Raportti. Energiateollisuus ry raportti. Polttoaine-energian määrittäminen taselaskennan avulla päästökaupassa

Transkriptio

1 Raportti Energiateollisuus ry raportti Polttoaine-energian määrittäminen taselaskennan avulla päästökaupassa

2 Sivu 1 (1) Viite 60K Q Copyright Pöyry Energy Oy Kaikki oikeudet pidätetään Tätä asiakirjaa tai osaa siitä ei saa kopioida tai jäljentää missään muodossa ilman Pöyry Energy Oy:n antamaa kirjallista lupaa.

3 Sivu 1 (1) Yhteenveto Työn tulos on että taselaskentamenetelmää voidaan käyttää päästökaupan tarkkailumenetelmänä. Mikäli kattilassa käytetään useampia polttoaineita, on käytettävä määrämittaukseen ja lämpöarvoon perustuvaa tarkkailumenetelmää taselaskennan lisäksi. Jotta taselaskentamenetelmä täyttäisi päästökaupan tarkkuusvaatimukset, on tärkeimpien energiavirtojen laskentaan liittyvät mittaukset kalibroitava. Vähäisemmät energiavirrat voidaan käsitellä osana kattilahäviöiden ryhmää ja näin yksinkertaistaa tarvittavaa virhetarkastelua. Taselaskennasta on hyötyä myös virhetilanteiden hallinnassa. Ensisijaisen tarkkailutavan, sekä sen varmennuksen tulisi olla siten valittu, etteivät ne perustu samoihin mittauksiin. Näin vältetään liiallinen riippuvuus yksittäisistä mittauksesta ja ongelmat havaitaan nopeasti ja niihin pystytään puuttumaan määrätietoisesti. Eri mittausten tarkkuutta tarkastellessa, on tarkastelu syytä tehdä suorien mittausten osalta kalibrointitarkkuuksia vertailemalla ja epäsuorien osalta otetaan huomioon lisäksi myös muut tarkkuuteen vaikuttavat tekijät. Työ sisältää periaatteet taselaskennan hyödyntämisestä päästökaupassa niin nykyisten, kuin uusienkin laitosten osalta. Käyttöönottoa helpottamaan on käyty läpi periaatteet, joilla taselaskenta tarkkailusuunnitelmassa selostetaan.

4 Sivu 1 (18) Sisältö Yhteenveto 1 MENETELMIEN KUVAUS Perinteinen menetelmä 3 1. Taselaskenta Käyttö polttoainekaupassa Laitoksien energianhallinta ja taselaskentajärjestelmät Tuotettu sähkö & lämpö 5 TASELASKENNAN KÄYTTÖ PÄÄSTÖKAUPASSA 5.1 Edellytykset päästökauppakaudelle Epävarmuusanalyysin sisältö ja tekeminen 7.1. Kokonaisvirheen määrittäminen Tarkkailun kokonaisvirheen muodostaminen Pääpolttoaineen osuuden vaikutus taselaskennan tarkkuuteen Laitoskoon vaikutus tarkkuuteen Käyttömahdollisuudet verrattuna nykyisiin määrittämistapoihin 11 3 MITTAUSTEN TARKKUUS Mittalaitteen tarkkuus ja mittauksen tai menetelmän tarkkuus 1 3. Mittausten ja määritysten virhelähteitä Määrämittaus Polttoaine-energia Polttoaineen kosteus Punnitus Palamattomat ainekset osana polttoainetta Lämpöarvon määritys Lämpötilamittaukset Painemittaukset Vertailulaskenta esimerkkilaitoksilla Haapavesi (Vapo) Rovaniemi (Rovaniemen Energia) Haapaniemi (Kuopion Energia) 14 4 TASELASKENTA KÄYTÄNNÖSSÄ Vaatimukset mittauksille Syöttötietovaatimukset Instrumentoinnin vaatimukset Yleistä Määrämittaukset Lämpötilamittaukset Painemittaukset Kalibrointi Mittalaitteiden sijoitus Mittausvirheiden kompensointi Kuvaus tiedonhallinnan laadunvarmennus- ja laadunvalvontamenettelyistä 17 Liitteet 1. Lämpövirtojen virhetarkastelu

5 Sivu (18) Määritelmät Tässä raportissa voimalaitoksella tarkoitetaan myös päästökaupan piiriin kuuluvia pelkästään kaukolämpöä tuottavia laitoksia. Tässä raportissa termillä perinteinen menetelmä tarkoitetaan monitorointiohjeen mukaista ensisijaista menetelmää päästöjen määrittämiseksi. Termillä taselaskenta tarkoitetaan menetelmää, jossa polttoaine-energia määritetään epäsuoralle menetelmällä käyttäen voimalaitoksella tehtäviä mittauksia. Mitattaessa suuretta (lämpötila, paine, jne.) tulos voidaan saada joko suoralla mittauksella (lämpötilamittaus antaa lämpötilan) tai epäsuorasti, apusuureiden yhdistelmänä. Mikäli suureet riippuvat toisistaan on kyse korreloivasta mittauksesta. Mikäli suureet eivät vaikuta toistensa kautta, on kyse korreloimattomasta mittauksesta. Korreloivan ja korreloimattoman ero tulee virhetarkastelussa. Korreloivassa mittauksessa virhe voi kertaantua jo mittauksen sisällä. Ilmoitettaessa mittauksen tarkkuus, tarkoitetaan sillä aina mittauksen 95 % luottamusväliä.

