Pien-CHP:n teknologiset ratkaisut

Transkriptio

1 Pien-CHP:n teknologiset ratkaisut Jukka Konttinen Jyväskylän yliopisto, Kemian laitos Uusiutuvat luonnonvarat ja elinympäristön kemia Sähköposti:

2 Uusiutuvan energian tutkimusta JY:ssä Tutkimustoimintaa ollut sekä perustutkimuksen että soveltavan tutkimuksen piirissä (Uusiutuvan energian ohjelma v ) Aurinko- ja tuulienergian sekä lämpöpumppujen demonstraatioita: Viitasaaren liikenneasema, 97 % uusiutuvilla Lämpöpumppu Keitelejärvestä (290 kw) Aurinkolämpökeräimet (32 kw) Aurinkopaneelit (92.4 m 2, 4,2 kw) Tuuliturbiini (10 kw) Bioenergiaa viereiseltä sahalta Saarijärven koulu aurinkosähköjärjestelmä HIT -paneeleilla Yliopisto: aurinkopaneeleita, tuuliturbiini aurinko- ja tuulisähkön varastointia vetynä (ei vielä toteutettu)

3 Uusiutuvan energian tutkimusta JY:ssä Biokaasun ja kaatopaikkakaasun hyödyntämisen tutkimusta (CHP, liikennepolttoaine) Kiinteän biomassan kaasutus CASIFREAC, kaasutuspolttoaineen reaktiivisuuden tutkimus (leijupeti), yhteistyö VTT ja Åbo Akademi, rahoitus Suomen Akatemia Highbio2: pien-chp, kiinteäpetikaasutin ja kaasun puhdistus + Stirling-kone, yhteistyö Kokkola Chydeniyus-keskus, Centria ja Gasek Oy, rahoitus Interreg Nord Jätepolttoaineiden termokemiallinen konversio Jätemuovien poltossa vapautuvien metallien yhdisteet ja kemia Biomassan ja jätteen seospoltto, metallien katalyysi dioksiinin muodostuksessa Yhteistyö VTT, rahoitus EAKR, Metso Power Oy ja Foster Wheeler Energia Oy

4 Uusiutuvan energian tutkimusta JY:ssä DESY-projekti: Lähienergian tuotto hybridijärjestelmillä Sisältää bio-, geo-, aurinko- ja tuulienergian ratkaisut ja erityisesti näiden yhdistelmät, mukaan lukien pien-chp Hybridijärjestelmien suunnittelu, mallinnus ja optimointi & liiketoimintamallit & kestävyyskriteerit Yhteistyössä VTT, LTY, VY, MTT, TTY Rahoitus TEKES sekä ue-alan yritykset, mm. Ekogen, Gasek, HT Enerco Taloustiede: Innovatiivisia ratkaisuja liiketoimintamalleihin Biojalostamot Biokaasun jakeluverkko Päästökauppa, energiaverotus, energiatehokkuus ja säästäminen Mikro-CHP roadmap, rahoitus Bioenergia-OSKE Yhteiskuntatiede: Energiantuotannon sosiaaliset vaikutukset paikallisella tasolla

5 Pien-CHP:n potentiaalista Pien- tai mikro-chp tarkoittaa sähkön ja lämmön tuottoa kw e mittakaavassa biomassan polton tai kaasutuksen avulla (tai maakaasun tai biokaasun poltto) Jyväskylän yliopisto ja VTT toteuttuvat kirjallisuuselvityksen mikro-chp teknologioista ja kaupallisesta potentiaalista Euroopassa v Selvityksen rahoittivat Keulink Oy ja Jyväskylä Innovation Oy Noin sata ORC (Organic Rankine Cycle) laitosta on rakennettu Saksassa ja Itävallassa, joissa käytetään puubiomassaa raaka-aineena Teknologioiden käytettävyys on ollut hyvällä tasolla eli siis kaupalliselta vaadittavalla tasolla Mikro-turbiinien käyttö on lisääntynyt. Valmistuskustannusten odotetaan laskevan. Biokaasun käyttö on merkittävä uusi sovellus. Suurin osa kehityksestä USA:ssa ja Japanissa

