BIOENERGIAN UUSIA KÄYTTÖMAHDOLLISUUKSIA BIOMASSA METALLURGISESSA TEOLLISUUDESSA

BIOENERGIAN UUSIA KÄYTTÖMAHDOLLISUUKSIA BIOMASSA METALLURGISESSA TEOLLISUUDESSA Bioreducer loppuseminaari Oulu 19.9.2013 Hannu Suopajärvi Prosessimetallurgian laboratorio, Oulun yliopisto

Sisältö Tausta Bioreducer-hanke Pelkistimet metallurgisissa prosesseissa Raaka-aineselvitykset Biomassan termokemiallinen konversio Biopelkistimien ominaisuudet Biopelkistimien käyttötutkimukset Biopelkistimien käytön vaikutusten arviointi Yhteenveto ja pohdinta Lähteitä

Tausta Terästeollisuudessa syntyy noin 5 7% fossiilisista CO 2 päästöistä maailmanlaajuisesti Ruukki Suomessa 4 5 Mt CO 2 (noin 6 7% CO 2 päästöistä, metallinjalostusteollisuus yhteensä noin 10%) Raakaraudan tuotannossa tarvitaan yli 400 kg hiiltä yhden raakarautatonnin tuottamiseen 1.5 tco 2 /t raakarauta Otettaessa huomioon koko elinkaari (tonni terästä + sivutuotehyvitykset), syntyy noin 2 tco 2 /t terästä Pitkällä aikavälillä fossiiliset pelkistimet ehtyvät, hinta nousee? Energia- ja ilmastopoliittiset tavoitteet Vähähiilinen Eurooppa

Tausta ULCOS Eurooppalainen konsortio, jonka tarkoituksena pienentää terästeollisuuden CO 2 päästöjä 50 % tämän hetken teknologioihin verrattuna Tutkimuskohteet: Masuunin huippukaasun kierrätys HIsarna (suorasulatus) Ulcored (paranneltu suorapelkistys) Ulcowin (elektrolyysi) Hiilidioksidin talteenotto ja varastointi (CCS) mukana (kallis ratkaisu) Maakaasun käyttö pelkistimenä VoestAlpine rakentaa suorapelkistysraudan (DRI) tuotantolaitoksen Texasiin, USA:han

Bioreducer-hankkeen tavoitteet Vaihtoehtoisten raaka-aineiden saatavuuden arviointi Suomessa ja ominaisuudet metallurgisen käytön kannalta Termokemiallisten konversioteknologioiden arviointi biopelkistimien tuotannossa (kiinteät, nestemäiset ja kaasumaiset pelkistimet) Biomassan käytön vaikutusten arviointi integroidun terästehtaan näkökulmasta (massa- ja energiataseiden arviointi) Biomassan käytön kestävyyden arviointi raudan- ja teräksenvalmistuksessa

Bioreducer-hanke EAKR-hanke Projektiin osallistuneet yritykset ja yhteisöt Gasek Oy, Lassila & Tikanoja Oyj, Mustavaaran Kaivos Oy, Naturpolis Oy, Pohjois-Pohjanmaan liitto, Pohjolan Voima Oy, Rautaruukki Oyj, Sievin biohake Oy, Suomen biosähkö Oy, Taivalkosken kunta. Projektiin osallistuneet tutkimuslaitokset (johtoryhmä) Henrik Saxen, Lämpö- ja virtaustekniikka, Åbo Akademi, Olli Dahl, Puhtaat teknologiat-tutkimusryhmä, Aalto yliopisto, Puunjalostustekniikan laitos Projektin kesto 9/2010 4/2013 Tekes-rahoitus (EAKR) 200 000, kokonaisrahoitus 246 000 Vastuullinen johtaja T.Fabritius, päätutkija H. Suopajärvi

7 Materiaalit ja metodit Pelkistimet metallurgisissa prosesseissa Kirjallisuusselvitys Raportti WP 0 Vaihtoehtoiset raaka-aineet pelkistimiksi Kirjallisuusselvitys saatavuuksista ja ominaisuuksista sekä laboratoriokokeita Raportit WP 2.1 ja WP 2.2 Konversioteknologiat biomassan jalostamisessa pelkistimiksi Kirjallisuusselvitys Raportti WP 3 Hiiltämön integrointi terästehtaan ympäristöön ja erilaisten pelkistimen injektointi masuuniin Laskennalliset tarkastelut Raportit WP 4.1 ja WP 4.2 Pelkistimien tuotantokustannukset Laskennalliset tarkastelut Raportit WP 4.1 ja WP 5 Pelkistimien tuotannon ympäristövaikutukset Laskennalliset tarkastelut Raportti WP 5

8 PELKISTIMET METALLURGISISSA PROSESSEISSA WP0 Pelkistimet metallurgisissa prosesseissa

Pelkistimet metallurgisissa prosesseissa-wp0 Teräksen tuotanto (Ruukki) Raakaraudan tuotanto Koksi 350-400 kg/trr Öljy 60-100 kg/trr Ruostumattoman teräksen tuotanto (Outokumpu) Ferrokromin tuotanto Koksi 500 kg/tfecr Valokaariuuni (romun sulatus) Koksi 10-15kg/tteräs Kromiittipelletin sintraus Koksi/koksipöly 60-90kg/tsintteri Nikkelisähköuuni (Boliden) Kuonan pelkistys Koksi 25 kg/tkuona Tulevaisuuden pyrometallurgiset laitokset (Mustavaaran Kaivos) Hiili tai kaasupelkistys? VALOKAARIUUNI MASUUNI UPPOKAARIUUNI

