BIOMASSASTA TOISEN SUKUPOLVEN LIIKENTEEN POLTTOAINEITA Liekkipäivä, Otaniemi Esa Kurkela

Transkriptio

1 BIOMASSASTA TOISEN SUKUPOLVEN LIIKENTEEN POLTTOAINEITA Liekkipäivä, Otaniemi Esa Kurkela Yksi globaaleista muutostarpeista polttonesteiden ja kemikaalien tuotanto öljyä korvaavista raaka-aineista 2 1

2 3 POLTTONESTETUOTANNON INTEGROINTI PROSESSITEOLLISUUTEEN TAI KAUKOLÄMMITYKSEEN - suomalainen ratkaisu liikenteen biopolttoaineille Paperi, sellu Voimalaitos Kuivausenergia Prosessihöyry ja sähkö Kaasutus ja kaasunpuhdistus Sellu- ja paperitehdas polttokaasua + höyryä Puu, peltobiomassat, turve ja kierrätyspolttoaineet Biomassan käsittely ja kuivaus kuori, metsätähteet muu biomassa happi + höyry synteesikaasu FT-synteesilaitos Synteettinen biodiesel 4 2

3 Liikenteen biopolttoaineiden kasvihuonekaasupäästöt Kasvihuonekaasupäästöt (kg CO 2-ekv./GJp-a) perinteinen kyntöön perustuva viljely Ohraetanolin, RME:n ja F-T-dieselin tuotannon sekä fossiilisten vertailupolttoaineiden kasvihuonekaasupäästöt polttoaineen energiasisältöä kohden suorakylvö perinteinen kyntöön perustuva viljely polton CO2-päästöt polttoaineen valmistus, varastointi ja jakelu raaka-aineen tuotanto 2 nd Generation Biofuels suorakylvö hakkuutähde ruokohelpi diesel bensiini EtOH EtOH RME RME F-T-diesel F-T-diesel fossiilinen fossiilinen Source: Mäkinen, T., et al. Liikenteen biopolttoaineiden ja peltoenergian kasvihuonekaasutaseet ja uudet liiketoimintakonseptit 5 BIOMASSAN KAASUTUSTEKNIIKAN SOVELLUKSET Öljy Hiili Pölykaasutus o C Synteesikaasu H 2 +CO Biodiesel Biovety Biometaani Kemikaalit Biomassa Jätteet Leijukerros kiinteäkerros o C Polttokaasu Polttokennot Kaasuturbiinit Moottorit Kattilat Prosessiuunit O 2 H ö y r y I l m a 6 3

4 Biomass Drying General Layout of Processes for Bio-Syngas Production and Conversion Main R&D area Gasification & Reforming HP Steam LP Steam Gas Cleaning CO shift, CO 2 removal Gas Conditioning Synthesis/ Separation MP Steam LP Steam Off-gas Main Product Heat CC, FCCC Applications 1 30 bar 1 30 bar 30 bar FT, SNG, H 2 : bar CH 3 OH, DME: 100 bar 850 C C (final) (IGCC: 500 C) C (initial) FT, CH 3 OH, DME, SNG, H 2 /trad: C H 2 /PSA: 40 C Abbreviations: CC Combined-Cycle energy production FCCC Fuel-Cell Combined-Cycle energy production FT Fischer-Tropsch liquid fuels SNG Synthetic Natural Gas (CH 4 ) CH 3 OH Methanol DME Di-Methyl Ether H 2 /trad Traditional process for H 2 production from syngas H 2 /PSA H 2 production based on separation by Pressure Swing Absorption SYNTEESIKAASUA TURPEESTA KEMIRAN AMMONIAKKITEHTAALLA kaasuttimen polttoaineteho 140 MW, toiminnassa Peat from MoDo steam dryer HTW gasifier Steam Peat crush moisture 15 % 10bar C Waste heat boiler Benzene from naphthalene extraction Benzene scrubber Gas to amisol scrubber 1500 k mol/h 29 bar Steam Oxygen Recycle gas Water scrubber To naphthalene extraction Dust Sludge separation Ash 8 4

5 KEMIRAN TURVEAMMONIAKKIHANKKEEN KOKEMUKSET kaasuttimen polttoaineteho noin 140 MW, toiminnassa Turpeen esikäsittely paineistettua kaasutusta varten kehitettiin ja demonstroitiin murskaus ja paineistettu höyrykuivaus syöttö paineelliseen kaasuttimeen Turpeen ja puubiomassojen laadun vaikutus kaasutusominaisuuksiin tutkittiin perusteellisesti Paineistettu happi/höyrykaasutus demonstroitiin teollisessa mitassa HTW-kaasutin kehitetty alun perin ruskohiilelle turpeella ja puulla syntyy enemmän tervaa ja tuhkan aiheuttamia ongelmia esiintyi kaasuttimessa ja kaasulinjassa saatiin teknisesti toimimaan mutta ei optimaalisesti ja 2000-luvuilla luotu uutta tietotaitoa biomassan ja jätteiden kaasutuksesta 9 SYNTEESIKAASUA BIOMASSASTA Projektin vaihe I : Kaasutusmenetelmän valinta ja kehittäminen Kaasun puhdistuksen tutkimus ja kehitys Koetoiminta 500 kw:n laitteistolla Otaniemessä Teknis-taloudelliset tarkastelut Integrointi metsäteollisuuteen, kaukolämpölaitoksiin tai öljyn jalostukseen Teollinen kokoluokka MW Vaiheiden II & III demolaitosten esisuunnittelu 50 MW:n kaasutin ja sivuvirtademolaitos 250 MW:n tuotantolaitos Kumppanit ja rahoitus VTT, TKK, Foster Wheeler, Neste Oil, Andritz, Vapo, PVO, StoraEnso, M-real, MetsäBotnia, UPM ja Rintekno kokonaisbudjetti noin 4 M päärahoittajat Tekes ja VTT 10 5

