi. (mh2o mh2o) määrittelee hygroskooppisen poistettavan veden määrän. ΔH määrittelee keskimääräisen energian tarpeen, joka av,hygroskoopinen tarvitaan hygroskooppisen veden poistamiseen, c c,puu, av on puun keskimääräinen 32

33 lämpökapasiteetti lämpötilavälillä o C, laskettuna Rath et al (2003). esittämällä kaavalla, on puumäärä, joka tulee kuivaimeen määritettynä kuiva-aineena ja ΔT on lämpötilaero sisään tulevan ja poistuvan puun välillä. Tässä tutkimuksessa kuivaimen tehokkuudeksi tarkoittaa sitä kuinka tehokkaasti kuivaimeen tuotu lämpö pystyy puun kosteutta poistamaan. Kuivaimeen sisään tulevan hakkeen kosteudeksi oletetaan 50% ja loppukosteudeksi 10%. Näillä oletuksilla keskimääräiseksi termisen energian tarpeeksi muodostuu 4.86 MJ/kg höyrystettyä vettä kohden. m puu Hidas pyrolyysi η kuivain oletetaan 65%, joka Hitaan pyrolyysin reaktiolämmön on raportoitu lähteestä riippuen olevan joko endo- tai eksoterminen. Reaktiolämpö on eksoterminen, kun pyrolyysilämpötila on korkeahko. Lämpöä tarvitaan reaktorissa poistamaan jäännösvesi biomassasta sekä nostamaan puun ja syntyvien tuotteiden lämpötila. Pyrolyysireaktoriin on tuotava ulkoista lämpöenergiaa. Puun mukana reaktoriin tuleva kemiallinen energia ja ulkoisesta lämmönlähteestä saatu lämpöenergia poistuvat reaktorista puuhiileen ja synteesikaasun kemiallisena energiana ja niiden referenssitasoon korkeampana termisenä energiana. Demirbaksen (2004) mukaan lopputuotteiden sisältämä energia voisi olla jopa 95.5%. Näin ollen pyrolyysissa ei juurikaan menetetä kemiallista energiaa, vaan se muuttuu muodosta toiseen. Tässä työssä käytetty yksinkertainen malli perustuu massa- ja energiataseiden ylläpitämiseen ennakolta määritetyn puuhiilen saannon ja koostumuksen mukaisesti. Metallurgisessa käytössä puuhiilen hiilipitoisuuden tulisi todennäköisesti olla yli 80%. Puuhiilen saannon oletetaan olevan 33% puun kuiva-aineksesta laskettuna. Puuhiilen oletettu koostumus on esitetty taulukossa 8. Taulukko 8. Puuhiilen kemiallinen koostumus. Puuraaka-aineen ominaisuudet Hiili (C) 88.6% Vety (H) 2.7% Happi (O) 7.8% Rikki (S) 0.03% Typpi (N) 0.21% Tuhka 1.2% Lämpöarvo, kuiva (tehollinen) 31.4 MJ/kg Pyrolyysin tehokkuuden oletetaan olevan 50% Roberts et al. 2010) mukaisesti, eli ainoastaan puolet ulkoisesta termisestä energiasta saadaan hyödynnettyä. Ulkoisen lämpöenergian tarve lasketaan puun kosteuden, puun lämmityksen ja pyrolyysireaktion kautta. Laskennassa on oletettu, että pyrolyysi on heikosti eksoterminen (0.4 MJ/kg). Lisäksi on oletettu, että pyrolyysireaktoria operoidaan 90% toiminta-ajalla, joka tarkoittaa tonnin puuhiilituotannolla noin 11.5 t(kuiva-aine)/h puun läpimenoa reaktorissa. Tämä on varsin lähellä McCarl et al. (2009) pyrolyysilaitoksen kokoluokkaa 10 tka/h, 80% toiminta-ajalla. Lisäksi oletetaan, että noin 5% bioenergian (puu) sisältämästä energiasta hukataan prosessissa. 33

