Biopolttoaineiden soveltuminen säätötehon tuotantoon. Markku Raiko, Niina Honkasalo

Transkriptio

1 Biopolttoaineiden soveltuminen säätötehon tuotantoon Markku Raiko, Niina Honkasalo 1

2 Energialähteiden muuttuminen Suomen sähköntuotantonossa Tuulivoiman ja ydinvoiman tuotantokapasiteettien osuudet kasvavat Tuulivoimaa 4000 MWe /10 TWh/v Tuulivoiman vaikutukset Tuulivoima korvaa käyttökustannuksiltaan kalleinta käytössä olevaa tuotantomuotoa eli lämpövoimaa Lauhdetuotannon ja CHP -tuotannon huipun käyttöajat putoavat Lämpövoiman tehotarve säilyy Säätövoimana Varavoimana 100 % 90 % 80 % 70 % 60 % 50 % 40 % 30 % 20 % 10 % 0 % Kapasiteetti MWe MWe Yhteistuotantosähkön osuus nyt n. 50 %! Lähde: Eurelectric Tuulivoima Aurinkosähkö Muut uusiutuvat Vesivoima Fossiiliset polttoaineet Ydinvoima Muut

3 MW MW Säätökapasiteetti suurelta osin tuonnin varassa (tilanne ennen tuulivoimaa) 3500 Ajanjakso Vesivoima Säätöteho n MWe! Kulutuksen vuorokausimuutos Tuulivoima Ydinvoima Kaukolämpö-CHP Teollisuus-CHP Ajanjakso Lauhde Kaasuturbiinit Nettotuonti Nettotuonti Kaasuturbiinit Vesivoima Lauhde Kaukolämpö-CHP Teollisuus-CHP Tuulivoima Ydinvoima päivä Ruotsikin rakentaa tuulivoimaa! Saadaanko edullista säätövoimaa enää tulevaisuudessa? päivä 3 Lähde: Energiateollisuus ry

4 MW Tuulivoiman tehovaihtelujen kompensointikeinoja 1. Säätötarve suurelta osin hidasta säätötehokapasiteettia (1 h - 2 vrk) Lauhdetuotanto muuttuu säätövoimatyyppiseksi Myös CHP tuotantoon kohdistuu merkittäviä joustotarpeita (mm. lämmön varastointi) 2. Myös nopeaa säätökapasiteettia (alle 1 h) Fingridin arvio 16 % tuulivoimakapasiteetista Vesivoimaa ja pumppuvoimaa Moottoreita ja kaasuturbiineja 3. Lisäksi kysyntäjoustoja Smart Grid/Smart District Heating Lämpövarastoja asumisen yhteydessä Sähköautojen akkujen latausten ajoitusta 500 Tuulivoimatuotannon toteutunut ja arvioitu vaihtelu tunneittain eri kapasiteeteilla päivä 212 MW, MW 3600 MW 4000 MW 4 Teollisuustuotannon seisokkeja

5 Lämpöpumput lisäävät tehojoustoa yhteistuotannossa Tuotantotapa Sähkö Lämpö Polttoainetarve MWe MW MW Lämpökattila (hyötysuhde=85 %) Lauhdetuotanto (hyötysuhde =40 %) 42, ,3 Erillistuotanto 42, ,3 CHP (rakennusaste=0,5) 42, Yhteistuotantohyöty (polttoainesäästö) -56,3 Lämpöpumppu (COP= 3,5 4,0) -21,3-24, Lauhdetuotanto+Lämpöpumppu ,3 60,8 Lauhdetuotanto+Lämpöpumppu 42, ,6 167,1 Lämpöpumppuhyöty (polttoainesäästö) -39,2-46,7 Polttoainesäästönä lämpöpumppuhyöty on lähes yhtä suuri kuin yhteistuotantohyöty! Lämpöpumppu on kestävä ja taloudellinen vaihtoehto lämpökattiloille! 5

