BIOMASSASTA TOISEN SUKUPOLVEN LIIKENTEEN POLTTOAINEITA Liekkipäivä, Otaniemi 31.1.2007 Esa Kurkela Yksi globaaleista muutostarpeista polttonesteiden ja kemikaalien tuotanto öljyä korvaavista raaka-aineista 2 1
3 POLTTONESTETUOTANNON INTEGROINTI PROSESSITEOLLISUUTEEN TAI KAUKOLÄMMITYKSEEN - suomalainen ratkaisu liikenteen biopolttoaineille Paperi, sellu Voimalaitos Kuivausenergia Prosessihöyry ja sähkö Kaasutus ja kaasunpuhdistus Sellu- ja paperitehdas polttokaasua + höyryä Puu, peltobiomassat, turve ja kierrätyspolttoaineet Biomassan käsittely ja kuivaus kuori, metsätähteet muu biomassa happi + höyry synteesikaasu FT-synteesilaitos Synteettinen biodiesel 4 2
Liikenteen biopolttoaineiden kasvihuonekaasupäästöt Kasvihuonekaasupäästöt (kg CO 2-ekv./GJp-a) 250 200 150 100 50 0 perinteinen kyntöön perustuva viljely Ohraetanolin, RME:n ja F-T-dieselin tuotannon sekä fossiilisten vertailupolttoaineiden kasvihuonekaasupäästöt polttoaineen energiasisältöä kohden suorakylvö perinteinen kyntöön perustuva viljely polton CO2-päästöt polttoaineen valmistus, varastointi ja jakelu raaka-aineen tuotanto 2 nd Generation Biofuels suorakylvö hakkuutähde ruokohelpi diesel bensiini EtOH EtOH RME RME F-T-diesel F-T-diesel fossiilinen fossiilinen Source: Mäkinen, T., et al. Liikenteen biopolttoaineiden ja peltoenergian kasvihuonekaasutaseet ja uudet liiketoimintakonseptit 5 BIOMASSAN KAASUTUSTEKNIIKAN SOVELLUKSET Öljy Hiili Pölykaasutus 1000-1500 o C Synteesikaasu H 2 +CO Biodiesel Biovety Biometaani Kemikaalit Biomassa Jätteet Leijukerros kiinteäkerros 600 1000 o C Polttokaasu Polttokennot Kaasuturbiinit Moottorit Kattilat Prosessiuunit O 2 H ö y r y I l m a 6 3
Biomass Drying General Layout of Processes for Bio-Syngas Production and Conversion Main R&D area Gasification & Reforming HP Steam LP Steam Gas Cleaning CO shift, CO 2 removal Gas Conditioning Synthesis/ Separation MP Steam LP Steam Off-gas Main Product Heat CC, FCCC Applications 1 30 bar 1 30 bar 30 bar FT, SNG, H 2 : 20 30 bar CH 3 OH, DME: 100 bar 850 C 40-280 C (final) (IGCC: 500 C) 40-350 C (initial) FT, CH 3 OH, DME, SNG, H 2 /trad: 200 300 C H 2 /PSA: 40 C Abbreviations: CC Combined-Cycle energy production FCCC Fuel-Cell Combined-Cycle energy production FT Fischer-Tropsch liquid fuels SNG Synthetic Natural Gas (CH 4 ) CH 3 OH Methanol DME Di-Methyl Ether H 2 /trad Traditional process for H 2 production from syngas H 2 /PSA H 2 production based on separation by Pressure Swing Absorption SYNTEESIKAASUA TURPEESTA KEMIRAN AMMONIAKKITEHTAALLA kaasuttimen polttoaineteho 140 MW, toiminnassa 1989-91 Peat from MoDo steam dryer HTW gasifier Steam Peat crush moisture 15 % 10bar 750-950 C Waste heat boiler Benzene from naphthalene extraction Benzene scrubber Gas to amisol scrubber 1500 k mol/h 29 bar Steam Oxygen Recycle gas Water scrubber To naphthalene extraction Dust Sludge separation Ash 8 4
KEMIRAN TURVEAMMONIAKKIHANKKEEN KOKEMUKSET kaasuttimen polttoaineteho noin 140 MW, toiminnassa 1989-91 Turpeen esikäsittely paineistettua kaasutusta varten kehitettiin ja demonstroitiin murskaus ja paineistettu höyrykuivaus syöttö paineelliseen kaasuttimeen Turpeen ja puubiomassojen laadun vaikutus kaasutusominaisuuksiin tutkittiin perusteellisesti Paineistettu happi/höyrykaasutus demonstroitiin teollisessa mitassa HTW-kaasutin kehitetty alun perin ruskohiilelle turpeella ja puulla syntyy enemmän tervaa ja tuhkan aiheuttamia ongelmia esiintyi kaasuttimessa ja kaasulinjassa saatiin teknisesti toimimaan mutta ei optimaalisesti 1990- ja 2000-luvuilla luotu uutta tietotaitoa biomassan ja jätteiden kaasutuksesta 9 SYNTEESIKAASUA BIOMASSASTA Projektin vaihe I : 1.1.2004 31.5.2007 Kaasutusmenetelmän valinta ja kehittäminen Kaasun puhdistuksen tutkimus ja kehitys Koetoiminta 500 kw:n laitteistolla Otaniemessä Teknis-taloudelliset tarkastelut Integrointi metsäteollisuuteen, kaukolämpölaitoksiin tai öljyn jalostukseen Teollinen kokoluokka 150 300 MW Vaiheiden II & III demolaitosten esisuunnittelu 50 MW:n kaasutin ja sivuvirtademolaitos 250 MW:n tuotantolaitos Kumppanit ja rahoitus VTT, TKK, Foster Wheeler, Neste Oil, Andritz, Vapo, PVO, StoraEnso, M-real, MetsäBotnia, UPM ja Rintekno kokonaisbudjetti noin 4 M päärahoittajat Tekes ja VTT 10 5