6 Sivu 3 (18) 1 MENETELMIEN KUVAUS Seuraavassa käydään läpi ne päästökaupan tarkkailumenetelmät joilla polttolaitos voi laskea hiilidioksidipäästönsä. 1.1 Perinteinen menetelmä Valtaosassa laitoksista käytetään polttoaineen määrämittaukseen ja lämpöarvon määrittämiseen perustuvaa menetelmää. Menetelmä on valittu seuraavan päästökauppakauden tarkkailu- ja raportointiohjeen ensisijaiseksi tarkkailutavaksi. Menetelmän tekijät, laskutoimitukset ja yksiköt on kuvattu seuraavasti (kuva 1). Määrämittaus (esim. autopunnitus, hihnavaaka, virtausmittari) [kg] X Lämpöarvo (polttoaineanalyysi tai oletuslämpöarvo ) = [MJ/kg] [MJ] [MJ] Polttoaineenergia Polttoaineenergia CO määritetty tai Hapettumiskerroin CO -päästö X oletuspäästökerroin X = [gco ] (1 [gco /MJ] Laskenta tehdään jokaiselle polttoaineelle erikseen. (1 Tilastokeskuksen internetsivulta: Kuva 1. Perinteisen menetelmän periaate. (määrä & lämpöarvo) Seuraavassa on esimerkkilaskelma perinteisen menetelmän tarkkuuden määrittämisestä. Mittausten tarkkuudet perusteluineen Määrämittaus ±,00 % mittarina hihnavaaka, jonka tarkkuus saatu kalibrointitodistuksesta Polttoaineen tehollinen lämpöarvo ± 1,19 % tarkkuus perustuu laboratorion ilmoittamaan analyysin tarkkuuteen Sisältää kosteuden ja kuiva-aineen tehollisen lämpöarvon virheen Perustuu laatuohjeeseen ja riippumattomiin tarkistusmittauksiin Perinteisen menetelmän tarkkuudeksi saadaan ± (,00%) + (1,19%) = ±,33%

7 1. Taselaskenta Sivu 4 (18) Taselaskennalla tarkoitetaan polttoaineen energiasisällön selvittämistä hyödyntäen lämpömäärää, jonka kattilassa oleva polttoaine luovuttaa palamisen myötä. Voimalaitoksien yhteydessä taselaskennalla tarkoitetaan laskentamenetelmää, jossa käytetään voimalaitoksen prosessimittausten tietoja määritettäessä voimalaitoksen energiavirtoja. Taselaskennassa huomioidaan kaikki tunnetut energiavirrat (katso seuraava kuva) ja energiavirroille käytetään joko mitattua arvoa (esim. virtaukset) tai laskennallista arvoa (esim. kattilan lämpöhäviöt). Taselaskennan tuloksena päästökauppaa ajatellen saadaan tulokseksi voimalaitoksen kattilaan syötetty polttoaineteho. Energiavirrat sisään Energiavirrat ulos Polttoaineteho Kuva. Polttoaineteho saadaan vähentämällä kattilasta poistuvista energiavirroista kattilaan syötettävät energiavirrat. Päästökaupan olosuhteissa päästään riittävään tarkkuuteen, mittaamalla tärkeimmät energiavirrat, jotka ovat tyypillisesti seuraavat. Energiavirran jälkeen on lueteltu tärkeimmät mittaukset, joista lämpövirta koostuu. Suureen perässä on lisäksi tieto siitä, onko mittaus tyypillisesti korreloiva (merkitty (1 ) vai korreloimaton (merkitty ( ). Luettelossa on lihavoitu tärkeimmät energiavirrat. Kattilaan syötettävät energiavirrat Palamisilma (ilmamäärä (1, lämpötila (, ominaislämpökapasiteetti ( ) Syöttövesi (määrä (1, lämpötila (, paine ( ) Kattilasta poistuvat energiavirrat Savukaasu (savukaasumäärä (1, lämpötila (, ominaislämpökapasiteetti ( ) Ulospuhallus (määrä (1, lämpötila (, paine ( ) Nuohous (määrä (1, lämpötila (, paine ( ) (1 ( ( Tuorehöyry (määrä, lämpötila, paine ) Säteilyhäviöt (vakioarvo ( perustuen kattilan tehoon, standardin mukaan) Luetellut lämpövirrat kattavat tyypillisesti yli 99 % kaikista lämpövirroista. Edellä mainittujen lisäksi muita häviöitä ovat mm. tuhkan palamattomat, mutta hiilidioksidipäästöjen määrittämisessä tämä tieto ei ole merkityksellinen Käyttö polttoainekaupassa Taselaskennan käyttö sopii parhaiten laitoksille, joilla on käytössä yksi polttoaine ja yksi polttoainetoimittaja. Laitokselle tuotava polttoaine punnitaan ja taselaskennan avulla saadun polttoaine-energian avulla määritetään lämpöarvo. Etuna perinteiseen menetelmään on, että polttoaineelle ei tarvita kosteus- eikä lämpöarvoanalyyseja kuin laadunvarmistuksen vuoksi.

8 Sivu 5 (18) Käyttö hankaloituu, kun polttoaineen toimittajia on useita. Tällöin lämpöarvo ei kohtele tasapuolisesti niitä polttoaineen toimittajia, joilla on korkeampi lämpöarvo. Tällaisessa tapauksessa tulee osaa, tai kaikkia, polttoaineen toimittajista tarkastella perinteisen menetelmän avulla. Lisäksi erilaisten jakeiden (bio, turve, kivihiili) kulutuksen erottaminen toisistaan ilman perinteisen menetelmän apua on mahdotonta. 1.. Laitoksien energianhallinta ja taselaskentajärjestelmät Lähes kaikilla voimalaitoksilla on käytössään järjestelmä johon kerätään käyttömittaukset. Useimmilla on myös jonkinlainen energiahallinta tai taselaskenta järjestelmä, jonka avulla laitos tekee kuukausittaisen energiaraporttinsa. Jos laitoksella on käytössään taselaskentajärjestelmä, on se yleensä standardin DIN 194:sen mukainen. Jatkossa taselaskentajärjestelmät tehtäneen EN (Vesiputkikattilat ja niihin liittyvät laitteistot. Osa 15: Vastaanottokokeet) mukaisesti, joskin laskennan sisältö on standardeissa yhtenevä. 1.3 Tuotettu sähkö & lämpö Laitoksen tuottaman lämpömäärän mittauksen ja kattilahyötysuhteen avulla voidaan muiden tarkkailutapojen tuloksia varmistaa. Menetelmän etuna on sen riippumattomuus polttoaineen ominaisuuksien mittauksista. Seuraavassa kuvassa on esitetty tarvittavat mittaukset käytettäessä tuotettua sähköä ja lämpöä hiilidioksidipäästön määrittämiseen (kuva 3). Menetelmä sopii yhtä polttoainetta käyttävälle laitokselle (esim. kaukolämpöä tuottavalle öljykattilalle). Sähkön ja/tai kaukolämmön tuotanto Hyötysuhde Kuva 3. Menetelmässä tarvittavat mittaukset. TASELASKENNAN KÄYTTÖ PÄÄSTÖKAUPASSA Seuraavassa kuvassa on käyty läpi taselaskennan periaate, eli miten taselaskentaa käytetään osana CO -päästöjen laskentaa. Kuvan esimerkkitilanteessa pääpolttoaineena on päästökaupan piiriin kuuluva polttoaine, jonka lisäksi käytetään myös muita polttoaineita (kuva 4).

