Liite 14 Juha Kovalainen Kaatopaikkakaasun hyödyntäminen sähkö- ja lämpöenergiaksi kaasumoottorilla Insinöörityö Kajaanin ammattikorkeakoulu Tekniikan ja liikenteen ala Kone ja tuotantotekniikka Kevät 2014
OPINNÄYTETYÖ TIIVISTELMÄ Koulutusala Insinööri Koulutusohjelma Kone- ja tuotantotekniikka Tekijä (t) Juha Kovalainen Työn nimi Kaatopaikkakaasun hyödyntäminen sähkö- ja lämpöenergiaksi kaasumoottorilla Vaihtoehtoiset ammattiopinnot Kunnossapito Koneensuunnittelu Tuotannon johtaminen Toimeksiantaja Kainuun jätehuollon kuntayhtymä Aika Sivumäärä ja liitteet Kevät 2014 54+2 Kajaanin Majasaarenkankaan jätekeskuksessa on vuonna 2003 otettu käyttöön kaatopaikkakaasun keräysjärjestelmä. Talteen kerätystä biokaasusta noin 5 % käytetään lämmöntuotantoon ja loput 95 % poltetaan soihdussa, jolloin energiaa palaa hukkaan. Työn tilaaja Kainuun jätehuollon kuntayhtymä halusi selvittää kaatopaikkakaasun hyödyntämisvaihtoehtoja sähkön ja lämmöntuotannossa käyttämällä sitä kaasumoottorin energianlähteenä. Opinnäytetyössä perehdyttiin kaatopaikkakaasun muodostumiseen ja kaasun keräykseen. Työssä tutkittiin eri vaihtoehtoja siihen, mitä muutoksia otto- tai dieselmoottoriin tulee tehdä kaasunkäytön mahdollistamiseksi. Tarkasteltiin myös epätahtikoneen (oikosulkumoottori) käyttöä generaattorina. Laskettiin uusio-osista valmistetun biokaasugeneraattorin, sekä uuden noin 50 kva:n biokaasugeneraattorilaitoksen verkkoon liitettävän yksikön investointi- ja käyttökustannukset. Lopuksi laskettiin investointien kannattavuus nykyarvomenetelmällä, sekä investointien takaisinmaksuajat. Tutkimuksissa selvisi, että uusi kiinalainen biokaasugeneraattorilaitos on tarkoitukseen sopivin vaihtoehto biokaasun hyödyntämiseen sähkön ja lämmöntuotannossa Majasaaren jätekeskuksessa. Laskelmista todettiin, että kaikki investointivaihtoehdot ovat nykyarvomenetelmällä positiivisia, ja näin ollen ovat kannattavia. Investointien takaisinmaksuajat sijoittuivat viiden ja seitsemän vuoden väliin, investointivaihtoehdosta riippuen. Kieli Suomi Asiasanat Kaatopaikkakaasu, biokaasu, kaasumoottori, dieselmoottori Säilytyspaikka Verkkokirjasto Theseus Kajaanin ammattikorkeakoulun kirjasto
THESIS ABSTRACT School Engineering Degree Programme Mechanical and Production Engineering Author(s) Juha Kovalainen Title Utilization of Landfill Gas with Gas Motor in Electricity and Heat Production Optional Professional Studies Maintenance Machine Design Production management Commissioned by Kainuun jätehuollon kuntayhtymä Date Total Number of Pages and Appendices Spring 2014 54+2 A landfill gas collection system has been introduced in, Majasaarenkangas, Kajaani in 2003. 5 % of the collected gas is used in heat production and the rest is burned in flares, in which case energy will be wasted. The subscriber, Kainuu s waste management of municipal federation wanted to find out the options of landfill gas in heat and electricity production by using it as a power source of the gas engine. The goal of this thesis was to figure out if biogas can be used as a fuel for a gas motor in production of heat and electricity. Formation and collection of landfill gas is explained in this thesis. There were researched the different options for fuel and diesel engines and the changes needed to enable the use of landfill gas in the thesis. Also the different generator options were studied. Investments and operating costs were calculated for a used 50 kva biogas generator plant. As an option investments and operating costs for a new 50 kva biogas generator plant used in combined heat and power system were studied. Also the profitability of the investments was calculated with present value method as well as the payback periods of the investments. The studies presented that a new biogas generator plant is the most appropriate option in utilizing bio- Language of Thesis Finnish Keywords Deposited at Landfill gas, biogas, gas engine, diesel engine Electronic library Theseus Library of Kajaani University of Applied Sciences
ALKUSANAT
SISÄLLYS 1 JOHDANTO 1 2 KAATOPAIKKAKAASU 2 3 BIOKAASUN KÄSITTELY KAATOPAIKOILLA 3 3.1 Passiivinen käsittely 4 3.2 Aktiivinen käsittely 5 4 BIOKAASUSTA SAATAVA ENERGIA 6 4.1 Biokaasun hyötykäyttö 6 4.2 Biokaasun puhdistusmenetelmät 7 5 MAJASAARENKANKAAN JÄTEKESKUS 10 6 MAJASAARENKANKAAN BIOKAASUN TUOTANTO 13 6.1 Biokaasupumppaamo 16 6.2 Laitoksen toiminta 17 6.3 Jätepenkassa sijaitsevat kaasun imukaivojen tuotot 19 7 KAASUMOOTTORIT 20 7.1 Kaasumoottorin käyttökohteita 20 7.2 Kaasumoottorin käyttö sähkön ja lämmöntuotannossa 21 7.3 Kaasumoottorin toimintatapa 21 8 OTTO- JA DIESELMOOTTORIN MUOKKAUS KAASUKÄYTTÖISEKSI 24 8.1 Dieselmoottorin muokkaus kipinäsytytteiseksi kaasumoottoriksi 24 8.2 Diesel-moottorin muokkaaminen dual-fuel-moottoriksi 26 8.3 Ottomoottorin eli bensiinimoottorin muuttaminen kaasukäyttöiseksi 27 9 MOOTTORIVAIHTOEHTOJA 29 10 EPÄTAHTIGENERAATTORI JA TAHTIGENERAATTORI 32 10.1 Epätahtigeneraattori 32 10.2 Taajuusmuuttaja 34 10.3 Tahtigeneraattori 35
11 LÄMMÖN TALTEENOTTO CHP-LAITOS 37 12 INVESTOINTI- JA KÄYTTÖKUSTANNUKSET 38 12.1 Investointikustannukset eri hyödyntämisvaihtoehdoille. 38 12.1.1 Vaihtoehto 1 bensiinimoottori ja sähkömoottori (3000 r/min). 38 12.1.2 Vaihtoehto 2 dieselmoottori ja sähkömoottori (1500 r/min). 39 12.1.3 Vaihtoehto 3 uusi kiinalainen 50 kva:n biokaasuvoimalaitos (CHP) 40 12.2 Investoinnin kannattavuus ja takaisinmaksuajan laskelmissa käytettäviä arvoja 40 12.3 Nykyarvomenetelmä 42 12.4 Investoinnin takaisinmaksuaika 45 13 SÄHKÖNTUOTANTOA KOSKEVIA MÄÄRÄYKSIÄ 48 13.1 Yleistä sähköntuotantolaitoksen toiminnasta sähkönjakeluverkossa 48 13.2 Voimalaitoksen suojausasettelu 49 13.3 Laitoksesta verkonhaltijalle toimitettavat dokumentit 50 13.4 Sähkön verotus 51 14 TULOSTEN ARVIOINTI 52 15 YHTEENVETO 54 LÄHTEET 55 LIITTEET
SYMBOLILUETTELO A Ampeeri virran yksikkö CHP (Combined heat and power) Lämmön ja sähkön yhteistuotanto. Ecu (Electronic control unit) Elektroninen ohjausyksikkö. Hz (hertsi) Taajuuden yksikkö I Virta Loisteho On jännitteen, virran ja niiden vaihe-eron sinin tulo eli Q = U I sin φ vari. Loisteho ei ole työtä tekevää tehoa, vaan se värähtelee edestakaisin kuorman ja siirtoverkon välillä. LoM (Loss of Mains) Tilanne, kun jakeluverkosta häviää jännite. M Momentti Nm (Newton-metri) Momentin yksikkö Oktaaniluku Ilmaisee aineen puristuskestävyyttä. P Teho Pa (Pascal) Paineen yksikkö Pätöteho On jännitteen, virran ja tehokertoimen tulo eli P = U I cos φ watti. Q Loisteho ROCOF-rele (Rate-Of-Change-Of-Frequency) Rele havaitsee pienet taajuus vaihtelut ja irrottaa generaattorin verkosta mikäli taajuus vaihtelu on liian suuri. rpm, r/min, n Kierrosluku. S Näennäisteho U Jännite V Voltti jännitteen yksikkö VA (Volttiampeeri) Näennäistehon (nimellisteho) yksikkö. Näennäisteho on jännitteen ja virran tulo eli S = U I volttiampeeri. Näennäisteho Sisältää pätötehon ja loistehon, eli S 2 = P 2 + Q 2. Sinimuotoisilla jännitteillä ja virroilla. W Watti tehon yksikkö Welt Sähköteho Wh (wattitunti) Energian yksikkö, joka vastaa watin tehoa tunnin ajan Wth Lämpöteho
1 1 JOHDANTO Kaatopaikkakaasusta suurin osa on metaania ja hiilidioksidia, ja sitä voidaan käyttää kaasumoottorin polttoaineena sähkön- ja lämmöntuotannossa. Tuotettaessa sähköä ja lämpöä erikseen syntyy sähkön tuotantoprosessissa paljon hukkalämpöä, joka heikentää lämmön- ja sähköntuotannon kokonaishyötysuhdetta. Sähkön ja lämmön yhteistuotannolla CHP (combined heat and power generation) päästään huomattavasti parempaan lämmön- ja sähköntuotannon kokonaishyötysuhteeseen. Tämän insinöörityön tarkoituksena on tutkia Kajaanissa sijaitsevassa Majasaaren jätekeskuksessa talteen kerättyjen kaatopaikkakaasujen hyödyntämistä sähkö- ja lämpöenergian tuotannossa. Tällä hetkellä talteen kerättyä biokaasua hyödynnetään jätekeskuksen rakennusten lämmitykseen, mutta suurin osa poltetaan soihtupolttimessa. Kaatopaikkojen orgaaninen aines hajoaa mikrobien vaikutuksesta ja muodostaa kaatopaikkakaasua, joka koostuu enimmäkseen metaanista ja hiilidioksidista. Muodostuvan metaanin määrä riippuu jätteen orgaanisen materiaalin määrästä. Metaani on voimakas kasvihuonekaasu, noin 20 kertainen hiilidioksidiin verrattuna. Toisaalta metaanin lämpöarvo 10 kwh/nm 3 on suhteellisen korkea, jolloin se on myös hyödynnettävissä energianlähteenä.
