Centria amk:n tutkimusmahdollisuudet

Transkriptio

1 Centria amk:n tutkimusmahdollisuudet Sievin biojalostamon sivuvirtojen hyödyntäminen Kari Pieniniemi Centria ammattikorkeakoulu Ylivieska yksikkö Sähkötekniikka, Energiatekniikan laboratorio

2 Esityksen sisältö Centria ammattikorkeakoulu Energiatekniikan tutkimus Centria amk:ssa Ylivieskassa Energiatekniikan laboratorion CHP laitos Synteesikaasun, biokaasun ja CHP-laitoksen päästöjen mittaus energiatekniikan laboratoriossa Ligniinin hyödyntäminen Ligniinin hyödyntämismahdollisuuksia Ligniinin kaupallinen hyödyntäminen. LignoBoost prosessi Ligniinin hyödyntäminen energiatuotannossa Biohiili, paahtopelletti, höyrypelletti, mustapelletti, super mustapelletti Mäskin hyödyntäminen Mäskin märkähapetus Mäskin anaerobinen käsittely biokaasuksi Tutkimusaiheuta Tutkimusaihe: Sievin biojalostamon ligniinin kaasutus Tutkimusaihe: Ligniinin kaasutukseen perustuva biohiili Tutkimusaihe: Ligniiniin perustuva pellettipolttoaine Tutkimusaihe: Mäskin anaerobinen käsittely biokaasuksi ja biokaasun hyödyntäminen liikennepolttoaineena Centria ammattikorkeakoulu 2

3 CENTRIA AMMATTIKORKEAKOULU YLIVIESKA Laajin CENTRIA amk:n yksikkö 5 koulutusalaa (Tekniikka, Sosiaaliala, Humanistinen ala, Liiketalous ja Matkailu) Opiskelijoiden määrä 1300 Henkilökuntaa 130 Koulutusta Ylivieskassa ja Raudaskylässä Centria ammattikorkeakoulu 3

4 Energiatekniikan tutkimusta Ylivieskassa Tärkeimpiä tutkimusaloja ovat pienimuotoinen hajautettu energiatuotanto ja biopolttoainekäyttöisten CHP- yksiköiden kehittäminen Biomassan kaasutusteknologia ja tuotekaasun analysointiin Sähkötekniikan koulutusohjelma sisältää tutkimukseen tarvittavat osaamisalueet: kaasutustekniikat polttomoottori-generaattoritekniikka ohjaus ja automatiikka Centria ammattikorkeakoulu 4

5 Energiatekniikan tutkimusta Centria amk Ylivieska ESIMERKKI. Biokaasun hyödyntäminen CHP - tuotannossa Junttilan tilalle Nivalaan on varusteltu opinnäytetyönä biokaasua hyödyntävä 15 kw:n aggregaatti. Tilalla tuotettu biokaasu hyödynnetään polttomoottorissa, joka tuottaa sekä lämpöä että sähköä tilan omaan käyttöön. Centria ammattikorkeakoulu 5

6 Energiatekniikan tutkimusta Centria amk Ylivieska ESIMERKKI. Biokaasun paineistaminen Centria T&K on toteuttanut biokaasun paineistusyksikön, jolla on mahdollista paineistaa biokaasu 200 baarin paineeseen. Biokaasun paineistaminen mahdollistaa sen käytön liikennepolttoaineena Centria ammattikorkeakoulu 6

7 Energiatekniikan tutkimusta Centria amk Ylivieska ESIMERKKI. PEA - Public Energy Alternatives-hanke EU-rahoitteinen hanke, jolla etsittiin uusiutuvien energiamuotojen sovellusmahdollisuuksia liiketoiminnan, teknologioiden ja insinööriosaamisen keinoin Itämerenmaiden alueella. 21 partneria kuudesta maasta (Viro, Suomi, Saksa, Latvia, Liettua ja Puola). Ylivieskan seutukunta hallinnoi hanketta ja Centria toteutti Vähäkankaan koulun hakelämmitysjärjestelmän. Centria ammattikorkeakoulu 7

8 CENTRIAN tehtävänä energiaa ja kemikaaleja biomassasta HighBio2 hankkeessa on tukea tutkimus- ja kehittämistyöllä pienimuotoista lämmön- ja sähköntuotannon hyödyntämistä paikallistasolla. CENTRIA T&K:n tutkimustyö keskittyy pilot - mittakaavaisen koelaitoksen kaasutusprosessin hallittavuuden parantamiseen ja tuotekaasun online-analytiikkaan. Centria ammattikorkeakoulu 8

9 Energiatekniikan laboratorion CHP - laitos HIGHBIO2 - tutkimushankkeessa hyödynnetään Centrian energiatekniikan laboratorion pilotmittakaavaista myötävirtakaasutuslaitosta Kuvassa CENTRIA:n myötävirtakaasutuslaitos ja 8 sylinterinen 5,4 L kaasumoottori Centria ammattikorkeakoulu 9

10 Energiatekniikan laboratorion CHP - laitos Energiatekniikan laboratoriossa olevan CHP- laitteiston lämpöteho on 50 kw th ja sähköteho 20 kw e 1. Hakevarasto 2. Ruuvikuljetin 3. Kaasutin 4. Puhdistamaton tuotekaasu 5. Pesuri 6. Vesisäiliö 7. Tuhkasäiliö 8. Moottori 8.4 L 9. Generaattori 50 kw 10. Käynnistyspoltin 11. Savukaasut 12. Savukaasulämmönvaihdin 13. Jäähdytin 14. Lämmönvaihdin Centria ammattikorkeakoulu 10

