Metsäbiomassan energiakäyttö Johtava tutkija Eija Alakangas Teknologian tutkimuskeskus VTT Oy Tiedetreffit: Biotalouden sivuvirrat ja energiaratkaisut 17. huhtikuuta 2018, JAMK Biotalousinstituutti 1
Metsäenergia tilastojen valossa 2
LATVUS 5% DiffrentPuu p tuotteisiin ja energiaksi OKSAT 10 15% KUITU- PUU 25% TUKKI 35% MUUT PUUENERGIAN LÄHTEET - Hylkypuu - Lahovikainen puu - Vaurioitunut puu - Lumen rikkoma puu - Puulajit, jotka eivät kiinnosta teollisuutta PUUSTA PÄÄTYY JUURET 10 20% KANTO 5 10% n. 50 % Tuotteiksi (sellu, paperi, sahatavara, levytuotteet) n. 50 % Energiaksi (teollisuuden sivutuotteista ja metsähake) 3
4
Uusiutuvat energialähteet 2016, PJ Biopolttoaineet, liikenne; 7,6 Lämpöpumput; 21,3 Kierrätyspolttoaineet biohajoava osa; 12,8 Vesivoima; 56,3 Muu bioenergia; 4,0 Biokaasu; 2,6 Puupolttoaineet; 349,1 Tuulivoima; 11,0 75,1 % uusiutuvista Aurinkoenergia; 0,1 Uusiutuvat energialähteet yhteensä 464,9 PJ (129,1 TWh) (38,7 %) Sähkön tuotanto uusiutuvilla 29,6 TWh (44,7 %) Tilastolähde: Tilastokeskus Metsähake 7,1 Mm 3 57,4 PJ (15,9 TWh) 16,4 % puupolttoaineista Puun pienkäyttö 62,6 PJ (17,4 TWh) - Pelletit 0,6 PJ - Metsähake 4,7 PJ - Polttopuu 57,3 PJ Kiinteät puupolttoaineet teollisuudessa ja energiantuotannossa 140,2 PJ (38,9 TWh) - Puutähdehake 8,3 PJ - Metsähake 52,7 PJ - Sahanpuru 17,9 PJ - Kuori 45,7 PJ - Pelletit ja briketit 3,7 PJ - Muu puupolttoaine 6,2 PJ - Kierrätyspuu 5,6 PJ Mustalipeä 146,3 PJ (40,6 TWh) 5
6
7
Kiinteiden puupolttoaineiden käyttö, miljoona m 3 25,00 20,00 15,00 10,00 Metsähake Kuori Puru Teollisuuden puutähde Muu Pelletit ja briketit Kierrätyspuu Puru 2,7 Mm 3 Kuori 7,7 Mm 3 5,00 0,00 2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010 2011 2012 2013 2014 2015 2016 2017* Metsähake 7,1 Mm 3 Tilastolähde: Luke * ennakkotieto 8
Metsähakkeen raaka-ainelähteet, 1 000 m 3 9 000 8 000 7 000 6 000 5 000 4 000 3 000 2 000 1 000 0 Järeä runkopuu 0,3 Mm 3 Kannot 0,6 Mm 3 Hakkuutähde 2,3 Mm 3 Pienpuu 3,9 Mm 3 Pienpuu Hakkuutähteet Kannot Järeä runkopuu Muut Tilastolähde: Luke * ennakkotieto 9
Puuenergian tuotanto ja käyttö 10
Metsähakkeen korjuumenetelmät käyttö vuonna 2016 Hakkuutähteen haketusmenetelmät Tienvarsi 82 % Terminaali 8 % Käyttöpaikka 10 % Pienpuun haketusmenetelmät Tienvarsi 47 % Terminaali 40 % Käyttöpaikka 13 % Kantojen murskausmenetelmät Tienvarsi 23 % Terminaali 43 % Käyttöpaikka 34 % Lähde: Metsäteho 11
Metsähakkeen kustannusvertailu 1.5 /MWh Puunhankinta (kantohinta) 5.0 MWh/ Metsäkuljetus, varastointi ja varaston kate 0.80 /MWh Sidotun pääoman kustannus (10 % korolla) 6.5 8.0 /MWh Haketus ja kuljetus (100 km) Suora toimitusketju Arvon nousu /MWh 2.2 /MWh Puunhankinta (kantohinta) 1.5 6.5 7.3 14.3 15.8 7.8 /MWh Kaato ja metsäkuljetus 0.8 /MWh Sidotun pääoman kustannus (10% korolla) 8.8 /MWh Haketus ja kuljetus (100 km) Kaato & metsäkuljetus Hakkuutähdehake Suora toimitusketju Arvon nousu /MWh Puun kasvatus 2.2 10.0 10.8 19.6 Puun hankinta Varastointi Haketus & kuljetus Kustannus laitoksella Rankahake Terminaaliketju Arvon nousu /MWh 10.0 13.0 15.6 16.4 21.8 22.6 Biomassan tienvarsihinta 10 /MWh Kuljetus terminaaliin 3 /MWh Käsittely terminaalissa (purku, siirtokuljetus, terminaalisiirto, syöttö hakkuriin tai murskaimeen, lastaus kuljetusta varten, sidotun pääoman kustannus (10%) kiinteä kulu terminaalissa) 1 TWh terminaalista suoraan/kausivarasto, 2.6 3.4 /MWh Kuljetus terminaalista (juna, 600 km) 6.2 /MWh Lähde: Virkkunen M., Kari M., Hankalin V. & Nummelin J. 2015. Solid biomass fuel terminal concepts and a cost analysis of a satellite terminal concept. VTT Technology 211.