2 2 KAATOPAIKKAKAASU Kaatopaikoille kerättävä kotitalouksissa ja kaupoissa syntyvä yhdyskuntajäte sisältää myös biohajoavaa materiaalia, jota mikrobit hajottavat tuottaen samalla kaatopaikkakaasua, joka sisältää monia erilaisia osakaasuja, joista suurin osa on metaania ja hiilidioksidia. [1.] Mikrobien hajottaessa kaatopaikkajätteen orgaanista ainesta syntyy kaatopaikkakaasua eli biokaasua, josta suurin osa on metaania (CH4), 40 70 %, ja hiilidioksidia (CO2), 30 60 %. Muita syntyviä kaasuja ovat mm. typpi, vety, sulfidit ja ammoniakki, mutta niiden osuus muodostuvista kaasuista on yleensä vain n. 1 2 %. [2.] Metaani on hiilidioksidia noin 20 kertaa voimakkaampi kasvihuonekaasu, jonka ilmakehään pääsy aiheuttaa ilmaston lämpenemistä. Biokaasu sisältää hajuja aiheuttavia rikki-, kloori- ja fluoriyhdisteitä. Kaatopaikalla hallitsemattomasti virtaava ja voimakkaasti purkautuva kaatopaikkakaasu voi aiheuttaa hajuhaittoja kilometrien etäisyydelle kaatopaikasta. Hajuhaittojen lisäksi kaasu aiheuttaa kasvivaurioita sekä palo- ja räjähdysvaaran. [3.] Kaatopaikoilla muodostuva metaanikaasu on erittäin haitallista ilmakehälle. Valtioneuvosto on tehnyt vuonna 1997 päätöksen (Vnp 861), joka velvoittaa kaatopaikan pitäjää kaatopaikkakaasun hallittuun keräykseen ja hyödyntämiseen viimeistään 1.1.2002 mennessä sekä tarkkailuun 1.1.1999 alkaen. [4.] Kaatopaikan biokaasun pumppaaminen ja hyödyntäminen esimerkiksi sähkön ja lämmön tuotannossa tai polttaminen soihdussa edistää ilman ja ilmakehän suojelua. Kasvihuoneilmiön kannalta haitallinen metaania sisältävä biokaasu muuttuu poltettaessa vähemmän haitalliseksi hiilidioksidiksi sekä vedeksi. Biokaasun hallittu talteenotto vähentää myös kaatopaikan hajuhaittoja. [3.]
3 3 BIOKAASUN KÄSITTELY KAATOPAIKOILLA Kaatopaikoille sijoitetun jätteen hajoaminen tapahtuu anaerobisten tai aerobisten biologisten ja kemiallisten prosessien kautta. Orgaanisen jätteen aerobinen hajoaminen tarvitsee runsaasti happea. Korkeissa ja tiivistetyissä jätetäytöissä, joissa ilmaa ei pääse virtaamaan riittävästi, hajoaminen tapahtuu pääasiassa anaerobisesti. [5.] Kaatopaikoille loppusijoitetun jätteen hajoamisprosessi alkaa heti sijoituksen jälkeen. Jätetäytössä tapahtuu biologisia, kemiallisia ja fysikaalisia prosesseja, joissa tapahtuu aineiden muuntumista ja kulkeutumista jätetäytön sisällä ja jätetäytön ulkopuolelle. Näiden prosessien reaktiolopputuotteina syntyy kaasuja ja muita komponentteja, jotka joko jäävät jätetäyttöön tai poistuvat sieltä kaasuna ilmakehään ja liuenneina suotoveden mukana. [6.] EU:n kaatopaikkadirektiivi (1999/31/EY) edellyttää kaatopaikoille sijoitettavan biohajoavan jätteen vähentämistä 75 prosentilla vuoden 2005 tasosta vuoteen 2016 mennessä. Tavoitteena on vähentää kaatopaikkakaasupäästöjä ilmastonmuutoksen hillitsemiseksi. Lisäksi edellytetään kaatopaikkakaasujen hallinnan järjestämistä kaatopaikoilla. Valtioneuvoston päätökset kaatopaikoista (861/1997) ja kaatopaikoista annetun valtioneuvoston päätöksen muuttamiseksi (1049/1999) edellyttävät, ettei kaatopaikoille saa sijoittaa esikäsittelemätöntä jätettä. [7.] Biokaasulaitoksella voidaan aktiivisesti kerätä talteen suurin osa kaatopaikalla muodostuvasta biokaasusta ja hyödyntää se sähkön- ja lämmöntuotannossa tai ajoneuvopolttoaineena. Biokaasua kerätään jätepenkkaan asennettujen imukaivojen ja imuputkistojen avulla. Pienillä kaatopaikoilla, joissa kaasuntuotanto on vähäistä ja kaasu ei aiheuta turvallisuus ja terveysriskiä eikä kaasun hyödyntäminen ole taloudellisesti kannattavaa, voidaan aktiivisen käsittelyn sijaan harkita passiivista käsittelyä, jossa kaatopaikan pintakerroksessa tai erillisessä biosuotimessa tapahtuu mikro-organismien toimintaan perustuvaa metaanin ja haisevien kaasuyhdisteiden biologista hapettumista. Passiivisen järjestelmän toimivuuteen vaikuttaa lämpötila, jonka tulisi olla yli 10 C. Energiantuotannon lisäksi hallittu biokaasun käsittely vähentää kasvihuonekaasujen ja hajuhaittojen muodostumista ympäristönsuojelun näkökohdasta katsottuna sekä minimoi palo- ja räjähdysvaaran. [6.]
