Biomassan poltto CHP-laitoksissa - teknologiat ja talous Janne Kärki, VTT janne.karki@vtt.fi puh. 040 7510053 8.10.2013 Janne Kärki 1
Eri polttoteknologiat biomassalle Arinapoltto Kerrosleiju (BFB) Kiertoleiju (CFB) Source: MW-Power up to few MWe Pölypoltto (PC) - biomassan seospoltto Source: Metso Power Medium to large scale up to 500 MWe Source: Metso Power Medium to large scale up to 100 MWe 8.10.2013 Janne Kärki 2
Kiertoleijukattila (CFB) Polttoainejoustavuus Alhaiset päästöt Skaalautuvuus Korkea hyötysuhde Source: Foster Wheeler 8.10.2013 Janne Kärki 3
Polttoainejoustavuutta CFB-teknologialla Alholmens Kraft, Pietarsaari, Finland CFB technology: 550MW th 194kg/s, 165bar, 545 C Uses 40 % peat, 20 % coal, 30 % of biomass (forest residues, industrial wood and bark etc.) and 10 % SRF The design of the plant allows great fuel flexibility, the boiler is able to combust all mixtures from 100 % biomass to 100 % coal Source: Alholmens Kraft 8.10.2013 Janne Kärki 4
Arinapoltto Perinteinen polttomenetelmä kosteille polttoaineille (kuori, jne.), jopa 70 % kosteus Yleisin pienemmässä kokoluokassa (< 10 MW th ) Leijuteknologia dominoi suuremmassa kokoluokassa (10-500 MW) Source: MW-Power 8.10.2013 Janne Kärki 5
Vilppulan sahan voimalaitos MW Power toimitus 2004 Voimalaitos on tyypiltään Biopower 5 DH, arinapoltto Sähköteho 2,9 MWe, lämpöteho 13,5 MWth Voimalaitoksen kanssa samassa rakennuksessa on 9 MWth lämpölaitos Polttoaineena käytetään viereiseltä sahalta saatavaa puun kuorta, sahanpurua ja haketta. Source: MW-Power 8.10.2013 Janne Kärki 6
Biomassakattilat Suomessa Lämpöteho yht. Keskiteho Maksimiteho Lukumäärä MW th MW th MW th kpl Arina* 1 250 4.5 32 275 BFB 4 100 44 269 91 BFB-retrofit 1 600 125 267 13 CFB 3 700 175 550 22 Yhteensä 10 650 - - 401 * vain yli 0.8 MW laitokset listattu Leijukattilat lämpötehon mukaisesti Arinakattilat lämpötehon mukaisesti 600 35 500 30 400 25 MW 300 200 MW 20 15 10 100 5 0 1 11 21 31 41 51 61 71 81 91 101 111 121 0 1 21 41 61 81 101 121 141 161 181 201 221 241 261 kpl kpl + pölypolttokattilat: Haapavesi ~20 % bio, Naantali ~3% bio, Hanasaari ~7% bio (testit) 8.10.2013 Janne Kärki 7
Leijukattilaan pohjautuvia laitosinvestointeja (2009-2013) 2.0 1.8 Suomi Ruotsi Ominaisinvestointi [k /kwpa] 1.6 1.4 1.2 1.0 0.8 0.6 0.4 0.2 0.0 0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 Polttoaineteho, MW 8.10.2013 Janne Kärki 8
Monipolttoainekäyttö voimalaitoksilla Suomessa Yleisin polttoaine on turpeen ja biopolttoaineiden yhdistelmä ja polttotekniikka leijukerrospoltto. Biopolttoaineista kilpaillaan yhä enemmän polttoaineiden saatavuus on paikoin vaikeaa huolimatta kasvaneesta tuotannosta polttoaineiden laatu on haasteellisempaa käyttäjille (polttoainevalikoima on laajentunut) biopolttoaineiden hinta on nousemassa Ympäristökysymykset yhä tärkeämpiä (kaasumaiset, nestemäiset ja kiinteät päästöt) kuinka päästään velvoitteisiin nyt ja tulevaisuudessa? Laitoksen tehokkuus entistä tärkeämpää tarve energiansäästöön ja parempiin hyötysuhteisiin Kuva: Metso Power 8.10.2013 Janne Kärki 9
Biopolttoaineiden käyttö yhdessä turpeen kanssa polttoaineiden saatavuuden vaihtelut hallitaan paremmin biopolttoaineiden myötä laskennalliset CO 2 -päästöt ovat alhaisemmat biopolttoaineiden tuhka sitoo turpeen rikkiä ja vähentää SO 2 -päästöjä biopolttoaineiden laitoskäsittely tuo uusia haasteita perinteisiin järjestelmiin tuhkan jälkikäyttöön liittyvät ratkaisut muuttuvat turve tasoittaa biopolttoaineiden laadun vaihteluita (polttotekniset ominaisuudet, mm. kosteus, lämpöarvo, tuhkan ominaisuudet jne.) turve vähentää kattilan likaantumista (voi tapauskohtaisesti myös puhdistaa), kuumakorroosioriskejä sekä leijupedin mahdollisia ongelmia (vähentäen laitoksen huolto- ja käyttökustannuksia) 8.10.2013 Janne Kärki 10
