TEKNOLOGIAN TUTKIMUSKESKUS VTT OY Kuvapaikka (ei kehyksiä kuviin) VTT:n polttopuututkimuksia Halkoliiteri 10 vuotta -seminaari Jyrki Raitila, VTT
Pilkkeeseen liittyviä tutkimusaiheita Raaka-aineen ja pilkkeen laadunhallinta Kuivaus Pilkeketjun teknologia ja kustannukset Liiketoimintamallit Pienpoltto tulisijoissa Energiasisältöön perustuva pilkekauppa Standardit Kansainväliset hankkeet; markkinat, tiedonvaihto, polttopuukaupan edistäminen 27.3.2017 2
Laadunhallinta 27.3.2017 3
Kosteuden vaikutus puun lämpöarvoon ja energiatiheyteen 25 1,1 Lämpöarvo, MJ/kg 20 15 10 5 MJ/kg MWh/i-m3 1 0,9 0,8 0,7 Energiatiheys, MWh/i-m 3 (koivu, runkopuu) 0 0 10 20 30 40 50 60 Kosteus, % 0,6 1 MJ = 0,2778 kwh, 1 MWh = 1000 kwh 27.3.2017 4
Eri puulajeista valmistetun pilkkeen sekä puubriketin keskimääräisiä lämpöarvoja Puulaji Kuivaaineen tehollinen lämpöarvo Tehollinen lämpöarvo, 20 %:n kosteus Tehollinen lämpöarvo kwh/kg kwh/irto-m 3 kwh/pino-m 3 Mänty 5,4 4,2 810 1 360 Kuusi 5,3 4,1 790 1 320 Koivu 5,3 4,1 1 010 1 700 Koivun tuohi 6,3 4.9 Haapa 5,1 4.0 790 1 330 Leppä 5,2 4.1 740 1 230 Puubriketti 5,3 4.7* 3 120 * 10 %:n kosteudessa Lähde: Alakangas, Suomessa käytettävien polttoaineiden ominaisuuksia, VTT Tiedotteita 2045. Työtehoseura: Pilkeopas omakotitaloille. 27.3.2017 5
60 Kasvavan puun kosteuden vuodenaikainen vaihtelu 55 Kosteus % 50 45 Mänty Kuusi Leppä Koivu 40 35 Tammi Helmi Maalis Huhti Touko Kesä Heinä Elo Syys Loka Marras Joulu Lähde: Routa 2014, Hakkila 1962 27.3.2017 6
Koivurankapinoja 27.3.2017 7
Peitetty varastokasa 27.3.2017 8
Katettu rankakasa 27.3.2017 9
Rankojen kuivuminen varastossa 60 50 Koivu, moto, peittämätön Koivu, moto, peitto Koivu, moto, kate 40 Kosteus, % 30 20 10 0 1.3.04 1.5.04 1.7.04 1.9.04 1.11.04 1.1.05 1.3.05 1.5.05 1.7.05 1.9.05 1.11.05 Lähde: Hillebrand & Kouki 2006 27.3.2017 10
Homeen esiintyminen rangan päässä eri varastoissa peittämätön peitetty katettu 27.3.2017 11
Kuorittuja rankoja 27.3.2017 12
Eri tavalla käsiteltyjen rankojen kuivuminen varastossa 50 45 40 35 Kosteus, % 30 25 20 15 10 5 Koivuranka, kuorellinen Koivuranka, moto, kate Koivuranka, ositt. kuorittu 0 1.1.05 1.2.05 1.3.05 1.4.05 1.5.05 1.6.05 1.7.05 1.8.05 1.9.05 1.10.05 1.11.05 1.12.05 Lähde: Hillebrand & Kouki 2006 27.3.2017 13
Yhteenveto Polttopuun raaka-aine Motolla kaadettujen rankojen kosteus alenee ensimmäisen kesän aikana 50 %:sta noin 30 %:iin. Toisen kesän aikana rankojen kosteus alenee edelleen n. 20 %:iin. Rangat, joiden kuori on ehjä (metsurikaato), kuivuvat yhden kesän aikana vain n. 4 %-yksikköä. Peitetyt rangat ovat n. 10 %-yksikköä kuivempia kuin peittämättömät. Rankojen kuivumista ja siten niiden säilyvyyttä voidaan tehostaa merkittävästi rikkomalla kuorta (motokaato, kuorinta, aisaus). 27.3.2017 14