4 3.1 Passiivinen käsittely Kaatopaikoilla muodostuvan biokaasun passiivisessa käsittelyssä biokaasun sisältämä metaani ja haisevat kaasuyhdisteet hapetetaan erityisessä biosuodattimessa tai jätepenkan pintakerroksissa elävien mikrobien avulla. [6.] Näin estetään hiilidioksidia vaarallisemman metaanin ja hajuhaittoja synnyttävien rikkiyhdisteiden pääsy ilmakehään. Tutkimusten mukaan kaatopaikoilla muodostuvan biokaasun sisältämä metaani hapettuu metaaninhapettajabakteerien toiminnan seurauksena. [6.] Passiivisesta biokaasun käsittelystä ei aiheudu erillisiä käyttö- tai kunnossapitokustannuksia. Riittää, kun rakennetaan kerralla kaatopaikan pintakerroksiin metaanin hapettamiselle suotuisat olosuhteet. Passiivisen järjestelmän kustannukset ovat yleensä huomattavasti pienemmät kuin aktiivisen järjestelmän. [6.] Jätepenkan riittävä lämpötila, kosteus ja hapensaanti varmistavat mikrobiologisen toiminnan. Ilmaston lämpötilanvaihtelut kesän ja talven välillä on otettava huomioon suodinkerrosta rakennettaessa. Passiiviseen käsittelyyn suurimpia ongelmia aiheuttavat kylmät talvet. Hapettumisen optimilämpötila on 25 35 C. Lämpötilan laskiessa bakteerien toimintakyky heikkenee ja sitä kautta hapetuskyky laskee, ja on mahdollista, että metaania pääsee virtaamaan ilmakehään. [6.] Hapettavan kerroksen paksuudella voidaan säädellä lämpötilaa. Yksi vaihtoehto on käyttää hapetuskerroksen materiaalina turpeen tai hakkeen ja jätevesilietekompostin sekoitusta, jonka lämmönjohtavuus on pieni, koska se sisältää paljon ilmahuokosia. [6.] Kuvassa 1 esitetään metaanin kulkeutuminen kaatopaikan eri kerroksien läpi ja pintakerroksessa tapahtuva hapettumisreaktio. Hapettumisreaktiossa syntyy hiilidioksidia, joka vapautuu ilmakehään.
5 Kuva 1. Passiivisen käsittelyn periaate [8.] 3.2 Aktiivinen käsittely Aktiivinen biokaasun keräysjärjestelmä koostuu jätepenkkaan sijoitetuista kaasun keräyskaivoista, keräysputkista sekä biokaasupumppaamosta. Jätepenkkaan sijoitettujen imukaivojen tai salaojien ja biokaasupumppaamon avulla biokaasu kerätään talteen. Imukaivoja voidaan soveltaa vanhoilla ja korkeilla kaatopaikoilla, salaojia uusilla ja matalilla kaatopaikoilla. Talteen saatu metaani voidaan hyödyntää energiantuotannossa tai polttaa soihdussa. Soihtupoltossa täytyy ottaa huomioon lämpötila ja viipymäaika, koska epäpuhtauksia voi muuten päästä ilmakehään. Oikea polttolämpötila soihdussa on noin 1000 1200 C ja viipymäaika 0,2 2 sekuntia. [9.] Arvioitaessa anaerobisen käsittelyn soveltuvuutta biojätteiden käsittelyyn on huomioitava energian saannin lisäksi myös käsittelyn ympäristönsuojelulliset edut. Anaerobisen käsittelyn avulla lannan ja muiden biojätteiden hajuhaitat ja kasvihuonekaasupäästöt vähenevät sekä hygieenisyys paranee samalla, kun saadaan puhdasta energiaa, biokaasua. [10.]
6 4 BIOKAASUSTA SAATAVA ENERGIA Teoreettisesti yhdyskuntajätteestä saadaan noin kahdenkymmenen vuoden aikana 100 250 m³ biokaasua kaatopaikalle sijoitettua jätetonnia kohti. Sarlin Hydron tekemien tutkimusten mukaan jätepenkkatonnista saadaan 5 10 m³ biokaasua vuodessa. Matti Ettalan laskelman arvion mukaan nuorilla kaatopaikoilla, joissa on järjestetty biojätteen erilliskeräys ja REFkierrätyspolttoaineiden keräys (materiaalin keräykseen kelpaamatonta erilliskerätystä energiajätteestä valmistettua polttoainetta), syntyy biokaasua jätetonnista 3 m³ vuodessa. Biokaasun koostumuksesta metaania on noin 50 70 %. Metaanin lämpöarvo on 35600 KJ/m³ eli 9,9 kwh / m³. Kuutiossa biokaasua on energiaa 4 5 kwh. Optimitilanteessa kuutiometristä kaasua saadaan sähköä tuotettua noin 1,5 kwh ja lämpötehoa 2,5 kwh tai yksistään lämpöä 4 kwh. Vuonna 2012 Majasaaressa tuotetun biokaasun metaanipitoisuus oli 59 %. [9.] 4.1 Biokaasun hyötykäyttö Biokaasusta saatavaa energiaa voidaan käyttää sähkön ja lämmön tuotannossa. Biokaasun sisältämä metaani sopii hyvin polttoaineeksi, koska palamisen lopputuotteena syntyy ainoastaan vettä ja hiilidioksidia. Biokaasulla tuotetun energian hyötysuhde pelkässä lämmöntuotannossa on jopa 90 %. Sähkön ja lämmön yhteistuotannossa hyötysuhde on noin 85 %, josta sähkön osuus 35 % ja lämmön 50 %. [11.] Suomessa suurin osa biokaasulaitoksista on pieniä sähkön ja lämmön yhteistuottajia eli CHPlaitoksia (Combined Heat and Power). Energiaa tuotetaan laitosten omaan käyttöön tai muuten paikallisesti. Pienimmät laitokset polttavat biokaasua lämpölaitoksen kattilassa tuottaen näin vain lämpöenergiaa. Kaasumoottoreita tai mikroturbiiniyksiköitä voidaan käyttää yhdistettyyn sähkön- ja lämmöntuotantoon. [11.] Kaatopaikkojen syrjäinen sijainti energian käyttäjiin nähden vaikeuttaa kaatopaikkakaasujen hyödyntämistä. Hyötykäytön tehostamiseksi yhtenä vaihtoehtona on kaavailtu muun muassa biokaasun käyttämistä kaatopaikka-alueella toimivien ajoneuvojen polttoaineena. Suomen kaatopaikoilla on arvioitu vuosittain kehittyvän biokaasua yli 200 miljoonaa kuutiometriä. Teoriassa kaatopaikkakaasun keruuta olisi mahdollista lisätä huomattavasti nykyisestä. [11.]
7 Suomen Biokaasurekisterin mukaan vuonna 2008 kaatopaikkalaitoksilla tuotettiin 112.203 milj. m³ biokaasua, jonka metaanipitoisuus oli 30 57 %. Tuotetusta kaasusta hyödynnettiin 75.850 milj. m³, jolla tuotettiin sähköä 17,3 GWh ja lämpöä 303,8 GWh. [12.] Kuvassa 2 on esitetty biokaasua hyödyntävän kaatopaikkalaitoksen prosessit. (1) Kaasukaivot jätepenkassa (2) Imuputkisto (3) Pumppaamo (4) Soihtupoltin (5) Jakeluputki (6) Kaasuturbiini ja/tai lämpökattila (7) Sähköä (8) Lämpöä Kuva 2. Kaatopaikkalaitoksen toimintaperiaate. [12] 4.2 Biokaasun puhdistusmenetelmät Lämmön ja sähköntuotannossa hyödynnettävän metaanin puhdistustarpeet ovat vähäiset ja biokaasun metaanipitoisuudeksi riittää 30 %, koska metaani syttyy jo alhaisina pitoisuuksina ilmassa. [12] Jos biokaasua ei käytetä ajoneuvojen polttoaineena tai syötetä maakaasuverkostoon, siitä tarvitsee poistaa ainoastaan rikkivety ja tarvittaessa siloksaanit niiden pitoisuuden ollessa suuri. Rikkivety H2S on myrkyllinen ja vahvasti korrodoiva yhdiste (syövyttävä), joka lyhentää biokaasua käyttävien polttomoottoreiden elinikää niihin joutuessaan. [13, s. 335.]
