Biohiilen tuotanto ja käyttö SECTOR-projektin tuloksia

Transkriptio

1 Biohiilen tuotanto ja käyttö SECTOR-projektin tuloksia A European R&D Project funded within the Seventh Framework Programme by the European Commission Eija Alakangas, Vesa Arpiainen & Kirsi Korpijärvi Teknologian tutkimuskeskus VTT Oy ForestEnergy 2020 seminaari Joensuu 1,5,6: ECN; 2-4 Jasper Lensselink 1

2 Usein esitetyt kysymykset - esityksen sisältö 1 2 Mikä on biohiili ja torrefiointi/paahtaminen? Mikä on SECTOR-projekti? 3 Riittääkö puuraaka-ainetta Euroopassa? 4 Mitä biohiilen tuotanto maksaa ja miten kustannukset jakautuvat? 5 6 Voidaanko biohiiltä varastoida ulkona? Voidaanko biohiilipellettejä polttaa pienkattiloissa? 2

3 Mikä on biohiili ja torrefioionti/paahtaminen? Biohiili on biomassasta termisesti valmistettu kiinteä biopolttoaine, jolla on suuri energiatiheys (pienemmät GHG päästöt), hyvä jauhautuvuus (voidaan käyttää hiilimyllyjä), hyvä mekaaninen kestävyys (kuljetus, vähäisempi pölyn muodostuminen), hygroskooppisuus (imee vähemmän vettä kuin puupelletti). Biohiiltä voidaan valmistaa torrefioinnilla/paahtamisella, höyryräjäytyksellä ja märkähiillolla (HTC-prosessi). Torrefiointiprosessissa kuivattua biomassaa käsitellään hapettomassa tilassa noin asteen lämpötilassa. Torrefioitu biomassa sisältää tyypillisesti % raaka-aineen alkuperäisestä massasta ja 90 % alkuperäisesti tehollisesta lämpöarvosta. Torrefioinnissa vapautuu kaasuja, jotka yleensä poltetaan ja niiden lämpö hyödynnetään biomassan kuivaamiseen ja raaka-aineen esilämmittämiseen ennen torrefiointia. 3

4 Erilaisten biopolttoaineiden ja hiilen vertailu Ominaisuus Hake Puupelletti Torrefioitu puupelletti Kivihiili Kosteus, p-% Tehollinen lämpöarvo saapumistilassa, Q, MJ/kg Haihtuvat, VM, p-% k.a Jäännöshiili, C, p-% k.a Irtotiheys, BD, kg/m Energiatiheys, E (MWh/m 3 ) 0,4 1,0 2,2 3,1 3,3 5,3 5,0 6,7 Hygroskooppisuus hydrofiilinen hydrofiilinen Hydrofobinen (tietyssä määrin) hydrofobinen Biologinen hajoaminen Nopea Nopea Hidas Ei hajoa Hydrofiilinen = imee vettä hydrofobinen = hylkii vettä 4

5 DBFZ SECTOR-PROJEKTI 5

6 SECTOR -projekti EU-projekti (FP7): SECTOR Kesto: Kokonaisrahoitus: 10 miljoonaa Osallistujat: 21 organisaatio 9 EU-maasta Suomesta: VTT, Helen, Pöyry (alihankkija) Koordinaattori: DBFZ, Saksa 6

7 SECTOR-projektin osatehtävät Raaka-ainevarat Saatavuus nyt ja 2030 sisältäen hintatason - Soveltuvuus torrefiointiin - Käyttäjien tarpeet Torrefiointiprosessin optimointi pelletoinnin logistiikan ja käytön kannalta Torrefioidun biomassan tiivistämisen optimointi - Pelletointi - briketointi Tuotetun polttoaineen ominaisuuksien analysointi - Varastoinnin - käsittelyn ja - kuljetuksen kannalta Torrefioidun biomassan käytettävyys - Seospoltossa kivihiililaitoksissa - Kaasutuksessa - Pienpoltossa - Materiaalina Demonstraatiokokeet (WP5) Raakaaineet WP2 Torrefiointiprosessi WP3 Tiivistäminen WP 4 Logistiikka WP 6 Käyttö WP7 Tuotteiden spesifiointi ja analyysimenetelmät (WP 8) ja sosio-ekonomiset ja kestävän kehityksen analyysit (WP9) 7