6 Sähkön tuotto pien-chp:ssä Organic Rankine Cycle (ORC) Biomassan polttoon liittyvien sovellusten lisäksi ORC voi soveltua energian talteenottoon savukaasujen hukkalämmöstä Prosessiteollisuuden jätelämpö yksi mielenkiintoinen alue Mikroturbiinit Pyörimisnopeus suuri (> rpm), korkea kaasun lämpötila ( > 1200 K). sähköntuotto 25 kw e kw e. Polttoaine yleensä bio- tai kaatopaikkakaasu. Lisäksi kierrätyspolttoaineiden poltto, biomassan kaasutuskaasu tai nestemäiset biopolttoaineet mahdollisia Sovellukset suoraan biomassan polttoon kehitteillä paineistettu poltto? Stirling-moottori Polttoaineen poltto tapahtuu prosessin ulkopuolella täten hyvin erilaisia polttoaineita tai lämpöenergian lähteitä voidaan käyttää Sähkön tuotto 1 kw e kw e. Kaupalliset sovellukset eniten maakaasulle, esim. Keski-Eurooppa Biomassan poltto tai kaasutussovellukset kehitteillä

7 Pien-CHP:en soveltuvan teknologian ominaisuuksia Technique Combustion engines Micro turbine Stirling engine Fuel cells Steam engine and -turbine 25 kw 10 kw 1 kwe 50 Engines > Size 1 kw e 1000 kw e e 250 kw e e 150 kw e kw e 100 kw e Turbines > 500 kw e Power efficiency Heat efficiency Typical operation time Development stage Strength Weakness 150 kw e 1 MW e % % 8 22 % % 6 30 % % % % % % % % 15 years 15 years 15 years 1 15 years 15 years > 20 years Widely used High power production efficiency Large need of maintenance Only gaseous or liquid fuel Pilot-stage Low maintenance need Limited power efficiency Development stage High power efficiency Short duration Widely used Proven technology Power efficiency at partial load ORCprocess Precommercial stage Low need of maintenance Precommercial stage Good power efficiency also at partial load Limited power efficiency

8 Sähköä ja lämpöä kiinteästä biomassasta pienessä mittakaavassa? Kiinnostava tehoalue kw e Stirling-tekniikka: Energiaa siirretään palamiskaasuista stirling-koneen työkaasuun lämmönsiirtimen avulla Biomassan suorassa poltossa hyötysuhde n. 15 % Lämmönsiirtimen toiminta avainkysymys (kaasun lämpötila ja puhtaus) JY:n Vaajakosken pien-chp-laboratorion toiminta lopetettu, tutkimus jatkuu HighBio2-projektissa (puun kaasutus)

9 Mitä kaasutuksessa tapahtuu? GASIFICATION PRODUCT GAS H 2 O (steam) H 2, CO, CH 4, C x H y, tars (gases) H 2, CO (gases) DRYING PYROLYSIS CHAR GASIFICATION Feedstock particle Dry particle Char residue Residual ash Heat Heat Heat Osittaispoltto hapella tuo tarvittavan lämmön (= heat) H 2 O, CO 2

10 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

11 Pien- tai mikro-chp-laitteistot kaasutukseen perustuen Häkäpönttö + kaasun puhdistus + kaasumoottori Tehoalue kw th Sähköntuotto noin 30 % polttoaineen termisestä energiasta Kokonaishyötysuhde > 70 % Keski- ja pohjoissuomalaisia yrityksiä teknologiakehitys ja kaupallistaminen Gasek Oy ( CCM-Power Oy ( Entimos Oy ( HT Enerco Oy/Turo s team ( Haasteita: Myötävirtakaasutin tervat Muunnelmat perinteisestä häkäpöntöstä, tervan minimoimiseksi Laitosten pitkäaikaiskäytettävyys Tähän asti ajettu kymmeniä satoja tunteja Kokemäen ja Tervolan laitosdemot eivät ole onnistuneet