8 Jätepenkasta kerätty biokaasu sisältää aina toimintaa ja kunnossapitoa haittaavaa kosteutta. Tämä kosteus on syytä poistaa vedenerottimella ennen kaasun hyötykäyttöä. Lisäksi kaasu voi sisältää suuria määriä piiyhdisteitä, kuten myrkyllistä yhdistettä rikkivetyä H2S, joka voi aiheuttaa suurina pitoisuuksina lämmöntuotannossa sekä yhdistetyssä sähkön- ja lämmöntuotannossa käytettävissä polttolaitteissa korroosiota ja happamoittaa moottoriöljyn lyhentäen biokaasua käyttävien tuotantolaitteistojen käyttöikää. Esimerkiksi CHP-laitokselle menevän biokaasun rikkivetypitoisuus saisi olla korkeintaan noin 100 500 mg/nm³. Myös mahdolliset siloksaanit biokaasussa voivat aiheuttaa ongelmia sähkön ja lämmön yhteistuotannossa aiheuttamalla mahdollisesti kulumista ja likaantumista hyödyntämislaitteistossa. On myös mahdollista että, biokaasu sisältää pieniä määriä muita komponentteja (<10 mg/m³), kuten fluoria ja ammoniakkia. Nämä eivät kuitenkaan aiheuta haittaa biokaasun hyödyntämiselle tai muulle toiminnalle. [13, s. 55 56.] [14, s. 41.] Sähkön ja lämmöntuotannossa CHP laitokselle menevän biokaasun puhdistus voidaan toteuttaa siten, että se kuivataan, paineistetaan kevyesti ja suodatetaan aktiivihiilen läpi. Tällä tavoin saadaan CHP järjestelmän huoltotarvetta kevennettyä ja toimintaikää pidennettyä. Biologisessa rikinpoistomenetelmässä rikkivety absorboidaan ensin veteen, ja sen jälkeen se hajotetaan mikrobien avulla. Hajottamiseen tarvittavia bakteereja ei tarvitse kasvattaa erikseen, koska niitä on olemassa läsnä kaikkialla. Biologisen rikinpoiston jälkeen biokaasu sopii hyvin esimerkiksi kaasumoottorin polttoaineeksi. Biokaasulaitoksissa, joissa mädätetään vain biojätettä, yksinkertaisin tapa rikkivedyn poistoon on pienen, alle 4 %:n ilmamäärän lisääminen reaktorin kaasutilaan. Reaktorimassassa elävät bakteerit muuttavat biokaasun rikkivedyn alkuainerikiksi. Maatiloilla olevissa biokaasulaitoksissa tällä menetelmällä voidaan rikkivety poistaa biokaasusta kokonaan. On kuitenkin huomioitava, että liian ilmamäärän syöttäminen reaktoriin voi häiritä prosessia, jopa pysäyttää prosessin. [14, s. 42.] Biokaasua liikennepolttoaineena käyttäessä tai syötettäessä sitä maakaasuverkkoon on siitä poistettava hiilidioksidi. Yleisin biokaasun hiilidioksidin poistomenetelmä on vesipesu, jonka avulla saadaan poistettua myös muita epäpuhtauksia kaasusta, kuten esimerkiksi rikkivetyä ja siloksaaneja. Ainoastaan typpeä ja happea ei saa poistettua vesipesun avulla.
9 Vesipesumenetelmä on kuitenkin huomattavasti kalliimpi kuin muut biokaasun puhdistusmenetelmät, joten sitä kannattaa käyttää vain silloin, kun hiilidioksidi on välttämätöntä poistaa biokaasusta. [ 14, s. 42, 47.] Kuvassa 2 on esitetty metaanin puhdistusprosessit eri hyötykäyttötavoille. Kuvasta selviää, että pelkästään lämmöntuotantoon tai soihtupolttoon menevästä biokaasusta tarvitsee poistaa vain kosteus. Soihtupolttoa käytetään, jos kaatopaikalta kerätyn biokaasun hyödyntämiseen ei ole muuta mahdollisuutta. Biokaasua poltetaan soihdussa, jottei metaania sisältävää biokaasua tarvitsisi poistaa suoraan ilmakehään, koska suoraan ilmakehään vapautuessaan metaani on noin 20 kertaa vaarallisempi kasvihuonekaasu kuin hiilidioksidi. [14, s. 48.] Kuvasta 3 nähdään myös, että sähkön ja lämmön yhteistuotannossa on biokaasusta syytä poistaa rikki ja mahdolliset siloksaanit, koska suurina määrinä ne aiheuttavat korroosiota hyödyntämislaitteistossa. Puhdistettaessa biokaasua liikennekäyttöön on siitä puhdistettava myös hiilidioksidi, esimerkiksi vesipesulla, sekä paineistettava kaasu noin 200:n baariin. Kuva 3. Metaanin puhdistusprosessit eri hyötykäyttötavoille. [14]
10 5 MAJASAARENKANKAAN JÄTEKESKUS Kajaanin kaupungin Majasaarenkankaan jätekeskus sijaitsee Kivimäen alueella noin 14 km kaupungin keskustasta lounaaseen. Kajaanin kaupunki aloitti kaatopaikkatoiminnan Majasaarenkankaalla vuonna 1983. Kaatopaikan toiminnat siirtyivät hoidettaviksi Kainuun kuntien perustamalle jätehuollon organisaatiolle, Kainuun jätehuollon kuntayhtymälle, vuonna 2002. Jäsenkunnissaan Kainuun jätehuollon kuntayhtymä hoitaa kunnille lakisääteisesti kuuluvia jätehuollon tehtäviä. Toiminta-alueella asuu noin 82 000 ihmistä.[15.] Majasaarenkankaan jätekeskuksen alueen kokonaispinta-ala on 100 ha, josta käytössä on noin 20 ha. EU-määräysten mukainen loppusijoitusalue on otettu käyttöön 2007. Jätekeskuksen jätteiden täyttöalueella muodostuu metaania, joka kerätään talteen ja hyödynnetään. Myös pinta-, pohja- ja suotovesien sekä biokaasun, kompostoitujen biojätteiden ja öljyisten maiden ympäristövaikutuksia tarkkaillaan. Alueen vedet käsitellään uutta tekniikkaa käyttäen. [15.] Kuvaan 4 on jätteiden loppusijoitusalueet merkitty kirjaimilla: H, G, D. [16] Kuva 4. Jätteiden loppusijoitusalueet. [16]
11 Jätekeskuksen henkilöstöön kuuluu Käyttömestari, kolme jätekeskustyöntekijää ja kaksi lajitteluaseman hoitajaa. Jätemäärä oli vuonna 2013 noin 94 000 tonnia, jätteen hyötykäyttöaste oli noin 94 %. Taulukossa 1 on esitetty joitakin keskeisiä jätekeskuksen toimintoja. Taulukko 1. Jätekeskuksen toimintoja. Jätteiden vastanotto: Hyötyjätteet Yhdyskuntajäte Biojäte Lajittelematon rakennusjäte Erityisjätteet Vaaralliset jätteet Öljynerotuskaivojätteet Öljyiset maat Muut toiminnot: Käsittely: Kierrätys/hyödyntäminen Laitosmainen käsittely/loppusijoitus Kompostointi Loppusijoitus Erityisjätteen loppusijoitus Toimittaminen jatkokäsittelyyn Toimittaminen jatkokäsittelyyn Kompostointi Kaatopaikkakaasun keräys ja hyödyntäminen, kaatopaikkavesien käsittely paikallisesti, kehitysprojektit. Majasaaren jätekeskuksessa on myös lajittelulaituri, joka on tarkoitettu yksityistalouksien seka- ja energiajätteiden ja asumisessa syntyvien tavanomaisten hyötyjätteiden pienkuormille. Jätteet lajitellaan paikanpäällä eri lavoille asiakkaan toimesta. [16.]
12 Kuvassa 5 on Majasaaren jätekeskus ilmasta kuvattuna. Ylhäällä keskellä näkyy jätteen suljettu loppusijoitusalue 1, siitä vasemmalla suljettu loppusijoitusalue 2 ja oikealla loppusijoitusalue 3. Kuvassa keskellä on jätteiden vastaanotto- ja toimistorakennus ja siitä oikealla jätteiden lajittelulaituri ja kierrätyspolttoaineen murskaus halli, vasemmalla näkyy lietteen rakeistus halli, öljynerotus halli, sekä öljyisten maa-ainesten kompostointialue.[16.] Kuva 5. Ilmakuva Majasaaren jätekeskus [16]
13 6 MAJASAARENKANKAAN BIOKAASUN TUOTANTO Kajaanin Majasaarenkankaan jätekeskuksen kahteen jätteen loppusijoitusalueeseen on sijoitettu yhdyskuntajätteitä yhteensä 553 295 tonnia. Biokaasua näistä kahdesta jätepenkasta kerätään talteen vuosittain yhteensä noin 0,94 milj. Nm³. Vuonna 2013 kaasun koostumus, keskimäärin oli 47 % metaania, 34 % hiilidioksidia ja 0,3 % happea. [17.] Majasaaressa kahteen jätepenkkaan on asennettu kaasunkeräyskaivoja yhteensä 16 kpl. Penkkaan 1 kaasukaivot (6 kpl) on rakennettu niin, että on lyöty juntalla 520 mm reikä jätepenkan läpi, johon keskelle reikää on asennettu Ø 110 mm reikäputki ja kolmen imukaivon ympärysosa on täytetty soralla ja kolmessa kierrätys lasilla. Reikäputken yläosasta on 2 metriä rei ittämätöntä, putken pohja on tulpattu ja yläpäässä on hattu. Imukaivoista lähtevät 110 mm vaakaputket on johdettu kaasunkeräyskonttiin ja ne on rakennusvaiheessa asennettu noin kaksi metriä maanpinnan alapuolelle. [18.] Kuvassa 6 tehdään kaasunkeräyskaivolle paikkaa jätepenkkaan iskemällä juntalla reikä jätepenkkaan. Kuva 6. Reiän junttaus penkkaan. [18]
14 Penkkaan 2 kaasukaivot (10 kpl) on rakennettu Ø 90 mm ja 3 metriä pitkistä reikäputkista siten, että ensimmäisessä putkessa on alapäässä kartio ja yläpäässä sisäkierre. Putki on painettu kaivinkoneen kauhalla penkkaan niin, että putken yläpää on jäänyt jätepenkan pinnan tasoon ja siihen jatkoksi on kierretty seuraava reikäputki ja taas putkea on painettu penkkaan, niin että yläpää on maanpinnan tasossa. Näin on jatkettu, kunnes putki on yltänyt penkan pohjaan asti. Myös näistä kaasukaivoista on johdettu vaakaputket kaasunkeräyskonttiin. [18.] Kuvassa 7 näkyy kaasunkeräyskaivon yläpää, josta lähtee vaakaputki kaasunkeräyskonttiin. Kuva 7. Kaasunkeräysputken asennus kaasunkeräyskaivoon. [18]
15 Kuvassa 8 näkyy kaasunkeräyskaivoista lähteviä kaasunkeräysvaakaputkia, jotka on johdettu kaasunkeräyskonttiin. Kuva 8. Kaasunkeräysputkien asennus. [18] Jätepenkkoihin on asennettu myös kastelukaivot, joihin alueelta kerättävät suotovedet pumpataan kostuttamaan jätepenkan massaa, Jätepenkkojen kastelulla voidaan säädellä biokaasun tuotantoa, koska jos massa pääsee kuivumaan, niin biotoiminta lakkaa ja kaasun tuotanto loppuu. Penkkaan 1 kastelukaivot on rakennettu Ø 110 mm putkesta, joihin on tehty 2 mm leveitä pystyviiltoja kulmahiomakoneella. Putket on asennettu penkan läpi porattuihin reikiin. Penkkaan 2 kastelukaivot on rakennettu Ø 90 mm reikäputkesta, jotka on upotettu penkan pinnasta penkan puoleenväliin asti. [18.]