34 4.2.4 Sivutuotteiden hyödyntäminen Puun hitaassa pyrolyysissa syntyy puuhiilen lisäksi kaasua. Jos prosessoinnissa käytetään riittävän korkeita lämpötiloja, nämä kaasut eivät pääse kondensoitumaan ja ne voidaan ohjata esimerkiksi polttoon. Vaihtoehtoinen hyödyntäminen voisi olla esimerkiksi niiden kondensoiminen ja tietyn jakeen käyttäminen tuholaistorjunnassa. Tällaista ovat ehdottaneet esimerkiksi Fagernäs et al. (2012) koivutisleelle. Tässä tarkastelussa on oletettu, että ylimääräinen synteesikaasu myytäisiin terästehtaalle, jossa se voitaisiin polttaa olemassa olevalla kattilakapasiteetilla. Kondensoitumisen estämiseksi putkiyhteyksien tulee olla kuumia, jolloin pyrolyysilaitoksen tulisi sijaita voimalaitoksen välittömässä läheisyydessä Puuhiilen tuotannon kustannukset Tässä osiossa tarkastellaan puuhiilen tuotannon kustannuksia ja niitä oletuksia, joita laskennassa on käytetty. Raaka-aineiden hinnat kuvastavat Suomen hintatasoa ja ne on poimittu saatavilla olevasta kirjallisuudesta. Metsähake toimitetaan yleensä käyttöpaikalle 30 50% kosteudessa. Tässä tarkastelussa oletetaan puun kosteuden olevan 50% Raaka-aineen hinta Raaka-ainekustannukset on laskettu lähteestä Ihalainen & Niskanen (2010), vähentämällä esitetyistä lukuarvoista kaukokuljetuksen kustannukset. Taulukossa 9 on esitetty kolmen eri raaka-aineen hinnat. Tarkasteluun on otettu kaksi eri metsähake raaka-ainetta: hakkuutähdehake ja pieniläpimittainen puu. Oletettu toimitusketju metsähakkeelle pohjautuu tienvarsihaketukseen, joka tällä hetkellä on suosituin ketju. Kuitupuun tapauksessa haketuksen oletetaan tapahtuvan terminaaleissa. Taulukko 9. Raaka-aineen hinta. Hakkuutähde Pieniläpimittainen puu Kuitupuu Hinta ( /m 3 ) Kosteus-% 50% 50% 50% Hinta ( /t) kostea Hinta ( /MWh)* * Kaikkien raaka-aineiden energiasisältö laskettu 1.91 MWh/m 3 (50% kosteus) Puun hankinta-alueen oletetaan olevan puoliympyrä, koska puuhiilen tuotantolaitoksen oletetaan sijaitsevan Perämeren rannalla. Kaukokuljetuskustannukset metsähakkeelle lasketaan yhtälön 13 avulla (Petty & Kärhä 2011). Samaa kuljetuskustannusfunktiota käytetään myös kuitupuulle huolimatta erilaisesta korjuuketjusta. Oletettu kuljetusetäisyys, jolla saadaan riittävä määrä puuta hankittua, on 50 km Pääomakustannukset Menetelmä, jota käytetään pääomakustannusten arvioimiseen, perustuu skaalauskertoimien käyttöön. Skaalauskertoimilla voidaan arvioida eri kapasiteetin omaavien yksiköiden yksikköhintaa, kun tiedetään hinta määrityn 34

35 kapasiteetin omaavalle yksikölle. Kustannusten arvioinnissa käytetään Petersin & Timmerhausin (2003) menetelmää, jossa laitteen yksikköhintaa käytetään arvioitaessa sen hintaa asennettuna. Tällainen menetelmä antaa varsin epävarman arvion investointikustannuksista. Epävarmuuden takia tehdään myös herkkyysanalyysi, jonka avulla voidaan arvioida, mitkä tekijät vaikuttavat eniten kustannuksiin sekä laitteiden että raaka-aineiden osalta. Laitteiden mitoitus perustuu massavirtoihin, jotka saadaan mallista. Prosessilaitteen hinta C, jonka kapasiteetti on S, lasketaan yhtälöllä (15). n S C C * 0 S 0 (15), jossa C 0 on laitteen hinta, jonka kapasiteetti on S 0 ja n on skaalauskerroin. Laitteiden hinnat muutetaan nykyarvoon käyttämällä Eurostatin (2012) inflaatiokertoimia. Investoinnin vuosittainen kuoletusarvo lasketaan yhtälöllä (16). C vuosi N i(1 i) (1 i) N * C IC 1 (16), jossa C IC on laitteiston asennettu kustannus, i on korkokerroin, N on investoinnin elinaika ja C vuosi on vuosittainen kuoletuserä. Tehtaan eliniän oletetaan olevan 15 vuotta ja korkotason 6%. Hitaan pyrolyysin kustannusdataa on varsin niukalti kirjallisuudessa saatavilla, vaikka puun pyrolyysia on harjoitettu vuosisatojen ajan. Torrefioinnilla, joka on biomassan termistä käsittelyä alemmissa lämpötiloissa (< 300 o C), on syvin