9 Sivu 6 (18) Taselaskenta: kaikkien polttoaineiden energia [MJ] Muiden poltto-aineiden kuin pääpolttoaineen polttoaine-energia, määritys perinteisellä menetelmällä [MJ] - = CO päästökerroin [gco /MJ] X = Pääpolttoaineen polttoaineenergia [MJ] Pääpolttoaineen polttoaineenergia [MJ] Pääpolttoaineen CO -päästö [gco ] Muille päästökaupan piiriin kuuluville polttoaineille kuin pääpolttoaineelle polttoaineenergian ja CO -päästöjen määritys perinteisellä menetelmällä Kuva 4. Periaate taselaskennan käyttämisestä päästökaupassa. Käyttämällä kattilatasetta päästöjen laskemiseen vältytään polttoaineen kosteuden vaihtelun aiheuttamalta epävarmuudelta. Kosteuden vaihtelu on normaali ilmiö ja polttoaineen polttotilaiseen määriteltyyn kosteuteen vaikuttaa useita seikkoja (esim. näytteenotto ja sen huolellisuus, kosteuden muuttuminen varastoitaessa)..1 Edellytykset päästökauppakaudelle Seuraavalle päästökauppakaudelle tarkkailun periaatteet uusiutuvat. Jatkossa taselaskennan käyttö on mahdollista, mikäli se antaa vähintään yhtä tarkan tuloksen kuin perinteinen menetelmä. Komission luonnoksen perusteella tarkkailu perustuu polttoainevirtaan, teholliseen lämpöarvoon, sekä päästökertoimeen tai hiilidioksidipitoisuuden mittaamiseen. Seuraavissa laskelmissa on käytetty taulukossa 1 esitettyjä epävarmuuden raja-arvoja, olettaen että tarkkailuohjeen omien tarkkailumenetelmien epävarmuudet olisivat käytettävissä. Taulukko 1. Omiin tarkkailumenetelmiin liittyvät yleiset epävarmuuden raja-arvot Laitosluokka (hiilidioksidikilotonnia) Epävarmuuden raja-arvo, jota noudatettava vuotuisten kokonaispäästöjen osalta A (alle 50) ± 7.5% B (50-500) ± 5.0% C (> 500) ±.5% Epävarmuuden raja-arvojen täyttyminen on osoitettava epävarmuusanalyysillä. Epävarmuusanalyysillä on määritettävä kaikkien vuotuisen päästötason laskentaan käytettävien muuttujien ja tekijöiden epävarmuus ottaen huomioon ISO-asiakirja Guide to the Expression of Uncertainty in Measurement (1995) ja standardi ISO 5168:005. Analyysi on suoritettava edellisen vuoden tietojen perusteella ennen kuin toimivaltainen viranomainen hyväksyy tarkkailusuunnitelman. Se on päivitettävä

10 Sivu 7 (18) vuosittain. Vuosittain tehtävä päivitys on laadittava yhdessä vuosittaisen päästöraportin kanssa. Se on myös todennettava..1.1 Epävarmuusanalyysin sisältö ja tekeminen Taselaskentaa käytettäessä, on sen tarkkuus osoitettava ensin Energiamarkkinavirastolla päästöluvan hakemisen yhteydessä ja lisäksi vuosittain todentajalle. Analyysi on päivitettävä vuosittain päästöselvityksen laatimisen yhteydessä, jotta todentaja sen voisi hyväksyä. Sovittua rakennetta analyysille ei vielä ole, mutta kokemuksemme mukaan se sisältää kuvauksen laskentamenetelmästä, laskennan suorittamistavasta, laskentatulokset ja tulosten arvioinnin. Lähtötietona käytetään taselaskennassa käytettävien muuttujien virheitä (laitevalmistajan ilmoittamia tyypillisiä ja kalibroidessa saatuja), sekä muuttujien välisiä riippuvuuksia. Tarkastelun avulla pystytään huomioimaan eri muuttujien painoarvo. Tätä voidaan käyttää myös suunnittelun lähtökohtana kalibrointisuunnitelmaa laadittaessa. Mitä suurempi painoarvo muuttujalla on, sitä tärkeämpää sen mahdollisimman oikea näyttämä on. Seuraavassa kuvassa teholtaan noin 100 MW kattilan tärkeimpien lämpövirtojen suuruudet (kuva 5). Vähempimerkityksiset lämpövirrat on huomioitu osana säteilyhäviöitä. Kuva 5. Eri lämpövirtojen tyypillinen jakautuminen noin 100 MW kattilassa. (1 Kuva havainnollistaa eri energiavirtojen merkityksen käytännössä. Kuvan perusteella voidaan todeta painokertoimien käyttämisen välttämättömyys epävarmuusanalyysissä. 1 Esitetty jako perustuu Rovaniemen energialta saatuihin tietoihin.