Pilkkeen kosteuden muutokset luonnonkuivauksessa 27.3.2017 15
Yksittäisiä pilkkeitä kuivumassa simulaattorissa 27.3.2017 16
Erikokoisten kuorellisten ja kuorettomien pilkkeiden kuivuminen T = 20 C, RH = 40 %, v = 2 m/s 50 45 40 35 kuorellinen, 34 cm kuoreton, 34 cm kuorellinen, 34 cm, puolta ohuempi kuoreton, 34 cm, puolta ohuempi Kosteus, % 30 25 20 15 10 5 0 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 Aika, h Läpimitan puolittaminen lyhentää kuivumisaikaa puoleen 27.3.2017 17
Samankokoisten kuorellisten pilkkeiden kuivuminen erilaisissa sääoloissa 50 45 40 35 T=20 C, RH=60 %, WS=2 m/s T=20 C, RH=40 %, WS=2 m/s T=30 C, RH=40 %, WS=2 m/s Kosteus, % 30 25 20 15 10 5 0 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 Aika, h Ilmankosteudella suurempi vaikutus kuin lämpötilalla 27.3.2017 18
Pilkkeiden sijainti kuivauspaikassa Pilkkeiden välistä kosteuseroa voi lisätä alustan kasvusto sade, aurinko kosteuden tiivistyminen viileimpään osaan (esim. kuivurissa, peitteen alla) Tutkittiin lavallisen kaikki pilkkeet Lavan yläosa Lavan alaosa Pilkkeiden numerointi lavan päällimmäisistä pilkkeistä alkaen Lähde: Erkkilä ym. 2010 19
Esimerkkejä, pilkkeet käsittely-yksiköissä Pienehköissä käsittelyyksiköissä pilkkeet kuivuvat hyvin ja tasaisesti Kuivaus 3,2 i-m 3 :n metalliverkkohäkissä Lähde: Erkkilä ym. 2010 20
Esimerkkejä, pilkonta-aika ja paikka 11 m 3 :n kehikko metsäaukealla Pilkottu 14.5., peitetty 13.8., näytteet 5.11.2011. keskiarvo 19,5 % ja keskihajonta 2,2 %. 15 m 3 :n kehikko metsäaukealla Pilkottu15.6., peitetty 13.8., näytteet 5.11.2011 keskiarvo 22,7 % ja keskihajonta 3,4 %. Pilkonta-ajankohta ja tuuliolosuhteet vaikuttavat kuivumiseen 15 m 3 :n kehikko järven rannassa Pilkottu kesäkuun alussa, peitetty myöhemmin, näytteet 4.11.2011 keskiarvo 19,5 % ja keskihajonta 1,9 %. 21
Esimerkkejä, isoissa erissä kuivaus Isotkin pilke-erät kuivuvat kevään ja kesän kuluessa, kun ilma kiertää. Näissä tapauksissa kehikon pienin mitta oli noin 3,5 metriä. Tätä suuremmista kehikoista ei ole mittaustuloksia. 60 m 3 :n kehikko Pilkottu toukokuun alussa, (alkukosteus 42%), peitetty loppukesällä, näytteet 25.10.2011 keskiarvo 19,9 % ja keskihajonta 2,2 %. 20 m 3 :n kehikko Pilkottu19.4. (alkukosteus 44%), peitetty heinäkuun puolivälissä, näytteet 12.10.2011 keskiarvo 18,7 % ja keskihajonta 4,1 %. 22
Kostuminen syksyllä Varastokehikot pilkkeet valmistettu keväällä kuivia jo kesäkuun lopulla syksyn aikana pilkkeiden kosteus lähestyy tasapainokosteutta Pilkkeen kosteus, % 40,0 35,0 30,0 25,0 20,0 15,0 10,0 5,0 0,0 1.6. 1.7. 31.7. 30.8. 29.9. 29.10. 28.11. 28.12. Pvm Syksyllä pilkkeet kostuvat ulkovarastossa. Sateelta suojattuna kuitenkin melko hitaasti. 23