11 VOIMALAITOKSEN KAASUMAISTEN PÄÄSTÖJEN MITTAUS, GASMET FTIR Voidaan määrittää 400 eri kaasukomponenttia, joista 50 samanaikaisesti Gasmet Dx4000N FTIR analysaattori Näytteenottoyksikkö, lämmitettävä näytteenottolinja ja näytteenottosondi Perinteisten päästömittaus-komponenttien (O 2, CO, CO 2, NOx, SO 2 ) lisäksi voidaan mitata mm. HCl, HF, NH 3 ja erilaisia orgaanisia yhdisteitä Ei voida mitata N 2, H 2, H 2 S Ei kuivausta, analysointi kosteista savukaasuista (H 2 O mitattava komponentti) Centria ammattikorkeakoulu 11

12 BIO- JA TUOTEKAASUN KOOSTUMUKSEN MITTAUS AGILENT 490 mikro GC Online kaasuanalyysi, mm. biokaasu, puukaasu o Pysyvät kaasut H 2, N 2,CO, CO 2, CH 4, O 2 Esim. bio ja synteesikaasun lämpöarvo okannettava 4 kanavainen m-gc, m-tcd detektori Analyysiaika 3 min Hyvä lineaarisuus, hyvä herkkyys Mitattavat komponentit : H2, CO2, CO,N2, CH4, O2, Benzene, Toluene, C3H6, 1-C4H8, C2H4, C2H6, C2H2, 1,2-propadiene,Methyl acetylene, i- C4H10, n-c6h14, C3H8, n-c4h10, t-2-c4h8, i-c4h8, c-2-c4h8, i- C5H12, n-c5h12, 1,3-butadiene, tert-2-pentene, 2-Me-2- butene, 1-pentene, cis-2-pentene, (Ne, Kr) Centria ammattikorkeakoulu 12

13 LIGNIININ HYÖDYNTÄMINEN Kari Pieniniemi FL (kemia) Centria ammattikorkeakoulu Ylivieska yksikkö Sähkötekniikka Energiatekniikan laboratorio Centria ammattikorkeakoulu

14 LIGNIININ HYÖDYNTÄMINEN Ligniinistä saadaan energiaa biojalostamon käyttöön Biojalostamot polttavat osan (n. 50%) etanolin valmistusprosessissa syntyvästä ligniinistä Kaikkea syntyvää ligniiniä ei voida käyttää etanolin valmistusprosessissa => ligniini on biojalostamoprosessissa syntyvä (jäteperäinen) sivutuote voidaan käyttää sähkön ja lämmöntuotantoon voimalaitoksella, jos syntyvälle lämmölle on käyttöä Ligniini voidaan hyödyntää: Energiana Materiaalina ja raaka-aineena Biojalostamoiden myötä (lignoselluloosa) runsaasti saatavilla, puhdasta ja suhteellisen edullisesti Ligniinin hyödyntäminen parantaa biojalostamon taloutta Centria ammattikorkeakoulu 14

15 Ligniinin kemiallinen koostumus Ligniinimolekyylit koostuvat kolmenlaisesta eri fenyylipropaaniyksiköstä: Ligniinin kemiallinen koostumus ja määrä vaihtelee puulajeittain Ruohojen ligniini muistuttaa lehtipuiden ligniiniä Ligniini on amorfinen luonnonpolymeeri, joka on rakenteeltaan kolmiulotteisesti verkottunut Biomassassa ligniiniä on 30 massa-% ja 40 % energiasisällöstä Centria ammattikorkeakoulu 15

16 Ligniinin hyödyntäminen Ligniiniä voidaan hyödyntää polttoprosesseissa (lähitulevaisuus, lyhyt aikaväli 3 v) makromolekyylinä (keskipitkä aikaväli, 3 5 v) aromaattisina kemikaaleina ja erilaisina monomeereina (pitkän aikaväli, yli 5 v) Ligniiniä hyödynnetään nykyään pääsääntöisesti polttoaineena sellun-keittoprosessissa Muita kohteita (lignosulfonaatti) ovat mm. pölynsidonta-aineena öljynporauksessa sidosaineet valimoissa, polymeerinä puuliimoissa, notkeutus- ja saostusaineina betonissa, tensideinä torjunta-aineissa sekä öljyntorjunnassa, parkinta-aineiden sidosaineena, dispergoimisaineena väriaineessa, maalien jauhatuksessa, sekä lannoitteissa Centria ammattikorkeakoulu 16

17 Ligniinin hyödyntäminen, mahdollisia tuotteita Ligniini Synteesikaasu (CO, H 2 ) Aromaattiset hiilivedyt Fenolit Hapetustuotteet Makromolekyylit Metanoli DME Etanoli Alkoholit Fischer Tropsch polttoaine C1 C7 kaasut BTX (bentseeni, Tolueeni, Ksyleeni) Syklo - heksaani Styreeni Fenoli Substioidut fenolit Katekoli Kresoli jne Vanilliini Aromaattiset hapot Alifaattiset hapot Aldehydit Sykloheksanoli Hiilikuitu Kestomuovit Komposiitit Liimat Sideaineet Säilöntäaineet Polyalkoholit Centria ammattikorkeakoulu 17

18 Ligniinin hyödyntäminen Hienokemikaalit (vanilliini, fenolijohdannaiset) Hilikuitu Fenoli hatsit Aktiivihiili Fenoli Bentseeni, Tolueeni, Ksyleeni (BTX) Biopolttoaine Bitumi Sementin lisäaine ENERGIA Centria ammattikorkeakoulu 18

19 Ligniinin markkinapotentiaali Gosselink, R.J.A. (2011) Lignin as a renewable aromatic resorce for the chemical industry Centria ammattikorkeakoulu 19