11 Sivu 8 (18) Toisaalta huomataan säteilyhäviöiden ja siihen liittyvien muiden häviöiden vähämerkityksellisyys. Vaikka energiavirtojen keskinäiset kokoluokat ovat tyypillisesti kuvassa esitetyt, on epävarmuusanalyysi tehtävä kuitenkin kattilakohtaisesti, jotta kattilan ominaispiirteet tulee asianmukaisesti huomioiduksi. Epävarmuusanalyysin tekijältä (ja todentajalta) edellytetään hyvää osaamista mittauksen virheiden käsittelyssä, jotta työhön voisi luottaa. Siitäkin huolimatta että tarkasteluun otetaan mukaan vain tärkeimmät energiavirrat..1. Kokonaisvirheen määrittäminen Määritys tehdään vaiheittain lähtien yksittäisen mittauksesta tarkkuudesta, edeten lämpövirran tarkkuuden määrittämiseen ja edelleen taseen kokonaisvirheen määrittämiseen. Virheen määritys tehdään vaiheittain seuraavasti: 1. Ensin määritellään mittalaitteiden ja edelleen mittauksien virheet. Mittauksien virheiden avulla lasketaan lämpövirran virhe 3. Lämpövirtojen virheistä lasketaan energiataseen virhe Seuraavassa on käyty vaiheet täsmällisemmin läpi, käyttäen esimerkkinä tuorehöyryä. Vastaavat vaiheet on käyty muiden lämpövirtojen osalta esimerkinomaisesti läpi liitteessä 1. Vaihe 1, mittausvirheen käsittely Mittausvirheenä käytetään kalibrointitodistuksen virhettä. Tuorehöyryn osalta tärkeimmät mittaukset ovat lämpötila, paine ja määrä. Esimerkkitapauksessamme kalibrointitodistukset antavat mittausten tarkkuudeksi seuraavat. lämpötila 530 ±1 C paine 110 ±1 bar määrä 30 ± 0,6 kg/s Vastaavasti selvitetään muiden, taseen kannalta oleellisten, mittausten virheet. Vaihe, tuorehöyryn energiavirran virhe Käytetyistä mittauksista lämpötila ja paine eivät vaikuta suoraan lopputulokseen vaan välillisesti höyryn entalpian kautta. Tämän vuoksi mittauksissa tehty virhe ei ole suoraan verrannollinen entalpian virheeseen. Entalpian virheeksi arvioidaan ±0,6%. Entalpian virheen määritys on kerrottu DIN 194, kohdassa , joka edelleen hyödyntää standardin kuvia 9 ja 10. Kokonaisvirhe tuorehöyrylle muodostetaan määränmittauksen virheen ja entalpiassa syntyvän virheen avulla. ± (%) ±,1% + (0,6%)

12 Sivu 9 (18) Vastaava virhelaskenta suoritetaan myös muille energiavirroille. Vaihe 3, taseen ts. kokonaispolttotehon virhe Virhe lasketaan lämpövirtojen virheiden avulla. Seuraavassa taulukossa (taulukko ) on lämpövirrat virheineen. Taulukossa mainittu tarkkuustavoite on käytännön olosuhteissa saavutettava tarkkuus. Toisaalta se tuo myös ilmi lämpövirran kokoluokan. Mitä suurempi lämpövirta, sitä tarkemmin se on syytä mitata. Taulukko. Lämpövirtakohtaiset, sekä kokonaispolttotehon virheet. L ä mp ö virta Palamisilma Savukaasu Sy ö tt ö vesi Ulospuhallus Nuohous T uo re höyry S ä teilyhävi ö t (+muut häviöt) Tarkkuustavoite 10 % 5 % % 10 % 10 %,1 % 10 % L ä mp ö teho 1 ± 0,10 MW 8,09 ± 0,40 MW 8,7 ± 0,57 MW 0,78 ± 0,08 MW 0,03 ± 0,003 MW 131 ±,74 MW 0,75 ± 0,08 MW Kokonaispolttoteho,55 % 111 ±,83 MW Taseen virheeksi saadaan,55 %. On kuitenkin huomattava, että kyseessä on vasta taseen virhe, ei vielä laitoksen fossiilisten CO -päästöjen kokonaisvirhe. Osa kokonaispolttotehon virheen laskentakaavasta on esitetty kuvassa 6. Kaavassa jakajan puolelle otetaan kaikki käsiteltävät lämpövirrat. ( lämpövirta tarkkuus + ( lämpövirta kokonaispolttoteho tarkkuus tuorehöyry tuorehöyry ) nuohous nuohous )... Kuva 6. Kokonaispolttotehon virheen laskentakaava..1.3 Tarkkailun kokonaisvirheen muodostaminen Seuraavassa käydään periaate, jolla saadaan selville tarkkailun kokonaisvirhe. Kuvassa 7 on esitelty tarkkailun rakenne, kun käytetään sekä tasetta, että perinteistä menetelmää rinnan. Esimerkissä on laitos, joka polttaa turvetta ja biopolttoainetta. Kattilan kokonaisenergia Biopolttoaineen energia _ Lämpöarvo Määrä X = Turpeen energia X Energiatase Päästökerroin = Turpeen CO - päästö Kuva 7. Turpeen CO -päästön laskeminen energiataseen ja perinteisen menetelmän avulla.

13 Sivu 10 (18) Mikäli käytetään useampaa polttoainetta, kuten biopolttoainetta ja turvetta, on lisäksi käytettävä määrään ja lämpöarvoon perustuvaa menetelmää fossiilisen ja ei-fossiilisen CO -päästön erottamiseksi. Yhdistämällä kuvaan 7 muuttujakohtaiset ja edelleen menetelmäkohtaiset tarkkuudet saadaan laskettua tarkkailun kokonaistarkkuus (kuva 8). Kattilan kokonaisenergia Biopolttoaineen energia _ Lämpöarvo Määrä X = Turpeen energia X Energiatase Päästökerroin = Turpeen CO - päästö ±,55% ±% ±1,19% ±,84% ± 0 % ±,84 % Tarkkuus: ±,55% ±,33 % ±,84 % (turvetta 90%) Kuva 8. Tarkkailun kokonaistarkkuus, kun käytetään kahta menetelmää. Tarkkailun kokonaistarkkuudeksi saadaan vain ±,84 %. Tämä johtuu siitä, että laskennassa kokonaispäästöstä vähennetään perinteisellä menetelmällä saatu osuus..1.4 Pääpolttoaineen osuuden vaikutus taselaskennan tarkkuuteen Polttoaineiden määrä ja osuudet vaikuttavat suoraan tarkkuuteen, kun käytetään tarkkailun perustana taselaskentaa. Tämä johtuu siitä, että energiataseesta, jossa on kattilan koko energiamäärä, joudutaan vähentämään muiden polttoaineiden energiamääriä. Tällöin laskennassa oleva energiamäärä on sitä suurempi, mitä enemmän vähennyksiä tehdään. Kuvassa 9 on käyty läpi kokonaistarkkuuden laskenta. Mitä pienemmäksi pääpolttoaineen osuus menee, sitä pienempi on jakaja ja edelleen huonompi kokonaistarkkuus. ( kokonaispolttoteho tarkkuus taselaskenta + ( biopolttoteho tarkkuus ( kokonaispolttoteho pääpolttoaineen _ osuus) Kuva 9. Tarkkailun kokonaistarkkuuden laskukaava. ) per int. men. Seuraavassa taulukossa (taulukko 3) on käyty läpi pääpolttoaineelle syntyvä virhe eri polttoaineosuuksilla. Laskennassa on käytetty kokonaispolttotehon virhettä ±,55 % taulukosta. Taulukko 3. Pääpolttoaineen osuuden vaikutus tarkkuuteen. Pääpolttoaineen osuus Virhe pääpolttoaineen teholle/energialle (1 ) 90 % ± (111,55%) (111 90%) + (11,1,33%) = ±,84%