12 Pien-CHP:n taloudellisuus Technology ORC Stirling Micro Turbine Gasification Plant type and size Replacing water boiler with ORC Engine only (10 kw e ) Whole plant ( kw e ) Whole plant (30 75 kw e ) (1000 kw e ) Investment cost ( /kw e ) Operating costs (cent/kwh e ) Puuperäisen pien-chp-tuotannon tuotantotuki? Puubiomassan polton ja kaasutuksen sovelluksissa luvut voivat olla korkeampia

13 Nestemäisen biodieselin tuotanto pienkaasutuslaitoksilla? Kaasutuskaasun syntetisoinnissa on seuraavat vaiheet: 1. Fischer-Tropsch: Polymerisointi hiilivedyiksi hiilimonoksidin (CO) ja vedyn (H 2 ) avulla korkeissa paineissa ( komprimointi) 2. Raakadiesel-fraktion erotus nestemäisistä hiilivedyistä 3. Raskaiden hiilivetyjen (vahojen) prosessointi haluttuun diesel-fraktioon, jotta saadaan diesel-saanto järkeväksi Vaiheiden 2 ja 3 toteuttaminen kaasutuslaitoksen yhteydessä kyseenalaista. Vaiheiden 2 ja 3 rakentaminen nostaa investointikuluja, samoin kaasujen komprimointilaitteisto Käyttökustannukset: Prosessointi kuluttaa sähköä Kaasu pitäisi puhdistaa todella tehokkaasti pesuri ei riitä Oletetaan olevan taloudellista kertaluokkia suuremmassa koossa

14 MIKRO-CHP ROADMAP Veli-Heikki Vänttinen Ohjaajat: Hanna-Leena Pesonen, Jukka Konttinen Jyväskylän yliopisto Syksy kevät 2011

15 Tutkimuksen tavoite Tutkimuksen tavoitteena on muodostaa roadmap, jonka avulla pien- ja mikro-chp teknologioiden kaupallistamisen vaiheet selviävät

16 Tutkimuksen metodologia (1/2) Kvalitatiivinen eli laadullinen tutkimus Tutkimus toteutettiin puolistrukturoituna/teemahaastatteluna Haastateltavia oli yhteensä 10 henkilöä ja he edustivat korkeakouluja (yliopisto ja AMK), tutkimuslaitoksia, laiteja kattilavalmistajia, rahoittajia sekä kehitysyhtiöitä

17 Haastateltavat Organisaatio Airia Oy Ariterm Oy Gasek Oy JAMK JYKES LUT MW Power Oy TEKES Tulostekniikka Oy VTT Haastateltava Reijo Alander Kimmo Kantalainen Kauko Väinämö Jaakko Tukia Juha Järvi Juha Kaikko Juha Huotari Mauri Marjaniemi Kai Oinonen Veli Linna

18 Tutkimuksen metodologia (2/2) Haastatteluissa oli käytännössä yksi kysymys: Esteet ja edistämistekijät pien- ja mikro-chp teknologioiden innovaatioprosessissa? PESTE-analyysi: viisi eri näkökulmaa (poliittinen, taloudellinen, sosiaalinen, teknologinen ja ekologinen) Lisäksi kysyttiin näkemystä ajankohdasta, jolloin ko. teknologiat leviävät markkinoille

19 Teoreettinen viitekehys VALTIO KYSYNTÄVETOISUUS POLIITTISET OHJAUSKEINOT LIIKETOIMINTA PERUSTUTKIMUS SOVELTAVA TUTKIMUS DEMONSTRAATIOT KAUPALLISTAMINEN DIFFUUSIO ASIAKKAAT TEKNOLOGIAN TYÖNTÖ SIJOITUKSET SIJOITTAJAT/RAHOITTAJAT