8 RAAKA-AINEVARAT PUUVARAT EUROOPASSA Kuvat vasemmalta: Referenssiraaka-aineet: havupuu kuorellinen runkopuu ja kuoreton lehtipuu hakkuutähde, olki ja bambu 8

9 Raaka-aineet ja raaka-aineiden valinta (VTT) Biomassapotentiaalit Perustuu olemassa oleviin tutkimuksiin teknisesti saatavissa oleva potentiaali EU-maissa ja maailmanlaajuisesti Myös raaka-aineen hintatasoa selvitetty Raaka-aineen ja lopputuotteen laatuvaatimukset tuottajien ja käyttäjien kannalta Kyselytutkimus tuottajille sekä puupellettien ja torrefioitujen pellettien käyttäjille Tehty yhteistyötä International Biomass Torrefaction Council (IBTC) jäsenten kanssa. Valituista raaka-aineista laadittu ominaisuusprofiilit Raaka-aineet luokitettu SFS-EN ISO :2014 standardin mukaan. Tehty kahdessa vaiheessa (esivalinta kokeita lopullinen valinta) Ominaisuustiedot kerätty kirjallisuudesta ja SECTOR-projektin laboratoriokokeista. 21 erilaista biomassaraaka-ainetta valittu, joista 12 pilot- ja demonstraatiokokeisiin. 9

10 Yhteenveto puubiomassan potentiaaleista Euroopassa Raaka-ainelähde k-m 3 PJ/a (TWh/a) Runkopuu (399) Maisemanhoidon puubiomassa (143) Metsähake (329) Metsäteollisuuden sivutuotteet ja (179) tähteet Käytöstä poistettu puu (kierrätyspuu) (110) EU-27 yhteensä (1 018) Muu Eurooppa Ukraina (19) Venäjä (luoteinen alue) (208) Valko-Venäjä, Norja, Sveitsi (44) Lähteet: BEE-projekti, EU-Wood projekti, SECTOR partnerit 10

11 Puuenergiapotentiaalit EU-27 (PJ/a) 700 PJ/a Käytöstä poistettu puu Sivutuotteet ja tähteet teollisuudesta Hakkuutähteet suoraan metsästä Runkopuu 0 Lähde: VTT VTT 11

12 Partner ECN Torrefaction technology Directly heated moving bed Flue gas drying directly heated by flue gases/ Heat transfer torrefaction directly heated by torrefaction gas Flue Gas Ashes Feedstock pine chips Flow rate 118,052 2 kg/h Torrefaction temperature (ºC) 270 Temperature ºC Anhidrous weight loss (%) 18.7 Energy 2, kw Reference temperature (ºC) 15 Feedstock Heating source 1 Flow rate 31,500 kg/h Moisture 45.0 % Flow rate 14,085 kg/h Ash content (db) 0.3 % Torrefied Moisture 0.0 % NCV (db) 19.4 MJ/kg Product Ash content (db) 0.2 % Energy 83,522 kw (Cooled) NCV (db) 20.9 MJ/kg Source/Fuel Name pine chips Flow rate 1,800 kg/h Energy 81,585 kw Moisture 45.0 % Cooling Product 1,297 kw Ash content (db) 0.3 % Process Flue gases 0 kw NCV (db) Energy Source/Fuel Name Flow rate 19.4 MJ/kg 4,773 kw 0 kg/h Drying and Torrefaction Heating source Moisture % 2 Ash content (db) % Process materials NCV (db) MJ/kg Nitrogen 1,500 kg/h Energy 0 kw Air 97,340 kg/h Water 0 kg/h Heat Losses Energy lost 2,506 kw MASS BALANCE ENERGY BALANCE INPUT 132,140 kg/h INPUT 88,294 kw OUTPUT 132,140 kg/h OUTPUT 81,585 kw BALANCE 0 kg/h LOSSES 6,709 kw BALANCE 0 kw NET THERMAL EFFICIENCY CONSUMPTION OF THERMAL ENERGY 92.4% 0.34 kwh/kg TORREFIOINNIN KUSTANNUKSET INTEGROINTI METSÄTEOLLISUUTEEN Kuva: ECN:n massa- ja energiatase mäntyhakkeen torrefioinnissa 12