Yhteenveto Pilkkeet Pilkkeen koolla ja kuoren osuudella on huomattava merkitys pilkkeiden kuivumisnopeuteen. Kuivumisnopeuteen vaikuttaa eniten pilkkeen paksuus paksuuden puolittuminen lyhentää kuivumisaikaa noin puoleen. Pilkkeen kuivumista voidaan tehostaa merkittävästi rikkomalla kuorta, esim. pilkkeiden teon yhteydessä. Jo pienikin kuoren rikkominen edistää pilkkeen kuivumista. Pilkkeitten kuivumisnopeus varastossa riippuu voimakkaasti ympäristön lämpötilasta ja ilman suhteellisesta kosteudesta. Kuivumisnopeudessa ei ole merkittävää eroa eri kokoisten (1 15 m 3 ) katettujen varastokasojen välillä. Katetut/peitetyt pilkkeet ovat noin 7 %-yksikköä kuivempia kuin peittämättömät pilkkeet. 27.3.2017 24
Liiketoimintamallit ja kustannukset 27.3.2017 25
Perinteinen tuotantolähtöinen pilkeketju Raaka-aineen etsintä Leimikon osto METSÄ metsänomistajat Metsäsuunnittelu Metsäkeskuksen ja MHY:n tuki Korjuun suunnittelu Korjuu Kuljetus Kemera-tuki Markkinointi Laskutus Jälkihoito Tehdasvarastointi Pilkonta Pakkaus Kuivaus TUOTANTO polttopuuyrittäjät Siistaus ja mahd. 2. pakkaus Varastointi Lastaus Kuljetus Pitkän matkan runkosiirto Varastointi Siirto polttoon Purku MARKKINAT loppukäyttäjä Siirto varastoon Lähijakelu Poltto YDINPROSESSIT (Airaksinen 2004) Raaka-aineen hankinta Pilkonta Tilaus ja toimitus 27.3.2017 Lähde: PUUT 46 Metla 2006 26
Perinteisen mallin kustannusjakauma 120,0 100,0 Euro / kiinto-m 3 80,0 60,0 40,0 20,0 ALV. (22 %) Markkinointi ja laskutus Jakelu Pakkaus Kuivaus ja varastointi Pilkonta Jatkettu lähikuljetus Hakkuu Kantohinta 0,0 150 350 1500 Tuotantomäärä, kiinto-m 3 Yrittäjä tekee lähes kaiken 27.3.2017 27
Palvelulähtöinen pilkeketju TIETO MITÄ ASIAKAS TODELLA HALUAA Markkinointi Jälkihoito MILLAINEN TOIMITUS ASIAKKAALLE SOPII Laskutus KUINKA VALMISTAN ASIAKKAAN HALUAMAT PILKELAADUT Korjuun suunnittelu MISTÄ LÖYDÄN LAADUKKAAN RAAKA-AINEEN SOPIVAAN HINTAAN Leimikon osto Siirto varastoon Purku Kuljetus Pitkän matkan runkosiirto Pilkonta Kuivaus Tehdasvarastointi Kuljetus Korjuu Metsäsuunnittelu Metsäkeskuksen ja MHY:n tuki Kemera-tuki PILKKEET Lähde: Sikanen, Tahvanainen/ Metla 2006 27.3.2017 28
Kaksilinjainen klapintuotanto Puumäärä luokassa, m 3 120 100 80 60 40 20 Koivikon ensiharvennus 0 7 9 11 13 15 17 19 21 23 25 27 Läpimittaluokka, cm Erän pilkonta Hakki 2X:llä - tuottavuus 2,2 m 3 /h, - kiinteät kustannukset 1 278 /vuosi - pilkontakustannus 11,3 /m 3 Erän pilkonta 13 cm läpimittaan asti Superpilke 2000:lla ja loput Hakki 2X:llä - tuottavuus 5,4 m 3 /h, - kiinteät kustannukset 2 455 /vuosi - pilkontakustannus 6,1 /m 3 Lähde: Sikanen, Tahvanainen/ Metla 2006 27.3.2017 29
Virtuaali-klapitehdas Metsään -palvelu PILKKEEN PIENTUOTTAJAT Oma metsä PILKEMYYJILTÄ NOUTO 50-100 p-m3 PILKETERMINAALI TERMINAALIIN TOIMITUS RUNKOSIIRTO TERMINAALISTA NOUTO JAKELU ASIAKKAILLE LOPPUKÄYTTÖ 27.3.2017 30