14 Sivu 11 (18) 70 % ± (111,55%) + (33,3,33%) (111 70%) = ± 3,78% 50 % ± (111,55%) + (55,5,33%) (111 50%) = ± 5,60% (1 Laskennassa käytetyn perinteisen menetelmän tarkkuus on laskettu kohdassa 1.1 ja taselaskennan tarkkuus on laskettu kohdassa.1.).1.5 Laitoskoon vaikutus tarkkuuteen Kuten aiemmista tarkkuuden laskentaperiaatteista voidaan todeta, ei laitoksen koko suoraan vaikuta taseen tarkkuuteen. Yleensä suuressa laitoksessa otetaan enemmän polttoainenäytteitä, joka edelleen parantaa tarkkailun kokonaistarkkuutta (sivupolttoaineen energiamääritys tarkentuu). Tärkein vaikutus tulee epäsuorasti päästökaupan kokoluokituksen ja sitä noudattavan tarkkuusvaatimuksen kautta, joka on käyty läpi kappaleessa Käyttömahdollisuudet verrattuna nykyisiin määrittämistapoihin Taselaskennan käyttäminen voi olla pienillä ja keskisuurilla toimijoilla jopa tarkempaa kuin perinteisen menetelmän käyttö hiilidioksidipäästöjen selvittämiseksi etenkin niissä tapauksissa, joissa käytetään tilastokeskuksen arvoja. Tilastokeskuksen arvo on hyvä tyyppiarvo, mutta sen käyttäminen voi joissain tapauksissa johtaa liian suuren tai pienen päästön laskennalliseen arvoon. Etenkin puuperäisten polttoaineiden ja turpeen kosteudet vaihtelevat suuresti ja voi johtaa kohtuuttomiin kustannuksiin tai hyötyyn päästökaupassa. Suuremmilla voimalaitoksilla (tiukemmat virherajat) taselaskennan käyttäminen hiilidioksidipäästöjen laskemiseksi edellyttää hyvää automaatiojärjestelmää ja oikeaa mittalaitteiden valintaa. Verrattuna perinteisen menetelmän tarkkuuteen, tarkkuus voi hyvinkin olla samaa tai jopa parempaa luokkaa. Taselaskennan käyttöönotto isoissa yksiköissä saattaa vaatia enemmän investointeja mittauksiin, johtuen tiukemmasta tarkkuusvaatimuksesta. Taselaskennan yhtenä etuna verrattuna muihin menetelmiin on se, että tiedot tallentuvat automaatiojärjestelmään jatkuvasti ja mahdollinen mittausten epäjatkuvuus tai virheellisyys voidaan historiatietojen kautta selvittää. Koska automaatiojärjestelmään tallentuu tieto myös voimalaitoksen sähkön- ja lämmöntuotannoista, voidaan näitä tietoja käyttää tarvittaessa varmentamaan taselaskennan tulosta. Sähkö- ja lämpö kun ovat myytäviä hyödykkeitä ja näiden mittauksien virheet ovat tyypillisesti melko pieniä.

15 Sivu 1 (18) 3 MITTAUSTEN TARKKUUS Seuraavassa käydään läpi voimalaitosmittaamisen perusasioita päästökaupan näkökulmasta. 3.1 Mittalaitteen tarkkuus ja mittauksen tai menetelmän tarkkuus Mittalaitteen tarkkuus ei ole sama kuin mittauksen tarkkuus. Mittalaitteet ovat nykypäivänä tyypillisesti mittalaitevalmistajien ilmoittamien tarkkuuksien mukaan hyvinkin tarkkoja. ± 0,1 ja ± 0, % virheet eivät ole harvinaisia. Joillekin mittalaitteille annetaan yhden prosentin tarkkuus. Nämä ovat varmasti melko todellisia lukuja kun virhelähteet mittaukselle on eliminoitu laboratorio-olosuhteissa. Jos taselaskennassa käytetään valmistaja ilmoittamia tarkkuuksia päästään helposti ± 1,5 tai ± %:n tarkkuuteen. Jos voimalaitoksen mittaukset on toteutettu heikosti ja pelkästään tuorehöyryvirtaus on mitattu väärin, taselaskennan virhe voi olla helposti ± 10 % tai enemmänkin. Perinteisellä menetelmällä saavutetaan teoriassa melko helposti ±,5 % tarkkuus polttoaine-energian suhteen. Todellisuus voi olla hyvinkin erilaisen. sillä mittauksen tarkkuus muodostuu hyvin useista eri tekijöistä. Siten yksittäiselle painemittarin mittaustarkkuudelle on useampia oikeita arvoja. Mittauksen tarkkuus (painemittari): Laitevalmistajan ilmoittama tyypillinen tarkkuus on ± 0, % Kalibroinnin tarkkuus on ± 0,5 % Mittausjärjestelyn huomioiva virhe on ± 5 % Eri tarkkailumenetelmien tarkkuutta verratessa mittausten tarkkuudet on valittava samalla tavalla. Koska valinta kertautuu laskennan edetessä, on menetelmiä vertailtaessa ero jo helposti kymmenkertainen. 3. Mittausten ja määritysten virhelähteitä Seuraavassa on esitelty joitakin mittausten virhelähteitä. Suluissa esimerkkejä Määrämittaus Määrämittauksen tarkkuuteen vaikuttavat seuraavat seikat: Mittalaitteen ominaisuudet (kuristuselin, ultraäänimittari) Kompensointi (lämpötila, paine) Mittalaitteen sijoitus (putkimutkat, venttiilit, pumput) Normien mukaisuus Määrämittaukset ovat yksi tärkeimmistä mittauksista voimalaitoksilla. Niiden avulla määritetään esimerkiksi toimitettu kaukolämpöenergia. Edellä mainitut tarkkuuteen vaikuttavat ominaisuudet ovat tärkeässä roolissa silloin, kun määrämittaus on mukana kaupankäynnissä, jossa liikkuu raha.

