Kivihiilen korvaaminen biomassoilla yhteistuotannon pölypolttokattiloissa Työ- ja elinkeinoministeriön VTT:ltä tilaaman taustaselvityksen tulosten yhteenveto Satu Helynen, Kai Sipilä Martti Flyktman, Janne Kärki, Markus Hurskainen 23.3.2011
2 VTT:n taustaselvityksen tavoite ja tehtävät Lähtökohtana Suomen tavoite nostaa uusiutuvien energialähteiden käyttö loppukulutuksesta 38 prosenttiin vuoteen 2020 mennessä. Uusiutuvan energian velvoitepaketissa huhtikuussa 2010 esitettiin yhtenä toimenpiteenä kivihiilen korvaamista biomassalla yhteistuotannon (CHP) kivihiilipölypolttokattiloissa Tavoitteena selvittää, onko mahdollista korvata kivihiiltä biomassoilla käytössä olevissa CHP-laitosten pölypolttokattiloissa sekä mitkä olisivat korvaamisesta aiheutuvat kustannukset Työn sisältö Teknologiset mahdollisuudet ja laitoskohtaiset erot kivihiilen korvaamiseen eri biomassan osuuksilla ja erityyppisillä biomassoilla. Uuden tekniikan kehitystilanne ja kaupallistuminen Biomassojen saatavuus ja hintatasot laitoksilla, puusta maksukyky Selvitetään tarvittavien taloudellisten tukien taso kivihiilen korvaamiseksi. Tarkasteltavina vaihtoehtoina ovat investointituet ja uusiutuvan sähkön tuotantotuet. Yhteenveto ja johtopäätökset Vuorovaikutteinen työtapa: selvityksen sisällön esittely toimijoille 12.11.2010, toimijakohtaiset luottamukselliset keskustelut 11/2010 3/2011, tulosten esittely toimijoille 10.3.2011. Loppuraportti valmistuu maaliskuussa.
3 Pölypoltto-CHP-voimalat Tarkasteluun piirin kuuluvat seuraavat pölypoltto-chp-voimalat, joiden kivihiilen käyttö on ollut noin 14 TWh vuodessa Pääkaupunkiseutu Helsingin Energia : Hanasaari ja Salmisaari Vantaan Energia Oy : Martinlaakso Fortum Power and Heat Oy : Espoo, Suomenoja Muualla sijaitsevat voimalat Fortum Power and Heat Oy : Naantali Lahti Energia Oy : Kymijärvi Vaskiluodon Voima Oy: Vaasa Pölypolttolauhdevoimalaitoksista luetellaan vain laitokset, hiilen vuotuisen kokonaiskäytön vaihteluväli, ja tehdään karkea kustannusvertailu CHPlaitoksiin verrattuna uusiutuvien lisäyksen kustannuksista energian loppukulutusta kohden ( /MWh). Samasta biopolttoainemäärästä saadaan CHP-laitoksissa yli kaksi kertaa enemmän uusiutuvaa energiaa (loppukulutuksena laskettuna) verrattuna lauhdelaitokseen, koska CHP-laitoksissa hyödynnetään sähkön lisäksi lämpökin.