10 Pelkistinten ominaisuudet-wp0 Koksi Tärkein pelkistin masuunissa ja uppokaariuunissa Huokoista, mekaanisesti kestävää Keskikoko 40 60 mm masuunissa Pähkinäkoksi uppokaariuunissa Optimointia tuhkan, rikin, jne. suhteen (useita kivihiililaatuja) Öljy Injektoidaan muutamissa masuuneissa maailmalla Korkea C- ja H-pitoisuus Pulverisoitu kivihiili Erityyppisiä (haihtuvapitoisuus, tuhka) Eniten käytetty injektoitu pelkistin masuunissa Maakaasu Suurin osa metaania Energianlähde ja pelkistin Haihtuvat (daf) Likimääräinen analyysi m-% Alkuaineanalyysi m-% (daf) HHV Kiinteä hiili (daf) Tuhka (db) C H N S O MJ/kg Kivihiili 1 38.7 61.3 15.7 74.7 5.0 1.4 1.0 17.9 25.6 Kivihiili 2 27.7 72.3 9.5 86.4 4.9 2.1 0.6 6.0 31.6 Kivihiili 3 18.5 81.5 10.3 89.8 2.0 2.0 0.5 3.5 32.0 Ainesosa, % Koksi Pulverisoitu kivhiili Erikoisraskas polttoöljy C 88 80.6 87 H 0.35 4.35 10.45 O 0.5 5.35 ND N 0.4 1.65 ND S 0.6 0.45 2.01 Tuhka 9.63 10.89 0.02 CaO tuhkassa 2.37 1.49 ND SiO 2 tuhkassa 56.25 57.15 ND Tuhka-analyysi (db) Pulverisoitu kivihiili 1 Pulverisoitu kivihiili 2 SiO 2 46.00 50.14 Al 2 O 3 25.19 26.73 Fe 2 O 3 14.61 9.03 TiO 2 1.24 1.33 P 2 O 5 1.64 1.55 CaO 4.12 3.91 MnO 0.14 0.09 MgO 1.69 1.53 SO x 1.20 0.78 Na 2 O 0.21 0.41 K 2 O 1.22 1.04 BaO ND ND SrO ND ND NiO ND ND V 2 O 5 ND ND

[Mm3/a] ja [MtCO2/a] Puuhiilen ja puun arvioidut käyttömäärät Puuhiilellä voitaisiin korvata hiiltä useissa kohteissa integroidussa terästehtaassa Puuhiilen tarve voisi olla jopa 400 000 t (injektiotapaus) Puun tarve tällöin 3.1 Mm 3 /a Suorien fossiilisten CO 2 päästöjen vähennys voisi olla jopa 1.3 Mt Tällä hetkellä Ruukilla öljyinjektio Viskositeetin puolesta noin 15 20% kokonaisinjektiomäärästä voisi olla kiinteää puuhiiltä (Salo 2012) Puuhiilen tarve 32 000 t Muiden biopelkistimien mahdollisia käyttömääriä tarkasteltu raporteissa Puuhiiltä voitaisiin mahdollisesti käyttää Outokummun prosesseissa Kromiittipellettien sintrauksessa Valokaariuunissa Uppokaariuunissa Käyttö ja korvattu hiililähde Tyypillinen hiilen käyttömäärä Korvaus puuhiilellä (%) Puuhiilimäärä (kg/trr) Koksaamo 480 560 kg/trr 2 10 9.6 56 kg/trr (koksautuva kivihiili) Masuuni-injektio 150 200 kg/trr 0 100 0 200 kg/trr (pulverisoitu kivihiili) Masuunin pähkinäkoksi 45 kg/trr 50 100 22.5 45 kg/trr Masuunibriketti (koksaamon sivutuotteet) Sintraus (koksimurska) Esipelkistetyt komposiittipelletit 3.50 3.00 2.50 2.00 1.50 1.00 0.50 0.00 Koksaamo 56 kg/trr Kivihiili-injektio 200 kg/trr 10 12 kg/trr 0 100 0 12 kg/trr 76.5 102 kg/trr 50 100 38.3 102 kg/trr Puumäärä [Mm3/a] Ei käytetä tällä hetkellä Öljyinjektio 16 kg/trr CO2 vähenemä [MtCO2/a] Pähkinäkoksi 45 kg/trr Masuunibriketti 12 kg/trr 18 36 kg/trr Esipelkistetyt komposiittipelletit 35 kg/trr Oletukset o Kostean puun tiheys 850 kg/m 3 o Raakaraudan tuotanto 2.0 Mt o Tuorekosteus 50% o Pyrolyysin saanto 30 % kuiva-aineesta

12 BIOMATERIAPOHJAISET RAAKA-AINESELVITYKSET JA BIOMATERIAN TERMOKEMIALLISET PROSESSOINTITAVAT WP2.1 Biomateriapohjaisten ja vaihtoehtoisten raaka-aineiden ja tuotteiden fysikaaliset ja kemialliset ominaisuudet WP2.2 Biomateriapohjaisten ja vaihtoehtoisten raaka-aineiden saatavuusselvitys WP3 Biomaterian prosessointitavat: esikäsittelyt, termokemiallinen konversio ja käyttö masuunissa

Raaka-aineiden saatavuus-wp2.2 Primary wood Tukkipuun korjuu Hakkuutähteet, kannot Sellupuun korjuu Hakkuutähteet Energiapuun hakkuu ja korjuu Primary residues Secondary residues Tertiary residues Sellu- ja paperiteollisuus Puutuoteteollisuus Hake, sahanpuru, kuori Kuori, mustalipeä, ligniini Energiateollisuus Biojalostamo Biopolttoaine ajoneuvoihin Puutuotteet Sellu- ja paperituotteet Sähkö- ja lämpö Purkupuu Kemianteollisuus Kemikaalit, vahat, jne. Mäntypikiöljy Termokemiallinen konversio Rakennusteollisuus Metallinjalostusteollisuus Puuperäinen raaka-aine olisi tärkein raaka-aine biopelkistimien tuotannossa (suuressa mittakaavassa) Energiakasvit jne. pienessä roolissa Muovit myös yksi vaihtoehto