16 Sivu 13 (18) 3.. Polttoaine-energia Kansalliset erikoispiirteemme, kuten kylmä talvi ja kiinteät kotimaiset polttoaineet vaikeuttavat CO -päästön laskentaa. Erikoispiirteet korostuvat päästökaupan myötä, koska tarkkailumenetelmissä ei kaikilta osin ole huomioitu joitain kansallisia ääritilanteita. Jatkossa toiminnanharjoittajan olisikin syytä tarkistaa polttoaine-energia, jotta lasketut päästöt ääritilanteissa olivat oikeat Polttoaineen kosteus Ääritapaus kansallisesta tilanteestamme on jäätynyt polttoaine. Jäätyneen polttoaineen sulattamiseen kuluvan energian polttoaineen lämpöarvossa on ongelmallista taselaskennassa. Sulamislämpö on jäällä luokkaa 330 kj/kg, mikä tarkoittaa noin ± 3,5 % virhettä CO päästöissä, kun kyseessä on tyypillisestä 50 kosteus-% turve Punnitus Vaa at on tyypillisesti kalibroitu ja niillä on tietty tarkkuus. Punnituksiin voi vaikuttaa esimerkiksi polttoainekuormaa punnittaessa esimerkiksi kuormassa ja autossa oleva lumi, joka irtoaa sisääntulo ja ulosmeno punnitusten välillä Palamattomat ainekset osana polttoainetta Taselaskenta huomioi polttoaine kuormaan vahingossa joutuneen palamattoman ainekset (kivi, hiekka) Lämpöarvon määritys Lämpöarvon määrityksestä vastaa yleensä laboratorio. Laboratorioiden tulee noudattaa voimassa olevia standardeja ja menetelmiä lämpöarvon määrityksessä. Suurimmat virhelähteet polttoaineen todellisen ja laboratoriossa tehtävän tehollisen lämpöarvomäärityksen välillä ovat esimerkiksi: epäedustava näyte (näyte otettu yhdestä paikasta polttoaine-erää) kosteus (kosteuden muuttuminen näytteenoton ja varastoinnin välillä, kosteusnäyte epäedustava) jäätynyt näyte (näytteenoton ja laboratorioanalyysin välillä näyte on sulanut) 3..3 Lämpötilamittaukset Lämpötilamittaukset vaikuttavat entalpian määritykseen virtaavissa väliaineissa sekä määrämittausten virheisiin (etenkin kaasuilla ja höyryllä). Tyypillisiä syitä lämpötilamittauksen epäonnistumiseen ovat: sijainti (esim. savukaasukanavan reunassa virtausprofiilin ulkopuolella) viallinen anturi 3..4 Painemittaukset Painemittauksiin aiheuttaa virhettä esimerkiksi seuraavat seikat: painelähettimen kalvon muutokset mittauksen ryömiminen vesipatsas

17 Sivu 14 (18) ilmanpaine 3.3 Vertailulaskenta esimerkkilaitoksilla Seuraavassa on arvioitu toiminnanharjoittajilta saatujen tietojen avulla taselaskennan hyödyntämismahdollisuutta Haapavesi (Vapo) Tarkasteltava kohteena on kattilalaitos, jonka kattilan polttoaineteho on luokkaa 30 MW. Vuotuisten päästömäärien myötä, laitokselle tulisi tarkkuusvaatimukseksi ± 5 %. Pääpolttoaineena on turve. Lisäksi käytetään puuperäisiä biopolttoaineita ja puhdistamolietettä. Tukipolttoaineena on tarvittaessa raskas polttoöljy. Laitoksen instrumentointi on riittävää, joskin edellytyksenä on tärkeimpien mittausten kalibrointi. Mikäli kattila käyttää useita polttoaineiden (turve, metsähake yms.) tai jos niiden kosteus vaihtelee huomattavasti, helpottaa taselaskenta tarkkailua merkittävästi Rovaniemi (Rovaniemen Energia) Tarkasteltava kohteena on kattilalaitos, jonka kattilan polttoaineteho on luokkaa 100 MW. Pääpolttoaineena on turve, jonka lisäksi käytetään biopolttoaineita ja kivihiiltä, sekä raskasta polttoöljyä. Vuotuisten päästömäärien myötä, laitokselle tulisi tarkkuusvaatimukseksi ± 5 %. Rovaniemellä on jo nykyisellä päästökauppakaudella taselaskenta käytössä. Raportissa kuvatut vaatimukset taselaskennan hyödyntämiselle täyttyvät, mutta tarkkuusvaatimukseen pääseminen muuttuu mahdottomaksi, mikäli pääpolttoaineen osuus pienenee liiaksi (arviolta alle 60%) Haapaniemi (Kuopion Energia) Tarkasteltava kohteena on kattilalaitos, jonka kattilan polttoaineteho on luokkaa 45 MW. Vuotuisten päästömäärien myötä, laitokselle tulisi tarkkuusvaatimukseksi ±,5 %. Polttoaineena on turve ja tukipolttoaineena voidaan käyttää kevyttä ja raskasta polttoöljyä. Haapaniemen siirtyminen taselaskennan käyttöön pääasiallisena hiilidioksidipäästöjen laskentamenetelmänä vaatii mittausten hyvin huolellisen tarkastuksen mielellään tarkkuusmittausten ja taselaskennan avulla. Nykyisellään Haapaniemen laitoksella energiatase muodostetaan, mutta sitä käytetään vain laitoksen sisäisessä raportoinnissa. Jotta tasetta voitaisiin käyttää päästökaupan tarkkailussa, tulisi taseen muodostuminen käydä läpi, mukaan lukien mittaukset.