20 Ligniinin kaupallinen hyödyntäminen LignoBoost prosessi Centria ammattikorkeakoulu 20

21 LignoBoost prosessi Metson LignoBoost prosessi erottaa puhdasta ligniiniä mustasta lipeästä Uusi tuote sellutehtaalle Saostus Veden poisto Pesu H 2 SO 4 + vesi Ensimmäinen kaupallinen laitos käynnistyi 2011 Ligniini polttoaineena meesauunissa Centria ammattikorkeakoulu 21

22 LignoBoost Ligniinin hyödyntäminen. Esimerkkejä Ligniini öljyssä vähentää CO 2 päästöjä Ligniinipellettejä Ligniinistä valmistettu hiilikuitu Ligniinin polttaminen kuorikattilassa Ligniini sideaineena kuitulevyssä Ligniini sideaineena asfaltissa Centria ammattikorkeakoulu 22

23 LignoBoost Ligniini, Esimerkkejä tn sellua 10 % saanto, tn ligniiniä tn hiilikuitua auton hiilikuitumateriaali Centria ammattikorkeakoulu 23

24 BIOMASSAN JA LIGNIININ KAASUTUS

25 Ligniinin hajottaminen Ligniinin depolymerointi Ligniini voidaan hajottaa pienempiin osiin viidellä tavalla 1. Ligniinin kaasutus 2. Ligniinin pyrolyysi 3. Katalyyttinen hydrogenolyysi 4. Alkaalinen hydrolyysi 5. Depolymenrointi superkriittisen veden avulla 6. Depolymenrointi liuottiminen avulla Ligniinin muuttaminen nestemäisiksi (vihreä) kaasumaisiksi (punainen) ja kiinteiksi polttoaineiksi (musta) FT: Fischer- Tropsch synteesi, WGS: vesikaasun siirtoreaktio Lähde: P. Azadi, O.R. Inderwildi, R. Farnood, D.A.King, Liquid fuels, hydrogen and chemicals from lignin: A critical review, Renewable and Sustainable Energy Reviews 21 (2013) Centria ammattikorkeakoulu 25

26 Ligniinin hyödyntäminen energiatuotannossa Ligniinin polttaminen Sellutehtaassa puusta erotettu ligniini poltetaan soodakattilassa Lämmön - ja sähköntuotanto (CHP) Prosessihöyry paperitehtaalle Keittokemikaalien talteenotto (mustalipeä => viherlipeä) Ligniinin kaasuttaminen Ligniinin kaasuttaminen tuottaa synteesikaasua (CO + H 2 ) Synteesikaasu voidaan muuttaa Vedyksi H 2 (synteesikaasu + vesikaasun siirtoreaktio (WGS = Water Gas Shift reaction) => H 2 + CO 2 ) LIIKENNEPOLTTOAINEIKSI Bensiini: Metanoli sopii hyvin sellaisenaan korvaamaan besiiniä Diesel polttoaine: Synteesikaasu => metanoli => DME (= Dimetyylieetteri) Diesel polttoaine: Synteesikaasu => FT polttoaine (FT = Fischer-Tropsch teknologia) Centria ammattikorkeakoulu 26

27 Ligniinin hyödyntäminen energiatuotannossa Pyrolyysi Biomassan pyrolysointi voidaan suorittaa kolmella tavalla Nopea pyrolysointi, Hiilletys Kaasuunnuttaminen Kiintoainejäännös on merkittävästi suurempi kuin puun pyrolyysissä (Biohiili) Nopeassa pyrolyysissä biomassa kuumennetaan nopeasti noin 500 C lämpötilaan Ligniinin pyrolyysi tapahtuu laajemmalla lämpötila-alueella ( C) kuin puun pyrolyysi ( C) Ligniinin pyrolyysissä syntyy Bioöljyjä (40 50 %) Kaasuja (10 20 %) Biohiiltä (20 40%) Pyrolyysiöljyä voidaan käyttää CHPtuotantoon diesel-moottoreissa, kaasuturbiineissa, teollisuuden kattiloissa sekä Stirling-moottoreissa Biohiili energiatuotannossa ja maanparannusaineena Lähde: P. Azadi, O.R. Inderwildi, R. Farnood, D.A.King, Liquid fuels, hydrogen and chemicals from lignin: A critical review, Renewable and Sustainable Energy Reviews 21 (2013) Centria ammattikorkeakoulu 27

28 Ligniinin hyödyntäminen energiatuotannossa Kaasutus Ligniinin kaasutustutkimus ja teknologiakehitys on painottunut mustalipeän kaasutuksen Mustalipeän kaasutuksesta saatava synteesikaasu voidaan käyttää mm. polttoaineena kaasuturbiinissa (CHP-tuontanto) tai muuttaa nestemäiseksi esim. metanolisynteesillä Ongelmana korkealämpötilakorroosio Koostumus (28 bar, 1000 C) 34,8 % H 2, 28,5 % CO, 33,6 % CO 2, 1,4 % CH 4 ja 1,7 % H 2 S Öhrman O.G.W. et.al (ETC, Piteå, Ruotsi) kaasuttivat vehnän oljen ligniiniä PEBG kaasuttimessa (Pressurized Entrained Flow Gasifier) Lähde: Öhrman, O.G.W., Weiland, F., Pettersson, E., Johansson, A.C., Hedman, H., Pedersen, M. Pressurized Oxygen Blown Entrained Flow Gasification of a Biorefinery Lignin Residue. Fuel Processing Technology 115 (2013) Centria ammattikorkeakoulu 28