Noutoterminaali Metsään -palvelu PILKKEEN PIENTUOTTAJAT Oma metsä PILKEMYYJILTÄ 50 / m 3 (ALV 0%) NOUTO 50-100 p-m3 TERMINAALIIN TOIMITUS 70 / m 3 (ALV 0%) TERMINAALISTA NOUTO 27.3.2017 31
Energiasisältöön perustuva pilkekauppa Pilkonnan yhteydessä punnitaan ja otetaan kosteusnäyte Seuranta pilkeerän painon muuttuessa pystytään laskemaan kosteus Loppupunnitus ennen jakelua Asiakkaalle hyötyä Selkeä peruste pilkekauppaan - asiakas tietää mistä maksaa Vertailu muihin lämmitysmuotoihin helpottuu Dokumentoitu tuotantoprosessi ja tuoteseloste vakuuttaa Yrittäjälle hyötyä Myyntihinnalle selkeä peruste, merkittävin laatukriteeri Tuotantoprosessin ohjaus helpottuu, tieto pilkkeen kosteudesta ja energiasisällöstä massaa mittaamalla Verkottuneessa toimintamallissa voidaan yrittäjien kesken käydä kauppaa massa- tai energiapohjalta 27.3.2017 32
Yrittäjien kokemuksia energiapilkekonseptista Laadunvarmistus alkaa jo pilkkeen teon yhteydessä Kuivumisen kontrollointi välipunnituksella Suojaan siirto, myyntivalmius Enemmän hyötyä suhteessa kuluneeseen työaikaan Toimituksen yhteydessä tehty punnitus luo uskottavuutta, vältytään ylikuormilta Asiakkaalle voidaan antaa tarkka tuoteseloste Asiakas kiinnostunut tiedosta, jos sitä on saatavilla Verkostoitumisessa varmistutaan tasalaatuisuudesta Pilke-erän tiiviimmälle pakkaamiselle saadaan korvaus Tyytyväiset asiakkaat! 27.3.2017 33
Kuivaus 27.3.2017 34
Polttopuun kuivaustavat Luonnonkuivaus, ulkoilman lämpötila Edullinen, hidas, voi heikentää laatua, sääriippuva Kylmäilmakuivaus, ulkoilman lämpötila Nopeuttaa kuivumista, tasaisempi laatu, sääriippuva Lämminilmakuivaus, T<100 o C Mahdollistaa ympärivuotisen toiminnan Nopeuttaa raaka-aineeseen sitoutunutta pääoman kiertoa Lämpöenergian kulutus (ilman lämmön talteenottoa) n. 100 kwh/i-m 3, kun ulkolämpötila on +15 n. 160 kwh/i-m 3, kun ulkolämpötila on -15 27.3.2017 35
Kuivauksessa poistettava veden määrä 1.6 1.4 Kosteussuhde, kgh2o/kgka 1.2 1.0 0.8 0.6 0.4 Vedestä poistuu 70 % 0.25 0.82 0.2 0.0 0 10 20 30 40 45 50 60 70 Polttoaineen vesipitoisuus, % märkäpainosta 27.3.2017 36
Lämminilmakuivuri vs. kylmäilmakuivuri Water content (g/kg) 0 5 10 15 20 25 30 35 Δx = 10 g/kg 27.3.2017 37
Kuivausilman lämpötilan vaikutus kuivausaikaan 60 Pilkkeen kosteus, % 50 40 30 20 45 C 70 C 90 C 110 C 150 C 10 0 1 4 7 10 13 16 19 22 25 28 31 34 37 40 43 46 49 52 55 58 61 64 Aika, h 27.3.2017 38
Yli- ja alipainekuivuri Kuivuri Kuivuri Kuivausilman puhallus (ylipainekuivuri) Kuivausilman imu (alipainekuivuri) Kuivuri Kuivuri 27.3.2017 39