13 Integrointi nykyaikaisen sahaan Nykyaikainen saha, joka käyttää havupuuta 250,000 k-m 3 /a Vaihtoehto 1: Uusi saha ja torrefiointilaitos, t/a torrefioituja pellettejä Käytetään kuorta ja sahanpurua, kattila 35 MW th kuuman veden tuottoon (nauhakuivuri torrefiointilaitoksella) Sahanhake (39 MW th ) käytetään raaka-aineena torrefiointilaitoksella Lisäksi metsähaketta (136 MW th ) torrefiointilaitoksella Vaihtoehto 2: Olemassaoleva saha ja uusi torrefiointilaitos, t/a torrefiotuja pellettejä Uusi biomassakattila kuorelle torrefiointilaitosta varten (12 MW th ) Sahanhake ja sahanpuru käytetään raaka-aineena torrefiointilaitoksella Lisäksi metsähaketta (77 MW th ) torrefiointilaitoksella 13

14 Rinnakkaisprosessi: Moderni saha päämassa- ja energiavirrat kun tuotantomäärä on m 3 havusahatavaraa 14

15 Rinnakkaisprosessit ja integraatit: Moderni pohjoismainen sellutehdas Moderni Pohjoismainen sellutehdas, joka käyttää havupuuta ja tuottaa kuiva-aine tonnia sellua vuodessa Vaihtoehto 5: Sellutehdas ja uusi torrefiointilaitos, t/a torrefioituja pellettejä Sellutehtaan kuori käytetään torrefiointilaitoksen kattilan polttoaineena (45 MW th ) (nauhakuivuri torrefiointilaitoksella) Sellutehdas tuottaa lähisähköä (50 /MW e ) torrefiointilaitoksen jauhatukseen ja pelletointiin Metsähaketta (299 MW th ) käytetään raaka-aineena torrefiointilaitoksella Integrointi säästää logistiikka- ja henkilöstökustannuksissa (75 % standalone-laitoksen kustannuksista) ja käyttökustannuksissa (75% stand-alonelaitoksen kustannuksista) kuten myös sahavaihtoehdossa on oletettu. 15

16 Stand alone-laitokset: Eurooppalaiset ja kansainväliset vaihtoehdot Perusvaihtoehto: Referenssilaitos, t/a torrefioituja pellettejä Raaka-aineen hinta on Pohjoismaissa /MWh Kustannuslaskelmissa käytetty metsähakkeelle hintaa 18 /MWh (< 150 MW th ) Vaihtoehto 8: Suuri eurooppalainen torrefiointilaitos, t/a torrefioituja pellettejä Metsähakkeen hinta laskelmissa 20 /MWh (>150 MW th ) Vaihtoehto 9: Suuri, Euroopan ulkopuolella toimiva iso torrefiointilaitos, t/a torrefioituja pellettejä Näissä kohteissa raaka-aineen hintavaihtelut suuremmat, /MWh Kustannuslaskelmissa käytetty hintaa 15 /MWh 16

17 Stand alone-laitokset: Puun hinta Puun hinta Venäjällä huomattavasti halvempi Selluhakkeen hinta toimitettuna laitokselle vuonna 2013, m 3 sob (kuorellinen kiintokuutiometri) Lähde: Sipilä, E., Biomassan kaasutus, AEL seminaari, 29 lokakuu 2013, Tampere 17