29 Ligniinin hyödyntäminen energiatuotannossa Kaasutus synteesikaasuksi Synteesikaasun (H 2, CO) hyödyntämismahdollisuudet kemikaaleiksi ja liikennepolttoaineiksi hyvin laajat /3/ Synteesikaasu voidaan fermentoida /1/ tai muuttaa katalyyttisesti /2/ etanoliksi Metanoli valmistetaan synteesikaasusta käyttäen Cu- Zn- katalyyttejä (paine atm, lämpötila C) /1/ Kan Liu, Hasan K. Atiyeh, Ralph S. Tanner, Mark R. Wilkins, Raymond L. Huhnke, Fermentative production of ethanol from syngas using novel moderately alkaliphilic strains of Alkalibaculum bacchi, Bioresource Technology, Volume 104, January 2012, Pages /2/ Jingjuan Wang, Qinghong Zhang, Ye Wang, Rh-catalyzed syngas conversion to ethanol: Studies on the promoting effect of FeOx Catalysis Today, Volume 171, Issue 1, 10 August 2011, Pages /3/ Patrick J. Woolcock, Robert C. Brown, A review of cleaning technologies for biomass-derived syngas Biomass and Bioenergy, Volume 52, May 2013, Pages Centria ammattikorkeakoulu 29

30 Ligniinin hyödyntäminen energiatuotannossa Oberon Prosessi Pienen mittakaavan tuotantoyksikkö muuttaa SYNTEESIKAASUA, BIOKAASUA tai METAANIA (CH 4 ) ja HIILIDIOKSIDIA (CO 2 ) DIMETYYLIETTEERIKSI (CH 3 -O-CH 3, DME) Raaka-aineena voidaan käyttää BIOKAASUA, PUUKAASUA tai MAAKAASUA Lisäksi liuskekaasua (shale gas) ja jätteistä (ruokajäte, maatalousjäte, kaatopaikka-kaasu, jäteveden käsittely) valmistettua biokaasua voidaan muuttaa dimetyylieetteriksi (DME) WOOD or LIGNIN GASIFICATION Centria ammattikorkeakoulu 30

31 Mitä on DME? DME (dimetyylieetteri) on myrkytön, väritön, biohajoava ja puhtaasti palava ja uusiutuva (bio)polttoaine Erinomainen dieseliä korvaava polttoaine Korkea setaaniluku (55), halpa propaanin kaltainen tankkaus voidaan varastoida nestemäisenä, ei tarvita korkeita paineita (paineistettu maakaasu, CNG) eikä alhaisia lämpötiloja (nestemäinen maakaasu, LNG) DME on puhdas polttoaine 90 % vähemmän NOx päästöjä 95 % vähemmän CO 2 päästöjä Ei hiukkaspäästöjä Ei saastuta maaperää (biohajoava) DME on tehokas biopolttoaine 30 % parempi polttoainetalous kuin bensiinillä henkilöautoissa Paras synteettisten polttoaineiden polttoainetehokkuus (esim. FT-diesel metanoli) DME voidaan kuljettaa ja varastoida Voidaan kuljettaa ja varastoida missä vain Ei tarvita erillistä jakeluverkostoa VolvoTrucks- Future Trucks Will Run on Clean Fuel Made fro.mp4 Volvo Trucks - Next generation of bio-fuel in real life test Centria ammattikorkeakoulu 31

32 Mack Trucks to Begin Production of DME Vehicles in 2015 Mack Trucks will begin production of DME-powered Mack Pinnacle Axle Back models in 2015 Mack will begin production of the DMEpowered MACK Pinnacle Axle Back model in DME POLTTOAINEEN etuja DME ei tuota hiukkaspäästöjä => ei tarvita hiukkassuodattimia (DPF diesel particulate filter) 95 % vähemmän CO 2 päästöjä normaaliin diesel polttoaineeseen verrattuna, kun DME on valmistettu biomassasta tai biokaasusta Käsittely ja varastointi samanlaista kuin propaanilla Ei tarvita korkeita paineita, alhaisia lämpötiloja eikä erityisiäsuojavarusteita tankatessa Liuskekaasusta liikennepolttoainetta The MACK MP8 engine will power the DME-fueled MACK Pinnacle Mack is a leader in natural gas technology development, and we believe DME has tremendous potential as an effective way to use the country s abundant natural gas reserves to power heavy-duty trucks Centria ammattikorkeakoulu 32

33 Ligniinin kaasutus. Teknologiahaasteita Centria ammattikorkeakoulu 33

34 Biohiili Paahtopelletti Höyrypelletti Mustapelletti Super mustapelletti Centria ammattikorkeakoulu 34

35 Biohiili maatalouden uusi toivo Biohiili (sysi) muodostuu orgaanisesta materiaalista pyrolyysissä (kuivatislaus) Pyrolyysi on prosessi, jossa orgaanista ainetta kuumennetaan suljetussa, hapettomassa tilassa ja korkeassa lämpötilassa (> 700 C) Biomassan kaasutuksen sivutuotteena syntyy biohiiltä? Biohiili on maatalouden uusi toivo pellot hiilinieluiksi Suomalaiselta kivennäismaahehtaarilta katoaa ilmaan noin 220 kiloa hiiltä joka vuosi Biohiilen lisääminen parantaa maaperän kykyä sitoa vettä, ravinteita ja hajua (hunajakennomainen rakenne) Biohiili parantaa satoa, lisää biomassaa ja vähentää kasvihuonepäästöjä jopa 60 prosenttia enemmän kuin jos sama biomassa käytettäisiin bioenergiana. Biohiilen avulla monet pellot voitaisiin muuttaa hiilinieluiksi. Hiili säilyy pellossa vuotta Lähde: Biohiiltä levitettiin Viikissä 30 t/ha. Kuva:Priit Tammeorg, Helsingin yliopisto Centria ammattikorkeakoulu 35