16 6.1 Biokaasupumppaamo Jätepenkassa sijaitseviin kaasunkeräyskaivoihin tuotetaan alipaine biokaasupumppaamon alipainepumpulla. Alipaineen johdosta biokaasu virtaa keräyskaivojen ja kokoojaputkistojen kautta biokaasupumppaamolle ja siitä edelleen vedenerotuksen, jäähdytyksen ja paineen korotuksen kautta lämpökattilan polttoaineeksi. Noin 5 % talteen kerätystä biokaasusta käytetään lämpökattilan polttoaineena ja loput poltetaan soihdussa. Biokaasupumppaamon imutehoa on säädetty kaatopaikan biokaasuntuottokapasiteetin mittaustulosten perusteella. Imuteho kannattaa tarkistaa ja säätää säännöllisin väliajoin, ettei liian suurella imuteholla ruveta imemään ilmaa pintakerroksen läpi jätetäyttöön, jolloin metaanin käymisprosessi häiriintyy. Imutehot on säädetty Sarlin Oy Ab:n tekemien mittaustulosten perusteella. Kuvassa 9 on esitetty biokaasupumppaamo. Oikealla puolella ovat nähtävissä jätetäytöstä tulevat imuputket, 16 kpl. Takaseinällä on vedenerotussäiliö, suodatin ja säätöventtiili. [15.] Kuva 9. Biokaasupumppaamo Majasaaresta
17 6.2 Laitoksen toiminta Joulukuussa vuonna 2002 otettiin käyttöön Kajaanin Majasaarenkankaan kaatopaikan kaatopaikkakaasulaitos. Laitoksen keräämä kaasu poltetaan pääosin soihtupolttimessa. Lämmöntuotantoa varten laitoksessa otettiin käyttöön lämpökattila vuonna 2005. Kaatopaikkakaasulaitoksen toimintaparametreja on mitattu kymmenen kertaa vuonna 2012, Näiden Sarlin Oy Ab:n tekemien mittaustulosten perusteella on säädetty laitoksen toimintaa. [17.] Taulukossa 2 on esitetty kaatopaikkakaasulaitoksen toimintaa kuvaavia suureita vuoden 2012 aikana sekä vertailun vuoksi vuosilta 2010 2011. Taulukon arvot on laskettu säätömittausten mittauspöytäkirjoista kerättyjen laskuritietojen perusteella. Taulukossa esitetyt kokonaisarvot on laskettu ekstrapoloimalla mittauspöytäkirjojen tietoja. Vuonna 2012 pumppaamon toiminnan kokonaiskäyttöasteen ollessa 92 % on käyttöaste laskenut hieman edellisvuodesta, mutta keskeiset toimintasuureet ovat pysyneet samalla tasolla. [17.] Taulukko 2. Kajaanin Majasaaren kaatopaikkalaitoksen toiminta parametreja vuosina 2010 2012 [17] Parametri Yksikkö Arvo 2010 Arvo 2011 Arvo 2012 Pumppaamon käyttötunnit h 8177 8389 8093 Pumppaamon kokonaiskäyttöaika % 93 96 92 Kaasun keskimääräinen virtaama*) Nm/h 95/89 113/108 117/108 Keskimääräinen polttoteho*) kw 490/458 663/635 602/556 Pumpattu kaasumäärä Milj. Nm³ 0,78 0,95 0,94 Tuotettu energiamäärä Gwh 4,01 5,1 4,9 *) Virtaama ja polttoaineteho on ilmoitettu sekä pumppaamon käyttötunteja että koko vuotta (8760 h) kohti.
18 Vuonna 2011 kerätyn kaasun pitoisuudet ovat olleet taulukon 3 mukaiset. Tiedot kaasun pitoisuuksista on koottu kuukausittain tehtävien mittausten perusteella. Taulukko 3. Kerätyn kaasun pitoisuudet 2011 [17] % Keskiarvo Keskihajonta Maksimi Minimi Metaani 55 7 63 42 hiilidioksidi 34 4 39 26 Happi 0,7 0,7 2,4 0 Vuonna 2012 kerätyn kaasun pitoisuudet ovat olleet taulukon 4 mukaiset. Tiedot kaasun pitoisuuksista on koottu kuukausittain tehtävien mittausten perusteella. Taulukko 4. Kerätyn kaasun pitoisuudet 2012 [17] % Keskiarvo Keskihajonta Maksimi Minimi Metaani 59 10 70 41 Hiilidioksidi 34 2 37 32 Happi 0,3 0,4 1,2 0
19 6.3 Jätepenkassa sijaitsevat kaasun imukaivojen tuotot Kaasun imujärjestelmä koostuu nykyään kuudestatoista pystyimukaivosta, joista jokaisesta on johdettu oma linja pumppaamolle. Vuonna 2012 linja 9 oli koko vuoden kiinni, ja useimmat linjat olivat osan vuodesta kiinni. Taulukossa 5 on esitetty linjakohtaiset keskimääräiset virtaamat ja polttoainetehot. Taulukko 5. Linjakohtaiset keskimääräiset virtaamat ja polttoainetehot [17] Kaivo Nm³/h kw LINJA 1 8 48 LINJA 2 10 56 LINJA 3 7 39 LINJA 4 7 35 LINJA 5 5 28 LINJA 6 6 35 LINJA 7 0 1 LINJA 8 6 31 LINJA 9 0 0 LINJA 10 3 9 LINJA 11 4 23 LINJA 12 12 69 LINJA 13 7 38 LINJA 14 11 53 LINJA 15 6 23 LINJA 16 6 30 LINJA 17 3 12 LINJA 18 0 1
20 7 KAASUMOOTTORIT 7.1 Kaasumoottorin käyttökohteita Ensimmäiset varsinaiset polttomoottorit olivat kaasukäyttöisiä. Nestemäisten polttoaineiden yleistyttyä kaasun käyttäminen polttoaineena jäi pitkäksi aikaa taka-alalle. [19, s. 604.] Kaasumoottorien suosio on kasvanut nopeasti erityisesti 1990-luvulla. Moottorien pakokaasupäästöjen tiukentuneet rajoitukset ja maakaasun saatavuuden parantuminen ovat lisänneet kaasumoottorien suosiota. Etenkin kaasumoottorien hiukkaspäästöt ovat pienemmät kuin dieselmoottorissa. [19, s. 604.] Energian käytön tehostamisen myötä on ns. kokonaisenergialaitosten rakentaminen lisääntynyt. Näissä laitoksissa sähköntuotannosta syntyvällä hukkalämmöllä lämmitetään asuinyhdyskuntaa tai tuotetaan energiaa teollisuusprosessiin. Voimanlähteeksi tällaisiin voimaloihin kaasumoottorit sopivat hyvin. Voimaloita on rakennettu muutaman kymmenen kilowatin teholuokasta aina sadan megawatin tehoon saakka. [19, s. 604.] Meriliikenteessä kaasumoottoreiden käyttö on lisääntynyt varsinkin nestemäistä maakaasua kuljettavien ns. LNG-alusten (liquefied natural gas) koneistona. Maaliikenteessä taajamien linja- ja kuorma-autoissa kaasumoottoreiden suosio on lisääntynyt. Myös henkilöauton moottorin polttoaineena nestekaasua on käytetty pitkään. [19, s. 604.] Suomessa kaasun käyttö liikennepolttoaineena on keskittynyt Etelä Suomeen, kaasun tankkauspisteiden sijaintien vuoksi [20]. Perinteisen neste- ja maakaasun lisäksi on viime vuosina ruvettu hyödyntämään myös jätevedenpuhdistamojen ja karjatilojen lietteen mädätyskaasua sekä kaatopaikoilla muodostuvaa kaatopaikkakaasua. Tätä ns. biokaasua on ruvettu hyödyntämään myös kaasumoottorin polttoaineena energian tuotannossa jätevedenpuhdistamoissa, karjatiloilla ja kaatopaikoilla. [19, s. 605.]