20 Tuloksia (1/2) EDISTÄMISTEKIJÄT: P: kannustimet, pitkän ajan linjausten tekeminen E: potentiaalisten asiakkaiden kartoitus, uudet liiketoimintakonseptit, markkinoiden kasvu, rahoitus S: yhteistyön lisääminen, klustereiden muodostaminen, osaamisen hyödyntäminen, yleinen kiinnostus T: potentiaalisten teknologioiden arviointi, uudet innovaatiot, toimintavarmuuden ja käytettävyyden parantaminen E: ympäristöystävällisyys ja vihreä imago, CO 2 -neutraalisuus, elinkaarianalyysin tekeminen MUUT: hajautetun energiantuotannon edut

21 Tuloksia (2/2) ESTEET: P: syöttötariffijärjestelmän epäkohdat, poliittisen ilmapiirin epävarmuus, suurten toimijoiden lobbaus E: investointien kannattavuus, rahoitukseen liittyvät haasteet, markkinoiden/kysynnän puute, innovaatioprosessin kalleus S: verkostoitumisen ja yhteistyön haasteet, NIMBY-ilmiö, negatiivinen julkisuus T: sähköntuotannon hyötysuhde, tuote-/savukaasun puhtaus, materiaalien kestävyys E: pienhiukkaspäästöt MUUT: polttoaineen riittävyys ja logistiset ongelmat, asiakkaiden arvot

22 Arvio pien-chp-teknologioiden innovaatioprosessin etenemisestä

23 - MAHDOLLISUUDET LAITEVALMISTAJIEN KORKEIDEN KUSTANNUSTEN PIENENTÄMISEEN TALOUDELLISET EDISTÄMISTEKIJÄT - UUDET LIIKETOIMINTAKONSEPTIT - POTENTIAALISET ASIAKKAAT JA NIIDEN KARTOITUS - RAHOITUS - MARKKINOIDEN KEHITTYMINEN TULEVAISUUDESSA INNOVAATIO PERUSTUTKIMUS SOVELTAVA TUTKIMUS DEMONSTRAATIOT KAUPALLISTAMINEN DIFFUUSIO ASIAKKAAT - LAITEVALMISTAJIEN KORKEAT KUSTANNUKSET - RAHOITUKSEN HAASTEET - TOIMIJOIDEN/YRITTÄJIEN INVESTOINTIHALUKKUUDEN HAASTEET - MARKKINOIDEN JA KYSYNNÄN PUUTE - TALOUDELLISESTI KANNATTAMATTOMAT INVESTOINNIT TALOUDELLISET ESTEET - INNOVAATIOPROSESSIN KALLIS HINTA

24 JOHTOPÄÄTÖKSET Pien-CHP Suomessa perustuu joko polttoon tai kaasutukseen Puubiomassat paras polttoaine Muita biomassoja kokeiltu onnistuneesti Pien-CHP:llä merkittävää potentiaalia paikallisissa sähkön ja lämmön kulutuskohteissa, kuten kasvihuoneet ja maatilat CHP:hen sopivat moottoritekniikat mm. ORC, mikroturbiini ja Stirling-kone

25 JOHTOPÄÄTÖKSET Pien-CHP-teknologioita kehitetään Suomessa yritysten, tutkimuslaitosten ja yliopistojen toimesta ORC:tä ja mikroturbiineja on kehitetty ja kaupallistettu Lappeenrannan teknilllisessä yliopistossa & Naaraharju Oy:llä Ekogen Oy:llä sovellus biopolttoon Stirling-konetta puun polton yhteydessä on tutkittu LTY:ssä, JY:llä tutkimus lopetettu Kaasutukseen perustuvia tekniikoita kehitetään ja kaupallistetaan yhtiöissä GasEK Oy, HT Enerco Oy, CCM-Power Oy ja Entimos Oy sekä HighBio2- tutkimushankkeessa (Centria, JY, Kokkola Chydenius) Pien-CHP:n yleistyminen tarvitsee onnistuneita pitkän aikajakson (tuhansien tuntien) demonstraatioita Roadmap Kaupallistumisen aikataulussa epävarmuuksia ( ) Lisäselvityksien tarvetta asiakkaisiin ja markkinoihin liittyen