1 YLEISKATSAUS. Taulukko 2. Syöttötariffit EU:ssa.

Transkriptio

1 Raportti V1.1

2 1 YLEISKATSAUS Yhdistetty lämmön ja sähkön tuottaminen (combined heat & power = CHP, myös cogeneration ) biomassasta myös pienemmässä mittakaavassa on vahvasti kasvussa oleva toimiala maailmassa. Tämä mahdollistaa enemmän mm. puuperäisten polttoaineiden, kuten hakkeen, pelletin tai sahausjätteen hyödyntämistä suoraan esimerkiksi teollisuuslaitoksilla tai maatiloilla. Omavarainen sähköntuotanto kiinnostaa sähkön hinnan noustessa. Se voi tulla kilpailukykyiseksi varsinkin, jos laitos voidaan kytkeä valtakunnan verkkoon ja verkkoon syötetylle sähkölle on olemassa syöttötariffi. Biomassaa tai biokaasua hyödyntävien pien-chp-laitosten yleistyminen Keski-Euroopassa perustuukin pääsääntöisesti mm. Saksan ja Itävallan korkeisiin syöttötariffeihin. Taulukko 2. Syöttötariffit EU:ssa. Pienen kokoluokan CHP-tekniikoihin luokitellaan sellaiset sähkön ja lämmön yhteistuotantojärjestelmät, joilla sähköteho P < 1000 kw e. Yleisesti ottaen pien-chplaitoksissa päästään 80% - 95% kokonaishyötysuhteeseen, sähkön tuoton hyötysuhteen vaihdellessa 10% 40% välillä. Puuperäisiä polttoaineita hyödyntävät pien-chp-laitteet pohjautuvat seuraavien tekniikoiden hyödyntämiseen: Stirling Mikroturbiinit (kaasutus turbiini) Kaasuturbiinit ORC lämpöturbiinit (Organic Ranking Cycle) Höyryturbiinit/höyrymoottorit Kuumailmaturbiinit (HAT) Kaasutus kaasukäyttöiset polttomoottorit Kaasutus polttokennot

3 Kuva 1. Esimerkki Stirling-tekniikkaa hyödyntävästä pien-chp-prosessista ja sen Stirling-koneesta. (Lähde: DTU Denmark, BIOS Bionergy Systems). Edullisinta tekniikkaa ovat polttomoottoria hyödyntävät pien-chp-laitokset. Kaikissa tekniikoissa hinta/kw e putoaa kokoluokan kasvaessa. Biomassan kaasutus mahdollistaa hiukkaspäästöjen pudottamisen selvästi pienemmälle tasolle kuin suoralla poltolla. Kaasutukseen perustuvien laitteistojen etu on varsinkin päästöjen minimointi, mikä poistaa lämmönvaihtimien likaantumisriskit. Lisäksi kaasutus mahdollistaa koko järjestelmän edullisemman hinnan. Stirling-käyttöiset laitokset ovat suhteellisen kalliita ja ne kattavat toistaiseksi vain pienemmät kokoluokat. Stirling-koneen sähkön tuoton hyötysuhteen saamiseksi riittävälle tasolle vaaditaan myös korkea lämpötilataso ja niillä riskinä on lämmönvaihtimen likaantuminen. Toisaalta esimerkiksi Ekogen Oy on ratkaissut Stirling-järjestelmänsä lämmönvaihtimen likaantumisriskin siten, että lämpö tuodaan yhden ylimääräisen lämmönvaihtimen kautta ensin puhtaaseen ilmaan, joka siirtää lämpötehon Stirling-koneen lämmönvaihtimelle. Samoin kuumailmaturbiinia käyttävä järjestelmä vaatii lämmönvaihtimelleen puhtaan savukaasun. ORC-tekniikassa taas pystytään hyödyntämään matalaa lämpötilatasoa 350 C 400 C, mutta erään toimittajan mukaan se ei ole kilpailykykyinen tapa toteuttaa pien-chpjärjestelmiä alle 300 kw e teholuokassa. Keski-Euroopassa ko. tekniikalla toteutettuja laitoksia on jo yli 150 kpl. Mikroturbiinin etuja ovat yksinkertaisuus ja hyvä sähkön tuoton hyötysuhde, mutta siihen pohjautuvat pien-chp-järjestelmät ovat toistaiseksi noin kaksi kertaa kalliimpia kuin polttomoottoritekniikan järjestelmät. Mikroturbiinilla saavutetaan toisaalta hiljainen toiminta verrattuna polttomoottoritekniikkaan, joka taas vaatii hyvän äänieristyksen. Lisätietoja: (Kokkolan Chydenius-instituutti, HighBio-projekti / Ulf-Peter Granö)

