Pien- tai mikro-chp-teknologiat tutkimus Jyväskylän yliopistossa

Transkriptio

1 Pien- tai mikro-chp-teknologiat tutkimus Jyväskylän yliopistossa Jukka Konttinen Jyväskylän yliopisto

2 Uusiutuvan energian tutkimus- ja koulutusohjelma (JY) Maisteriohjelman tavoitteena on kouluttaa uusiutuvan ja hajautetun energiantuotannon asiantuntijoita edistämään paikallisten energialähteiden hyödyntämistä Koulutus pohjautuu aiempaan kandidaatin tai AMK-tutkintoon Koulutuksen kesto on min. 2 vuotta ja johtaa KTM/YTM/FM tutkintoon Opintojaksojen aiheisiin kuuluvat aurinko- ja tuulivoimateknologiat, biomassan konversiotekniikat yms. Poikkitieteellisyys: koulutuksessa yhdistyvät matemaattis-luonnontieteellisen tiedekunnan antama koulutus Kemia, fysiikka ja ympäristötieteet yhteiskunta- ja taloustieteet

3 Uusiutuvan energian tutkimus UE-hankkeessa tutkimustoimintaa sekä perustutkimuksen että soveltavan tutkimuksen piirissä Vaajakosken UE-laboratorio Aurinkolämpökeräimiä Rakenteilla mikro-chp-laitteisto lämmön ja sähkön tuottamiseksi puupelleteistä Biokaasun ja kaatopaikkakaasun hyödyntämisen tutkimusta Aurinko- ja tuulienergian sekä lämpöpumppujen demonstraatioita Taloustiede: Innovatiivisia ratkaisuja liiketoimintamalleihin Biojalostamot Biokaasun jakeluverkko Päästökauppa, energiaverotus, energiatehokkuus ja säästäminen Yhteiskuntatiede: Energiantuotannon sosiaaliset vaikutukset paikallisella tasolla

4 Viitasaaren energiaratkaisu (ABC) Tavoite: 97 % sähköstä ja lämmöstä uusiutuvilla. Uusituvan energian tuoton demonstrointi. Toteutus: Sähkön ja lämmön tuotanto käyttäen bioenergiaa, aurinkoja tuulienergiaa sekä lämpöä Keitelejärvestä. Rahoitus: KTM, Keskimaa Osk., Viitasaaren kaupunki, Euroopan aluekehitysrahasto (EAKR), ESR, Länsi-Suomen lääninhallitus N E

5 Lämpöpumpun ja aurinkolämpökeräinten tuotantolukuja ABC Viitasaari kwh (heat) Jrvilmp Aurinkolmp Kuukausi Tasokeräimet TiNO x päällyste Kokonaisala 38 m 2 32 kw p, Kallistus 35 Suuntaus etelä Lämpöpumpun tuotto 133 MWh/v, n 60% kiinteistön lämmöntarpeesta, kuoletus 10-15v Aurinkolämpökeräinten tuotto 10 MWh/v, kuoletus n. 20v (sähkö 100 /MWh) Jouko Korppi-Tommola University of Jyväskylä 2008 Järvilämpöpumppu 290 kw, 7,5 km putkea Keiteleessä

6 Viitasaaren ABC-liikennemyymälän verkkoon kytketty aurinko-tuulisähköjärjestelmä 154 läpinäkyvää ASITHRU-30-SG ohutkalvo aurinkopaneelia Pinta-ala: 92,4 m 2 Nimellisteho: 4,2 kw p (DC) Paneelihyötysuhde:4,5 % Kallistuskulma: 5 WT 10P tuuliturbiini Nimellisteho: 10 kw p Roottorin halk.: 5,4 m Käynnistysnop.: 3,5 m/s Nimellisnop.: 12 m/s

7 Saarijärven keskuskoulun 6 kw:n aurinkosähköjärjestelmä Saarijärvien koulun aurinkosähköj. koulun katolla HIT (Heterojunction with Intrinsic Thin layer) aurinkosähköteknologia Kennon ja moduulin hyötysuhteet ovat 18,4 % ja 16,5 % Lähde: SANYO/HIT Photovoltaic Module

8 VaajakoskEN laboratorio Aurinkolämpökeräimet Testipaikka 6-10 m 2 keräimille -TiNO x- pinnoitettu paneeli - tyhjöputkikeräin - muoviputkikeräin - kumimattokeräin

9 Vedyntuotantoa Jyväskylän yliopiston aurinko- ja tuulisähköjärjestelmän avulla Aurinko- ja tuulisähkön varastointi vetynä Vedyn varastointi osana energiajärjestelmää

10 BIOKAASU Muodostuu orgaanisen aineen hajotessa hapettomissa olosuhteissa Muodostuu kaatopaikoilla, voidaan tuottaa jätevedenpuhdistamoiden lietteistä, biojätteistä, maatalouden lannoista, energiakasveista, elintarviketeollisuuden sivutuotteista Kaasun lähde CH 4 (%) CO 2 (%) N 2 (%) H 2 S (ppm) Jätevedenpuhdistamo < Kaatopaikka

11 BIOKAASUN HYÖTYKÄYTTÖ Lämmön ja höyryn tuotanto Lämmön ja sähkön tuotanto Ajoneuvojen polttoaine Polttokennot Syöttö maakaasuverkkoon Kemikaalit Optimaalisin hyötykäyttömuoto riippuu useista eri tekijöistä, esim. sijainti, paikalliset olosuhteet, jakeluverkoston saatavuus, lainsäädäntö, sivutuotteet jne. Eri käyttökohteille eri kaasun puhtausvaatimukset