36 Biohiili ja energia Biohiili korvaa fossiilista kivihiiltä Energiasisällöltään biohiili ja kivihiili ovat lähellä toisiaan Biohiilen energiatiheys on 5-6 kertaa parempi verrattuna puuhakkeeseen ja noin 1,5 kertaa parempi verrattuna pellettiin Biohiili on yksi harvoista tavoista luoda energiaa ja samalla vähentää hiilidioksidipäästöjä ilmakehään. Mitä biohiilellä energiatuotannossa tarkoitetaan? Höyryräjäytys (Black Pellet), Torrefiointi (paahtopelletti) vai biomassan pyrolyysi? Höyryräjäyttämällä biomassasta saadaan enemmän kivihiilen kaltaista Höyryräjäytyksen lisäksi biohiiltä voidaan valmistaa myös paahtamalla, eli lämpökäsittelyllä, jolloin lopputuloksena on torrefioitua biomassaa. Lähde: Centria ammattikorkeakoulu 36

37 Helsingin Energia testaa mustaa pellettiä Sunnuntai Hanasaaressa testataan sekä paahto- että höyrypellettiä. Tavalliseen valkoiseen pellettiin verrattuna biohiili kestää paremmin kosteutta ja sen energiatiheys on korkeampi. Paahtopelletti Valmistusmenetelmä: hakkeen lämpökäsittely (torrefiointi, paahtaminen) + pelletöinti Musta pelletti (Black pellet) Höyrypelletti Valmistusmenetelmä: hakkeen höyryräjäytys (steam explosion) + pelletöinti Centria ammattikorkeakoulu 37

38 Paahtopelletti Valmistetaan lämpökäsittelemällä haketta torrefiointi (paahtaminen ) Torrefioinnin reaktiotuotteet: Kiinteä materiaali (80%) Kondensoituvat nesteet (15 %) Vesi Orgaaniset aineet Kondesoitumattomat kaasut (5 %) CO 2, CO, CH 4, H 2, Kaasut Syötetty biomassa 1,0 M 1,0 E 0, 3 M 0,1 E TORREFIOINTI C Torrefioitu biomassa 0,7 M 0,9 E Centria ammattikorkeakoulu 38

39 Metso teki biohiilessä täyskäännöksen Lähde: Tekniikka&Talous Helena Raunio, Metso on tehnyt merkittävän suunnanmuutoksen biohiilen kehitystyössä Metso on luopunut torrefioinnista ja tuo markkinoille höyryräjäytykseen perustuvaa tekniikkaa. Höyryräjäytyksessä (Steam Explosion) biomassa höyrytetään barin paineessa. Painekäsittelyn jälkeen biohiili puhalletaan paineettomaan säiliöön, jolloin rakenne rikkoutuu höyryn paisuessa. => lujuudeltaan ja kosteudenkestoltaan huomattavasti parempia kuin torrefioidut pelletit Kaupallisen kokoluokan laitos (vuosituotanto tonnia), saattaisi maksaa miljoonaa euroa. Oleellinen asia on se, voidaanko biohiilen valmistaminen integroida johonkin nykyiseen sellutehtaaseen tai voimalaan Centria ammattikorkeakoulu 39

40 Musta pelletti, Zilka Black Pellets Zilkha Biomass Energy ja Valmet ovat solmineet viisivuotisen sopimuksen, jonka avulla tuodaan höyryräjäytetyt mustat pelletit Suomen markkinoille Valmet rakentaa Zilka lisenssiin perustuvat mustapellettitehtaat Suomessa Korvaa fossiilisia polttoaineita, esimerkiksi hiiltä sähkön ja lämmön tuotannossa kivihiilivoimalaitoksissa. Höyryräjäytys (Steam Explosion) ja pelletöinti Etuja: parempi säilyvyys, vedenkestävyys, ei lisäaineita, suurempi energiasisältö, alemmat kuljetuskustannukset ja pienemmät pölyongelmat Patentti WO A2 Methods for the manufacture of fuel pellets and other products from lignocellulosic biomass Höyryräjäytystä uusiutuviin: Valmet aloittaa pellettien markkinoinnin amerikkalaisyrityksen kanssa Tekniikka&talous , Centria ammattikorkeakoulu 40

41 Zilkha Black Pellets ominaisuudet Korkea energiasisältö 19,5 GJ/tn Suurempi ominaistiheys (800 kg/m 3 ) kuin tavallisella pelletillä (650 kg/m 3 ) Vedenkestävä (tavallinen pelletti ei ole) Höyryräjäytyksessä biomassa lämmitetään höyryllä ( C) 3 8 min jälkeen paine alennetaan nopeasti, jolloin biomassa hajoaa (ligniini ja selluloosa) räjähdysmäises Centria ammattikorkeakoulu 41

42 Zilkha Black Pellets ominaisuudet Helsingborg, Ruotsi Zilka Black pellet varastoitu ulkona yli vuoden tn testiajo Hollannissa 2012 Tavalliset pelletit voivat syttyä itsestään palamaan varastoinnin ja kuljetuksen aikana Pöly ja palavien kaasujen (CO, VOC )muodostuminen aiheuttavat itsesyttymisriskin Mikrobitoiminta aiheuttaa pellettien lämpötilan nousun siiloissa ja vapauttaa palavia kaasuja Musta pelletin itsesyttymisriski varastoinnissa on pienempi kuin tavallisilla pelleteillä ISO/AWI ( ) Solid biofuels -- Safety of solid biofuel pellets -- Safe handling and storage of wood pellets in residential and other small-scale applications Centria ammattikorkeakoulu 42