Metsähakkeen, purun ja kuoren hintakehitys 2011-2018, /MWh 24,00 22,00 20,41 20,00 18,00 16,00 14,00 12,00 Metsähake Puru Kuori Lähde: Foex Indexes 15,65 14,26 Hakkeen hinta vuonna 2004 oli 10,2 /MWh (nykyrahassa 12,49 /MWh) 13
Metsähakkeen käyttö pienissä laitoksissa ja polttoaineen laatuvaatimukset Käyttäjä Polttoaine Käytetty teknologia Polttoaineen tärkeimmät laatuvaatimukset Koti- ja maatalous (< 50 kw) Karsittu rankahake Stokerikattilat Kosteus < 35 %, homogeeninen palakoko P31 ja P45 mm Maatilat, isot kiinteistöt (< 1 MW) Kokopuu tai rankahake Stokerikattilat Arinapoltto Kaukolämpölaitokset (< 5 MW) ja pienet CHP-laitokset Metsätähde ja rankahake Arina- tai leijupoltto Myötävirtakaasutus (< 2 MW) Kosteus < 40 % arina- ja leijupolttoon Kaasutukseen kosteus < 25 %, palakoko 10 100 mm, tuhka < 1 % k.a., korkea tuhkansulamislämpötila, irtotiheys > 200 kg/m 3 Laatuvaatimukset: Alakangas & Impola, Puupolttoaineiden laatuohje tai standardi: SFS-EN ISO 17225-4:2014 Kuva: Veljekset Ala-Talkkari Oy 14
Hakkeen tai murskeen käyttö lämpö- ja CHP-laitoksissa ja polttoaineen laatuvaatimukset Käyttäjä Polttoaine Käytetty teknologia Polttoaineen tärkeimmät laatuvaatimukset Lämpö- ja CHPlaitokset (5 10 MW) Metsätähde-, kokopuu- tai rankahake Arinapoltto (voi olla savukaasunlauhdutin) Leijupoltto Kosteus < 50 % (alkalit ja kloorit), Palakokosuositus P45 Laaja polttoainevalikoima Vastavirtakaasutus (< 10 MW) Kosteus < 50 % Palakoko 10 100 mm Lämpö- ja CHPlaitokset (10 50 MW) sekä > 50 MW Metsätähdehake kantomurske, sahanpuru, kuori ja kierrätyspuu Leijupoltto Kosteus 40 60 %, selvitettävä alkuainepitoisuudet (alkalit, kloori). Kierrätyspuulle kattilakohtaiset laatuvaatimukset Joustava polttoaineen suhteen Kupliva/kiertoleijukaasutus (20 100 MW) Kosteus < 50 %, selvitettävä alkuainepitoisuudet (alkalit, kloori) Palakoko < 30 50 mm Laatuvaatimukset: Alakangas & Impola, Puupolttoaineiden laatuohje tai standardi: SFS-EN ISO 17225-1:2014 15
Arinapoltto Suunniteltu märille polttoaineille Polttoaineen syöttö ruuvilla arinan keskelle Säädettävä primääri-ilman jako arinalevyjen läpi Sopii kosteille polttoaineille Savukaasun kierrätys arinan jäähdytykseen Kattilakapasiteetti Lämpökattilakoko 4 25 MW Höyrykattila 4 37 t/h, 50 bar, 450 C Kuva: KPA Unicon 16
Kerrosleijukattila (BFB) Joustava polttoainevalikoima Voidaan käyttää useita erilaisia polttoaineita samassa kattilassa Tehollinen lämpöarvo saapumistilassa 5 14 MJ/kg Voidaan yhdistää öljyn ja kaasun polttoon Kuorman vaihtelun kapasiteetti Samat säätöperiaatteet kuin öljyn ja kaasun poltossa Nopea palaminen, polttoaine ei kasaannu arinalle Korkea hyötysuhde Vähäinen lisäilman tarve Korkea palamishyötysuhde Kuva: Valmet Oyj 17