12 BIOKAASUA LABORATORIOSTA KÄYTÄNTÖÖN

13 Sähköä ja lämpöä kiinteästä biomassasta pienessä mittakaavassa? Kiinnostava tehoalue kw e Stirling-tekniikka: Energiaa siirretään palamiskaasuista stirling-koneen työkaasuun lämmönsiirtimen avulla Biomassalla hyötysuhde n. 15 % Lämmönsiirtimen toiminta avainkysymys

14 Mikro-CHP-laitteisto Vaajakosken laboratoriossa

15 Mikro-CHP-laitteisto Vaajakosken laboratoriossa P2 Fan flue gas recirculation + sek. & tert. air preheating T7 Heat exch 2 Stack Furnace: height. 1.3 m, i.d. 0.5 m mass flow meters sek+ tert air Stirling 9 kwe 1300C Heat exchanger 1 T5 T4 District heat T6 T3 Flue. Gas. sampling O2, CO, particles mass flow... prim. air (with pellets) Pellet furnace Fuel power 60 kw T2 P1 T1 Flue gas cleaning T= temperature, P= pressure to PC control system!

16 Teoreettisia virtauslaskelmia mikro-chplaitteiston suunnittelun avuksi a) b1) b2) λ=2,03, circ. 0% m= 48 g/s (λ=1,47, circ. 0%, m= 33 g/s) T f =1245 λ=1,47, circ. 46% m= 48 g/s Sec.+tert. 345 o C Sec.+tert. 558 o C T f =1173 T f = 1224 o C Clever air jet direction Example of CFD calculations: Fuel power 60 kw high lamda (a) and fuel gas recirculation (b) with equal mass flow of flue gas (Lähde: VTT)

17 Vaajakosken mikro-chp-laitteisto, tilanne Laitteisto rakennettu Viivästyksiä johtuen laitetoimituksista ja rahoituksesta Ensimmäiset pellettipoltto-koeajot suoritettu noin 20 kw th kapasiteetilla syksyllä 2009 Kirjallisuusselvitys pienen kokoluokan CHPlaitteistoista, yhteistyössä VTT:n kanssa, rahoittajat Keulink Oy sekä OSKE/Jyväskylä Innovation Oy

18 Vaajakosken mikro-chp-laitteisto, suunniteltuja jatkotoimenpiteitä Pellettipolton ajo täydellä kapasiteetilla (60 kw th ) Tuhkan käyttäytyminen lämpötiloissa > 1000 C, näytteitä mahdollisista depositioista lämmönvaihtimeen tuhkatase alkuaineittain Stirling-koneen asennus savukaasukanavaan ja koeajot Lämpösähköisten materiaalien asennus ja testaus (yhteistyö VTT:n kanssa) Mahdollinen lisäaineiden testaus pellettituhkan höyrystymisen vähentämiseksi Pien-sähkösuodin, mahdollinen testaus

19 Pien- tai mikro-chp-laitteistot kaasutukseen perustuen Myötävirtakaasutin, ns. häkäpönttö + kaasun puhdistus + kaasumoottori POLTTOAINE LTO KUIVUMINEN Moottori Sähkö PYROLYYSI ILMA HAPETTUMINEN ILMA PELKISTYMINEN KAASU Pesuri

20 Pien- tai mikro-chp-laitteistot kaasutukseen perustuen Häkäpönttö + kaasun puhdistus + kaasumoottori Tehoalue kw th Sähköntuotto noin 30 % termisestä energiasta Kokonaishyötysuhde > 70 % Keski- ja pohjoissuomalaisia yrityksiä teknologiakehitys ja kaupallistaminen Gasek Oy ( CCM-Power Oy ( Entimos Oy ( HT Enerco Oy ( Haasteita: Myötävirtakaasutin tervat Muunnelmat perinteisestä häkäpöntöstä, tervan minimoimiseksi Laitosten pitkäaikaiskäytettävyys Tähän asti ajettu kymmeniä satoja tunteja Vähemmän rohkaisevia kokemuksia Kokemäen ja Tervolan laitoksilta

21 Pien- tai mikro-chp-laitteistot, yhteistyö Jyväskylän yliopisto yhteistyössä seuraavien tahojen kanssa Yritykset: HT Enerco Oy Vapo Oy Gasek Oy Tutkimuslaitokset: Chydenius-keskus, Kokkola (JY & OY) Prof. Ulla Lassi, Oulun yliopisto VTT Jyväskylän ammattikorkeakoulu (JAMK), Bioenergiakeskus (Saarijärvi) Rahoitus: TEKES, EAKR

22 YHTEENVETO Uusiutuvan energian tutkimus- ja koulutusohjelma Jyväskylän yliopistossa Poikkitieteellinen: luonnontieteet sekä yhteiskunta- ja taloustieteet Yksi painopiste bioenergia pienen mittakaavan paikalliset energiantuotantolaitokset ( kw e ) Oma pellettipolttoon perustuva mikro-chp-laitteisto rakennettu ja tutkimuksessa JY mukana kaasutukseen perustuvien CHP-laitteistojen kehitystyössä Myötävirtakaasutin + kaasun puhdistus + kaasumoottori Yhteistyö tutkimuslaitosten sekä keski- ja pohjoissuomalaisten yritysten kanssa