14 Raaka-aineiden saatavuus ja ominaisuudet-wp2.2 Kiinteitä puuperäisiä polttoaineita käytettiin energiantuotannossa 31 TWh vuonna 2010 Mustalipeää käytettiin 37.8 TWh Raakamäntyöljyä tuotettiin noin 250 000 tonnia Noin 60 000 tonnia mäntypikiöljyä sivutuotteena Ligniinin erotus mustalipeästä Hiili Vety Typpi Happi Rikki Tuhka Natrium Hakkuutähde 51.3 6.1 0.3 40.85 0.02 1.33 NA Sahanpuru (mänty) 51 5.99 0.08 42.82 0 0.08 NA Männyn kaarna 52.5 5.7 0.4 39.65 0.03 1.70 NA Kraft lignin (Indulin AT) 64.46 5.42 1.01 24.72 1.85 2.43 NA Kraft lignin (Lignoboost TM ) 67.35 5.57 <0.5 22.35 2.81 1.36 NA Raaka mäntyöljy 76.1 10.8 0.46 11.8 0.18 0.1 NA Mäntypikiöljy 1 81.9 11.4 0.1 5.8 0.3 0.3 NA Mäntypikiöljy 2 79.9 10.6 0.1 8.7 0 - NA Mustalipeä 34.9 3.4 <0.1 35.1 5 NA 19.4

Energiapuun saatavuus-wp2.2 Hakkuutähdettä, kantoja, pienpuuta on saatavilla Mahdollisia käyttäjiä on nyt ja tulevaisuudessa useita Sähkön- ja lämmöntuotanto Bioöljyn tuotanto Puun kaasutuslaitokset (Bio-SNG) Biodiesel Teknis-ekologinen potentiaali suurin pohjoisissa ja itäisissä metsäkeskuksissa

16 Biomassan termokemiallinen konversio-wp3 Biomassa raaka-aine Konversioprosessi Biomassa pelkistin Puu Viljelykasvien jäännökset Turve Jätepuu Mikrolevät Hidas pyrolyysi Torrefiointi Nopea pyrolyysi Kaasutus Kaasutus + Metanaatio Puuhiili Torrefioitu biomassa Bioöljy Synteesikaasu Synteettinen maakaasu Biomassa, torrefioitu biomassa, puuhiili Koksaus Biokoksi Kivihiili

Fysikaaliset ja kemialliset ominaisuudet WP2.1 Kiinteät tuotteet (torrefiointi & hidas pyrolyysi) 17 Kiinteän tuotteen saanto pienenee lämpötilan noustessa Torrefiointi alle 290 o C Pyrolyysi 300-900 o C Haihtumaton hiili riippuu lämpötilasta, tuhkapitoisuus ja koostumus raaka-aineesta Puuhake Puupelletti Torrefioitu puupelletti Puuhiili Kivihiili Metallurginen koksi Kosteus (p-%) 30 55 7 10 1 5 1 5 10 15 1 10 Lämpöarvo LHV (MJ/kg) 7 12 15 17 18 24 30 32 23 28 ~ 30 Haihtuvat aineet (p-% ka) 75 84 75 84 55 65 10 12 15 30 < 0.5 Haihtumaton hiili (p-% ka) 16 25 16 25 22 35 85 87 50 55 85 88 Irtotiheys (kg/m 3 ) 200 300 550 650 650 800 180 240 800 850 ~ 500 Energiatiheys (GJ/m 3 ) 1.4 3.6 8 11 12 19 5.4 7.7 18 24 15 Hygroskooppiset omin. Hydrofilinen Hydrofilinen Lievästi hydrofobinen Hydrofobinen Hydrofobinen Hydrofobinen Biologinen hajoaminen Nopeaa Lievää Hidasta Ei hajoa Ei hajoa Ei hajoa Jauhatusominaisuudet Erityisvaatimukset Erityisvaatimukset Standardi Standardi Standardi - Tasalaatuisuus Rajoittunut Korkea Korkea Korkea Korkea Riippuu kivihiilistä Kuljetuskustannukset Korkeat Keskikorkeat Matalat Keskikorkeat Matalat Matalat

Fysikaaliset ja kemialliset ominaisuudet WP2.1 Nesteet ja kaasut (nopea pyrolyysi & kaasutus) 18 Ominaisuus Raskas polttoöljy Bioöljy puusta Autotrofinen mikrolevä Heterotrofinen mikrolevä Hiili 85% 54 58% 62.07% 76.22% Vety 11% 5.5 7.0 8.76 11.61 Happi 1.0% 35 40 19.43 11.24 Typpi 0.3% 0 0.2 9.74 0.93 Tuhka 0.1% 0 0.2% Ei määritetty Ei määritetty Kosteus 0.1% 15 30% - - ph - 2.5 Ei määritetty Ei määritetty Tiheys 0.94 1.2 1.06 0.92 HHV (MJ/kg) 40 Viskositeetti (cp) 180 (50 o C) 16 19 (sisältää veden) 40 100 (50 o C) 30 (kuiva-aineesta) 100 (40 o C) 41 (kuiva-aineesta) 20 (40 o C) Kiintoaine, m-% 1 0.2 1 Ei määritetty Ei määritetty Synteesikaasun ominaisuudet Alloterminen Autoterminen Entrained flow Kivihiili/ entrained flow H 2 (%) 40 26 39 32 CO (%) 25 20 38 55 CO 2 (%) 21 35 20 8 CH 4 (%) 10 13 0.1 0 C 2 H 4 (%) 2.5 3 0 0 N 2 (%) 1.5 3 3 3 H 2 /CO 1.6 1.3 1.0 0.6 LHV (MJ/m 3 ) 14 12 10 11 Bio-öljyn lämpöarvo matala Kaasuttamalla saadaan kaasua, jota voitaisiin käyttää pelkistykseen H 2 O, CO 2 poiston jälkeen Bio-SNG:n tuotanto