21 7.2 Kaasumoottorin käyttö sähkön ja lämmöntuotannossa Yksi vaihtoehto kaatopaikkakaasun hyödyntämiseen on kaasumoottori, jolla pyöritetään generaattoria ja näin tuotetaan sähkö- ja lämpöenergiaa. Hankintakustannukset ovat huomattavasti pienemmät kuin kaasuturbiinilla. Valmiita kaasumoottorigeneraattoreita on saatavilla, mutta on myös mahdollista rakentaa itse generaattoripaketti, jossa hyödynnetään käytettyjä laitteita. Valitaan sopiva käytetty diesel- tai bensiiniauton moottori, joka muutetaan kaasukäyttöiseksi, ja siihen liitetään oikosulkumoottori jota käytetään epätahtigeneraattorina. Moottorin- ja pakokaasunlämmön talteenottoa varten tarvitaan lämmönvaihtimet sekä kiertovesipumppu ja säätöventtiilit. Kuvassa 10 on kipinäsytytteinen lämmön talteenotolla varustettu kaasumoottori generaattori. Kuva 10. Kaasumoottori. [21] 7.3 Kaasumoottorin toimintatapa Kaasumoottori on toimintaperiaatteeltaan samanlainen kuin nelitahtinen Otto-moottori. Moottorin tekemä mekaaninen työ muutetaan generaattorin avulla sähköksi. Lisäksi moottorin tuottamasta lämmöstä ja pakokaasujen sisältämästä lämmöstä voidaan ottaa talteen jopa 70 %. Sähkön ja lämmön kokonaishyötysuhde on noin 85 %.
22 Kaasumoottorit ovat puristus- tai kipinäsytytteisiä, eli ne voidaan luokitella joko diesel- tai ottomoottoreiksi. Puristussytytteisessä moottorissa ruiskutetaan sylinteriin tai esikammioon puristusvaiheen lopussa pieni määrä nestemäistä polttoainetta, joka syttyy ja sytyttää kaasuseoksen. Moottorin käynnissä pysymiseen tarvitaan jatkuvasti pieni määrä nestemäistä polttoainetta. Vastaavasti kipinäsytytteisessä moottorissa kaasuseos sytytetään sytytystulpan kipinän avulla. Kaasu voidaan johtaa kaasumoottorin ilmanpuhdistajan jälkeen imuilman joukkoon kaasunsekoittajan avulla tai paineistettuna imukanavaan imuventtiilin läheisyyteen. Kolmas vaihtoehto on syöttää korkeapaineinen kaasu ruiskusuuttimien kautta suoraan sylinteriin puristuksen loppuvaiheessa. [19, s. 605.] Kuvassa 11 on esitetty nestemäistä polttoainetta sytytykseen käyttävän kaksoispolttoainemoottorin toimintaperiaate. Imutahdin aikana sylinteriin imetään biokaasun ja ilman seos. Puristustahdin aikana biokaasun ja ilman seosta puristetaan männän liikkuessa kohti yläkuolokohtaansa. Yläkuolokohdassa sylinteriin ruiskutetaan nestemäistä polttoainetta, jolloin polttoaineseos syttyy ja muodostuneen paineen ansiosta mäntä lähtee liikkumaan jälleen alaspäin. [22.] Kuva 11. Nestemäistä polttoainetta sytytykseen käyttävän kaasumoottorin toimintaperiaate. [22] Moottorit voivat olla myös turboahdettuja ja välijäähdyttimellä varustettuja. Turboahtimessa esipuristettu kaasumainen polttoaine nostaa moottorin tehoja, ja kaasu-ilmaseoksen jäähdyttäminen lisää myös moottorin tehoa ja parantaa nakutuskestävyyttä.
23 Kaatopaikalla tuotetun biokaasun metaanipitoisuuden vaihtelun takia biokaasua käyttävät Ottomoottori-periaatteella toimivat kaasumoottorit, kannattaa varustaa automaattisella sytytyksen säädöllä. Tällä saadaan sytytyksen ajoitus säädettyä kaasun koostumukselle sopivaksi moottoriin syötetyn biokaasun metaanipitoisuusmittauksen ja nakutustunnistimen perusteella. [13, s. 370.] Kuvassa 12 on esitetty nelitahtisen ottomoottorin toimintaperiaate indikaattori piirroksessa. Kuvassa vaaka-akseli kuvaa männän ja sylinterin rajoittamaa tilavuutta ja pystyakseli sylinterissä hetkellisesti vallitsevaa painetta. Paine/tilavuus piirroksen pinta-ala kuvaa sitä työmäärää, joka siirtyy mäntään yhden työkierron aikana. [23.] Kuva 12. Nelitahtisen ottomoottorin toimintaperiaate. [22]
24 8 OTTO- JA DIESELMOOTTORIN MUOKKAUS KAASUKÄYTTÖISEKSI Tässä luvussa on tutkittu otto- ja dieselmoottorin muokkaamista kaasukäyttöiseksi paikallismoottoriksi, joka pyörisi vakiokierroksilla 1500 r/min tai 3000 r/min. Lähtökohtana oli hyödyntää Majasaarenkankaan jätekeskuksesta kerättävää kaatopaikkakaasua sähkö- ja lämpöenergian tuotannossa kaasumoottorilla. Moottorilla pyöritetään sähköenergiaa tuottavaa noin 40 kw:n generaattoria. Moottorin tuottama lämpö on myös tarkoitus käyttää kaatopaikalla sijaitsevan vastaanottorakennuksen lämmitykseen, öljyisten lietteiden vastaanottoaltaan lämmitykseen, kompostointipuhallusilman lämmitykseen sekä vesienkäsittelyjärjestelmän veden lämmitykseen. Siis tutkitaan, mitä muutoksia ja lisälaitteita tarvitaan diesel- tai bensiinimoottoriin, että se toimii biokaasulla. 8.1 Dieselmoottorin muokkaus kipinäsytytteiseksi kaasumoottoriksi Dieselmoottori voidaan muokata kipinäsytytteiseksi kaasumoottoriksi lisäämällä siihen sytytysjärjestelmä, sytytystulpat, puolat, sytytys- ja kaasunohjausjärjestelmä. Vanhemmissa moottoreissa tarvitaan lisäksi triggeröintikiekko ja antureita (kampiakselin asentotunnistin, moottorin kierrosluku, lambda, lämpötila, nakutuksen tunnistin). Triggeröinti on moottorin asennon ja pyörintänopeuden mittauksen anturointia. Jälkiasennettaviin moottorinohjauksiin riittää usein esimerkiksi 12-hampainen kampiakselin triggeröinti. 12 on siinä mielessä hyvä luku, että se on jaollinen neljällä ja kuudella, joten moottorin ohjausjärjestelmän on helppo laskea 4- ja 6-sylinteristen moottorien asentotieto. Nämä tiedot mahdollistavat oikean sylinterin ohjauksen oikeaan aikaan. Polttoaineen oktaaniluku ilmaisee sen puristuskestävyyttä. biokaasun oktaaniluku on jopa 150 oktaania, joten moottorin puristussuhteen voidaan pitää 18:1, joka on normaalin ajoneuvossa käytettävän dieselmoottorin puristussuhde. Tämä tarjoaa bensiinimoottoreita korkeamman hyötysuhteen. Moottorin käyttöiän pidentämiseksi korkeimpia toimivia puristussuhteita ei yleensä käytetä, joten useimmissa ahtamattomissa moottoreissa arvona on 12:1 14:1. Dieselmoottoreissa puristussuhde on yleensä 15 20:1, kun bensiinimoottoreissa puristussuhde on 8-12:1. [24, s. 236.] Kaasu sekoitetaan ilmanpuhdistajan jälkeen imuilman joukkoon. Polttoilmakaasuseosta syötetään sylinteriin kuristusläpän kautta, jolla säädetään tiivistetyn seoksen määrää ja siten lo-