18 Sivu 15 (18) 4 TASELASKENTA KÄYTÄNNÖSSÄ 4.1 Vaatimukset mittauksille Syöttötietovaatimukset Taselaskennan käyttöönottoa varten tulee olla mittaukset kaikille (pienimmät voivat olla valmistajan / standardien ilmoittamia arvoja) kattilasta poistuville ja sinne meneville lämpövirroille. Automaatiojärjestelmä saattaa käyttää vakioarvoja (esimerkiksi polttoaineen elementaarianalyysi ja savukaasukoostumus) jotka aiheuttavat virhettä, jollei niitä jälkikäteen korjata todellisten arvojen mukaisiksi Instrumentoinnin vaatimukset Yleistä Mittareiden valinnassa tulisi aina tapauskohtaisesti tarkastaa voimassa olevista standardeista ja normistoista minkälainen mittalaite soveltuu kyseiseen mittauskohteeseen. Voimalaitosten suunnitteluvaiheessa mittalaitteiden valinnassa tulee käyttää kansainvälisiä standardeja ja normistoja, joissa kerrotaan minkälaiset mittalaitteet täyttävät normien vaatimukset kyseessä olevan mitattavan väliaineen määrän mittaamiseksi. Standardeissa on useita mittalaitetyyppejä ja sopivan mittalaitetyypin valitsemiseksi on tunnettava virtaavan väliaineen virtaukset ominaisuudet eri käyttötilanteissa. Muiden kuin kansainvälisesti tunnettujen normien ja standardien mukaisten mittalaitteiden käyttöä tulisi välttää, sillä ne aiheuttavat turhaa mittaustoleranssin kasvua ja usein esimerkiksi takuu- ja vastaanottokokeiden yhteydessä tällaiset normien vastaiset mittalaitteet joudutaan hylkäämään tasetarkastelusta. Mittalaitteiden standardien mukaisuus antaa voimalaitoksille lisääntyneen mittaustarkkuuden lisäksi vastaanotto/takuukokeiden mittaustarkkuuden parantumisen (pienempi toleranssi tuloksille). Lisäksi riitatilanteissa (tilanteissa joissa suorituskykytakuut eivät täyty) standardien mukainen mittauslaitteisto jättää vähemmän tulkinnan varaa tuloksen oikeellisuudelle. Takuukokeissa käytettyjä standardeja ovat mm. DIN194 (kattilat), DIN1943 (turbiinit) ISO (määrämittarit ja niiden sijoitus). Huomioitavaa on, että normit antavat minimivaatimukset takuukokeiden suorittamiselle. Takuukokeiden suorittaminen suuremmalla mittaustarkkuudella on aina suotavaa. Takuukokeet tulee suorittaa tarkkuusmittareille, jotka kalibroidaan paikan päällä. Käyttömittareiden tarkkuus on aivan eri luokkaa kuin takuukokeissa. Käyttömittareiden tarkkuutta voidaan parantaa huolellisella ja usein tapahtuvalla kalibroinnilla. Taselaskentaa varten tulee valita mahdollisimman vähän laskentaan vaikuttavia mittauksia. Tällöin tarkasteltavien mittausten kalibroinnin kustannus pysyy mahdollisimman alhaisena sekä taselaskennan avulla saatavat tulokset mahdollisimman todenmukaisina.

19 Sivu 16 (18) Käyttömittareiden tarkkuus on yhtä hyvä kuin niiden kalibroinnin ja kunnossapidon huolellisuus Määrämittaukset Usein voimalaitosten höyryputket ovat mitoitettu hyvin suurille nopeuksille (putken sisähalkaisija on optimoitu mahdollisimman pieneksi). Tämä johtaa hyvin suureen Reynoldsin lukuun. Standardien ja normien vaatimukset täyttävä mittalaite on tällöin usein vain laippa. Jos esimerkiksi voimalaitoksen tuorehöyryputken sisähalkaisija olisi mitoitettu suuremmaksi, pienenisi putken painehäviö huomattavasti pienemmäksi ja voitaisiin käyttää muitakin kuristuselimiä. Kuristuselimenä käytetyn laipan pysyvä painehäviö usein aiheuttaa sen, että sitä ei enää juurikaan asenneta uusiin laitoksiin. Kuitenkin ahtaan putken painehäviö on huomattavasti suurempi kuin laipan aiheuttama, joten putken valinnalla voidaan vaikuttaa myös määrämittarivaihtoehtoihin. Kaksifaasisen virtauksen mittaaminen aiheuttaa virhettä määrämittauksessa, esim. höyry/vesi seoksen määrämittaus Lämpötilamittaukset Lämpötilamittausten absoluuttinen virhe ei useinkaan ole kovin suuri matalilla lämpötiloilla, vaikka suhteellinen virhe voikin olla suuri. Suuremmissa lämpötiloissa sama suhteellinen virhe aiheuttaa luonnollisesti suuremman absoluuttisen virheen. Jos esimerkiksi tuorehöyryn lämpötilaa seuraava anturi näyttää väärin on mahdollista, että voimalaitos menettää sähkötehoa tai toisessa ääripäässä vaarantaa materiaalien kestävyyden. Lämpötila mittaukset vaikuttavat entalpioiden määrityksiin sekä määrämittareiden kompensointiin Painemittaukset Painemittauksien virheen vaikutus ei ole nesteillä huomattava, mutta höyryjen osalta tulisi painemittaus pitää hyvässä kunnossa, koska höyryn määrämittauksen kompensointiin ja entalpian laskemiseksi käytetään painetta Kalibrointi Kalibrointi paine- ja paine-eromittauksille tulee suorittaa käyttäen samaa menetelmää kuin itse mittalaite käyttää. (i.e. painemittaus kalibroidaan syöttämällä lähettimeen ja kalibraattoriin sama paine. Lähettimet tulee myös virittää uudelleen vastaamaan kalibrointi tulosta. Määrämittareissa tulee myös ottaa huomioon lähettimen antama raakaviesti (ma tai mbar). Jos tulos tulee suoraan esim. kg/s, on mittausta hankalampi kyseenalaistaa tai kalibroida. Paine-ero-, lämpötila- ja painemittausten sekä putken ja kuristuselimen mitoitustietojen avulla voidaan tehdä tarkastuslaskelmat erillisenä tiedonkeruujärjestelmästä, jolloin tiedonkeruujärjestelmässä olevat systemaattiset virheet ja korjauskertoimet eivät sotke määrälaskentaa. Määränlaskennan kalibroinnissa on hyvä käyttää apuna laitoksen takuukoe- ja/tai kunnonvalvontamittausten kalibroiduilla tarkkuusmittareilla saatuja tuloksia. Kalibroinnin yhteydessä tulee puhaltaa impulssiputket puhtaaksi (samoin kuten tehdään seisokkien yhteydessä). Tukkiutuneet impulssiputket aiheuttavat mittauksiin