4 Tarkastelussa huomioon otettavia tekijöitä (1/2) Nykyiset voimalat ovat melko vanhoja, osa on rakennettu jo 1960 1970 luvuilla, loput 1980-luvun puoliväliin mennessä. IE-direktiivi (päästömääräykset rikki- ja typenoksideille ja hiukkaspäästöille) edellyttää useilla laitoksilla investointeja päästöjen vähennyksiin lähivuosina: biomassaratkaisut kytkeytyvät päästövähennysinvestointeihin. Kivihiiltä käyttävät voimalat sijaitsevat Lahtea ja Vantaata lukuun ottamatta rannikolla, ja laitosten sijainti ja kaupunkitila vaikuttavat oleellisesti polttoaineen varastointiin, saatavuuteen ja logistiikkaan Usean laitoksen korvaamista suunnitellaan 10-20 vuoden sisällä, ja tarkasteltavat tukitoimet eivät saisi hidastaa uusinvestointeja, joissa bioenergiaa voidaan käyttää kustannustehokkaasti suuria määriä
5 Tarkastelussa huomioon otettavia tekijöitä (2/2) Tukitoimien tulisi lisätä biomassan käyttöä, eikä vain siirtää biomassan käyttöä laitokselta toiselle nostaen biomassan hintatasoa ja keskikuljetusmatkaa uusien biomassojen käyttö esim. olki, ruokohelpi mahdollistaa kalliimpien jalosteiden käyttö ja niiden valmistus alueilla, joissa ei paikallisia käyttökohteita tuontipolttoaineiden käyttömahdollisuus Kussakin laitoksessa on omat erityispiirteensä sekä teknisesti että polttoaineen saatavuuden että käsittelymahdollisuuksien osalta => kustannustarkastelut tehtiin valitulle keskimääräiselle tyyppilaitokselle, ja laitosten erityispiirteet on otettu huomioon arvioitaessa kokonaispotentiaalia
6 Tyyppilaitokselle (115 MW sähköä/230 MW kaukolämpöä, polttoaineen käyttö 2 TWh/a) tehtyjen kannattavuustarkastelujen lähtökohtia Sahanpuru Pelletti Puulinja* Kaasutus Biohiili Bio-osuus, % 5 15 30 50 50 Biomassateho, MW 20 60 120 200 200 Polttoaine /MWh Metsähake 20 Kuiva metsähake 22 Sahanpuru 18 Muut sivutuotteet 18 Peltobiomassa 20 Pelletti 30-(40) Biohiili 35-(50) Vuoden 2011 alku IEA Word Energy Outlook New policy scenario 2020 Kivihiili ( /MWh) 13 10 Päästöoikeus ( /t) 15 30 *Puulinjaan sisältyy puupolttoaineiden murskaus/haketus, kuivaus, erillinen puupolttoaineiden syöttö erillisistä polttimista kattilaan
7 Taloudellisten laskelmien kustannustekijät A) Biomassan käytöstä aiheutuvat muuttuvat ylimääräiset käyttökustannukset Polttoaineen käsittelyn ja syötön kustannukset Kattilavaiheen kustannukset Lämmönsiirtopintojen likaantuminen ja korroosio Omakäyttösähkön kulutus Lisäaineet Tuotantorajoitukset ja suunnittelemattomat alasajot Tuhkan käyttö B) Biomassan käytöstä aiheutuvat ylimääräiset pääomakustannukset ja kiinteät kustannukset Polttoaineen käsittelyn ja syötön järjestelmät Kattilavaiheen järjestelmät Huolto- ja korjaus Lisääntyneet henkilökustannukset C) Polttoaineiden ostot D) Lämmöntuotannon verot E) Muuttuva sähkön tuotantotuki metsähakkeella F) CO 2 -päästöoikeuksien osto/myynti