25 pulta moottorin luovuttamaa tehoa ja kierroslukua. Kaasuseos sytytetään ruiskusuuttimen tilalle asennetun sytytystulpan kipinällä. Automaattisella sytytyksen säädöllä saadaan sytytyksen ajoitus säädettyä kaasun koostumukselle sopivaksi moottoriin syötetyn biokaasun metaanipitoisuusmittauksen ja nakutustunnistimen perusteella. [13], [16] Kaasun syöttölaitteisto: Suodatin Magneettiventtiili Paineensäätöventtiili Takatulisuoja (takaiskuventtiili) Kaasunsekoitus (mixer) Kaasunvirtauksen säätöventtiili Kaasuläppä + käyttömoottori Tarvittavat putkistot Kaasun ohjausjärjestelmä: Lambda-anturi Ecu-ohjausyksikkö Triggeröintikiekko + anturointi Sytytysjärjestelmä: Kärjetön sytytys tai perinteinen virranjakaja Sytytyspuolat Sytytystulpat + tulpanjohdot Sytytyksenohjausjärjestelmä (ecu) Lämpötila-anturi Nakutusanturi Kipinäsytytyksen etuja Ei tarvita nestemäistä polttoainetta Vain yksi polttoainejärjestelmä
26 Kipinäsytytyksen haittoja Sytytystulpan kesto 8.2 Diesel-moottorin muokkaaminen dual-fuel-moottoriksi Diesel-moottori voidaan muuttaa dual-fuel eli kaksoispolttoainemoottoriksi. Dual-fuelmoottori toimii nestemäisellä polttoaineella (kuten dieselöljy, biodiesel ja kasviöljy) ja biokaasulla. Dual-fuel-moottorissa kaasu sekoitetaan imuilman joukkoon ilmanpuhdistajan jälkeen, kaasuseos annostellaan sylinteriin kaasuläpän tai kaasusuuttimien kautta. Sytytyspolttoaineena käytetään pientä määrää nestemäistä polttoainetta, jota ruiskutetaan juuri ennen yläkuolokohtaa sylinteriin tai esikammioon. Puristus on nostanut lämpötilan korkeaksi, ja tämä sytyttää sytytyspolttonesteen ja kaasuseoksen. Tällaisessa moottorissa korkeintaan 90 % energiasta saadaan metaanista ja loppu nestemäisestä polttoaineesta. Tavallisen dieselmoottorin puristussuhde on 18:1, ja biokaasun oktaaniluku on jopa 150 oktaania, ja siten dieselmoottorista konvertoitaessa puristussuhteen alentaminen ei ole välttämätöntä. Se tarjoaa mäntämoottorivaihtoehdoista parhaan hyötysuhteen. Moottoriin täytyy asentaa kaasun syöttö- ja ohjauslaitteisto. [24, s. 236.] Kaasunsyöttölaitteisto: Suodatin Magneettiventtiili Paineensäätöventtiili Takatulisuoja (takaiskuventtiili) Kaasunsekoitus (mixer) Kaasunvirtauksen säätöventtiili Kaasuläppä + käyttömoottori Tarvittavat putkistot Kaasun ohjausjärjestelmä: Lambda-anturi Triggeröintikiekko + anturointi Ecu-ohjausyksikkö
27 Dual-fuel-moottorin edut Polttoainejoustavuus. Jos kaasunsyöttöön tulee häiriö, moottori käy myös pelkällä nestemäisellä polttoaineella välittömästi Korkeampi puristussuhde, parempi tehokkuus Dual-Fuel-moottori haitat Tarvitsee nestemäisen polttoaineen esim. dieselin, eli jos nestemäinen polttoaine loppuu, niin moottori sammuu. Oletetaan, että Dual-Fuel-moottori on käynnissä yhtäjaksoisesti vuoden ajan (8760 h), ja jos se kuluttaa diesel-polttoainetta 1,5/h, niin vuodessa kuluisi 13140 litraa, 1,40 X 13140 L =18396. 8.3 Ottomoottorin eli bensiinimoottorin muuttaminen kaasukäyttöiseksi Bensiinimoottorin muuttaminen on helppo toteuttaa pelkästään biokaasulle. Bensiinin syöttölaitteiston tilalle asennetaan kaasun syöttölaitteisto. Bensiinin oktaaniluku ilmaisee sen nakutus- eli puristuskestävyyttä. Biokaasun oktaaniluku on jopa 150 oktaania. Puristussuhteen nostamisella voidaan moottorin hyötysuhdetta parantaa. Biokaasulla toimivan moottorin puristussuhteen voi nostaa jopa tasolle 18:1, mutta koska bensiinikäyttöisten moottoreiden tyypillinen puristussuhde on vain 10:1 ja korkein mahdollinen on 12:1, niin moottorin käyttöiän pidentämiseksi korkeimpia toimivia puristussuhteita ei yleensä käytetä, joten useimmissa ahtamattomissa moottoreissa arvona on 12 14:1. [24, s. 236.] Bensiinin sijaan kaasu johdetaan paineensäätimen ja kaasunsekoittajan kautta imuilman joukkoon. Kaasu-ilmaseos annostellaan kuristusläpän kautta sylinteriin, kuristusläpällä säädetään tiivistetyn seoksen määrää ja siten lopulta moottorin luovuttamaa tehoa ja kierroslukua. Vaihtoehtoisesti kaasu syötetään ruiskusuuttimien avulla, jotka asennetaan imusarjaan bensiinin ruiskusuuttimien tilalle. Kaasun ruiskutussuuttimet säätävät sylintereihin kulkevaa kaasun määrää elektronisen kaasunohjausjärjestelmän avulla. Ruiskusuuttimien avautumisaikoja säätämällä ohjataan moottorin tehoa ja kierroslukua.
28 Kaasunsyöttölaitteisto: Suodatin Magneettiventtiili Paineensäätöventtiili Takatulisuoja (takaiskuventtiili) Kaasunsekoitus (mixer), kaasuläppä + käyttömoottori tai kaasunruiskusuuttimet Kaasunvirtauksen säätöventtiili Tarvittavat putkistot Kaasun ohjausjärjestelmä: Lambda-anturi Triggeröintikiekko + anturointi Ecu-ohjausyksikkö Bensiinimoottorin hyödyt Sytytysjärjestelmä on jo valmiina Bensiinimoottorin haitat Mahdollinen puristussuhteen nostaminen aiheuttaa lisäkuluja
29 9 MOOTTORIVAIHTOEHTOJA Tässä luvussa on tarkasteltu muutamia mahdollisia käytettyjä bensiini- ja dieselmoottori vaihtoehtoja kaasumoottoriksi biokaasugeneraattoriin. Valinnassa on otettu huomioon moottoreiden tarvitsema vääntömomentti moottorin pyörimisnopeuden ollessa 1500 r/min ja 3000 r/min. Bensiinimoottoreissa on huomioitu että tarvittava vääntömomentti löytyy moottorin pyöriessä noin 3000 r/min ja generaattorina käytettäisiin yksinapaista oikosulkumoottoria, jonka pyörimisnopeus on 3000 r/min. Dieselmoottoreissa tarvittava vääntömomentti löytyy moottorin pyöriessä noin 1500 r/min ja generaattorina käytettäisiin kaksinapaista oikosulkumoottoria, jonka pyörimisnopeus on noin 1500 r/min. 50 kva:n moottorin tarvitsema minimi vääntömomentti on laskettu tehon kaavasta 1 johdetulla kaavalla 2. P = M [Nm] * n [r/min] / 9550 (1) P = teho (kw) M = vääntömomentti (Nm) n = pyörimisnopeus (r/min) Kaava 2 M [Nm] = P [kw] * 9550 / n [r/min]. (2) Lasketaan vääntömomentti 50 kva:n generaattorin jatkuvan tehon mukaan, joka on 40 kw. 3000 kierrosta minuutissa pyörivän moottorin minimivääntömomentti M = 40 kw * 9550 / 3000 r/min = 127 Nm. 1500 kierrosta minuutissa pyörivän moottorin minimivääntömomentti M = 40 kw * 9550 / 1500 r/min = 255 Nm
30 Taulukossa 6 ja 7 on esitetty muutamia potentiaalisia bensiini- ja dieselmoottorivaihtoehtoja biokaasugeneraattorin voimanlähteeksi. Taulukko 6. Bensiinimoottorivaihtoehtoja Merkki Malli Moottori Tyyppi Iskutilavuus Teho Vääntö BMW 323i R6 M52B25 2494 cm 3 BMW 325i R6 M50B25 2494 cm 3 BMW 328i R6 M52B28 2793 cm 3 125 kw 5500 r/min 141 kw 5900 r/min 142 kw 5500 r/min 245 Nm 3950 r/min 250 Nm 4200 r/min 280 Nm 3500 r/min Volvo 3.0 R6 DOHC 24V B6304 S 2922 cm 3 150 kw 6000 r/min 267 Nm 4300 r/min Volvo 2.4 R5 20V B5254S 2435 cm 3 125 kw 6200 r/min 220 Nm 3300 r/min