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

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

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

21 Johtopäätöksiä torrefiointilaitoksen integroinnista Integrointi uuteen sahaan on suositeltavin (Vaihtoehto 1: t/a torrefioituja pellettejä, kustannukset 80 % perustapauksesta) Sellutehdasintegraatti voi tuottaa lähes samoilla kustannuksilla kun sahaintegraatti (Vaihtoehto 5: t/a torrefioituja pellettejä, kustannukset 80 % perustapauksesta) Edut ovat energian tuotannon integroinnissa (sähkö, lämpö ja erityisesti kuivausprosessi), raaka-aineen logistiikassa, biomassan käsittelyssä ja muissa yleisissä toiminnoissa. Tiettyjä hyötyjä: puun hankinta, logistiikka- ja kuljetuskustannukset, varastointia ja käsittely laitoksella sekä mahdollisissa muissa tuotteissa, joita ei ole täysimääräisesti huomioitu näissä laskelmissa Tarvitaan tarkempi tapauskohtainen analyysi. 21

22 VARASTOINTIKOKEET VTT:LLÄ Pellettien kostutuksessa käytetty VTT:n kiertoilmakuivuri 22

23 Käsittelykestävyyden ja varastoitavuuden tutkimukset 5 erää torrefioidusta biomassasta valmistettuja pellettejä - suomalainen puupelletti vertailuna VTT:n kehittämät käsittelymenetelmät Pellettien kostutus tasapainokosteuteen Sadetuskoe Upotuskoe Pellettien ominaisuuksien määritys lähtötilanteessa ja erilaisten käsittelyjen jälkeen Pellettien mitat, kosteus, irtotiheys ja mekaaninen käsittelykestävyys, puristuslujuus Kuvat: VTT 23

24 Pellettien kosteus, % Joensuu, Pellettien kostuminen ECN Kuusi ECN Poppeli ECN Mänty CENER Olki Topell Metsätähde Kaupallinen puupelletti 1 Pellettilaatujen 0 tasapainokosteudet suhteellisen ilmankosteuden ollessa % ja 26 C lämpötilassa Aika, h Kuva: VTT 24

25 Kosteus, % Joensuu, Pellettien kosteus eri käsittelyjen jälkeen Lähde: VTT Lähtötilanne Tasapainokosteus Sadetuskokeen jälkeen Upotuskokeen jälkeen 72, ,2 21,5 23,9 24,6 23,3 35,8 30,0 25,0 27,8 27,4 25, ,8 8,7 9,6 3,8 4,2 5,1 12,4 12,9 ECN Kuusi 260 ECN Poppeli 270 ECN Mänty 270 CENER Olki 270 Topell Metsätähde Kuusi Poppeli Mänty Olki Puutähteet ,4 10,3 6,3 12,0 Kaupallinen Puupelletit puupelletti 25

26 Mekaaninen käsittelykestävyys, % Lähtötilanne 98,2 Tasapainokosteus 97,4 Sadetus 58,9 Upotus 54,2 Lähtötilanne 97,5 Tasapainokosteus 97,9 Sadetus 81,3 Upotus 80,7 Lähtötilanne 93,0 Tasapainokosteus 89,2 Sadetus 49,7 Upotus 54,0 Lähtötilanne 98,0 Tasapainokosteus 97,0 Sadetus 74,9 Upotus 80,8 Lähtötilanne 96,0 Tasapainokosteus 95,0 Sadetus 64,2 Upotus 60,1 Lähtötilanne 98,2 Tasapainokosteus 94,6 Joensuu, Sadetus Upotus Pellettien kostumisen vaikutus käsittelykestävyyteen 100 Lähde: VTT ECN Kuusi 260 ECN Poppeli 270 ECN Mänty 270 CENER Olki 270 Topell Metsätähde Kaupallinen puupelletti 26