6 Lämpövoimalaitosten säätöominaisuuksia Ominaisuudet Höyryturbiini Kombi Kaasuturbiini Moottori Tyypillinen yksikkökoko MWe MWe MWe 1-20 MWe Hyötysuhde vanha 40 % 50 % 32 % 45 % uusi (Max) 47 % 61 % 38 % 48 % Käynnistysajat kylmäkäynnistys 5-10 h 2-3 h 5-15 min 15 min lämmin käynnistys (2 vrk) 3-5 h 1-1,5 h 5-15 min 15 min kuuma käynnistys (yö) 1,3-2,5 h 0,5-1 h 5-15 min 5 min Minimiteho 40 % % 50 % *) 30 % *) Tehonmuutosnopeus 3-6 %/min 4-6 %/min 5-20 %/min 25 %/min *) Typpioksidipäästöjen raja-arvot ylittyvät ajettaessa alempia tehoa. Tekninen minimiteho n. 10 %. 6 Lämpövoiman säätöominaisuudet riittävät tuulivoiman tehonmuutosten kompensointiin! (Esim. 1-2 käynnistystä/viikko)

7 Säätövoiman polttoainekustannus - Hankintahinta ja päästömaksu Polttoainekustannus /MWh Päästömaksu /tonco Kivihiili 13 19,8 26,6 33,5 40,3 47,1 Maakaasu (LNG) 38 42,0 45,9 49,9 53,8 57,8 HFO 50 55,7 61,4 67,0 72,7 78,4 LFO 70 75,3 80,7 86,0 91,4 96,7 Kannattavuusrajat Korvattava polttoaine Päästömaksuraja /tonco 2 Puuhake 18 Kivihiili 15 ok Puupelletti 35 Kivihiili 64,5? TOP -pelletti 40 Kivihiili 79? Pyrolyysiöljy 55 HFO/LFO 18/0 ok (IED: HFO => LFO) 7 Tuulivoiman takuuhinta 83,50 /MWh = Kivihiililauhteen polttoainekustannus päästömaksulla 60 /tonco 2! (kulutussuhde 2,5 x 33,5 /MWh = 83,5 /MWh) Päästökaupan rooli pienentymässä energiapolitiikan ohjauskeinona?

8 Biopolttoaineiden jalostamisen taloudelliset lähtökohdat 1. Biopolttoainejalosteiden edut Tuotteet puhtaita (typpi-, rikki- ja hiilipäästöt) Tuotteet helppoja kuljettaa, käsitellä ja käyttää 2. Käyttötalouden osatekijät Polttoainekustannukset Investointi Käyttöaika 3. Kannattavuutta parantavat osatekijät Päästömaksun korkea taso => vertailutasona esim. tuulivoiman takuuhintaa vastaava päästömaksu Pieni investointitarve => vanhojen laitosten modernisointi (IED - investointien välttäminen) Lyhyt käyttöaika => säätövoiman tuotanto

9 Biopolttoaineiden käytön tekniset vaihtoehdot hiilipölykattiloissa 1. Kivihiilenpolton jatko ja puupellettien seospoltto Puupellettien käyttö ei poista IED investointitarvetta (rikinpoistopesuri+scr) Maksimi teho-osuus 20 % (hiilimyllyt rajoittavat) 2. Paahtopellettien (TOP) poltto Ei tarvetta IED investoinneille (typpipäästöt?) Maksimi teho-osuus 70 % (savukaasukemia rajoittaa) 3. Hakkeen kaasutus Ei tarvetta IED investoinneille (typpipäästöt?) Maksimi teho-osuus 70 % (savukaasukemia rajoittaa) 4. Pyrolyysiöljyn poltto Ei tarvetta IED investoinneille Maksimi teho-osuus 100 % Voimalaitoksen maksimitehoa voidaan ehkä joutua alentamaan n % biojalostekäytössä likaantumisen ja typpipäästöjen hallitsemiseksi (vrt. leijukattilat)!