4 2 KAUPALLISET TEKNIIKAT Yksittäisiin kotitalouksiin tai muutaman asunnon kiinteistöihin soveltuvaa mikro-chptekniikkaa myyviä yrityksiä löytyy tällä hetkellä lähinnä Euroopasta. Myytävät laitteistot pohjautuvat pääsääntöisesti Stirling-tekniikkaan. Taulukko 2. Laitteistovalmistajat 1-10 kw e kokoluokassa. Mikro-CHP Polttoaineet Tekniikka Valmistusmaa KWB Pelletti Stirling Itävalta Disenco Kaasu, puu, öljy, biopolttoaineet Stirling Englanti Sunmachine Pelletti Stirling Saksa Ekogen Oy Hake, pelletti, turve Stirling Suomi Cleanergy AG Kaasu, biomassa, pelletti Stirling Ruotsi Taulukko 3. Sähkö/lämpötehot 1-10 kw e kokoluokassa. Sähkötehoa Lämpötehoa Mikro-CHP-laitteistot P e (min) P e (max) P th (min) P th (max) Kokonaishyötysuhde KWB SPM-module 1 kw 15 kw Disenco HomePowerPlant 1 kw 3 kw 5 kw 15 kw > 85% Sunmachine Pellet 2 kw 3 kw 7 kw 11 kw > 85% Ekogen Oy Stirling 9 kw 50 kw > 85% Cleanergy V161 2 kw 9 kw 8 kw 26 kw 90% Kuva 2. Esimerkkejä pelletillä toimivista mikro-chp-voimaloista. (Lähteet: Sunmachine Gmbh Saksa / KWB Itävalta) Suurempia valmiita tai vuonna käyttöön otettavia kaupallisia järjestelmiä kw e kokoluokassa löytyy selvästi eniten Euroopasta. Niissä kaasutukseen perustuvat teknologiat sekä ORC-teknologia ovat käytetyimmät.

5 Taulukko 4. Laitteistovalmistajat kw e kokoluokassa. Pien-CHP Polttoaineet Tekniikka Valmistusmaa Gasek Oy Puu, hake, pelletti, biojätteet Kaasutus Polttomoottori Suomi Talbotts Biomass Energy Hake, biomassa Mikroturbiini Englanti Stirling.dk Hake, biomassa, biokaasu Stirling Tanska Tri-O-Gen Hake, yms, ( lämpö ) ORC Hollanti Fortel Components Oy Hake, biomassa Kaasutus Polttomoottori Suomi Energiprojekt AB Hake, biomassa Höyrymoottori Ruotsi Ekogen Oy Hake, pelletti, turve Mikroturbiini Suomi Ormat Hake, yms, ( lämpö ) ORC USA Alfagy Ltd Hake, biomassa Kaasutus Polttomoottori Englanti Schmitt Enertec Hake, sahausjäte, kaasut Kaasutus Polttomoottori Saksa Polytechnik Group Hake, yms, ( lämpö ) Höyryturbiini / ORC Itävalta Maxxtec AG Hake, yms, ( lämpö ) ORC Saksa Entimos Oy Biomassa, hake yms. Kaasutus Polttomoottori Suomi Turboden Hake, yms, ( lämpö ) ORC Italia Kohlbach Group Hake, yms, ( lämpö ) ORC Itävalta GET Hake, yms, ( lämpö ) ORC Saksa Savonia Power Oy Hake, sahausjäte, turve Höyryturbiini Suomi Taulukko 5. Sähkö/lämpötehot kw e kokoluokassa. Sähkötehoa Lämpötehoa Kokonaishyötysuhde Pien-CHP-valmistajat P e (min) P e (max) P th (min) P th (max) Gasek Oy 50 kw 500 kw 100 kw 1000 kw 75% 90% Talbotts Biomass Energy Ltd 25 kw 500 kw 80 kw 2000 kw 80% Stirling.dk 35 kw 140 kw 140 kw 560 kw Tri-O-Gen 60 kw 160 kw < 600 kw Fortel Components Oy 100 kw Ekogen Oy 100 kw 300 kw 82% Ormat 200 kw kw 800 kw > Alfagy Ltd 250 kw 1000 kw 750 kw 3000 kw 90% Schmitt Enertec 250 kw 1000 kw 750 kw 3000 kw Polytechnik Group 300 kw 4000 kw 1500 kw kw Maxxtec AG 300 kw 2000 kw 85% Entimos Oy 300 kw 2000 kw 700 kw 5000 kw 82% Turboden 400 kw 2000 kw 1800 kw 9600 kw 88% Kohlbach Group 450 kw 1700 kw GET 500 kw 5000 kw Energiprojekt AB 500 kw Savonia Power Oy 1000 kw 3000 kw 5000 kw kw 80%