20 Sivu 17 (18) virhemittauksen todennäköisyyden kasvua. Tukkiutuneet impulssiputket aiheuttavat laitoksella myös turvallisuusriskin -> jos impulssiputki on täysin tai lähes täysin tukossa, ei painelähetin ehdi reagoimaan paineen nopeaan nousuun tai laskuun riittävän nopeasti. Mittausten kalibrointia varten tulee tehdä kalibrointi- ja seurantasuunnitelma, jotta mittaukset pysyvät kunnossa. Sopiva kalibrointitiheys kohteesta riippuen voisi olla esimerkiksi 1-3 vuotta Mittalaitteiden sijoitus Mittalaitteet, erityisesti määrämittarit, tulee sijoittaa standardien ohjeistuksen mukaisesti, jolloin niiden mittaustoleranssi pienenee (mutkat, suorat putkiosuudet, pumput). Esimerkiksi syöttöveden määrämittausta ei tule koskaan sijoittaa suoraan syöttövesipumppujen jälkeen, koska pyörteily pumpun jälkeen vääristää kuristuselimen aiheuttamaa paine-eroa. Syöttöveden määrän mittaamisessa tulee lisäksi huomioida tärkeänä seikkana tulistimien ruiskutusvesi. Kun syöttövesivirta mitataan ennen ruiskutusvesien ottopaikkaa, saadaan myös ruiskutus vesivirtaus sisällettyä kattilan taseeseen ilman erillisiä ruiskutusmäärän mittauksia. Ruiskutusveden määrän mittaukset tulee säilyttää laitoksella, mutta sijoittamalla mittalaitteet kuten edellä on mainittu, vähenee mittausepävarmuus ruiskutusvesien määrien mittaamisen virheen jäädessä kattilataseen laskemisen ulkopuolelle. Edellä mainitun toimenpide mahdollistaa myös syöttöveden ja tuorehöyryn määrien vertaamisen toisiinsa (kun ulospuhallus lieriöstä ja nuohous on suljettu kunnollisesti, i.e. myös mahdolliset käsiventtiilit suljettu). Nuohouksen ja ulospuhalluksen määrämittauksien suuruusluokan tarkastelu tulee tätä kautta myös mahdolliseksi. Lämpömittareiden sijoituksessa tulee huomioida sopiva sekoitusmatka ennen mittausta, kun eri lämpövirrat ovat kohdanneet Mittausvirheiden kompensointi Jokaisessa mittausjärjestelmässä mittareita rikkoontuu tai mittalaitteissa tapahtuu ryömintää tai jotakin sellaista mikä vaikuttaa mittausten oikeellisuuteen. Lisäksi järjestelmien päivitysten aikana saattaa osa mittauksista jäädä pois joiltakin ajanhetkiltä.. Kun taselaskentaa käytetään polttoaine-energian määrittämiseen, tulee virheelliset mittaukset karsia pois mittauksien joukosta. Virheiden kompensointiin voidaan käyttää historiatietoja tai laskennallisia suureita. Asiaan on tulossa lisäselvityksiä seuraavassa päästökauppaa koskevassa uudessa monitorointiohjeessa. 4. Kuvaus tiedonhallinnan laadunvarmennus- ja laadunvalvontamenettelyistä Kuvaus kerättävän mittaustiedon talletuksesta, koostamisesta ja koontiarvojen laskemisesta. Millä tasolla ja miten kauan eritason tieto on jälkeenpäin saatavissa. Kuvaus siitä, miten taselaskennalla saatu tieto varmennetaan. Miten menetellään, kun taselaskennalla ja varmistavalla menetelmällä saatavat tiedot poikkeavat toisistaan.

21 Sivu 18 (18) Miten havaitaan mittalaitteiden vian. Miten tuotetaan oikea päästötieto ilman virheellistä tai puuttuvaa mittausta. Kuvaus toimista, joihin ryhdytään, mikäli yksittäinen mittaus tai tarkkailutapa antaa normaalista poikkeavia arvoja.

22 Liite 1, Lämpövirtojen virhetarkastelu Virhetarkastelu tehdään noudattaen raportin kohdassa.1. kuvattua periaatetta. Mittauksen jälkeen on aina ilmoitettu peruste mittauksen tarkkuudelle. Laskelmat ovat esimerkinomaisia, eikä niitä voi käyttää yksittäisen mittauksen tyyppitapauksena. Palamisilma Laskennassa käytettävät mittaukset: ilmamäärän virhe ± 10 % mittarityypin mukaan lämpötilan virhe ± 1 % mittarityypin mukaan ominaislämpökapasiteetin virhe 0 % tyypillinen arvo Kokonaisvirhe muodostetaan määränmittauksen virheen ja entalpiassa (arvio 1%) syntyvän virheen avulla. ± (10%) ± 10,0% + (1%) Syöttövesi Laskennassa käytettävät mittaukset: määrä 3 ± 0,6 kg/s (vastaa 1,9 % virhettä) lämpötila 160 ±0,5 C paine 130 ±1 bar Kokonaisvirhe muodostetaan määränmittauksen virheen ja entalpiassa (arvio 0,6 %) syntyvän virheen avulla. ± (1,9%) ±,0% + (0,6%) Savukaasu Laskennassa käytettävät mittaukset: kompensoidun ilmamäärän virhe ± 4,5 % kalibroinnin mukaan lämpötilan virhe ± C kalibroinnin mukaan ominaislämpökapasiteetin virhe % tyypillinen arvo Kokonaisvirhe muodostetaan määränmittauksen virheen ja entalpiassa (arvio %) syntyvän virheen avulla. ± ± 5,0% (4,5%) + (%)

23 Ulospuhallus Laskennassa käytettävät mittaukset: määrä lämpötila paine Kokonaisvirhe kokonaisvirheeksi arvioidaan 10 %, tämän lämpövirran vaikutus kokonaisuuteen on vähäinen Nuohous Laskennassa käytettävät mittaukset: höyrymäärä lämpötila paine savukaasun loppulämpötila Kokonaisvirhe kokonaisvirheeksi arvioidaan 10 %, tämän lämpövirran vaikutus kokonaisuuteen on vähäinen Säteily- ja muut häviöt Laskennassa käytettävät mittaukset: säteily- ja konvektiohäviöt vakioarvo perustuen kattilan nimellistehoon, standardin DIN 194 mukaan muut häviöt vähäisiä (esim. palamattomat, tuhkan mukana siirtyvä lämpö) Kokonaisvirhe kokonaisvirheeksi arvioidaan 10 %, tämän lämpövirran vaikutus kokonaisuuteen on vähäinen