samankaltaisia prosessivaiheita kuin olisi suuren mittakaavan pyrolyysilaitoksella. Tässä tarkastelussa on näin ollen tietoisesti käytetty saatavilla olevaa kustannusdataa torrefiointiteknologiasta. Pääasialliset investointikustannukset pyrolyysilaitoksessa aiheutuvat kuivaimesta ja pyrolyysireaktorista. McCarl et al. (2009) ovat arvioineet, että pyrolyysilaitoksen, jossa tuotetaan biohiiltä, kokonaiskustannukset olisivat 10.6 miljoonaa US dollaria (vuosi 2007) 10 t/h kuiva-ainetta ja 1.8 miljoonaa US dollaria esikäsittelylaitokselle. Brown et al. (2011) ovat arvioineet investointikustannusten olevan yli 70 miljoonaa US dollaria laitokselle, jonka kapasiteetti on 2000 tonnia kuiva-ainetta vuorokaudessa. Kokonaisuudessaan, sisältäen projektin aikaiset kulut, nousee investointi 132 miljoonaan US dollariin. Tarkimman ja täydellisimmän datan termokemiallisista konversioteknologioista tarjoaa Bergman et al. (2005) puun torrefioinnille. Tätä dataa on käytetty pohjana pyrolyysilaitoksen kustannuksia arvioitaessa. Heidän analyysissaan tarvittiin viisi torrefiointireaktoria käsittelemään tonnia kuivaa puuta vuodessa. Torrefiointirumpujen kustannus oli 5.6 M. Se tarkoittaa noin 51.7 kt vuosittaista läpimenoa yhtä reaktoria kohden. Prosessin ylhäälläoloaika oli 8000 tuntia, joka tarkoittaa noin 6.5 t/h kuiva-aineen läpimenomäärää. Rummun pituus oli 32 metriä ja halkaisija kolme metriä. Suomessa on ollut turvehiilen tuotantolaitos, joka perustui turpeen 35

36 suoralämmitykseen ja jonka kapasiteetti oli yli 13 tonnia kuiva-ainetta tunnissa (Brandt et al. 1986). Rummun pituus oli 55 m, joka varmisti riittävän viipymäajan reaktorissa. Tässä tarkastelussa oletetaan, että yksi riittävän suuri reaktorirumpu on riittävä puuhiilen tuotantoon. Kustannusdata, jonka Bergman et al. (2005) ovat esittäneet, kerrotaan 1.1, koska korkeampien lämpötilojen johdosta joudutaan käyttämään kestävämpiä rakennusmateriaaleja. Skaalauskerroin, jolla arvioidaan pyrolyysirummun muuttuvaa kapasiteettia, on 0.6 ja perusvuosi Nauhakuivaimen, joka käyttää kaukolämpövettä lämmönlähteenä, kustannus on otettu Thekin & Obenbergerin (2004) julkaisusta. Kuivaimen mitoitus perustuu tarvittavaan veden höyrystämiskapasiteettiin. Lähtökoko kuivaimelle on 3 t H 2 O/h lähtöhinnan ollessa Veden höyrystämismäärä tässä tarkastelussa on 10.3 t H 2 O/h, lähtövuosi 2003 ja skaalauskerroin 0.7. Muiden prosessilaitteiden osalta on käytetty dataa lähteestä Bergman et al. (2005) skaalauskertoimella Muuttuvat käyttökustannukset Sähköä käytetään useissa yksikköprosesseissa pyrolyysilaitoksessa. Kokonaissähkönkulutukseen vaikuttaa prosessiteknologia ja tehtaan koko. Rogers & Brammer (2012) ovat arvioineet, että nopean pyrolyysin laitoksessa sähköntarve olisi noin 240 kwh/t kuiva-ainetta. Hitaan pyrolyysin laitoksessa voidaan olettaa sähkömoottoreiden käytön olevan pienempi kuin nopean pyrolyysin laitoksessa ja sähkönkulutuksen oletetaan olevan 190 kwh/t kuivaainetta. Sähkön hinnaksi oletetaan 50 /MWh. Termistä energiaa tarvitaan puun kuivauksessa ja hitaassa pyrolyysissa. Pyrolyysiprosessin energiantarve täytetään polttamalla osa synteesikaasusta. Kuivausenergia oletetaan ostettavan terästehtaalta, jolla on ylimääräistä kaukolämpövettä. Kaukolämpövettä on periaatteessa tarjolla lähinnä kesäkuukausien aikana, jolloin taajaman tarve on vähäinen. Tässä