Biopolttoaineiden käyttö - rinnakkaispoltto vs. erillispoltto 100% Fossiilinen - CO2 vähennys + 100% Biomassa Uusi laitos, joka on suunniteltu 100 % biopolttoaineille on käytettävä kalliimpia rakenneratkaisuja (mm. polttoaineen käsittely ja syöttölaitteistot, suuremmat savukaasuvirrat ) korroosio- ja tuhkan sulamisongelmien välttämiseksi on valittava matalammat höyrynarvot (=pienempi sähköntuotanto) tai kalliit erikoismateriaalit tulistimille on mahdollisesti käytettävä polton lisäaineita ja/tai vaihtoehtoisia petimateriaaleja biopolttoaineiden saatavuus voi rajoittaa laitosten kokoa laskennallisesti CO 2 päästötön voimalaitos 100% Fossiilinen + Käytettävyys, hyötysuhde - 100 % Biomassa 8.10.2013 Janne Kärki 11
Maailman suurin 100% biomassa CFB GDF Suez Energia Polska S.A. Po aniec Poland Steam 447 MW th 153/135 kg/s 128/20 bar 535/535 C Wood 0 100 % Agro 0 20 % straw, sunflower pellets, dried fruit (marc), and palm kernel Start-up 2012 8.10.2013 Janne Kärki 12
Sähköntuotannon polttoaineiden hintakehitys Lähde: Tilastokeskus, Energian hinnat Päivitetty 18.9.2013 8.10.2013 Janne Kärki 13
Jyväskylän Energia, Keljonlahti CFB 458 MW th (160/142 kg/s, 164/43 bar, 560/560 C), 200 MW e / 240 MW DH 8.10.2013 Janne Kärki 14
Kokonaistaloudellisin polttoaineseos (teoria) 8.10.2013 Janne Kärki 15
Kattilan käytetttävyys vs. polttoainetalous (käytäntö) Tuotantomenetykset yhteensä (sähkö, höyry, kaukolämpö; hinta 30 /MWh) ja mediaani polttoainekustannus, /MWh (hinta + verot - tuet) Huom! Tuotanto suhteutettu vuoden 2002 mukaan 1 000 000 900 000 2002 2,3 % 8,71 2004 9,0 % 931 805 8,80 8,70 800 000 700 000 600 000 500 000 400 000 300 000 200 000 100 000 0 Polttoainekustannus Tuotantomenetys 2002 2,3 % 301 080 Huom! Polttoaineiden ostohinnat on pidetty vakioina eri vuosina 2003 2003 5,3 % 472 279 5,3 % 8,32 7,6 % 756 606 0,0 % 1,0 % 2,0 % 3,0 % 4,0 % 5,0 % 6,0 % 7,0 % 8,0 % 9,0 % 10,0 % 2005 2005 7,6 % 8,16 2004 9,0 % 8,05 8,60 8,50 8,40 8,30 8,20 8,10 8,00 /MWh REF-polttoaineiden vuotuinen osuus 8.10.2013 Janne Kärki 16
Polttoaineseoksen kosteus on hallittava 93,5 93 Kattilahyötysuhde polttoaineen kosteuspitoisuuden funktiona 92,5 92 Hyötysuhde [%] 91,5 91 90,5 90 89,5 89 88,5 1 %-yksikön muutos kattilahyötysuhteessa 400 MW th kattilassa ~ 40 GWh lisää polttoainetta tarvitaan (= 500 000 vuodessa) 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 Kosteus [%] 8.10.2013 Janne Kärki 17
Huom! Tämä PowerPoint-dia sisältää Flash-visualisoinnin, joka ei näy pdf-versiossa 8.10.2013 Janne Kärki 18
Drivers towards clean coal solutions The European Investment Bank (EIB) has new assessment criteria for coal and lignite-fired power plant projects by setting an Emission Performance Standard of 550 gco2/kwh. In August 2012, Canada introduced an EPS level of 420 gco2/kwh. In a plan of the Obama administration published 25.6.2013, the Environmental Protection Agency (EPA) is set to introduce a performance standard of 440 CO2/kWh, at the same level as standards in place in the UK. Target level 8.10.2013 Janne Kärki 19
Ratkaisuja metsäenergian koko tuotantokäyttöketjuun 8.10.2013 Janne Kärki 20