19 Termokemiallinen konversio-wp3 Nopea pyrolyysi Hidas pyrolyysi Torrefiointi Kaasutus Olosuhteet ~ 500 o C, lyhyt kaasun viipymäaika ~ 1 s ~ 400 900 o C, kaasun viipymäaika tunteja, päiviä ~ 290 o C, kaasun viipymäaika ~ 10 60 min ~ 750 900 o C Tuotejakauma, % (Neste/kiinteä/kaasu) 75/12/13 30/35/35 -/80/20 5/10/85 Teknologia (edut) Laitoksia nousemassa (myös Suomeen) Voi integroida esim. CHP-laitoksen kanssa Korkea massaja energiasaanto Voivat olla yksinkertaisia Puuhiiltä valmistettu kauan Korkea massaja energiasaanto Korkea massa- ja energiasaanto Biomassan ja kivihiilen yhteiskaasutus Teknologia (haitat) Vaatii pienen partikkelikoon Vaatii kuivan biomassan Matala saanto (massa- ja energia) Sivutuotteiden hyödyntäminen voi olla haastavaa Kaupallisia laitoksia ei ole vielä olemassa (isoja demolaitoksia kuitenkin käynnistetty) CO 2 ja H 2 O poisto tarvitaan, happi tai happi/höyrykaasutus Tuote (edut) Energiatiheys ja säilytysominaisuudet verrattuna hakkeeseen Korkea lämpöarvo (jopa yli 30 MJ/kg) Matala tuhkapitoisuus Energiatiheys ja säilytysominaisuudet verrattuna hakkeeseen Voidaan hyödyntää korkean tuhkapitoisuuden biomassoja Tuote (haitat) Matala lämpöarvo Korkea O- ja H 2 O-pitoisuus Korrodoiva Na, K, P-pitoisuus voi olla korkea joillakin biomassoilla Matalahko lämpöarvo Korkea O-pitoisuus Kaasujen varastointi hankalaa Teknologian toimittajia/tutkimusta Agritherm, RTI, Metso, Dynamotive, Ensyn Lambiotte, Lurgi Topell, Andritz, Agri-Tech, ECN ECN, Metso, Carbona

Biopelkistimien kaasuuntuminen ja koksauskokeet WP2.1 20 Biopohjaiset pelkistimet ovat reaktiivisempia kuin fossiiliset Puuperäisillä pelkistimillä alhainen tuhkapitoisuus Turvehiilillä tuhkapitoisuus korkeampi (7 16%) Kokeiltiin muutamien biohiilien vaikutusta metallurgisen koksin laatuun Teollisen koksin lujuus luokkaa 3 5 kn 5 % lisäys ei romahduta koksin lujuutta Reaktiivisuus kasvaa jonkin verran Lisätutkimusta tarvitaan! Kuva J. Heino Lujuus [kn] Keskihajonta [kn] Näytemäärä lujuustestissä Referenssikoksi 4.67 1.39 6 I. Sekalehtipuuhiili 5 % 4.09 0.47 6 I. Sekalehtipuuhiili 10 % 3.49 0.46 6 L. Koivuhiili 5 % 3.82 0.43 6 L. Koivuhiili 10 % - - - M. Torrefioitu metsähake 5 % 3.43 0.29 6 M. Torrefioitu metsähake 10 % 1.37 0.12 6 N. Biohiili 5 % 4.24 0.97 6 N. Biohiili 10 % 3.32 0.53 6

21 BIOMATERIAPOHJAISTEN PELKISTINAINEIDEN KÄYTTÖTUTKIMUKSET WP4.1 Puuhiilen käyttö masuunissa: Energiataseiden, ympäristökuorman ja taloudellisuuden arviointi WP4.2 Masuunin toiminta käytettäessä erilaisia injektoitavia pelkistimiä simulointitutkimus

Puuhiilen käyttö integroidussa terästehtaassa CO 2 -päästöt-wp4.1 22 Pyrolyysilaitos voitaisiin sijoittaa terästehtaan ympäristöön Saatavilla energiaa kuivaukseen Savukaasut Kaukolämpövesi Puuhiili voitaisiin käyttää pelkistimenä Pyrolyysin sivutuotteet energiantuotantoon Saavutettava CO 2 -päästövähenemä jopa 26.4% (Suopajärvi & Fabritius 2012), ei sivutuotehyvityksiä sähköntuotannosta mukana Koksi Öljy Pyrolyysilaitos Kierrätysteräs Pelletti Kalkkikivi Aihiot Kuumavalssaus Levyt, nauhat Kalkinpolttamo Poltettu kalkki Koksi Puuhiili Tehdas Koksaamo Raudanvalmistus Raakarauta Teräksenvalmistus CO 2 päästöt Biomassa Kivihiili Tehdasalue Masuunikaasu Voimalaitos Koksikaasu Pyrolyysikaasu Sähkö, höyry. lämpö Sähkö, lämpö

