Mikro- ja pien-chp Teknologia- ja laitekantaselvitys sekä kannattavuuden tarkastelu tapausesimerkin avulla Laatija: Heidi Takalo Koonnut: Anna Saksio Iin Micropolis Oy Toukokuu 2013
Sisältö 1 CHP-teknologiat ja laitekanta... 4 1.1 Teknologia... 4 1.1.1 Polttomoottorit ja kaasuturbiinit... 4 1.1.2 Höyryturbiinit ja muut höyryvoimalaitteet... 6 1.1.3 Muut välittäjäaineisiin liittyvät tekniikat... 8 1.1.4 Polttokennot... 10 1.2 Laitevalmistajat... 12 1.2.1 Laitevalmistajia Suomessa... 12 1.2.2 Laitevalmistajia ulkomailla... 15 2 Suomalaiset kokemukset pienistä CHP-laitoksista... 17 3 Lämpöyrittäjän CHP-konsepti ja sen kannattavuus... 20 3.1 Luvat, tuet ja verot... 20 3.2 Kustannusrakenne... 21 3.3 Kannattavuus... 22 3.3.1 CASE Kuivaniemi... 22 3.3.2 CASE Syötekeskus, Pudasjärvi... 25 4 Yhteenveto ja suositukset... 28 5 Lähteet... 29 Kuvat Kuva 1. Lämmöntuotannon pysyvyys- ja tuntivaihtelukäyrät Kuivaniemellä tapauksissa a ja c. (Laukkanen & Korhonen 2012, Copyright Pöyry) 23 Kuva 2. Lämmöntuotannon pysyvyys- ja tuntivaihtelukäyrät Kuivaniemellä tapauksessa b. (Laukkanen & Korhonen 2012, Copyright Pöyry) 24 Kuva 3. Öljyn ja käyttöveden kulutus 8/2011 10/2012 25 Kuva 4. Lämmityskulujen hintavertailu 8/2011 10/2012. 26 2
Taulukot Taulukko 1. Pien-CHP:en soveltuvan tekniikan ominaisuuksia (MicrE 2012). 11 Taulukko 2. Suomalaisia laitevalmistajia ja laitteistojen tehoja 1-1000kW kokoluokassa (Haavisto 2010).. 12 Taulukko 3. Ulkomaisia laitevalmistajia ja laitteistojen tehoja 1-1000 kw e kokoluokassa (Haavisto 2010)..15 Taulukko 4. CHP-laitteistojen kustannustaso (WADE 2008 ks. Kotakorpi 2010).22 Taulukko 5. Laitosinvestointien tarjousvertailut 27 3
1 CHP-teknologiat ja laitekanta CHP-laitokset voidaan jakaa koon perusteella kolmeen eri kokoluokkaan: mikro-chp, pien-chp ja suuren kokoluokan CHP-laitokset. Jako ei ole täysin yksiselitteinen ja varsinkin mikro- ja pien-chp menevät helposti sekaisin. Mikro-CHP laitosten koko on alle 50 kw (Hintikka 2004). Pien-CHP laitoksen koko on sähköntuotantoteholtaan yleensä 1-2 MW e ja lämpöteholtaan 3-5 MW th (Motiva 2012b). Haaviston (2010) mukaan pienen kokoluokan CHP -tekniikoihin taas luokitellaan sähkön ja lämmön yhteistuotantojärjestelmät, joilla sähköteho P < 1 MW e. Pienen kokoluokan CHP -laitoksen nimellistehon ylärajana pidetään 10 MW. Suuren kokoluokan CHP-laitokset ovat nimellisteholtaan yli 10 MW (Motiva 2012b). Tässä selvityksessä keskitytään teholtaan 0,1 8 MVA voimalaitosratkaisuihin ja niiden polttoainevaatimuksiin. Pien-CHP laitoksissa päästään yleensä 80 95 % kokonaishyötysuhteeseen. Sähkön hyötysuhde vaihtelee 30 %:n molemmin puolin käytetystä tekniikasta riippuen. (Motiva 2012b) Biopolttoainetta energialähteenä käyttävissä maatilakokoluokan CHP-laitoksissa on useita vaihtoehtoisia tekniikoita ja kehitysasteella olevia voimalaitosratkaisuja. Sähköä tuotetaan