6 Kuva 3. Esimerkkejä pien-chp-voimaloista. (lähteet: Talbott's Biomass Energy Ltd Englanti / Tri-O-Gen BV. Hollanti) 3 HINTALUOKAT JA JÄRJESTELMIEN SAATAVUUS Myytävät järjestelmät toimitetaan usein konttiratkaisuina ja ne voidaan ottaa käyttöön avaimet käteen -periaatteella. Joiltain osin tilaaja joutuu itse rakentamaan ja täydentämään laitteistoa saadakseen toimivan kokonaisuuden. Taulukko 6. Hinta / kw e ja saatavuus. Järjestelmän Hintatieto 4 / Kaupallinen Toimitusaika Yritys teho ( P e ) 2010 Hinta / P e valmius KWB 1 kwe suunnittelupöydällä Sunmachine 3 kwe 23 keur 7667 EUR/kWe valmis Ekogen Oy ( stirling ) 9 kwe 70 keur 7778 EUR/kWe kk Cleanergy AG 9 kwe 32 keur * valmis 3 kk Gasek Oy 50 kwe 120 keur 2400 EUR/kWe Syksy kk Talbotts Biomass Energy Ltd 25 kwe 190 keur 7600 EUR/kWe valmis 2 kk Stirling.dk 35 kwe 250 keur 7143 EUR/kWe Hintatieto vuodelta 2007 Tri-O-Gen 160 kwe valmis 6 kk Fortel Components Oy 100 kwe kk Ekogen Oy ( mikroturbiini ) 100 kwe 550 keur 5500 EUR/kWe kk Talbotts Biomass Energy Ltd 100 kwe 550 keur 5500 EUR/kWe kk Ormat 200 kwe ei valmista enää pientä kokoluokkaa Alfagy Ltd 250 kwe Schmitt Enertec 250 kwe Gasek Oy 300 kwe suunnittelupöydällä Polytechnik Group 300 kwe Maxxtec AG 300 kwe 2400 keur 8000 EUR/kWe valmis 12 kk Entimos Oy 300 kwe valmis 8 kk Turboden 400 kwe Kohlbach Group 450 kwe Talbotts Biomass Energy Ltd 500 kwe 940 keur 1880 EUR/kWe kk GET 500 kwe Energiprojekt AB 500 kwe Savonia Power Oy 1000 kwe * lisäksi hankittava erikseen kaasutuslaitteisto

7 Suomalaisista toimittajista pisin kokemus on Entimos Oy:llä, jonka tekniikka on jo täysin kaupallista. Muut listatut toimijat Suomessa ovat pääsääntöisesti pilot-vaiheessa ja arviot toimitettavien laitosten kaupallisesti valmiudesta liikkuivat 6-12 kk:n haarukassa huhtikuussa Taulukossa esitettyjä hintatietoja ei kaikista järjestelmistä saatu. Hintatieto onkin ilmoitettu niiden toimittajien osalta, jotka ovat antaneet hinnan laitteistolleen huhtikuussa CASE: Nurmeksen Ylikylän CHP-investointi Nurmeksen Ylikylän maatilojen energia tuotetaan hakkeella, öljyllä ja sähköllä. Esimerkkinä on laskettu pien-chp-investoinnin tuoma säästö sähkössä neljän maatilan ja vanhustentalun kokonaisuudelle. Lähtötietoina on ollut seuraavat kokonaiskulutusarviot: lämpö öljyllä ja hakkeella tuotettuna yhteensä 1300 MWh/a sähkön tarve 450 MWh/a sähkön keskiteho 50 kw e nykyiset kattilatehot yhteensä n kw th Näiden lähtötietojen valossa olisi pien-chp:n kokoluokka oltava kw e (lämpöteho vastaavasti kw th. Tähän kokoluokkaan sopivin edellä esitellyistä järjestelmistä on Reisjärvellä sijaitsevan Gasek Oy:n valmistama CHP-voimala. Kyseisen järjestelmän prosessi- ja laitekaavio on esitelty alla. Koko järjestelmä toimitetaan konttiratkaisuna. Kokonaisuuteen ei kuulu hakekuljetinta eikä vesipiirin vesivaraajaa. Sopivan kokoiseksi vesivaraajaksi Gasek Oy:stä suositellaan m 3 vesisäiliötä. Voimala voidaan liittää valtakunnan verkkoon. Kuva 4. Esimerkki Gasek Oy:n kaasutusta ja kaasukäyttöistä polttomoottoritekniikkaa soveltavasta pien-chp-prosessista. (lähde: Gasek Oy)