8 Kustannusten jakautuminen eri vaihtoehdoissa. Polttoaineiden ja päästöoikeuden hinta vuoden 2011 alun mukaan. Kivihiilen hinta on 13 /MWh. Päästöoikeuden hinta on 15 /t Käyttökustannukset, Milj. /a 70 60 50 40 30 20 10 0-10 Perustapaus Sahanpuru Pelletti Puulinja Kaasutus Biohiili Kaikki kustannukset yhteensä, Milj. /a CO2-päästöjen osto/myynti Lämmöntuotannon verot Biopolttoaineen osto Polttoaineen osto, fossiilinen BIO: tarvittavat ylimääräiset kiinteät kustannukset BIO: muuttuvat ylimääräiset käyttökustannukset
9 Kustannusten jakautuminen eri vaihtoehdoissa. Polttoaineiden ja päästöoikeuden hinta IEA Energy Outlook mukaan vuonna 2020. Kivihiilen hinta on 10 /MWh. Päästöoikeuden hinta on 30 /t. Käyttökustannukset, Milj. /a 60 50 40 30 20 10 0-10 Perustapaus Sahanpuru Pelletti Puulinja Kaasutus Biohiili Kaikki kustannukset yhteensä, Milj. /a CO2-päästöjen osto/myynti Lämmöntuotannon verot Biopolttoaineen osto Polttoaineen osto, fossiilinen BIO: tarvittavat ylimääräiset kiinteät kustannukset BIO: muuttuvat ylimääräiset käyttökustannukset
10 Biomassasta maksukyky* eri vaihtoehdoissa verrattuna valittuihin biomassojen nykyhintoihin Nykyhetki (kevät 2011): kivihiilen hinta on 13 /MWh, päästöoikeus 15 /t Energy Outlook 2020: kivihiili 10 /MWh ja päästöoikeus 30 /t. /MWh 40 30 20 10 Käytetty hinta Nykyhetki Energy Outlook 2020 0 Sahanpuru Pelletti Puulinja Kaasutus Biohiili *Biomassasta maksukyvyllä tarkoitetaan biomassan hintaa, jonka voimalaitos voi maksaa korvatessaan kivihiiltä kustannusten pysyessä nykytasollaan
11 Metsähakesähkön tuotantotuki verrattuna sähkön tuotantotuen tarpeeseen eri vaihtoehdoissa kahdella eri kivihiilen ja päästöoikeuden hintatasolla 2011: kivihiili 13 /MWh, päästöoikeus 15 /t (metsähakesähkön tuotantotuki 11,1 /MWh) 2020: kivihiili 10 /MWh, päästöoikeus 30 /t (metsähakesähkön tuotantotuki 0 /MWh) /MWh 60 50 40 48,8 41,7 30 20 10 0 27,5 18,9 20,3 11,1 10,6 11,8 3,6 0,0 Muuttuva tuki Puulinja Kaasutus Pelletti Biohiili Vuoden 2011 hintataso Vuoden 2020 hintataso -> Kaasutus ja jalosteiden käyttö vaatisivat enemmän tukea kuin nykyinen metsähakesähkön tuotantotuki sekä 2011- että 2020- tilanteessa, myös puulinja 2020-tilanteessa
12 Investointituen tarve puulinja- ja kaasutusvaihtoehdossa 2011: kivihiili 13 /MWh, päästöoikeus 15 /t (metsähakesähkön tuotantotuki 11,1 /MWh) 2020: kivihiili 10 /MWh, päästöoikeus 30 /t (metsähakesähkön tuotantotuki 0 /MWh) 60 % 50 % 48 % 40 % 30 % 32 % 32 % 20 % 10 % Vuoden 2011 hintataso Vuoden 2020 hintataso 0 % -10 % -4 % Puulinja Kaasutus Kaasutus tai puulinja vaatii merkittäviä investointeja voimalaitoksissa. -> Kaasutus ja puulinja vaatisivat investointitukea 2020-tilanteessa (jolloin ei metsähakesähkön tuotantotukea), kaasutus myös 2011-tilanteessa