31 Taulukko 7. Dieselmoottorivaihtoehtoja Merkki Malli Moottori Iskutilavuus Teho Vääntö MB E 320 CDI R6 3222 cm 3 MB E 300 TD R6 Turbo 2996 cm 3 145 kw 4200 r/min 130 kw 4400 r/min 470 Nm 1800 r/min 330 Nm 1600 3600 r/min BMW 530d R6 DOHC 24V Turbo 2926 cm 3 142 kw 4000 r/min 410 Nm 1750 3000 r/min Audi 2.5 TDI V6 DOHC 24V Turbo 2496 cm 3 132 kw 4000 r/min 370 Nm 1500 r/min Valmet 611 150 kw Valmet 612 150 kw 695 Nm 2500 r/min 680 Nm 1500 r/min Leyland 0.410 6540 cm³ 110 kw 468 Nm Cummins 6 CTA 8,3 110 kw 500 Nm 1500 r/min Deutz BF BF 6L 913 C Turbo diesel 141 kw 635 Nm 2500 r/min Caterpillar C7 220 kw 700 Nm 1440 r/min
32 10 EPÄTAHTIGENERAATTORI JA TAHTIGENERAATTORI 10.1 Epätahtigeneraattori Epätahtikonetta (oikosulkumoottori) voidaan käyttää myös generaattorina. Epätahtikoneessa roottori pyörii epätahdissa staattorikäämityksen kehittämän pyörivän magneettikentän kanssa. Toisin sanoen generaattorina toimivan sähkömoottorin kierrosnopeus pitää olla vähän suurempi kuin sähkömoottorin ilmoittama kierrosnopeus. Esim. sähkömoottorin, jonka kierrosnopeus on 1500 rpm, täytyy sitä pyörittää 1600 1800 rpm, jotta se syöttää sähköä verkkoon päin. Epätahtigeneraattorit voidaan jakaa magnetoinnin perusteella kahteen ryhmään: verkkomagnetoidut epätahtigeneraattorit ja kondensaattorimagnetoidut epätahtigeneraattorit. Verkkomagnetoidut epätahtigeneraattorit eivät ole itse herääviä, vaan ottavat magnetoimisvirran sähköverkosta, joten ne pystyvät syöttämään sähkötehoa vain jännitteellisiin verkkoihin. Sen sijaan kondensaattorimagnetoidut epätahtigeneraattorit ottavat koneen magnetoimisvirran liittimiin asennetuista magnetoimiskondensaattoreista. Ne ovat niin sanottuja itsemagnetoituvia, eli ne pystyvät toimimaan täysin itsenäisinä generaattoreina. [25. s. 177.] Kondensaattorimagnetoituja epätahtigeneraattoreita käytetään esimerkiksi poltto- tai dieselmoottorin varavoimakoneen generaattoreina. Tehdasvalmisteisia kondensaattorimagnetoituja epätahtigeneraattoreita ei juuri ole saatavana, joten ne täytyy rakentaa itse. [26.] Epätahtigeneraattori vaatii toimiessaan loistehoa, joka tuotetaan joko paikallisesti kompensointikondensaattorilaitteistolla tai otetaan verkosta. Loistehon verkosta ottaminen ei ole kannattavaa, sillä se lisää verkon häviöitä, jännitteen alenemaa ja vaikuttaa tarvittavan liittymän kokoon. [26.] Epätahtigeneraattori vaatii monesti mm. moottorin ohjauksen ja taajuusmuuttajayksikön yhteensovittamista. On myös huomioitava, että epätahtigeneraattori ei tuota niin hyvälaatuista sähköä kuin tahtigeneraattori, mistä voi seurata ongelmia omassa käytössä herkkien laitteiden kanssa. Myös jakeluverkkoon liitäntä asettaa tietyt vaatimukset generaattorikäytölle. Esimer-
33 kiksi generaattorilla pitää olla suojaus- ja mittauslaitteisto, ettei generaattorin käyttö aiheuta haittaa muille kytketyille sähkölaitteille. [26.] Epätahtigeneraattorit ovat halvempia kuin tahtigeneraattorit, ja niitä käytetään yleensä pienemmissä tuotantolaitoksissa rinnankäytössä. Esimerkiksi pienvesivoimalaitoksissa ja tuulivoimaloissa käytetään epätahtigeneraattoreita. Kuva 13 a) esittää periaatteellisen kytkennän verkkomagnetoidusta epätahtigeneraattorista. b) Kondensaattorimagnetoitu epätahtigeneraattori. Kuva 13 a) Verkkomagnetoitu epätahtigeneraattori. [25, s. 179] Kuva 13 b) Kondensaattorimagnetoitu epätahtigeneraattori. [25, s. 179]
34 10.2 Taajuusmuuttaja Käytettäessä epätahtigeneraattoria jakeluverkon kanssa rinnan voidaan se kytkeä verkkoon tehoelektroniikkaa hyväksi käyttäen. Taajuusmuuttajalla verkkoon kytketty epätahtigeneraattorin pyörimisnopeutta ei tarvitse muuttaa verkkotaajuutta vastaavaksi, koska generaattorin tuottama vaihtosähkö muutetaan verkkotaajuiseksi taajuusmuuttajalla. [26.] Yleisin taajuusmuuttajatyyppi on kolmivaiheinen jännitevälipiirillinen taajuusmuuttaja, jonka verkkoliityntäominaisuuksiin kuuluu tehonsiirtokyky kumpaankin suuntaan ja loistehon säätömahdollisuus. Jännitysvälipiirillissä taajuusmuuttajissa sähkö muutetaan ensin tasasähköksi ja sitten välipiirin jälkeen vaihtosuuntaajassa vaihtosähköksi. [26.] Kuvassa 14 on esitetty jännitysvälipiirinen taajuusmuuttajan koostumus, joka koostuu kolmesta pääpiirin osasta: generaattorisuuntaajasta, välipiiristä ja verkkovaihtosuuntaajasta, sekä lisäksi ohjauselektroniikasta ja verkkosuodattimesta. Kuva 14. Generaattori kytkettynä jakeluverkkoon taajuusmuuttajalla. [26]
35 10.3 Tahtigeneraattori Tahtigeneraattori muuttaa voimakoneen sille antaman mekaanisen tehon sähköverkkoon luovutettavaksi sähkötehoksi. Verkkoon kytketetyn tahtikoneen roottori pyörii samalla nopeudella koneen sisäisen magneettikentän ja syötettävän verkon kanssa. [25. s. 215.] Tahtikoneen pyörimisnopeus n on sidoksissa syöttävän verkon taajuuteen f, pyörimisnopeus n voidaan laskea kaavalla 3. n = ff eeeeee nn = 60 ff [rr/mmmmmm] (3) pp pp jossa p on generaattorin napapariluku. n on generaattorin pyörimisnopeus. Tahtikoneen pääkomponentit ovat staattori ja roottori. Tahtikoneen työkäämitys on upotettu rautasydämen sisäpinnalla sijaitsevaan uritukseen. Staattorin rautasydän on valmistettu sähkölevyistä latomalla. Sähkökoneen magneettipiirissä olevan staattorisydämen päätehtävänä on johtaa sähkökoneessa kulkevaa magneettivuota. [25. s. 216.] Tahtikoneen roottorilla sijaitsevaa magnetointikäämitystä syötetään tasavirralla. Magnetointikäämityksen tehtävänä on luoda roottorille oma magneettikenttä, joka pysyy roottoriin nähden muuttumattomana magnetointivirran pysyessä vakiona. Tahtikoneen roottori pyörii staattisessa tilassa nopeudella, jolla sen luoma magneettikenttä on tahdissa staattorin magneettikentän kanssa. [25. s. 217.] Tahtikoneissa käytetään pääasiassa avonapaista tai umpinapaista roottorirakennetta. Avonapaisen roottorin teräsrunkoon liitettyihin sähkölevysydämisiin napoihin on käämitty tasavirtakäämitys. Umpinapaisen roottorin runko on sylinterimäinen massiiviteräksinen tai sähkölevyistä ladottu. Roottorin napojen määrä on aina parillinen. Roottorin rautasydän ja Staattorin rautasydän, yhdessä ilmavälin kanssa muodostavat koneen magneettipiirin. [25. s. 217.]