Puuhiilen käyttö integroidussa terästehtaassa Masuunisimulointi-WP4.2 Masuunisimulointi teetettiin Åbo Akademissa alihankintana (H. Saxenin laboratorio) Arvioitiin useiden vaihtoehtoisten pelkistimien vaikutusta masuuniprosessin toimintaan Kivihiilipöly, puuhiili, Torrefioitu biomassa, koksipöly, ligniini, turvehiili, kuuma pelkistyskaasu, Bio-SNG Referenssinä hiilipölyn injektointi (150/180 kg/trr) Parhaiten toimisi pitkälle pyrolysoitu puuhiili (paremmin kuin kivihiili) Myös pitkälle torrefioitu puu voisi toimia kohtalaisen hyvin 23

24 BIOMATERIAPOHJAISTEN PELKISTINAINEIDEN KÄYTÖN VAIKUTUSTEN ARVIOINTI WP5 Biopelkistimien tuotannon hiilidioksidipäästöt, energiantarve ja taloudellisuus

Biopelkistimet Hiilijalanjälki, energiankulutus ja tuotantokustannus-wp5 25 Polttoaine, sähkö, raaka-aineet Päästöt Lannoitteen tuotanto Päästöt Päästöt polttoaineen käytöstä Päästöt polttoaineen käytöstä Dieselin tuotanto Päästöt polttoaineen käytöstä Energia ja raaka-aineet Päästöt polttoaineen, lämmön ja sähkön käytöstä Päästöt sähkön käytöstä Puun kasvu Puun hakkuu Puun kaukokuljetus Puun haketus Termokemiallinen käsittely Jatkokäsittelyt Biopelkistin Epäsuorat päästöt Polttoaine Polttoaine hiilivaraston muutoksista Polttoaine, sähkö Sivutuotehyvitykset Sähkö, lämpö Sähkö Mallinnus Factory Simulation Tool Erikseen kolme raaka-ainetta (hakkuutähde, pienpuu 30 ja 50% kosteus, kannot) Kolme termokemiallista konversioteknologiaa 50 MW (kuiva raaka-aine) kapasiteetti Sivutuotehyvitykset sähköntuotanto 30% hs Epäsuorat päästöt (hiilivaraston muutos) Koksin korvaaminen masuunissa

26 Metsähakeketju-WP5 Vaihe Toiminto Tuottavuus (tehollinen) Toiminnot metsässä Hakkuu (pienpuu) 9.5 (m3/h) 12 (l/h) Kantojen nosto 10.0 (m3/h) 18 (l/h) Metsäkuljetus 10.6 (m3/h) 10.0 (l/h) (hakkuutähde) Metsäkuljetus (kanto) 7.0 (m3/h) 10.0 (l/h) Metsäkuljetus (pienpuu) 11.8 (m3/h) 9.5 (l/h) Polttoaineen/Sähkön kulutus Toiminnot tien varressa Lastaus (kannot) - 4.7 (l/kuorma) Haketus (pienpuu) 80 (i-m3/h) 40 (l/h) Haketus (hakkuutähde) 80 (i-m3/h) 40 (l/h) Kaukokuljetus Pienpuuhake Kuljetustilavuus 120 i-m3 Hakkuutähdehake Kuljetustilavuus 120 i-m3 Kannot Kuljetustilavuus 150 i-m3 Toiminnot käyttöpaikalla Lastin purku Polttoaineen kulutus lasketaan kuorman mukaan, joka määräytyy joko maksimitilavuuden tai -massan mukaan 1.7 (l/kuorma) Murskaus (kannot) 200 (i-m3/h) 1.05 (kwh/i-m3) Toiminnot käyttöpaikalla Purku Metsähake/murske Purku Kuiva-ainehäviöt ketjun eri vaiheissa (%) Vaihe Hakkuutähde Kanto Pienpuu (50%) Pienpuu (30%) Metsäkuljetus 2 1 2 2 Kuivuminen - 3-10 Haketus 5-5 5 Kuormaus - 1 - - Kaukokuljetus 2 1 2 2 Purku 2 1 2 2 Murskaus - 2 - -

27 Biopelkistimien tuotanto-wp5 Hiilijalanjälki (CFP) EROI E EROI bioreducerand by-products E in, non-renewable Tuotantokustannukset (kirjallisuus) Kapasiteettikorjaus C C S S n Kuoletusarvo (15 v, 6% korko) C vuosi 0 * 0 N i(1 i) (1 i) N * C IC 1 Pohjautuen massa- ja energiataseisiin Ulkoinen lämpö- ja sähköenergia Tarkemmat oletukset (WP 5 raportti) Biomassa Biomassan esikäsittely Biomassa Biomassan esikäsittely Hidas pyrolyysi Biomassan kaasutus Biomassan ja kaasun poltto Biomas san torrefiointi Torrefiointi Kaasun puhdistus Jäähdytys Metanointi Kaasutus ja metanointi Torrefioitu biomassa SNG:n jalostus Bio-SNG

Ominaiskustannus ( /t torrefioitu biomassa) Ominaiskustannus ( /t Bio-SNG) Puuhiilen tuotantokustannukste ( /GJ) 28 Biopelkistimien tuotantokustannukset-wp5 Ominaiskustannus ( /t puuhiili) 500 450 400 350 300 250 200 150 100 50 0 Hakkuutähdehake Pienpuuhake Kantomurske Huolto- ja muut kustannukset Työvoima Sähkö Energiakustannukset (puu) Pääomakustannukset Raaka-aine 40-55 /MWh 16 15 14 13 12 11 10 9 8 7 6 5 4 3 2-1 01-2 -3-4 Hakkuutähdehake Pienpuuhake Kantomurske 14.0 12.0 10.0 8.0 6.0 4.0 2.0 0.0 Sivutuote vähennykset Huolto- ja muut kustannukset Työvoima Sähkö Energiakustannukset (puu) Pääomakustannukset Raaka-aine Yhteensä ( /GJ) 30-45 /MWh 180 800 160 140 120 100 80 60 40 20 Huolto- ja muut kustannukset Työvoima Sähkö Energia (hake) Pääomakustannukset Raaka-aine 700 600 500 400 300 200 100 Huolto- ja muut kustannukset Työvoima Happi Sähkö Pääomakustannukset Raaka-aine 0 Hakkuutähdehake Pienpuuhake Kantomurske 21-29 /MWh 0 Hakkuutähdehake Pienpuuhake Kantomurske 44-53 /MWh