tarkastelussa oletetaan kuitenkin lämpöä olevan tarjolla ympäri vuoden, jolloin suuria varastointitiloja kuivalle hakkeelle ei tarvita ja myös kuivain voidaan suunnitella pienemmälle kapasiteetille. Kaukolämmön hinnaksi oletetaan 10 /MWh Kiinteät käyttökustannukset Puuhiilen tuotantolaitoksen ja esikäsittelyn operoimiseen tarvitaan työvoimaa. Oletettu työvoiman tarve kolmivuorotyössä on 12. Heidän vuosittaisiksi palkkakustannuksiksi sosiaalikuluineen arvioidaan euroa. Tämän lisäksi tarvitaan tehtaanjohtaja, jonka palkaksi oletetaan euroa. Huolto ja muiden kiinteiden kustannusten oletetaan olevan 4% kokonaisinvestointikustannuksista. 4.3 Tulokset Massa- ja energiatasetarkastelu Massa- ja energiataseiden arviointi on merkittävässä asemassa, kun arvioidaan puuhiilen tuotannon taloudellisuutta. Puuhiilen massasaannolla 33% puun kuivaaineesta ja käyttämällä puuhiilelle asetettua tehollista lämpöarvoa 31.4 MJ/kg, saadaan hitaan pyrolyysin kiinteän tuotteen energiasaannoksi noin 54.5%. Noin 40.5% puun mukana sisään tulevasta energiasta menee synteesikaasuun (

37 GJ/t puuhiiltä). Kirjallisuudesta löytyy erilaisia arvioita sivutuotteiden energiamäärästä ja joissakin arvioissa jopa 63.2 GJ/t puuhiiltä suuruinen energiamäärä menisi sivutuotteisiin (Norgate & Langberg 2009). Sivutuotteiden määrään vaikuttaa varsin merkittävästi pyrolyysituotteiden saanto. Tässä tarkastelussa tarvitaan 6.1 tonnia märkää puuta (50% kosteus), jotta saadaan tuotettua yksi tonni puuhiiltä. Norgaten ja Langbergin tarkastelussa määrä oli 10.6 tonnia (44% puun kosteus). Tuotettaessa tonnia puuhiiltä, syntyy tonnia synteesikaasua. Noin 10% synteesikaasusta tarvitaan pyrolyysiprosessiin nostamaan lämpötila 450 o C: een ja pitämään se siinä. Loput synteesikaasusta eli 22.3 MW on hyödynnettävissä energiantuotannossa terästehtaan voimalaitoksella. Tarvittava kaukolämmön määrä, joka tarvitaan puun kuivaamiseen, on 14.2 MW. Jos kaukolämmön sijasta käytettäisiin puun kuivaamiseen esimerkiksi synteesikaasua (poltto ja lämmönvaihdin), olisi energiantuotantoon jäävän synteesikaasun määrä huomattavasti alhaisempi Tuotantokustannukset Vuosittaiset pääoma ja käyttökustannukset ilman raaka-ainekustannuksia on esitetty taulukossa 10 tarkastelussa olevan kokoiselle puuhiililaitokselle (11.5 tonnia kuiva-ainetta tunnissa, 54 MW terminen ). Vuosittaiset raaka-ainekustannukset ovat 4.93 M hakkuutähdehakkeelle, 8.27 M pienpuulle ja 9,84 M kuitupuulle. Kokonaisinvestointikustannuksiksi laskettiin 23.3 M, joka kuoletettiin yhtälön 16 mukaisesti. Kuten jo aikaisemmin todettua, antaa tarkastelu varsin karkean arvion todellisista pääomakustannuksista. Tässä tarkastelussa investointikustannukset ovat huomattavasti korkeammat kuin esimerkiksi mitä McCarl et al. (2009) ovat esittäneet. He arvioivat hiiltämön, jonka kapasiteetti on 10 t kuiva-ainetta/h, investointikustannuksiksi 12.4 M$. Lisäksi tarkastelussa oli sähköntuotantoyksikkö, jonka investointikustannukset olivat 9.6 M$. Muutettaessa kyseiset dollarimääräiset kustannukset tämän hetken euroiksi ja ottamalla huomioon kapasiteetin kasvu, olisi pyrolyysilaitoksen investointikustannus ilman sähköntuotantoyksikköä noin 10.1 M. Esikäsittelyyksikön eli lähinnä kuivauksen investointikustannukset ovat huomattavasti pienemmät McCarl et al:n (2009) tarkastelussa kuin tässä raportissa. Heidän tarkastelussaan