6 UUSI 2. SUKUPOLVEN KAASUTUSPROSESSI 500 kw:n koelaitteisto VTT:llä Otaniemessä Polttoaineen syöttö PFB-kaasutin Suodatin Katalyyttinen reformeri Sivuvirtalaitteille: - loppupuhdistus - vedyn valmistus - FT-synteesi - polttokennokäyttö Jäähdytin Happi Höyry Ilma Paineistettu CFB-kaasutin - laaja polttoainepohja, ei tuhkaongelmia - hyvä hiilikonversio jo alhaisessa lämpötilassa Katalyyttinen puhdistus - tervaongelmien eliminointi - korkea synteesikaasusaanto -oikeah 2 /CO-suhde Kuumasuodatus, tuhkan hapetus, kaasun jäähdyttimen rakenne ym. 11 SYNTEESIKAASUTUS- TEKNIIKAN KEHITYSPOLKU Oulun turveammoniakkilaitos Biopolttonesteen tuotantolaitokset metsäteollisuuden tai lämpövoimalaitosten yhteydessä - dieseltuotanto: tn/tehdas - sivutuotteena prosessihöyryä ja polttokaasua tehtaan/voimalan käyttöön Ensimmäinen tuotantolaitos MW:n polttoaineteho tonnia/a dieseliä - 3 % Suomen liikennepolttoaineesta - käynnistyminen Kaasutuksen voimalaitossovellukset (Lahti, Corenso, Värnamo, Kokemäki) Teollinen demolaitos: MW - öljyn/maakaasun korvaus - käynnistyminen 2009 Uudet sovellukset - polttokennot, uudet voimalat - vihreä maakaasu, vety - vihreät kemikaalit Synteesikaasutuksen T&K 1980-luvulla Kaasunpuhdistuksen kehitys VTT:n synteesikaasutuksen 500 kw:n pilot Jatkotutkimus: - prosessin optimointi - jätteiden kaasutus - vedyn/ch 4 :n valmistus 12 6

7 Esimerkki teknistaloudellisista laskelmista kypsä teknologia FT-POLTTONESTEEN ARVIOIDUT TUOTANTOKUSTANNUKSET 200 MW:n polttoaineteho, paperitehtaaseen integroitu vs. stand-alone -tehdas Valmistevero Nykyinen jalostamohinta (ilman veroja) FT-Liquids Production Costs, EUR/MWh Biomass Fuel Price, EUR/MWh Fully integrated, off-gas replaces fossil fuel Stand-alone, excess steam to condensing turbine Lisäksi FT-polttoaineen loppujalostus dieselpolttoaineeksi: noin 4 EUR/MWh 200 MW:n laitoksen investointikustannus on noin 200 M 13 Estimated Production Costs 260 MW feed ; Feedstock at 10 EUR/MWh; Interest on capital 10 %, 20 a Production Costs, EUR/MWh When utilised as automotive fuel, end-use costs increase significantly in this direction: FT CH3OH SNG H2 Notes: (1) Feedstock drying: from 50 % moisture to 30 % with secondary heat; from 30 % to 15 % with by-product steam. (2) FT: Fischer-Tropsch primary liquids; reforming loop included. 14 7

8 Estimated Forest-to-Wheel Costs 260 MW feed ; Feedstock at 10 EUR/MWh; Interest on capital 10 %, 20 a 100 Costs, EUR/MWh Vehicle-related extra costs Distribution costs, incl. pressurisation for SNG Upgrading costs (FT) Production costs 0 FT SNG Forest-to-Wheel Costs: Biomass-FT < Biomass-SNG < Biomass-H 2 -FC 15 PUUN, TURPEEN JA PELTOBIOMASSOJEN KAASUTUS JA LIIKENNEPOLTTOAINEET Suomessa kehitetään voimakkaasti toisen sukupolven synteesikaasutusteknologiaa, jolla suuri merkitys sekä kotimaan polttonestemarkkinoilla että vientituotteena Vuonna 2007 edetään VTT:n vetämästä tutkimusprojektista yritysvetoiseen kehitys- ja demonstrointihankkeeseen Erilaiset metsä- ja peltobiomassat sekä turve soveltuvat hyvin prosessin raaka-aineeksi Ei kilpailla metsäteollisuuden raaka-aineen käytöstä vaan hyödynnetään sivutuotteita ja metsätähdettä Yksi laitos tuottaa tyypillisesti 2-4 % Suomen liikennepolttoainetarpeesta, laitosten lukumäärä riippuu raaka-aineen saatavuudesta ja kilpailukyvystä, monistetaan maailmanlaajuisesti Laitokset parhaiten integroitavissa joko metsäteollisuuteen tai muuhun lämpöä kuluttavaan teollisuuteen Liikennepolttoaineista uusi biomassan ja turpeen high-tech käyttökohde, koko ketjun ympäristöystävällisyys keskeisen tärkeää 16 8

9 KIITOKSET KTM:lle, Tekesille ja VTT:lle pitkäjänteisestä kaasutusalan tutkimuksen ja uuden tekniikan demonstroinnin tukemisesta Hankkeeseen osallistuville yrityksille projektin suuntaamisesta ja jatkohankkeiden valmistelusta 17 9