Esimerkkinä Järvenpään CHP-laitos Polttoaineet metsähake, jätepaperi, jätekartonki, kierrätyspuu hevosen lanta Polttoainerekat Kerrosleijukattila (BFB) 76 MW pa Poltto tuottaa lämpöä höyrypiiriin, ja vapauttaa savukaasuja ja niiden sisältämän vesihöyryn Höyry Vesi Höyry Savukaasut Turpiini Lämmön vaihdin Generaattori Kaukolämpövesi (80 110 ⁰C) Kaukolämpöverkon paluuvesi (35 45 ⁰C) Talteensaatu lisälämpö 15 MW th Polttoaineterminaali Polttoainevarastot Savukaasupesuri Savukaasunlauhdutin Sähköverkko 23 MW e Kaukolämpö-verkko 45 MW th Puhdistetut savukaasut ilmakehään Savupiippu Tuhka Lauhdevesi
Kiertoleijukattila (CFB) Joustava polttoainevalikoima Voidaan käyttää korkean lämpöarvon omaavia (6,5 32 MJ/kg) sekä kosteita polttoaineita (60 %) ja korkean tuhkapitoisuuden omaavia polttoaineita Laaja kattilakokovalikoima Polttoaineteho 1000 MW (sähköä 300+MW e ) Mahdollisuus käyttää polvitulistinta Mahdollisuus saavuttaa korkeammat höyryn arvot ja korkeampi sähköntuotannon hyötysuhde haastavilla polttoaineilla Kuva: Valmet Oyj 19
Vaasan ja Äänekosken kaasutin Meesauuni Kuva: Valmet Oyj 20
Kestävä kehitys ja metsäenergia RED II (COM(2016) 767 final) Kestävyyskriteerit myös kiinteille ja kaasumaisille polttoaineille Metsähake 3 5 gco 2 /MJ, noin 150 km kuljetusetäisyydellä LULUCF? 21
Aineistoa Alakangas, E., Lindroos, T.J., Koljonen, T., Skeer, J. (2018). Bioenergy from Finnish forests: Sustainable, efficient and modern use of wood. International Renewable Energy Agency, ISBN 978-92-9269-012-9. 36 p.www.irena.org/publications/2018/mar/bioenergy-from-finnish-forests Alakangas, E., Hurskainen, M., Laatikainen-Luntama, J. & Korhonen, J. (2016). Suomessa käytettävien polttoaineiden ominaisuuksia, VTT Technology 258 (http://www.vtt.fi/inf/pdf/technology/2016/t258.pdf) Alakangas, E. & Impola, R. (2014) Puupolttoaineiden laatuohje, VTT-M-07608-13 Päivitys 2014 http://www.vtt.fi/inf/julkaisut/muut/2014/vtt-m-07608-13_2014_ update.pdf Koponen, K., Sokka, L. Salminen, O., Sievänen, R., Pingoud, K., Ilvesniemi, H., Routa, J. Ikonen, T. Koljonen, T. Alakangas, E. Asikainen, A. & Sipilä, K. (2015), Sustainability of Forest Energy in Northern Europe, VTT Technology 237. http://www.vtt.fi/inf/pdf/technology/2015/t237.pdf Koponen, K. & Sokka, L., (2017)REDII -ehdotus: Kasvihuonekaasupäästövähenemää koskevat kestävyyskriteerit, VTT-R-04453-17 http://www.vtt.fi/inf/julkaisut/muut/2017/vtt-r-04453-17.pdf 22
A brighter future is created through science-based innovations. www.vttresearch.com #vttpeople / @VTTFinland