biomassan kuivain oli rumpu-tyyppinen ja raaka-aineen kosteus ainoastaan 15%. Tässä tarkastelussa käytettiin nauhakuivainta ja raaka-aineen kosteuspitoisuus oli 50%. Taulukko 10. Vuosittaiset kustannukset. M Pääomakustannukset 2.40 Sähkö 0.86 Kaukolämpö 1.12 Työvoima 0.79 Huolto- ja muut kustannukset 0.93 Yhteensä 6.10 Puuhiilen tuotantokustannukset tuotettua puuhiilitonnia kohden, perustuen oletuksiin, jotka esitettiin osiossa 4.2, on esitetty kuviossa 14. Puuhiilen tuotantokustannukset vaihtelevat 368 ja 531 euron välillä tonnia kohden, 37

38 riippuen raaka-aineesta. Jos oletetaan puuhiilen alemmaksi lämpöarvoksi 31.4 GJ/t, joka on hyvälaatuisen puuhiilen lämpöarvo ja sopiva pelkistimeksi, puuhiilen tuotantokustannukset vaihtelevat /GJ välillä raaka-aineen mukaan. Ilman raaka-ainetta puuhiilen tuotantokustannukset olisivat esitetyllä datalla 6.5 /GJ. 600 Ominaiskustannus ( /t puuhiili) Hakkuutähdehake Pienpuuhake Kuitupuuhake Huolto- ja muut kustannukset Työvoima Kaukolämpö Sähkö Pääomakustannukset Raaka-aine Kuvio 14. Puuhiilen tuotannon ominaiskustannukset ( /t puuhiiltä). Vuosittaista kustannuksista raaka-ainekustannus on dominoiva tekijä. Raakaaineen osuus vuosittaisista kustannuksista on 45 62%. Pääomakustannukset ovat vuositasolla toiseksi suurin menoerä. Kuitenkin, verrattuna muihin termokemiallisiin konversioteknologioihin, puuhiilen tuotantoteknologia on investoinniltaan maltillisempi. Kuvioon 15 on kerätty kirjallisuudesta ja muista lähteistä arvioita eri termokemiallisten konversioteknologioiden investointikustannuksista. Lähteissä, joiden alkuperäisissä hinnoissa on käytetty dollariperustaisia hintoja, on ne muutettu euroiksi. Hinnat on myös huomioitu tämän päivän hinnoiksi käyttämällä inflaatiokertoimia. Jokaisen tapauksen kapasiteetti on muunnettu 54 MW polttoainetehoiseksi käyttämällä yhtälöä 15 ja kapasiteettikerrointa 0.6, jolloin voidaan vertailla investointikustannuksia tässä paperissa esitettyihin. Seuraavassa on esitetty lähteet eri tapauksille: puuhiili 1 Roberts et al. (2010), puuhiili 2 Brown et al. (2011), torrefioitu puu Uslu et al. (2008), bioöljy 1 2 Uslu et al. (2008), bioöljy 3 (Fortum Joensuu), bioöljy 4 (Green Fuel Nordic) ja Bio-SNG 1 2 Gassner & Marechal (2009). Synteesikaasu 1 ja 2 investointikustannukset on oletettu olevan 85% Bio-SNG 1 ja 2:n investointikustannuksista. Bio-SNG tarkoittaa tässä puusta valmistettua synteettistä maakaasua. Huomion arvoista on bioöljy tapauksissa esiintyvät suuret vaihtelut investointikustannusten suuruudessa. Bioöljy 1 2 ovat kirjallisuudesta, kun taas bioöljy 3 4 ovat Suomeen kaavailtujen bioöljyn tuotantolaitosten arvioituja investointikustannuksia. Fortumin Joensuun bioöljyn tuotantolaitoksen investointikustannuksiksi on arvioitu 30 miljoonaa (50 MW polttoaineteho) ja Green Fuel Nordicin laitosten investointikustannuksiksi 50 miljoonaa (noin 90 MW polttoaineteho). 38