10 Vanhentuvia lämpövoimalaitoksia (yli 4000 MWe:n kapasiteetti) Laitos Polttoaine Sähköteho (MWe) Valm.(tai rev.) Tuotantotapa Mussalo1 hiili CHP (ei tuotannossa) Mussalo 2 kaasu lauhde (ei tuotannossa) Kristiina 1 öljy lauhde (tehoreservi) Kristiina 2 hiili lauhde Tahkoluoto hiili lauhde Vaskiluoto 2 hiili (+puu) CHP (etukaasutin 2012) Vaskiluoto 3 öljy CHP (tehoreservi) Naantali 1 hiili lauhde Naantali 2 hiili CHP Naantali 3 hiili CHP Inkoo 1 hiili lauhde Inkoo 2 hiili lauhde Inkoo 3 hiili lauhde (tehoreservi) Inkoo 4 hiili lauhde (ei tuotannossa) Meri-Pori hiili lauhde Haapavesi turve+puu lauhde Kymijärvi hiili+kaasu CHP Hanasaari B hiili 228 (2x114) 1974 CHP Salmisaari B hiili CHP Martinlaakso 1 kaasu CHP (LCP opt-out) Martinlaakso hiili CHP Suomenoja 1 hiili CHP Haapaniemi 2 turve CHP

11 Vanhojen voimalaitosten uusinnan investointiarvot Biopolttoaine Bio-osuus Käyttötapa Retrofit Asset-arvo % /kwe /kwe Puuhake 70 Kaasutus ja kaasun poltto Puupelletti 20 Hiilijärjestelmä Paahtopelletti (TOP) 70 Hiilijärjestelmä Pyrolyysiöljy 100 Öljyjärjestelmä 40 0 Retrofit- arviot sisältävät IED investoinnit, säätöajotapamuutokset ja polttoainemuutokset. Laitoksen jäännösarvo 10 % uusinvestoinnista (pyrolyysiöljymuutoksessa 0 %). Laitoskohtaiset muutostarpeet vaihtelevat paljon! IE -direktiivi sallii helpotuksia päästöjen BAT -tasosta, jos laitosten käyttöaikaa rajoitetaan!

12 Uusien lämpövoimalaitosten investointiarviot Konsepti Polttoaine Yksikkö Hyötysuhde Investointi MWe % /kwe Kaasuturbiini LFO Öljydiesel HFO Kaasumoottori maakaasu Kaasukombi maakaasu Öljykombi LFO Öljylauhde HFO Bioöljylauhde pyrolyysiöljy Biolauhde hake Hiililauhde kivihiili

13 /MWh Lauhdetuotannon kustannukset säätöajossa (päästömaksu 50 /tonco 2 ) 300,0 250,0 Lauhde 1000 h/v Uusinvestointijärjestys, mikä määrittää sähkön hinnan markkinan tasapainotilanteessa Ajojärjestys 200,0 150,0 100,0 Muuttuvat /MWh Kokonaishinta /MWh 50,0 0,0 13

14 /MWh Yhteistuotannon kustannukset säätöajossa (päästömaksu 50 /tonco 2 ) 300,0 250,0 200,0 CHP 1000 h/v Lämmöntuotantovaihtoehtona on samaa polttoainetta käyttävä lämpökattila! Arvio kohdistuu yhteistuotannon hyötyvaikutukseen! 150,0 100,0 Muuttuvat /MWh Kokonaishinta /MWh 50,0 0,0 14

15 kgco2/mwh kgco2/mwh Lämpövoimaan perustuvan säätösähkön ominaispäästöt 900,0 800,0 700,0 600,0 500,0 400,0 300,0 200,0 100,0 0,0 Lauhdetuotanto 900,0 800,0 700,0 600,0 500,0 400,0 300,0 200,0 100,0 0,0 CHP -tuotanto 15

16 Säätösähkön hintaskenaariot 1. Nykyinen markkinahinta (Nord Poolin Elspot hinta) 2. Markkinahinta muodostuu uusinvestoinneista yhteistuotantoon (Suomi) 3. Markkinahinta muodostuu uusinvestoinneista lauhdetuotantoon (Saksa)

17 /MWh /MWh Säätösähkön Suomen aluehinta (Elspot) Suomen aluehinta - vuoden 100 kalleinta tuntia poistettu h Suomen aluehinta 2010 Suomen aluehinta Suomen aluehinta - vuoden 100 kalleinta tuntia h Suomen aluehinta 2010 Suomen aluehinta