43 Super mustapelletti Sievin biojalostamon ligniinin lisääminen Zilka mustapellettiin Sievin biojalostamon ligniinin pelletöinti sellaisenaan => Super mustapelletti Etuja Zilka mustapellettiin nähden Suurempi energiasisältö => voidaan korvata 100 % kivihiili sähköntuotannossa Ei tarvita erillistä ligniinin erotusprosessia (höyryräjäytys) Sievissä tarvitaan vain tavanomainen pelletöintilaitos Täysin kotimainen kivihiiltä korvaava uusiutuva polttoaine Parantaa kivihiilivoimalaitoksen CO 2 tasetta Centria ammattikorkeakoulu 43

44 Mäskin hyödyntäminen Centria ammattikorkeakoulu 44

45 Mäskin käsittelyvaihtoehdot Etanolin tuotannossa kaikki selluloosa ei hydrolysoidu sokereiksi, eikä hiiva käytä kaikkia sokereita etanoliksi. o Saanto on yleensä noin %, loppu muuttuu sivutuotteiksi tai jää käymättä. o Entsymaattisessa hydrolyysissä jää yleensä noin 5-20 % kuidusta jäljelle Normaalisti mäski haihdutetaan ja suodatetaan, jonka jälkeen siitä voidaan erottaa orgaaniset aineet vedestä. o Jäännös voidaan polttaa voimalaitoksessa, mutta jäännös sisältää paljon vettä ja sen lämpöarvo on kosteuspitoisuudesta johtuen alhainen. o Mäskin käsittely vaatii paljon energiaa. Mäskin käsittelyvaihtoehtoja ovat Mäskin anaerobinen käsittely biokaasuksi Mäskin märkähapetus Centria ammattikorkeakoulu 45

46 Mäskin anaerobinen käsittely biokaasuksi Centria ammattikorkeakoulu 46

47 Anaerobinen käsittely Hapettomissa olosuhteissa anaerobiset bakteerit hajottavat orgaanista ainesta muodostaen metaania (CH 4 ) ja hiilidioksidia (CO 2 ) prosessi vaatii joko 37 C:een tai 55 C:een lämpötilan puhdistettavan jäteveden kiintoainepitoisuus ei saa olla yli 500 mg/l Lisäsyötteet Biokaasun tuottoa voidaan lisätä lisäämällä lisäsyötteitä biokaasureaktoriin Biojäte Energiakasvit Lanta Biokaasun koostumus Biokaasu sisältää noin % metaania (CH4) ja % hiilidioksidia (CO2) Centria ammattikorkeakoulu 47

48 Mäskin hyödyntäminen liikennepolttoaineena Oberon Prosessi Pienen mittakaavan tuotantoyksikkö muuttaa METAANIA (CH 4 ) ja HIILIDIOKSIDIA (CO 2 ) DIMETYYLIETTEERIKSI (CH 3 -O-CH 3, DME) Raaka-aineena voidaan käyttää BIOKAASUA, PUUKAASUA tai MAAKAASUA Lisäksi liuskekaasua (shale gas) ja jätteistä (ruokajäte, maatalousjäte, kaatopaikka-kaasu, jäteveden käsittely) valmistettua biokaasua voidaan muuttaa dimetyylieetteriksi (DME) WOOD or LIGNIN GASIFICATION Centria ammattikorkeakoulu 48

49 Mäskin märkähapetus Tutkija Kristian Melin Prof. Jukka Koskinen

50 Mitä hyötyä on mäskin märkähapetuksesta? Etanolin tuotannossa kaikki selluloosa ei hydrolysoidu sokereiksi, eikä hiiva käytä kaikkia sokereita etanoliksi. o Saanto on yleensä noin %, loppu muuttuu sivutuotteiksi tai jää käymättä. o Entsymaattisessa hydrolyysissä jää yleensä noin 5-20 % kuidusta jäljelle Normaalisti mäski haihdutetaan ja suodatetaan, jonka jälkeen siitä voidaan erottaa orgaaniset aineet vedestä. o Jäännös voidaan polttaa voimalaitoksessa, mutta jäännös sisältää paljon vettä ja sen lämpöarvo on kosteuspitoisuudesta johtuen alhainen. o Mäskin käsittely vaatii paljon energiaa. Märkähapetuksen avulla on mahdollista hapettaa mäskin orgaaninen aineosat suoraan nestefaasissa ilman haihdutusta. Hapetus voidaan suorittaa osittaisena, jolloin saadaan lisäksi arvokkaita tuotteita kuten etikka- ja muurahaishappoa. 50

51 Märkä hapetuksen periaate Orgaaninen aine hapettuu muodostaen hiilidioksidia ja vettä. Korotetussa lämpötilassa (n C) ja paineessa ( bar) syötetään vesiliuokseen ilmaa tai happea. Näissä olosuhteissa happi liukenee vesiliuokseen ja hapettaa nestefaasissa liuoksen orgaanisia aineista. Prosessi on energiaomavarainen jo hyvin pienillä orgaanisen aine pitoisuuksilla (noin 2 p-%) Märille liuoksille märkähapetus on paljon polttoa energia tehokkaampi, koska vettä haihtuu huomattavasti vähemmän. Märkähapetuksessa ei synny NOx eikä SOx päästöjä, koska rikki hapettuu sulfaatiksi ja typpi ei reagoi hapen kanssa alhaisessa lämpötilassa. Menetelmä perustuu ei biohajoavien jäteveden käsittelyssä käytettyyn märkähapetukseen. 51