13 Tukitoimien vaikutusten arviointia Toimenpide Myönteiset tekijät Mahdolliset riskit ja uhat Pellettien käytön edistäminen Vähentää mahdollisesti pellettien vientiä Ylisuuri tuki siirtäisi pellettejä pienkäytöstä pois -päästöoikeuden ja kivihiilen hinnan mukaan Nopeasti käyttöönotettavissa Metsäteollisuuden raaka-ainetta energiakäyttöön muuttuva sähkön tuotantotuki Käyttöönotosta käyttäjälle vähän riskejä (esim. sellutehtaiden purukeittimet, levyteollisuus) Peltobiomassan käytön edistäminen Hyödynnettävät biomassavarat kasvavat Käytettävyysriskit kasvavat kattiloilla - päästöoikeuden hinnan mukaan muuttuva Suuret vuotuiset vaihtelut saatavuudessa (olki) sähkön tuotantotuki (vastaava kuin metsähakesähkön tuki) Energiatuki uuden teknologian kaasuttimille Mahdollisuus hyödyntää monia biomassoja Lisää kilpailua biomassasta ko alueella Sitoutuminen biomassan käyttöön investoimalla ja nostaa siten mahdollisesti hintatasoa Mahdollisuus suureen hiilen korvausosuuteen TAI vaihtoehtoisesti energiatuki Kohtuullisen pieni investointi Suomessa ei käyttökokemuksia uuden teknologian puulinjoille Sitoutuminen biomassan käyttöön investoimalla Energiatuki uuden jalosteteknologian Mahdollisuus hyödyntää biomassavaroja alueilta Riski: tuotantokustannukset arvioitua korkeampia demonstroinnille SEKÄ joissa ei käyttökohteita, suuret korvausosuudet Jalosteet päätyvät vientiin biohiiilen, pyrolyysiöljyn ja vastaavien Mahdollistaa pitkät kuljetukset ja varastoinnin jalosteiden käytön edistämiseksi: Mahdollistaa teknologioiden kehittämisen päästöoikeuden ja kivihiilen hinnan mukaan jatkossa tuottamaan arvokkaampia tuotteita muuttuva sähkön tuotantotuki jalosteille öljyn korvaukseen ja pienkäyttöön (vastaava kuin pellettisähkön tuki)
14 Yhteenveto kivihiilen korvausmahdollisuuksista uusiutuvilla ja arvio lisätukitarpeesta vuoteen 2015 (vaihe 1) Toimenpide Kivihiilen korvausmahdollisuus lähivuosina TWh/a Jätteenpolttolaitosten valmistuminen 2, uusiutuvaa 50% Tarvittava lisätuki laskettuna nykyhinnoilla Tuki yhteensä milj. /a Monipolttoainelaitos Turun seudulle 1 (sähkön tuotantotuki metsähakkeelle ja peltobiomassoille) Sahanpuru, edullisten polttoaine-erien käyttö 0,2 Pellettien käytön edistäminen: päästöoikeuden ja kivihiilen hinnan mukaan muuttuva sähkön tuotantotuki 0,5 0,8 Pelleteillä 27,5 /MWh yhteistuotantosähkölle 3,9 6,2 Peltobiomassan käytön edistäminen: päästöoikeuden hinnan mukaan muuttuva sähkön tuotantotuki (kuten metsähake) Energiatuki a) Uuden teknologian kaasuttimille TAI b) (vaihtoeht.) uuden teknologian puulinjoille Energiatuki uuden jalosteteknologian demonstroinnille SEKÄ biohiilen, pyrolyysiöljyn ja vastaavien jalosteiden käytön edistämiseksi: Päästöoikeuden ja kivihiilen hinnan mukaan muuttuva sähkön tuotantotuki jalosteille (vastaava kuin pellettisähkön tuki) Yhteensä uusiutuvaa polttoainetta - uusiutuvaa energiaa (loppukulutus) 0,5 11 /MWh yhteistuotantosähkölle 2 (1) 40 % investoinnista TAI (40% investoinnista) 0,6 40 % investoinnista SEKÄ 27,5 /MWh yhteistuotantosähkölle 5,8 6,1 4,9 5,2 1,6 yht. 40 milj. TAI (yhteensä 20 milj. ) yht. 40 mijl. SEKÄ 4,7 Tuot.tuet 10,2 12,5 milj. /a Inv.tuet 80 milj.