2008 M1 2008 M4 2008 M7 2008 M10 2009 M1 2009 M4 2009 M7 2009 M10 2010 M1 2010 M4 2010 M7 2010 M10 2011 M1 2011 M4 2011 M7 2011 M10 2012 M1 2012 M4 2012 M7 2012 M10 2013 M1 2013 M4 Metallurginen koksi /t 1996 Q1 1996 Q4 1997 Q3 1998 Q2 1999 Q1 1999 Q4 2000 Q3 2001 Q2 2002 Q1 2002 Q4 2003 Q3 2004 Q2 2005 Q1 2005 Q4 2006 Q3 2007 Q2 2008 Q1 2008 Q4 2009 Q3 2010 Q2 2011 Q1 2011 Q4 2012 Q3 2013 Koksautuva kivihiili $/t 29 Fossiilisten pelkistimien hinta Fossiilisten pelkistimien hinta alhaisempi kuin mahdollisten biopelkistimien (varsinkin kun lasketaan vaikkapa hiiliekvivalentteina vrt. torrefioitu puu) Koksautuvan kivihiilen konsensusennuste vuosille 2013-2015: 175-190 $/t Pulverisoitu kivihiili ~ 120-150 $/t LNG buumi LNG Pohjolassa ei välttämättä kultakaivos (ainakaan pelkistimenä) Hinta USA:ssa niinkin alhainen kuin 14.5 /MWh Hinta Euroopassa huomattavasti korkeampi Voest Alpine rakentaa DRI tehtaan Texasiin 250 200 150 100 50 0 400 350 300 250 200 150 100 50 0 Coking coal $ export USA Coking coal $ USA Concensus forecast Australia (FOB) http://metalexpertresearch.com/research/en/global_coking_coal_price_fo recast_%28april_2013%29.html?opendocument http://www.steelonthenet.com/files/blast-furnace-coke.html

Puuhiilen nettohinta ( /t) 30 CO 2 -päästöhinta Mikä pitäisi olla CO 2 -tonnihinta, jotta puuhiili olisi kilpailukykyinen pelkistimenä? Kaksi perustapausta (öljy ja kivihiili (PC) injektantteina) Puuhiili korvaa (kg/trr) Palakoossa koksia 20 kg Puuhiilipölynä öljyä 13.5 kg (sekainjektio) Puuhiilipölynä PC:tä (kaiken) Hinnat (Suopajärvi & Fabritius 2013) Ostokoksi 350 /t Öljy 300 /t PC 150 /t Puuhiili 400 /t CO 2 -tonnin tulisi maksaa 16-47 /t 700 600 500 400 300 200 100 Perustapaus 1 Perustapaus 2 Puuhiiliskenaario 1 Puuhiiliskenaario Puuhiiliskenaario 2 3 Koksi (kg/trr) 385 340 365 385 310 ERP (kg/trr) 80-80 66.5 - Pulverisoitu kivihiili (kg/trr) - 150 - - - Puuhiili (kg/trr) - - 20 13.5 150 Pelkistinten kokonaiskulutus (kg/trr) 465 490 465 465 460 Fossiilinen CO 2 (kg/trr) 1496 1574 1432 1453 1000 Puuhiiliskenaario 1 Puuhiiliskenaario 2 Puuhiiliskenaario 3 0-20 0 20 40 60 80 100 CO 2 päästöoikeuden hinta ( /t)

CO2 päästät [kgco2/t puuhiili] Pienpuu (50%) Pienpuu (30%) Hakkuutähde Kanto Pienpuu (50%) Pienpuu (30%) Hakkuutähde Kanto Pienpuu (50%) Pienpuu (30%) Hakkuutähde Kanto CO2 päästöt [kgco2/t] 31 Biopelkistimien hiilijalanjälki-wp5 600.00 500.00 400.00 300.00 200.00 100.00 0.00 Biopelkistimen tuotannon CO2 päästöt Pelkistimen jauhatus (sähkö) Pelkistimen tuotanto (sähkö) Pelkistimen tuotanto (lämpö) Lannoitteen tuotanto Dieselin tuotanto Toimitusketju CO2 emissions [gco2/mj] 14.0 12.0 10.0 8.0 6.0 4.0 2.0 0.0 Biopelkistimen tuotannon CO2 päästöt Puuhiili Torrefioitu puu Bio-SNG Pelkistimen jauhatus (sähkö) Pelkistimen tuotanto (sähkö) Pelkistimen tuotanto (lämpö) Lannoitteen tuotanto Diesel production Toimitusketju Puuhiili Torrefioitu puu Bio-SNG Biopelkistimien CFP (ilman sivutuotehyvityksiä) 150-550 kgco 2 /t 6.7-12.9 gco 2 /MJ Sivutuotehyvityksillä -960-350 kgco 2 /t Epäsuorat päästöt ja sivutuotehyvitykset mukana 460-3500 kgco 2 /t 3 800.00 3 400.00 3 000.00 2 600.00 2 200.00 1 800.00 1 400.00 1 000.00 600.00 200.00-200.00-600.00-1 000.00-1 400.00 Pienpuu (50%) Pienpuu (30%) Hakkuutähde Kanto