Kuivausilman kierrätys Kostea ilma ulos Ei ilman takaisinkierrätystä Kuivausilma sisään Kostea ilma ulos Ilman sisäinen takaisinkierrätys, suht.kost. kasvaa Kuivausilma sisään Kostea ilma ulos Ilman sisäinen takaisinkierrätys, suht.kost. pystytään pitämään halutulla tasolla Kuivausilma sisään 27.3.2017 40
Jatkuvatoiminen kuivuri Kostea ilma ulos Kuivausilma sisään Kostea ilma ulos Kuivausilma sisään Uusi pilke-erä sisään Kuiva pilke-erä ulos 27.3.2017 41
Pilkkeiden kylmäilmakuivausta 27.3.2017 42
Merikontista tehty kuivuri Tässä versiossa myös tuloilman lämmitys auringolla 27.3.2017 43
Konttikuivurin pohjaratkaisu 27.3.2017 44
Potkuripuhallin 50 cm, 2,2 kw/3000 kierr. moottorilla 27.3.2017 45
Lämminilmakuivuri esimerkki kuivausilman kanavoinnista Kuivausilman tulokanava katossa Poistoilman kanavat 27.3.2017 46
Latomallinen lämminilmakuivuri esimerkki kuivausilman kanavoinnista 2 Ilma imetään pohjasta reikälevyn läpi, jonka alla ilmakanavat Lämmönvaihdin on kuivurin katossa, tuloilma katon raoista 27.3.2017 47
Kuivaus 80 kuution kylmäilmakonttikuivurissa Kontin 1. koivupilke-erä Kuivaus huhtikuun alusta., keskiarvokosteus: 31.5. 19,5 % keskihajonta 2,9 %. Kontin 2. koivupilke-erä Kuivaus alkoi 6.6., keskiarvokosteudet: 4.7. 21,7 % 27.10. 17,2 % 4.11. 20,7 % keskihajonnat 1,9 % 2,1 %. Pilkkeen kosteus, % 40 35 30 25 20 15 10 5 0 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 Pilkkeen kuivamassa, g Puhaltimia käytetään sääolosuhteiden (T, rh) ja kuivumisvaiheen mukaan. Tuloksena tasalaatuiset kuivat pilkkeet. 40 Toisen kontin 1. koivupilke-erä Kuivaus alkoi 20.7.2011., keskiarvokosteus: 14.12. 19,9 % keskihajonta 1,4 %. Pilkkeen kosteus, % 35 30 25 20 15 10 5 0 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 Lähde: Erkkilä ym. 2010 Pilkkeen kuivamassa, g 48
Pilkkeiden kuivuminen Kylmäilmakuivurissa kuivausaika 5 viikkoa pilkkeiden alkukosteus 45 59 %, loppukosteus 15 43 % Kanavan vieressä kuivui, seinustalla ei, irronnut kuori yms. sälä vaikeuttaa ilman liikkumisen, värimuutoksia C A D E B F 27.3.2017 49
Kuivauksen poistoilman säätö 40 35 Kuivurin poistoilman lämpötila ja suht. kosteus 100 90 Lämpötila, C 30 25 20 15 10 5 Poistoilman lämpötila Poistoilman kosteus 80 70 60 50 40 30 20 10 Suhteellinen kosteus, % 0 0 14.6. 16.6. 18.6. 20.6. 22.6. 24.6. 26.6. 28.6. 30.6. 2.7. Tyypillisesti poistuvan ilman kosteus vähenee, kun puut alkavat kuivua Hyötysuhteen parantamiseksi ilman säätöä pitää optimoida 50
Kuivaus lämminilmakuivurissa Lämminilmakuivuri DRY-AIR DA 6 -puutavarakuivaamo Kostean ilman kondensointi (lämpöpumppuperiaate), nimellistäyttö 15 m 3, kuivauslämpötila 60 C, nimellishaihdutusteho 450 litraa/vrk, kiertoilmapuhaltimet 6 kpl 0,55 kw, joissa pyörimissuunnan vaihto, kompressorin teho 5,8 kw Lämmöntuotanto pellettilämpökeskuksesta 51