39 Miljoona MW polttoaineteho Kuvio 15. Investointikustanuksia eri termokemiallisille teknologioille. Kuivausenergia voisi myös aiheuttaa vuositasolla suurenkin kuluerän. Tässä tapauksessa kaukolämpöä saadaan kuitenkin varsin maltillisella hintatasolla. Uslu et al. (2008) ovat arvioineet tuotantokustannuksia erilaisille biomassan jalostusteknologioille, käyttämällä 40 MW biomassatehoa. Lisäksi he arvioivat laitoksen koon vaikutusta tuotantokustannuksiin. tarkasteluissaan he tulivat johtopäätökseen, jossa 40 MW oli sopiva tuotantoyksikön koko ja suuremmalla yksikkökoolla ei päästy juurikaan pienempiin kustannuksiin. Torrefioinnin, pelletoinnin ja yhdistetyn torrefioinnin ja pelletoinnin tuotantokustannukset /t ( /GJ) ovat alhaisemmat kuin nopean pyrolyysiin tuotantokustannukset /t (6 12 /GJ). Verrattaessa tässä raportissa esitettyjä puuhiilen tuotantokustannuksia muihin biomassan jalostusprosesseihin (Uslu et al. 2008), voidaan nähdä, että puuhiilen tuotantokustannukset ovat varsin lähellä nopealla pyrolyysilla saatavan bioöljyn tuotantokustannuksia. Puuhiilen tuotantokustannuksia ovat arvioineet myös Norgate & Langberg (2009) perustuen Australian hintatasoon ja Lambiotten jatkuvaan retortti-teknologiaan. Pelkiksi hiiletyksen kustannuksiksi he arvioivat 113 US dollaria, joka tämän päivä euroissa olisi ainoastaan 80 /t puuhiiltä. Tässä paperissa esitetyt hiiletyskustannukset ovat 203 /t puuhiiltä, joka on huomattavasti korkeampi Herkkyysanalyysi Aiemmin todettiin, että tuotantokustannuksiin liittyy varsin suuri epävarmuus, koska laitteiden investointikustannukset on otettu kirjallisuudesta ja niiden asennuksiin ja tarvittavaan muuhun infrastruktuuriin liittyvät arviot perustuvat määriteltyjen kertoimien käyttöön. Myös raaka-aineen hinta, sähkönkulutus, kaukolämmön hinta ja puuhiilen saanto ovat tekijöitä, jotka ovat varsin epävarmoja. Näin ollen on suotavaa tehdä herkkyysanalyysi eri tekijöiden vaikutuksesta puuhiilen tuotantokustannuksiin. Taulukossa 11 on esitetty muuttujat, joiden vaikutusta tuotantokustannuksiin arvioidaan. 39

40 Taulukko 11. Päämuuttujat ja vaihteluväli. Muuttuja Perusarvo Vaihteluväli Metsähakkeen hinta, WC ( /t kuiva-aine ) Investointi, CC (M ) Kaukolämpö, DHC ( /MWh) Sähkönkulutus, EC (kwh/t kuiva-aine ) Puuhiilen saanto, CY (% kuiva-massasta) Kuviossa 16 on esitetty eri muuttujien vaikutus puuhiilen tuotantokustannuksiin. Kuvion keskellä oleva piste 3 perustuu perusarvojen käyttöön laskennassa. Muuttamalla yksitellen muuttujien arvoja, voidaan nähdä niiden vaikutus puuhiilen tuotantokustannuksiin. Suorien kulmakerroin eli jyrkkyys periaatteessa kertoo sen, kuinka voimakkaasti kyseinen muuttuja vaikuttaa puuhiilen tuotantokustannuksiin. Kuviosta voidaan havaita, että metsähakkeen hinnalla on suurin vaikutus puuhiilen tuotantokustannuksiin. Esimerkiksi metsähakkeen hinta tässä tarkastelussa kuvastaa Suomen tämän hetkistä metsähakkeen hintatasoa, joka on noin /MWh tuntumassa. Kuitenkin, jos saatavuus sallisi eikä kilpailu raaka-aineesta rajoittaisi saatavuutta, voitaisiin hakkuutähdehakkeella päästä noin 60 /t kuiva-ainetta tasoisiin hintoihin, jolloin vaikutus puuhiilen tuotantokustannuksiin olisi merkittävä. Puuhiilen saanto on toinen tekijä, jolla on voimakas vaikutus tuotantokustannuksiin määriteltynä tuotettua puuhiilitonnia kohden. Hyvälaatuisen puuhiilen hiilipitoisuuden tulee olla riittävän korkea, jotta se soveltuu käytettäväksi metallurgisissa prosesseissa. Korkeampaan hiilipitoisuuteen päästään käyttämällä korkeampia lämpötiloja, tosin silloin toimitaan puuhiilen saannon kustannuksella. Mikäli kaikkein optimistisimmat muuttujien arvot toteutuisivat, voisivat puuhiilen tuotantokustannukset olla ainoastaan 223 /t. Toisaalta, jos kaikkein pessimistisimmät arvot toteutuisivat, puuhiilen tuotantokustannukset olisivat niinkin korkeat kuin 842 /t puuhiiltä. Raaka-aineen hinnan osalta korkeat hinnat voisivat olla seurausta esimerkiksi siitä, että puuperäistä biomassaa käytettäisiin huomattavasti nykyistä enemmän ja laajemmalla käyttäjäpohjalla. 40