Puuhiili Torrefioitu puu Bio-SNG Maakaasu Kivihiili 32 Biopelkistimien hiilijalanjälki-wp5 Biopelkistimien tuotannon aiheuttamat CO 2 -päästöt alhaiset verrattuna kivihileen ja maakaasuun (ilman epäsuoria päästöjä) Epäsuoria päästöjä ei tulla ottamaan voimakkaasti mukaan biopolttoaineiden kestävyyttä arvioitaessa Kanto Hakkuutähde Pienpuu (30%) Pienpuu (50%) Kanto Hakkuutähde Pienpuu (30%) Pienpuu (50%) Kanto Hakkuutähde Pienpuu (30%) Pienpuu (50%) CO2 yhteensä (hyvitykset ja epäsuorat päästöt mukana) CO2 yhteensä (ei hyvityksiä, mutta epäsuorat päästöt) CO2 yhteensä (ei epäsuoria päästöjä) 7.4 6.7 7.2 9.7 7.5 11.1 10.9 10.5 10.8 12.9 15.4 12.6 12.1 31.2 34.7 28.9 28.9 51.4 47.8 47.8 54.5 58.0 49.7 49.7 49.0 46.4 51.3 62.4 62.8 62.8 70.6 75.00 75.8 81.6 84.8 91.4 115 120.7 0.0 20.0 40.0 60.0 80.0 100.0 120.0 140.0 CO2 päästöt (gco2/mj)

EROI 33 Biopelkistimien EROI-WP5 Kaikkien tutkittujen pelkistimien EROI selvästi yli yhden Tuotteen energiasisällön vapautumisessa suurempi energia kuin sen tuotannossa sitoutunut Bioetanolilla jopa alle yhden Fossiilisilla pelkistimillä suurempi EROI Kivihiili 40-80 Öljy ja maakaasu ~20 7.00 6.00 5.00 4.00 3.00 2.00 1.00 0.00 EROI päätuote EROI kaikki tuotteet PP 50% HT 50% PP 30% K 30% PP 50% HT 50% PP 30% K 30% PP 50% HT 50% PP 30% K 30% Puuhiili Torrefioitu puu Bio-SNG

Pienpuu (50%) Pienpuu (30%) Hakkuutähde Kanto Pienpuu (50%) Pienpuu (30%) Hakkuutähde Kanto Pienpuu (50%) Pienpuu (30%) Hakkuutähde Kanto CO2 päästöt [kgco2] 34 Koksin korvaaminen masuunissa METALLURGINEN KOKSI 1 YKSIKKÖ 600.00 Biopelkistimen tuotannon CO2 päästöt korvattaessa 1 tonni koksia masuunissa 500.00 400.00 300.00 200.00 Pelkistimen jauhatus (sähkö) Pelkistimen tuotanto (sähkö) Pelkistimen tuotanto (lämpö) Lannoitteen tuotanto 100.00 Dieselin tuotanto FOSSIILISET PELKISTIMET Erikoisraskas polttoöljy: 1.17 Kivihiiliterva: 1.0 Pulverisoitu kivihiili: 0.80 0.95 Maakaasu: 0.87 1.11 BIOPOHJAISET PELKISTIMET Puuhiili: 0.95 Torrefioitu puu: 0.40 Synteettinen maakaasu: 1.05 0.00 Toimitusketju Puuhiili Torrefioitu puu Bio-SNG Injektoitavilla pelkistimillä vaihteleva koksin korvaussuhde masuunissa Tässä valossa torrefioidulla puulla ei olekaan pienin hiilijalanjälki

Puun tarve (t) vähennettyä CO 2 tonnia kohden 35 Koksin korvaaminen masuunissa 60.0 Laskennassa arvioitu vuositasolla pelkistimien tuotannon ja käytön aiheuttamia CO 2 -päästöjä Arvioitu myös puun tarvetta (t) yhtä CO 2 -tonni vähennystä kohti Koksin tuotannon päästöt 673 kgco 2 /t koksi (Gabi 5 datapankki) 53.0 Puuhiili Torrefioitu puu Bio-SNG Koksi [kg/trr] Arvio pelkistimien käyttömääristä masuunissa Öljy [kg/trr] Puuhiili [kg/trr] Torrefioitu puu [kg/trr] Bio-SNG [kg/trr] Injektoitavat pelkistimet [kg/trr] Yhteensä [kg/trr] Perustapaus 390.0 85.0 85.0 475.0 Puuhiili masuuni 260.0 85.0 136.8 221.8 481.8 TB masuuni 334.0 85.0 140.0 225.0 559.0 Bio-SNG masuuni 291.1 85.0 100.0 185.0 476.1 Pelkistimien tuotannon CO 2 -päästöt Perustapaus Puuhiili masuunissa Torrefioitu puu masuunissa Bio-SNG masuunissa CO 2 koksi [t/a] 603 681 402 454 516 999 450 516 CO 2 biopelkistin (ei sivutuotteita) [t/a] 0 113 083 50 560 121 350 CO 2 biopelkistin (sivutuotteet) [t/a] 0-253 893 50 560 37 876 CO 2 yhteensä (ei sivutuotteita) [t/a] 603 681 515 537 567 559 571 867 CO 2 yhteensä (sivutuotteet) [t/a] 603 681 148 561 567 559 488 392 CO 2 päästövähenemä (ei sivutuotteita) [%] - 14.6 6.0 5.3 CO 2 päästövähenemä (sivutuotteet) [%] - 75.4 6.0 19.1 50.0 CO2-päästöt mukaan lukien koksin polton vapauttama CO 2 ja tarvittava puun määrä vuodessa 40.0 Perustapaus Puuhiili masuuni TB masuuni Bio-SNG masuuni Koksin polton CO 2 -päästöt [t/v] 2 892 215 1 928 143 2 476 923 2 158 408 30.0 20.0 23.7 21.7 21.7 14.6 CO 2 päästö yhteensä (ei sivutuotteita) [t/v] 3 495 896 2 443 680 3 044 482 2 730 275 CO 2 päästö yhteensä (sivutuotteet) [t/v] 3 495 896 2 076 704 3 044 482 2 646 800 CO 2 tuotanto vähenemä (ei sivutuotteita) [t/v] - 88 144 36 122 31 814 10.0 0.0 Pelkistimien tuotanto (ei sivutuotehyvityksiä) 4.6 Pelkistimien tuotanto (sivutuotehyvitykset mukana) 2.0 1.7 2.2 1.5 1.7 2.0 Koksin päästöt mukana (ei sivutuotehyvityksiä) Koksin päästöt mukana (sivutuotehyvitykset mukana) CO2 tuotanto vähenemä (sivutuotteet) [t/v] - 455 120 36 122 115 289 CO 2 vähenemä (koksin päästöt mukana, ei sivutuotteita) [t/v] CO 2 vähenemä (koksin päästöt mukana, sivutuotteet) [t/v] - 1 052 216 451 414 765 621-1 419 192 451 414 849 096 Puun tarve [t/v] - 2 088 136 783 792 1 684 722