generaattorilla, jota pyöritetään erilaisilla moottoreilla. Nestemäisiä tai kaasumaisia polttoaineita voidaan polttaa diesel- tai kaasumoottorissa, tai kiinteitä polttoainetta polttamalla kattilan tulipesässä tai polttokammiossa. Tällöin sähkötuotanto tapahtuu Stirlingkoneen, ORC-yksikön, höyrykoneen, höyryturbiinin, kaasuturbiinin, mikroturbiinin tai ilmakaasu-turbiinin kautta. Kaikissa tekniikoissa hinta/kw e putoaa kokoluokan kasvaessa. Pien-CHP tuotanto jaetaan pääosin neljään perustekniikkaan (MicrE 2012): Polttomoottorit ja kaasuturbiinit Höyryturbiinit ja muut höyryvoimalaitteet Välittäjäaineisiin liittyvät tekniikat Polttokennot 1.1 Teknologia 1.1.1 Polttomoottorit ja kaasuturbiinit Polttomoottorissa ja kaasuturbiinissa toiminta perustuu sisäiseen palamiseen. Polttomoottorissa polttoaine (nestemäinen tai kaasumainen) ja ilman seos syötetään sylinteriin. Sylinterissä seos sytytetään, jolloin se palaa räjähdysmäisesti ja aiheuttaa palotilaan paineen joka työntää mäntää kohti kampiakselia. 4
Männän liike työntää kiertokankea ja aikaansaa kampiakselin pyörimisliikkeen, jonka kautta pyörimisliike siirretään sähkögeneraattoriin. Polttomoottoria kutsutaan yleisemmin diesel- tai kaasumoottoriksi. Kaasuturbiinissa polttoaine (kaasumainen tai nestemäinen) syötetään suurella paineella polttokammioon, ahdin puristaa niihin ilmaa joka sytytetään, jolloin polttoaine palaa suurella paineella ja laajentuva palamiskaasu työntää turbiinisiipiä edessään. Turbiinisiivet on kytketty akselille, jonka kautta pyörimisliike siirretään sähkögeneraattoriin. Savukaasujen jäljellä oleva lämpö saadaan talteen turbiinin jälkeen lämmön talteenottokattilassa, jossa vesi höyrystetään. (MicrE 2012) Alla on lueteltu biomassan kaasuksen etuja ja haasteita (Lappeenrannan 2009) Etuja tuotekaasua voidaan hyödyntää monella eri tapaa (esim. suora poltto tai jatkojalostus) korkea kaasutuslämpötila laskee päästöjä hyvä säädettävyys (20 100 %) Haasteita biomassa vaati kuivatuksen ennen kaasutusta kaasumoottoria käytettäessä suuret puhtausvaatimukset heikkolaatuisempi tuotekaasu tulisi saada hyödynnettyä esimerkiksi lämmöntuotannossa kaasutuksen taloudellinen kannattavuus? koelaitoksissa ollut suuria ongelmia kaasun puhdistuksen kanssa. Kaasumoottorit Paras sähköntuotannon hyötysuhde saadaan tällä hetkellä kaasumoottorilla (jopa 46 %). Kokonaishyötysuhteeksi tuotettaessa sekä sähköä että lämpöä voidaan saada jopa 85 %. Kaatopaikkakaasut ja biokaasureaktorin tuottamat metaanikaasut soveltuvat myös kaasumoottorin polttoaineiksi. Polttoaineelle asetetaan suuret puhtausvaatimukset, sillä suuri virtausnopeus ja korkea lämpötila voivat muuten laskea kaasumoottorin käyttöikää. Biokaasun käyttö vaatii vielä kehitystyötä, mutta se on energiatehokas tapa tuottaa sähköä ja lämpöä. (Lappeenrannan 2009, Malmberg 2012, 26) Polttomoottoreita käytetään CHP-laitoksissa paljon. Niiden investointikustannukset ovat suhteellisen pienet ja rakennusaika lyhyt. Lisäksi käynnistys ja sammutus onnistuvat nopeasti, laitos toimii tehokkaasti myös vajaalla kuormalla, ylläpito on helppoa ja useamman polttoaineen käyttö yleensä mahdollista. (Kirjavainen ja muut 2004, 10) 5