8 Kuva 5. Gasekin CHP-voimala. (lähde: Gasek Oy) Gasek 50 kwe CHP-järjestelmä Hakekuljetin + vesisäiliö YHTEENSÄ EUR EUR EUR Investointilaskelma perustuu sähkön keskihinnalle 85 /MWh. Laskelmassa on myös arvioitu investoinnin takaisinmaksuaikaa, kun on olemassa jokin syöttötariffi. Tällöin sähkölle oletetaan pohjahinta 40 /MWe, johon lisäämällä tariffi saadaan myydyn sähkön hinta. Taulukko 7. Laskelmassa tehdyt oletukset laitteiston käyttöasteelle Käyttöasteet Täysi teho Puoliteho 50 kw 25 kw Ei käytössä sähkö vain omaan käyttöön 4000 h 3000 h 1760 h sähkö omaan käyttöön + myynti 6000 h 2500 h 260 h Taulukko 8. Laskelman muut alkuarvot. jos tariffi => omakäyttö/verkkoon 76% / 24% ostosähkön keskihinta 0,085 /kwh CHP-sähkön myyntihinta 0,04 /kw + syöttötariffi sähköteho/lämpöteho-suhde = 50 kwe/100 kwth Omaan kulutukseen saadaan laitteistolla sähköä 275 MWh/a. Tämä on n. 60 % koko vuotuisesta sähkön tarpeesta. Lämpöä saadaan siten 550 MWh/a eli n. 40% vuotuisesta tarpeesta. Jos sähköä syötetään verkkoon, voidaan taulukon 7 mukaisesti olettaa laitteistolle selvästi suurempi käyttöaste, jolloin ylimäärä n. 90 MWh/a voidaan myydä.

9 Taulukko 9. Sähkön säästö ja korottomat takaisinmaksuajat. * Vuotuinen Vuotuinen Kokonaishyöty Vuotuinen säästö ostosähkössä tulo sähkön Takaisin- Tilanne Syöttötariffi sähköntuotto myynnistä vuodessa maksuaika Nykyinen tilanne ei tariffia 275 MWh EUR 0 EUR EUR 5,99 vuotta Sähkön hinta kallistunut 20% ei tariffia 275 MWh EUR 0 EUR EUR 4,99 vuotta Nykyinen tilanne 0,06 /kwh 363 MWh EUR 8700 EUR EUR 4,36 vuotta Nykyinen tilanne 0,07 /kwh 363 MWh EUR 9570 EUR EUR 4,24 vuotta Nykyinen tilanne 0,08 /kwh 363 MWh EUR EUR EUR 4,13 vuotta Nykyinen tilanne 0,09 /kwh 363 MWh EUR EUR EUR 4,03 vuotta Sähkön hinta kallistunut 20% 0,06 /kwh 363 MWh EUR 8700 EUR EUR 3,80 vuotta Sähkön hinta kallistunut 20% 0,07 /kwh 363 MWh EUR 9570 EUR EUR 3,72 vuotta Sähkön hinta kallistunut 20% 0,08 /kwh 363 MWh EUR EUR EUR 3,63 vuotta Sähkön hinta kallistunut 20% 0,09 /kwh 363 MWh EUR EUR EUR 3,55 vuotta * laskelma ei sisällä verkkoon liittymisestä aiheutuvia kuluja Tuloksista nähdään, että oman sähkön käytön vähenemisellä on huomattavasti suurempi merkitys kokonaishyötyyn kuin myydyllä sähköllä. Tariffin suuruus ei myöskään näin pienellä myyntivolyymillä (90 MWh/a) vaikuta merkittävästi takaisinmaksuajan pituuteen. Pien-CHP-laitteistoa hankittaessa olisikin syytä kiinnittää huomio siihen, että hankittavalle laitteistolle saadaan mahdollisimman suuri käyttöaste. Tämä vaatii oman sähkön ja lämmön kulutuksen tarkkaa vuosi/vuorokausi-vaihtelujen kartoittamista sekä huolellista suunnittelua kokoluokkaa arvioitaessa. 5 SÄHKÖVERKKOON LIITTYMINEN Käytännössä sähkön syötöstä verkkoon peritään jokin kiinteä vuosimaksu sekä kwhperustainen vuosimaksu, mikä puolestaan heikentää sähkön myynnistä saatua tuottoa. Toisaalta kaikki verkkoyhtiöt eivät peri kiinteä maksua ja pienen kokoluokan laitoksella (< 100 kw e ) vuotuinen tuotannon volyymin perustuva maksu on hyvin pieni. Pien-CHP liittäminen verkkoon vaatii tapauskohtaisesti erilaisia investointeja kytkentöihin ja suojauksiin, mikä suurentaa kokonaisinvestoinnin suuruutta ja takaisinmaksuaikoja. Jo alkuvaiheessa, ennen kuin suunnittelu aloitetaan, on parasta olla yhteydessä paikalliseen verkkoyhtiöön. Lisätietoja sähköverkkoon liittymisestä: =>