UUSI 2. SUKUPOLVEN KAASUTUSPROSESSI 500 kw:n koelaitteisto VTT:llä Otaniemessä Polttoaineen syöttö PFB-kaasutin Suodatin Katalyyttinen reformeri Sivuvirtalaitteille: - loppupuhdistus - vedyn valmistus - FT-synteesi - polttokennokäyttö Jäähdytin Happi Höyry Ilma Paineistettu CFB-kaasutin - laaja polttoainepohja, ei tuhkaongelmia - hyvä hiilikonversio jo alhaisessa lämpötilassa Katalyyttinen puhdistus - tervaongelmien eliminointi - korkea synteesikaasusaanto -oikeah 2 /CO-suhde Kuumasuodatus, tuhkan hapetus, kaasun jäähdyttimen rakenne ym. 11 SYNTEESIKAASUTUS- TEKNIIKAN KEHITYSPOLKU Oulun turveammoniakkilaitos Biopolttonesteen tuotantolaitokset metsäteollisuuden tai lämpövoimalaitosten yhteydessä - dieseltuotanto: 50-150 000 tn/tehdas - sivutuotteena prosessihöyryä ja polttokaasua tehtaan/voimalan käyttöön Ensimmäinen tuotantolaitos - 250 MW:n polttoaineteho - 105 000 tonnia/a dieseliä - 3 % Suomen liikennepolttoaineesta - käynnistyminen 2012-14 Kaasutuksen voimalaitossovellukset (Lahti, Corenso, Värnamo, Kokemäki) Teollinen demolaitos: 30-50 MW - öljyn/maakaasun korvaus - käynnistyminen 2009 Uudet sovellukset - polttokennot, uudet voimalat - vihreä maakaasu, vety - vihreät kemikaalit 1985 1995 2000 2005 2010 2015 2020 2025 2030 Synteesikaasutuksen T&K 1980-luvulla Kaasunpuhdistuksen kehitys VTT:n synteesikaasutuksen 500 kw:n pilot Jatkotutkimus: - prosessin optimointi - jätteiden kaasutus - vedyn/ch 4 :n valmistus 12 6
Esimerkki teknistaloudellisista laskelmista kypsä teknologia FT-POLTTONESTEEN ARVIOIDUT TUOTANTOKUSTANNUKSET 200 MW:n polttoaineteho, paperitehtaaseen integroitu vs. stand-alone -tehdas Valmistevero Nykyinen jalostamohinta (ilman veroja) FT-Liquids Production Costs, EUR/MWh 70 60 50 40 30 20 10 0 5 10 15 20 Biomass Fuel Price, EUR/MWh Fully integrated, off-gas replaces fossil fuel Stand-alone, excess steam to condensing turbine Lisäksi FT-polttoaineen loppujalostus dieselpolttoaineeksi: noin 4 EUR/MWh 200 MW:n laitoksen investointikustannus on noin 200 M 13 Estimated Production Costs 260 MW feed ; Feedstock at 10 EUR/MWh; Interest on capital 10 %, 20 a Production Costs, EUR/MWh 50 40 30 20 10 0 When utilised as automotive fuel, end-use costs increase significantly in this direction: FT CH3OH SNG H2 Notes: (1) Feedstock drying: from 50 % moisture to 30 % with secondary heat; from 30 % to 15 % with by-product steam. (2) FT: Fischer-Tropsch primary liquids; reforming loop included. 14 7
Estimated Forest-to-Wheel Costs 260 MW feed ; Feedstock at 10 EUR/MWh; Interest on capital 10 %, 20 a 100 Costs, EUR/MWh 80 60 40 20 Vehicle-related extra costs Distribution costs, incl. pressurisation for SNG Upgrading costs (FT) Production costs 0 FT SNG Forest-to-Wheel Costs: Biomass-FT < Biomass-SNG < Biomass-H 2 -FC 15 PUUN, TURPEEN JA PELTOBIOMASSOJEN KAASUTUS JA LIIKENNEPOLTTOAINEET Suomessa kehitetään voimakkaasti toisen sukupolven synteesikaasutusteknologiaa, jolla suuri merkitys sekä kotimaan polttonestemarkkinoilla että vientituotteena Vuonna 2007 edetään VTT:n vetämästä tutkimusprojektista yritysvetoiseen kehitys- ja demonstrointihankkeeseen Erilaiset metsä- ja peltobiomassat sekä turve soveltuvat hyvin prosessin raaka-aineeksi Ei kilpailla metsäteollisuuden raaka-aineen käytöstä vaan hyödynnetään sivutuotteita ja metsätähdettä Yksi laitos tuottaa tyypillisesti 2-4 % Suomen liikennepolttoainetarpeesta, laitosten lukumäärä riippuu raaka-aineen saatavuudesta ja kilpailukyvystä, monistetaan maailmanlaajuisesti Laitokset parhaiten integroitavissa joko metsäteollisuuteen tai muuhun lämpöä kuluttavaan teollisuuteen Liikennepolttoaineista uusi biomassan ja turpeen high-tech käyttökohde, koko ketjun ympäristöystävällisyys keskeisen tärkeää 16 8
KIITOKSET KTM:lle, Tekesille ja VTT:lle pitkäjänteisestä kaasutusalan tutkimuksen ja uuden tekniikan demonstroinnin tukemisesta Hankkeeseen osallistuville yrityksille projektin suuntaamisesta ja jatkohankkeiden valmistelusta 17 9