27 Johtopäätökset varastointikokeista Kaikki testatut torrefioidusta biomassasta valmistetut pelletit kestivät kostumista ja kastumista puupellettejä paremmin Kostuminen tasapainokosteuteen heikensi pellettien käsittelykestävyyttä vain vähän Sadetus tai upottaminen veteen heikensi käsittelykestävyyttä huomattavasti Käsittelykestävyydessä oli eroja pellettilaatujen välillä, joita voitiin perustella mm. pellettien mitoilla ja raaka-aineilla Laboratoriomitan kokeiden perusteella torrefioidut pelletit tulisi varastoida katettuna. Lyhytaikaisesti (muutamia viikkoja) pellettejä voidaan varastoida ulkona, jolloin cm:ä kasan pinnalta pelletit kostuvat ja osin hajoavat. 27

28 Lähde: BIOENERGIESYSTEME GmbH Inffeldgasse 21b, Graz, Austria TSP kokonaishiukkaset, CO häkäpäästöt PM1 pienhiukkaset < 1 μm POLTTOKOKEET JA PÄÄSTÖT 28

29 Boiler efficiency [%] Joensuu, Pellettikattiloiden polttokokeiden tuloksia Suurempi hiilipitoisuus vaatii pitemmän polttoajan (arinan ja tulipesän muutos) Ilmakerroin sekä ilmanjako täytyy säätää polttotavan mukaan. Päästöt ovat melko samanlaisia kuin puupelleteillä samaa raaka-ainetta käyttäen. Korkeampi polttoainekerroksen lämpötila lisää pienhiukkaspäästöjä. Torrefioitujen pellettien suurempi slagin muodostuminen palamisessa voi liittyä korkeimpiin polttoainekerroksien lämpötiloihin. Siksi on tärkeää tutkia slagin (kerrostumien) muodostumista. Lähde: Yllä: 15 kw:n yläpalo- ja 12 kw:n alapalokattilan kattilahyötysuhde. Sininen puupelletit, punainen ja vihreä torrefioidut pelletit Boiler 1 (underfeed 15 kw) Softwood pellets Topell_wood residues BIOENERGIESYSTEME GmbH Inffeldgasse 21b, Graz, Austria Boiler 2 (overfeed 12 kw) Toppel_spruce 29

30 Torrefioidun pelletin seospoltto pölykattiloissa Torrefioitua pellettiä voidaan polttaa pölypolttokattiloissa 50 %:n ja jopa 100 %:n seossuhteella. Raekoko vaikuttaa polton reaktiivisuuteen. Torrefioitu jauhautuu pienemmäksi kuin puupelletti. Torrefioitu pelletti syttyy nopeasti, mutta suuremmat partikkelit vaativat pitemmän palamisajan. NO x päästöt vähenevät 50 %:n seossuhteella 10 %:a ja 100 %:n seossuhteella 71 %. Myös SO x -päästöt vähenevät merkittävästi. Torrefioitua pellettiä voidaan jauhaa 32 %:a (24 % energiasta) yhdessä hiilen kanssa kivihiilimyllyissä ilman muutoksia. Lämpötilaa myllyissä pitää alentaa. Myllyn kapasiteetti laskee korkeintaan 7 % (energiasta). 30

31 Joensuu Kasvihuonekaasupäästöt torrefioiduille pelleteille Puupelletit Lähde: DBFZ Jakelu Torrefiointi /pelletointi Raaka -aine 31

32 Karl-Heinz Liebisch/PIXELIO Kiitos! VTT:n torrefaction julkaisut: Wilén et al. 2013, Wood torrefaction pilot tests and utilisation Prospects, VTT Technology 122. Wilén et al. 2014, Wood torrefaction market prospects and integration with the forest and energy industry, VTT Technology 163. SECTOR-projektin VTT:n yhdyshenkilöt Eija Alakangas (varat, standardisointi) Vesa Arpiainen (kustannukset, integrointi) Kirsi Korpijärvi (varastointi) Lisää tietoa SECTOR projektista URL: Tietoa meistä Julkaisut Julkaisurekisteri ja hae Wilén 32