52 Osittaismärkähapetus Ennen hapettumista hiilidioksidiksi ja vedeksi reaktiossa seokseen jää jäljelle vaikeimmin hapettuvat välituotteet mm. etikkahappo, jotka ovat hyödyllisiä teollisuuskemikaaleja. Valitsemalla olosuhteet (lämpötila ja viipymäaika) oikein, voidaan happosaanto säätää mahdollisimman hyväksi. Etuna on että vaaditut reaktio-olosuhteet ovat miedompia kuin täydellisessä märkähapetuksessa, jolloin investointikustannukset ovat pienempiä. Ilmaa tai happea Lämpöä mm. kuumasta CO 2 - pitoisesta ulostulokaasusta, sillä voidaan kehittää höyryä mm. bioetanolilaitosta varten Kemikaaleja mm. etikkahappoa ja muurahaishappoa Mäski Etanolin erotuksen jälkeen Osittainen Märkähapetus T = C P=15-60 baaria. Kemikaaleja mm. etikkahappoa ja muurahaishappoa Mahdollinen Lisäsyöttö mm. lietettä MENETELMÄN PERIAATE Käsitelty vesi kunnalliseen jäteveden käsittelyyn yms. 52

53 Tutkimusaiheita ligniinin ja mäskin hyödyntäminen Kari Pieniniemi Centria ammattikorkeakoulu Centria ammattikorkeakoulu 53

54 Ligniinin hyötykäyttö kaasuttamalla Sievin biojalostamolla Nykyinen tilanne Prosessista saatava ligniini ja tislausrankki poltetaan voimalaitoksessa, josta saadaan laitoksen tarvitsema höyry ja sähkö. Etikkahappo ja furfuraali myydään sivutuotteina. Tilanne on samankaltainen myös muilla biojalostamoilla ligniinin osalta. Ligniinin hyödyntäminen kaasuttamalla Mahdollistaa joustavan sähkön tuotannon korkealla hyötysuhteella esim. kaasumoottorien avulla. Kaasutuksen avulla saavutetaan korkeampi hyötysuhde kuin suoraan polttamalla. Ligniinin kaasutusprosessilla ja kaasumoottorilla voidaan sähkön ja lämmön tuotantoa helposti säätää kysynnän mukaan, jolloin tuottaa enemmän sähköä kuin sen hinta on korkein Ligniinin voidaan kuljettaa helpommin kuin metsähake, mm. isoon keskitettyyn laitokseen Centria ammattikorkeakoulu 54

55 Ligniinin hyötykäyttö kaasuttamalla Sievin biojalostamolla Ligniinin hyödyntäminen kaasuttamalla Etanolin tuotanto, yhdistettynä ligniinipitoisen jäännöksen kaasutukseen mahdollistaa erittäin korkean saannon bioraaka-aineesta biopolttoaineeksi Arviolta noin 70 % biomassan energiasta Ligniinin kaasutuksessa korkeampi hyötysuhde kuin biomassaan kaasutuksesta johtuen ligniinin korkeammasta lämpöarvosta. Ligniiniä on ehkä mahdollista kuumentaa n C ja syöttää sulassa muodossa kaasuttimeen, mikä yksinkertaistaisi huomattavasti kaasutusprosessia. Myös biomassaa tai (jätettä) voidaan sekoittaa kaasutettavan ligniinin joukkoon. Ligniinin kaasutuksen teknologia on kehitysasteella, joten olisi mahdollista kehittää myytävää teknologiaa ja laitteita Centria ammattikorkeakoulu 55

56 Ligniinin hyötykäyttö kaasuttamalla Sievin biojalostamolla. Mitä pitäisi tutkia? LIGNIININ KOEKAASUTUS JA HAKE / LIGNIINI SUHTEEN MÄÄRITTELY Tavoitteena on selvittää optimaaliset ligniinin kaasutusolosuhteet ja optimaalinen syöttötapa kaasutukseen Selvitetään tuotekaasun koostumus ja epäpuhtaudet (on-line analyysi) Selvitetään tuotekaasun puhdistusvaihtoehdot Seurataan silikaatin kerääntymistä kaasutusprosessissa (tuhka, kaasun puhdistus) PILOT-LAITTEISTOJEN RAKENTAMINEN Aalto yliopiston pilot- laitespesifikaatioiden perusteella Centria AMK toteuttaa tarvittavat laitteistot (reaktorit, tuotekaasun puhdistus, ) Pilot-laitteistojen testaus, tuotekaasun puhdistusvaihtoehtojen testaus TUOTEKAASUN CHP-KÄYTTÖ Tuotekaasun suora CHP käyttö lämmöksi ja sähköksi kaasu- ja stirling moottorissa Kaasumoottorin optimointi tuotekaasulle yhdessä Oulun AMK kanssa Centria ammattikorkeakoulu 56

57 Ligniinin hyötykäyttö kaasuttamalla Sievin biojalostamolla. Työpaketin sisältö Tavoite: saadaan kehitettyä kaupallistettavaa teknologiaan liittyen ligniinin kaasutukseen, jota voidaan hyödyntää sekä energiantuotannossa että biopoltto-ainetuotannossa. 1. Tutkitaan mikä on sopiva syöttömuoto ligniinin kaasutuksessa. 2. selvitetään kaasutuskokeiden perusteella aine ja energiataseet ligniinin kaasutuksessa sekä optimaaliset kaasutusolosuhteet, tervojen määrä, silikaatin käyttäytyminen yms. 3. Tehdään Feasibility study, talous sekä ympäristönäkökulmasta ja valitaan järkevimmät sovelluskohteet ja kaasutin tyypit niihin. Centria ammattikorkeakoulu 57