18 Markkinatasapainon mukaiset säätösähkön hintaskenaariot Sähkön hinta 500 /MWh Sähkön hinnan pysyvyyskäyrä -Lauhdetuotanto Tuotantoaika, h/v Sähkön hinta /MWh Sähkön hinnan pysyvyyskäyrä -CHP-tuotanto Tuotantoaika, h/v

19 Lauhdetuotannon Retrofit - konseptien kilpailukyky Käyttöaika Konseptit Sähkön hintaskenaariot Hiili+Pelletti Hiili+TOP Kaasutus Bioöljy Elspot CHP Lauhde h/v /MWh /MWh /MWh /MWh /MWh /MWh /MWh ,1 157,9 192,7 166, ,1 217, ,8 126,0 123,8 153, ,3 157, ,3 115,4 100,8 149, ,3 Päästömaksu 50 /tonco 2

20 Yhteistuotannon Retrofit - konseptien kilpailukyky Käyttöaika Konseptit Sähkön hintaskenaariot Hiili+Pelletti Hiili+TOP Kaasutus Bioöljy Elspot CHP Lauhde h/v /MWh /MWh /MWh /MWh /MWh /MWh /MWh ,1 105,1 162,1 88, ,1 217, ,8 73,3 93, ,3 157, ,4 62,7 70,1 70, ,3 Päästömaksu 50 /tonco 2

21 Konseptien kilpailukyky käyttöajan funktiona Biopolttoainejalosteiden kilpailukyky vanhoissa kivihiilivoimalaitoksissa Lauhde CHP Pyrolyysiöljy alle 400 h/v alle 900 h/v TOP h/v h/v Hake/kaasutus yli 950 h/v yli 2200 h/v Konseptivalinnat uusissa säätövoimainvestoinneissa Lauhde CHP LNG (kombi/moottori) alle 1800 alle 2700 h/v Hakeleijukattila yli 1800 h/v yli 2700 h/v HFO/LFO (kombi/moottori) alle 1000 h/v alle 1900 h/v Hakeleijukattila yli 1000 h/v yli 1900 h/v 21

22 Pohdintoja 1. Tuulivoima lyhentää lämpövoiman huipun käyttöaikaa 1. Polttoaineiden osuus primäärienergian lähteenä pienenee 2. Bioenergian rooli systeemin päästöttömänä energiavarastona kasvaa 3. Bioenergian käyttö siirtyy perustuotannosta jalosteisiin ja säätösähköön 2. IE -direktiivi 1. Säätövoiman hiilidioksidipäästöt voitaisiin minimoida biopolttoainekäytöllä 2. Biopolttoainejalosteiden käyttö vähentäisi IED -investointitarvetta 3. Siirtymäaikajoustot olisi edullista kohdentaa biopolttoainemuutoksiin 3. Kehitystarpeita 1. Erilaisten biopolttoainemuutosten demonstrointi olisi nyt tärkeää voimalaitoksilla (mm. polttimet, polton vaiheistus, reburning, SNCR, likaantumisen hallinta) 2. Vielä olisi aikaa kehittää ratkaisuja kaukolämpöjärjestelmien tehokkaampaan hyödyntämiseen osana joustavaa energiantuotantoa (lämpöakut ja lämpöpumput)

23 Yhteenveto 1. Tuulivoiman lisärakentaminen nähdään nyt kannattavuusuhkaksi lämpövoimalaitoksille, josta seuraa riskiskenaario 1. Vanhoja lämpövoimalaitoksia poistuu runsaasti käytöstä 2. Muutaman vuoden päästä rakennettavat tuulivoimalaitokset aiheuttavat suuria hintaheilahteluja markkinoilla 3. Säätösähkökapasiteetti rakennetaan uudestaan öljyä käyttävien uusinvestointien varaan 2. Säätösähkön määrän ja hinnan voidaan olettaa nousevan merkittävästi tuulivoiman lisärakentamisen seurauksena 3. Biopolttoainejalosteiden kilpailukyky on parhainta säätövoiman tuotannossa Vanhoissa yhteistuotannon polttokattiloissa Suomessa Vanhoissa lauhdetuotannon polttokattiloissa Keski-Euroopassa