41 Kuvio 16. Puuhiilen tuotantokustannusten herkkyysanalyysi. Muilla muuttujilla ei ole niin suurta vaikutusta tuotantokustannuksiin. Tämä on linjassa Brownin et al. (2011) tutkimuksen kanssa, jossa todettiin, että suuren mittakaavan biohiilen tuotannossa suurimmat tuotantokustannuksiin vaikuttavat tekijät ovat juuri biohiilen saanto ja biomassan hinta. Tuotantoyksikön koko ja suuremmasta koosta saavutettu suuruuden ekonomia ovat laajasti keskusteltuja aiheita myös biomassan jalostukseen liittyvissä tutkimuksissa. Tässä raportissa suuruuden ekonomiaa on tarkasteltu seuraavien oletusten avulla. Metsähakkeen hankinta-alueen oletettiin olevan puoliympyrä johtuen siitä, että tuotantolaitos on sijoittunut meren läheisyyteen. Yhtälö, jolla voidaan arvioida keskimääräistä hankintaetäisyyttä, jotta saadaan tarvittava määrä raakaainetta, on esitetty alla (17): D 2 3 2F Y (17), jossa D on keskimääräinen hankintaetäisyys, joka tarvitaan puuhiilituotannon aikaansaamiseksi. Kertoimella 2/3 on painotettu hankintaetäisyyttä maksimaalisesta hankintaetäisyydestä, on mutkittelevuustekijä, joka kuvaa todellisen kuljetun matkan suhdetta suoraan etäisyyteen kahden pisteen välillä. Mutkittelevuustekijä 1 kuvaa suoraa etäisyyttä kahden pisteen välillä ja 3 erittäin huonoja liikenneyhteyksiä (Wright and Brown 2007, Wright et al. 2008). Tässä työssä käytetään mutkittelevuustekijälle arvoa 2, jonka voidaan olettaa kuvaavan varsin hyvin kehittynyttä tieverkostoa. F kuvastaa vuosittaista puun tarvetta (m 3 ) ja kerroin 2 osoittajassa ottaa huomioon sen, että hankinta-alue on puoliympyrä. Metsäalan pinta-ala, jolta metsähakkeeksi sopivaa raaka-ainetta voidaan hankkia, on merkitty : :lla ja prosenttiosuus, jota käytetään, on 88.3%. Y tarkoittaa yhtälössä metsähakkeen saantoa vuositasolla, joka on saatavissa hankintaalueelta (m 3 /km 2 ). Saanto on laskettu metsäkeskuksittain julkaistusta metsähakkeen saatavuusdatasta. 41

42 Puuhiilen hinnaksi tienvarressa oletetaan tässä tarkastelussa 20 /m 3, joka olettaa, että suurin osa raaka-aineesta olisi hakkuutähdehaketta. Kuten todettua, hakkuutähdehakkeen hinta on huomattavasti alhaisempi kuin pienpuusta tehdyn hakkeen. Kaukokuljetuskustannukset on laskettu käyttäen keskimääräistä kuljetusetäisyyttä ja yhtälöä (13) (Petty & Kärhä 2011). Investointikustannusten oletetaan muuttuvan kapasiteettikertoimella 0.7. Puuhiilen saannon oletetaan olevan 33% puun kuivamassasta. Sähkön ja lämmönkulutuksen oletetaan seuraavan aikaisemmin esitettyjä arvoja, samoin kuin työvoima- ja huoltokustannusten. Kuviossa 17 esitetään, miten puuhiilen tuotantokustannukset muuttuvat kapasiteetin kasvaessa. Tehtyjen oletusten mukaan, voidaan havaita, että tuotantoyksikön kapasiteetin kasvattaminen yli 22 t ka/h (100 MW polttoaineteho ) ei toisi enää merkittävää parannusta puuhiilen tuotantokustannuksiin. Tätä selittää varsin suuressa määrin raaka-aineen hankinnan nousevat kustannukset, kun hankinta-aluetta joudutaan kasvattamaan. Tarkastelussa oletettiin hankinta-alueen olevan puoliympyrä, joka osaltaan on nostamassa raaka-aineen hankinnan kustannuksia. Näin ollen, mikäli tuotantolaitos olisikin alueella, jonka ympärillä on joka puolella raaka-ainetta, voisi suurempi tuotantoyksikkö tuoda lisäetuja. Toisaalta, mikäli päädytään käyttämään muunlaista biomassa raaka-ainetta, voi meren läheisyydessä olevan tuotantolaitoksen sijainnista olla hyötyäkin. 