58 Projektin yliopisto-osapuolien vastuualueet Projektiosapuoli Vastuualue Centria ammattikorkeakoulu Centria amk Oulun Yliopisto prof. Ullan Lassi VTT Kaasutuskokeet Terva-analytiikka Syötön karakterisointi ja analytiikka. Kaasutintyyppien valinta eri sovellutuksiin. Tulokset Kaasutus kaasun koostumus ja ligniinin käyttäytyminen kaasutuksessa Tulokset tervojen määrästä Syötön karakterisointi ja sopivien kaasutusolosuhteiden valinta. Kokemusperäistä tietoa feasibility study tekemiseen. Aalto Yliopisto Tehdassuunnittelun tutkimusryhmä Prosessi feasibilty tarkastelu Aine ja energia taseet eri vaihtoehdoille, feasibility study, myös ympäristö ja prosessiintegraatio mielessä Centria ammattikorkeakoulu 58

59 Tutkimusaihe: Synteesikaasun jatkojalostus liikennepolttoaineiksi Tavoite: Löytää optimaalinen valmistusprosessi, jolla ligniin kaasutuksessa saatu synteesikaasu voidaan varastoida ja muuttaa liikennepolttoaineiksi. 1. Tutkimuksessa tarkastellaan synteesikaasun muuttamista Bio DME:ksi ja muiksi metanoli-pohjaisiksi kemikaaleiksi (Ligniinin hyödyntäminen ) 2. Bio DME prosessin (Oberon prosessi) feasibility study ja vertailu muihin synteesikaasun käsittely prosesseihin. 3. Pienimittakaavaisen koelaitoksen rakentaminen joka tuottaa ligniinin kaasutuksen perustuvaa Bio DME:tä (Oberon prosessi tai Chemrec prosessi) Centria ammattikorkeakoulu 59

60 Tutkimusaihe: Biohiili Tavoite: Kehittää ligniinin kaasutuksessa kaasuuntumatta jääneestä jäännösestä biohiiltä, jota voidaan käyttää peltojen maanparannusaineena. 1. Ligniinin kiinteän kaasutusjäännöksen karakterisointi 2. Biihiilen ja ligniinin kaasutusjäännöksen ominaisuuksien vertailu 3. Ligniinin kaasutusjäännöksen viljelymaan parannusominaisuuksien testaaminen laboratorio ja kenttäolosuhteissa Centria ammattikorkeakoulu 60

61 Tutkimusaihe: Super mustapelletti Tavoite: Kehitetään uusi biojalostamon sivutuotteena syntyvän ligniiniin perustuva pellettipolttoaine korvaamaan kivihiiltä sähköntuotannossa. 1. Tutkitaan ligniinipellettien ominaisuuksia ja verrataan niitä Zilka Black pelleteihin 2. Haetaan poltto-ominaisuuksien kannalta optimaalinen ligniini puu seossuhde 3. Tutkintaan ligniini- ja ligniini-puupellettien kaasutusja poltto-ominaisuuksia ja palamisen päästöjä 4. Testiajot kivihiilivoimalaitoksilla yhdessä Zilka mustapellettien kanssa Centria ammattikorkeakoulu 61

62 Tutkimusaihe: Mäskin anaerobinen käsittely Tavoite: Kehitetään mäskin anaerobinen mädätysprosessi niin että se on hankeen jälkeen pilotoitavissa. 1. Löytää optimaaliset olosuhteet biokaasun tuotolle, tutkia lisäsyötteiden vaikutusta biokaasun määrään ja laatuun. 2. Biokaasutuotantoprosessi feasibility study ja vertailu muihin prosesseihin mm. polttoon ja märkähapetukseen nähden (yhdessä Aalto yliopiston kanssa) Centria ammattikorkeakoulu 62

63 Tutkimusaihe: Biokaasun jatkojalostus liikennepolttoaineiksi Tavoite: Löytää optimaalinen valmistusprosessi, jolla mäskin anaerobisessa käsittelyssä saatu biokaasu voidaan varastoida ja muuttaa liikennepolttoaineiksi. 1. Tutkimuksessa tarkastellaan kriittisesti biokaasun muuttamista paineistetuksi kaasuksi, nesteytetyksi kaasuksi ja Bio DME:ksi. 2. Bio DME prosessin (Oberon prosessi) feasibility study ja vertailu muihin biokaasun käsittely prosesseihin. 3. Pienimittakaavaisen koelaitoksen rakentaminen Centria ammattikorkeakoulu 63

64 Tutkimusaihe: Mäskin märkähapetus Tavoite: Kehitetään mäskin märkähapetusprosessi niin että se on hankeen jälkeen pilotoitavissa. 1. Löytää optimaaliset olosuhteet märkähapetukselle, tutkia katalyytin vaikutusta sekä jatkuva-toimista operointia 2. Märkähapetusprosessi feasibility study ja vertailu muihin prosesseihin mm. polttoon ja biokaasutuotantoon nähden. 3. Löytää optimaalinen tuote-erotus konsepti märkähapetetulle mäskille. 64

65 Projektin osapuolien vastuualueet Projektiosapuoli Vastuualue Tulokset Aalto Yliopisto Mäskin märkähapetuskokeet Feasibility Study Kokeet ja happosaannot VTT Happojen erotus ja apua mm. happo-analytiikassa. Konsepti happojen erotuksesta 65

66 Yhteystiedot: Kari Pieniniemi Centria ammattikorkeakoulu Ylivieskan yksikkö Vierimaantie YLIVIESKA Puh (info) Gsm kari.pieniniemi@cou.fi Centria ammattikorkeakoulu 66