15 Tukitarve ( /MWh e ) yhteistuotannossa biomassoista valmistetuilla jalosteilla tuotetulle sähkölle eri päästöoikeuden ja kivihiilen hinnoilla olettaen, että jalosteita on tarjolla hintaan 30 /MWh - esitetty kaava luonnosasteella: tarvittaneen tuen maksimin rajaus mm. erittäin edulliselle hiilen hinnalle /MWh 60 Kaava = 55 1,15 * Päästöoikeus 3,42 * (kivihiili 10); päästöoikeus >= 10 /t 50 40 Kivihiilen hinta 8 /MWh 30 20 Vuosi 2011 alku Vuosi 2020 10 /MWh 12 /MWh 14 /MWh 10 0 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Päästöoikeus /t
16 Uuden teknologian vaihtoehdot kaasutus, biohiili, bioöljy KAASUTUS Menestykkäästi käytössä Lahden Kymijärven laitoksella vuodesta 1998 60 MW Rakenteilla Lahdessa uusi voimala jätepolttoaineille sekä Joutsenoon meesauunin yhteyteen. On ajateltu toteutettaviksi isommissa yksiköissä 60 100 MW, edellyttää kuivahkoa puuta tai kuivausta Metsäenergian lisäksi matalatuhkaisen peltobiomassan seoskäyttö mahdollista Arvioitu korvaavan 30-50 % hiilestä Pitkällä aikajänteellä 2015 2020 kehittyy valmius synteesikaasupohjaiseen biometaaniin maakaasujakelussa. BTL-laitokset kehittävät ratkaisuja puusta. Mädätysratkaisut kovin pieniä kivihiilen korvaus tarpeeseen nähden. TORREFACTION JA PYROLYYSIÖLJY Torrefaction biohiilen valmistus 250-300 o C paahtamalla Euroopassa kehityskohteena, demolaitoksia suunnitteilla ~ 50 kt/a ~ 250 GWh/a Arvioidaan sopivan hiilipölykattiloihin sellaisenaan, edut kuljetuksessa, varastoinnissa sekä hiilimyllyillä ja tulipesässä. Pitkäaikaiskokemukset puuttuvat. Hiilen korvaus 50 %. Myös Suomessa tutkimus- ja kehitysvaiheessa Arvioidaan kaupallistuvan 2015 mennessä. Kilpailukyvyn ratkaisee vihreän sähkön tukitoimet eri maissa Puu- ja TOP-pelletit mahdollistavat laajan puupolttoainekaupan Euroopassa, maailmalla ennakoitu ~23 Mt/a v. 2015 Pyrolyysiöljyn valmistus purusta 550 o C, status ja kehitystilanne lähellä biohiiltä. Käyttömahdollisuus sekä öljy-, kaasu- että hiilikattiloissa
17 Mahdollisia kehityspolkuja vuoteen 2020 Pellettien käyttö voidaan aloittaa nopeasti pienehköllä osuudella ilman merkittäviä investointeja, mutta vaatii laajennuksen nykyiseen muuttuvaan sähkön tuotantotukeen Kaasutus- ja puulinjainvestointeja voidaan käynnistää portaittain uuden teknologian investointiavustuksilla IE-direktiivin toteutusratkaisut päätetään ja toteutetaan nykylaitoksilla arviolta 2012 2015. Ne voivat vaikuttaa joidenkin bioenergian käyttövaihtoehtojen priorisointiin laitoksilla Biohiilen (ja puuöljyn) demonstraatiolaitokset voisivat käynnistyä aikaisintaan 2013-14 ja isommat kaupalliset ehkä 2015-16, vaativat uuden teknologian investointiavustuksen Linjaukset uuden tekniikan vaihtoehtoineen olisi tarkistettava 2014-2015. Linjauksiin vaikuttaa mm. miten muut EU-jäsenvaltiot suunnittelevat 2020 vaihtoehtojaan ja mitä uusia velvoitteita jäsenvaltioille tulee. Biopolttoaineiden koti- ja kansainvälisten markkinoiden kehitys vaikuttaa linjauksiin tulevaisuudessa. Biomassan energiakäytön vaikutukset puuraaka-aineen hankintaan tulee sisällyttää linjausten tekemiseen.