500 Puuhiilen tuotantokustannukset /t Laitoksen koko tka/h Kuvio 17. Puuhiilen tuotantokustannusten muuttuminen kapasiteetin kasvaessa. Suomessa, jossa metsähakkeen saatavuus pinta-alaa kohden on monilla alueilla varsin pieni, voisi useampien, pienemmän mittakaavan laitosten hajautettu järjestelmä olla toimivampi. Tähän mennessä on tarkasteltu ainoastaan puuhiilen tuotantokustannuksia, ottamatta kantaa siihen, miten puuhiilen tuotannossa syntyviä sivutuotteita voitaisiin hyödyntää. 42

43 Vuosittaisten käyttökustannusten jakaantuminen Sivutuotteiden hyödyntämisen vaikutukset Tarkastelussa oletettiin siis puuhiilen tuotantolaitoksen sijaitsevan Suomen ainoan integroidun hiiliterästehtaan läheisyydessä. Terästehtaan sisällä hyödynnetään prosesseissa syntyviä kaasuja monipuolisesti. Masuunikaasua, jonka lämpöarvo on yleensä MJ/Nm 3, käytetään pääasiassa cowpereiden lämmitykseen, joiden läpi masuunin puhallusilma johdetaan, ennen masuuniin puhallusta. Masuunikaasua käytetään hyvin paljon voimalaitoksella. Koksaamokaasua, jonka lämpöarvo on MJ/Nm 3, käytetään pääasiassa terässulaton prosesseissa, joissa tarvitaan korkeamman lämpöarvon kaasuja ja korkeampaa liekin lämpötilaa. Synteesikaasu, jota syntyy puuhiilen tuotannossa, voitaisiin käyttää monissa eri prosesseissa terästehtaalla, kondensoinnin ja puhdistuksen jälkeen. Tässä tarkastelussa on kuitenkin oletettu, että kaasusta ei eroteta kondensoituvia kaasuja, vaan se poltetaan sellaisenaan terästehtaan voimalaitoksella. Vuosittainen synteesikaasun määrä, joka syntyy 11.5 t/h kapasiteetin puuhiililaitoksella, on noin 219 GWh, josta noin 176 GWh on käytettävissä pyrolyysilaitoksen ulkopuolella. Synteesikaasun energia, joka on käytettävissä voimalaitokselle, on suuri verrattuna puun sisään tuomaan energiaan, koska puun kuivaamiseen tarvittava energia tulee kaukolämmön muodossa. Synteesikaasu oletetaan myytävän terästehtaalle polttoaineeksi. Brownin et al. (2011) mukaan hinta, joka saadaan synteesikaasun myynnistä USA:ssa, olisi 5 US dollaria MMBTU:lta, joka on verrattavissa maakaasun hintaan USA:ssa. Muunnettuna euroiksi ja per MWh, saatava hinta olisi 13 /MWh. Tässä tarkastelussa on oletettu synteesikaasusta saatavaksi hinnaksi 20 /MWh. Suomessa maakaasun hinta teollisuuskäyttäjälle on noin 40 /MWh, joten synteesikaasulle annettu arvo on merkittävästi sitä pienempi Hakkuutähdehake Pienpuuhake Kuipuuhake Sivutuotevähenn ykset Huolto- ja muut kustannukset Työvoima Kaukolämpö Sähkö Pääomakustannu kset Raaka-aine Kuvio 18. Vuosittaisten käyttökustannusten jakaantuminen. Kuviossa 18 on esitetty, miten vuosittaiset kustannukset jakaantuvat tarkastellun kapasiteetin omaavassa puuhiilen tuotantolaitoksessa eri hakeraaka-aineilla. Tarkastelusta voidaan nähdä, että mikäli synteesikaasun hinnaksi oletetaan 20 /MWh, voitaisiin jopa 32% vuosittaisista kustannuksista kattaa. Vaikeus, joka liittyy synteesikaasuun, on sen varastointi. Kaasukellot ovat kalliita investointeja ja tällaisessa tapauksessa jouduttaisiin myös erottamaan tervat synteesikaasusta. 43