BIOREDUCER YHTEENVETO JA POHDINTA 36

Yhteenveto Bioreducer-hankkeessa on tarkasteltu biomassan käyttöä metallurgisessa teollisuudessa useasta eri näkökulmasta Biomassasta voidaan tuottaa erilaisia pelkistimiä Raaka-ainetta on saatavilla Ympäristövaikutukset olisivat positiiviset Mutta: Tällä hetkellä biomassa Suomen terästeollisuuden raaka-aineena ei ole kilpailukykyinen Ei ole olemassa laitoksia, jotka tuottaisivat pelkistimiä Tilanne voi muuttua nopeastikin Vielä ei ole riittävän voimakkaita poliittisia ajureita EU ETS voi tulevaisuudessa olla sellainen Euroopan terästeollisuuden kilpailukyky? Teknologioiden kehitys, monituotelaitokset

Yhteenveto Mitä tarvitaan? Teknologian kehitys Useita tuotteita biomassasta Bioöljy+puuhiili Puuhiili+Bio-SNG Lääke/kemianteollisuus+puuhiili Prosessi-integraatio Metallurgisessa teollisuudessa paljon uuneja, joissa tarvitaan erilaisia kaasuja (koksikaasu, nestekaasu). Näitä voitaisiin myös korvata bioenergialla Tukipolitiikka: Puun teollisuuskäyttäjät mahdollisesti eri asemassa biomassan käytön tukitoimissa Millaiset ovat EU:n kiinteiden polttoaineiden kestävyyskriteerit? Jos ja kun tulevaisuudessa halutaan vähentää fossiilisia CO 2 - päästöjä, on siihen terästeollisuudessa mahdollisuuksia biomassan avulla!

39 KIITOKSET Tekes Bioreducer-hankkeen johtoryhmän jäsenet Prosessimetallurgian laboratoriosta hankkeessa mukana olleet Mikko Angerman Juho Haapakangas Mikko Iljana Tommi Kokkonen Timo Fabritius

Lähteitä Salo A. (2012) Masuuni-injektanttien viskositeettimittaukset. Diplomityö, Prosessimetallurgian laboratorio, Oulun yliopisto, Suomi, 2012. Suopajärvi H, Angerman M (2011) Layered sustainability assessment framework. METEC In-SteelCon. Proc. of 1st Int. Conference on Energy Efficiency and CO2 reduction in the Steel Industry, Düsseldorf, Germany Suopajärvi H, Fabritius T (2012) Effects of biomass use in integrated steel plant gate-to-gate life cycle inventory method. ISIJ International 52:779-787. Suopajärvi H, Fabritius T (2012) Evaluation of the possibility to utilize biomass in Finnish blast furnace ironmaking. Scanmet IV, 10-13 June 2012, Luleå, Sweden. Suopajärvi, H. Biomassan käytön kestävyyden arviointi hiiliteräksen valmistuksessa. Materia 3/2012. pp. 60-61. Suopajärvi H, Salo A, Paananen T, Mattila R, Fabritius T (2013) Recycling of Coking plant Residues in Finnish Steelworks Laboratory Study and Replacement Ratio Calculation. Resources 2:58-72. Suopajärvi H, Fabritius T (2013) Towards more Sustainable Ironmaking Analysis of Energy Wood Availability in Finland and Economics of Charcoal Production. Sustainability 5: 1188-1207. Suopajärvi H, Pongrácz E, Fabritius T (2013). The potential of using biomass-based reducing agents in the blast furnace: A review of thermochemical conversion technologies and assessments related to sustainability. Renewable and Sustainable Energy Reviews 25:511-528. Suopajärvi, H. Possibilities of bio-based materials in reduction application/use Bioreducer. Biorefine New Biomass Products Programme 2007 2012, Final report. pp. 73-75. Suopajärvi H (2012) Bio based reducing agents in ironmaking: Industry integration opportunities. Process Integration Forum 2012, 13-14 September, Luleå, Sweden.

KIITOS! http://www.oulu.fi/pyometen/bioreducer_materials