Pilkkeiden kuivuminen lämminilmakuivurissa 27.4.-4.5.2011 koivupilkkeet Raaka-aineen läpimitta kuivamassa 1/ 2-klapi 1/ 4-klapi 500 g 9 cm 13 cm 1000 g 13 cm 18 cm 1500 g 16 cm 22 cm Lähde: Erkkilä ym. 2010 27.3.2017 52
Kuivauksen kustannukset Kuivauksen kustannus riippuu Kuivurin kustannuksista (pääomakulut) Kuivurin käyttökustannuksista (muuttuvat kulut) Lämmön hinta Puhallusilman tarve (sähkö) Työ Yksikkökustannus riippuu kuivausvolyymistä, /i-m 3 27.3.2017 53
Kuivauskustannusesimerkki Kuivuri Kapasiteetti 25 m 3 Investointikustannus 30.000 Käytettävä lämpöenergian hinta 35 /MWh Vertailu: Kylmäilmakuivauksen kustannus jäänee n. 1 /i-m 3 Kuivaus 100 erää vuodessa Kuivauksen energiantarve 340 MWh Kuivauskustannukset yht. n. 17.000, josta 77 % muuttuvia kustannuksia Eli 6,7 /i-m 3 27.3.2017 54
Aurinkolämmöllä tehostettu biomassan kuivaus TARVE Useat biomassalle sopivat termo-kemialliset konseptit vaativat lähes kuivan syötteen. Nykyinen tapa kuljettaa ja polttaa märkää biomassaa on monessa mielessä tehoton. Lisäksi tarve edullisille energian varastointiratkaisuille on jo olemassa ja jatkuvassa kasvussa. RATKAISU Tehostamalla biomassan kuivausta aurinkoenergialla, rajallisia kestävän bioenergian resursseja voidaan lisätä Tuotantopaikoille hajautettuna, kuivaus mahdollistaa energian tehokkaan kausivarastoinnin HYÖTY Kustannustehokas energian kausivarastointi kesästä talveen Uusille termo-kemiallisille prosesseille sopiva kuiva syöte Kustannustehokkaampi logistiikkaketju Parempi hyötysuhde ja pienemmät päästöt sekä kuljetuksissa että loppukäytössä 27.3.2017 55
Uudet aurinkolämmön käyttökohteet Biokuivuri VTT:n kuivauslaitteistolla voidaan kuivata n. 1 m 3 haketta kerrallaan. Kuivausilma voidaan lämmittää aurinkokeräimillä tai sähkövastuksilla, joilla voidaan simuloida hallitusti koeajoon halutut olosuhteet. CO 2 :n erotus ilmasta (DAC) Aurinkolämpöä voidaan hyödyntää myös suoraan ilmasta tehtävässä hiilidioksidin erotuksessa. 27.3.2017 56
Yhteenveto Raaka-aine vaikuttaa alkukosteuteen ja kuivumiseen raaka-ainetta voidaan kuivata jo ennen pilkkeiden/hakkeen valmistusta Keinokuivauksella voidaan nopeuttaa puun kuivumista ja hallita kuivausprosessia paremmin kuivaustapa riippuu tuotantovolyymistä, toimintamallista ja investointihalukkuudesta Pilkkeen tuotannon sesonkiluonteisuus vähenee Varaston kierto lyhenee Voidaan vastata paremmin muuttuvaan kysyntään Parempi hinta? Tehokkaan ja toimivan kuivurin voi rakentaa edullisesti, mutta kuivauksen taselaskentaan ja mitoitukseen kannattaa kiinnittää huomiota Kaikilla kuivaustavoilla voidaan saavuttaa hyvää polttopuuta kunhan kiinnitetään huomiota koko tuotantoketjuun Energiasisältöön perustuva pilkekauppa mahdollistaa paremman laadun ja määrän kontrollin 57
TEKNOLOGIASTA TULOSTA