Kaasuturbiinit Normaaleja tai suuria kaasuturbiineja on pääasiassa suuremmissa 1-100 MW e CHP-laitoksissa. Useimmissa kaasuturbiineissa käytetään nestemäistä polttoainetta tai esim. maakaasua. Nykyään löytyy myös pienempiä 0,5-2 MW e kaasuturbiineja, joita käytetään teollisuudessa. (Granö 2008) Mikroturbiini Mikroturbiinista puhuttaessa tarkoitetaan yleensä kaasuturbiinia, jonka sähköteho on 1 250 kw e (MicrE 2012). Mikroturbiinien polttoaineina voidaan käyttää sekä kaasumaisia että nestemäisiä aineita. Yleisimmin käytetty polttoaine on tällä hetkellä maakaasu, biomassaan perustuvista polttoaineista tutkimuksen ja kehityksen alla on muun muassa biokaasu. (OPET Network 2004a ks. Sinkko 2009, 35) Mikroturbiini rakennetaan sekä integroidaan yhdessä sähkögeneraattorin kanssa, joten ne ovat kompakteja ja niiden käynti on hiljaista verrattuna mäntämoottoriin (Granö 2008). Mikroturbiinin etuja ovat yksinkertaisuus ja hyvä sähkön tuoton hyötysuhde, mutta siihen pohjautuvat pienchp järjestelmät ovat toistaiseksi noin kaksi kertaa kalliimpia kuin polttomoottoritekniikan järjestelmät (Haavisto, 2010). Korkeiden investointikustannusten vastapainoksi huoltoa tarvitaan vähän. Mikroturbiinilla saadaan tuotettua suuritaajuuksista sähköä ja päästään isoihin kierroslukuihin. Se soveltuu erinomaisesti toimimaan jatkuvatoimisena ja sopeutuu hyvin polttoaineen syötön nopeuden vaihteluihin. (Hintikka 2004, 7, 10) Kuumailmaturbiinit (HAT) Hiiltä polttavia kuumailmaturbiineja (HAT, Hot Air Turbine) on mukautettu sopiviksi biomassalle. Pienemmissä yksiköissä, joissa biomassaa kaasutetaan ja poltetaan tehokkaasti, lämpöenergiaa siirtyy lämmönvaihtimen kautta savukaasuista kuumaan korkeapaineiseen ilmaan, joka ohjataan kuumailmaturbiiniin. Kuuman ilman lämpötila on 800 950 C. (Granö 2010a) Kiinnostus kuumailmaturbiinin käyttöön on kasvanut biomassan kaasutustekniikan parantumisen myötä. Esimerkiksi puukaasun poltossa nykytekniikalla syntyy suhteellisen puhtaita savukaasuja. Kuumailmaturbiinin savukaasuputkessa olevassa lämmönvaihtimessa tämä myös vähentää kerrostumisongelmaa. Lämmönsiirto on tehokkaampaa ja huollontarve vähenee kun likakerrostumia on vähän. (Granö 2010b) 1.1.2 Höyryturbiinit ja muut höyryvoimalaitteet Höyryturbiini eli Rankine-prosessi eroaa kaasuturbiinista siten, että palaminen ja lämmön talteenotto tapahtuu höyrypiirin ulkopuolella. Höyry voidaan tuottaa esimerkiksi polttamalla höyrykattilassa 6
polttoainetta (kiinteä, nestemäinen tai kaasumainen) tai aurinkoenergialla. Vesi paineistetaan syöttövesipumpulla ja höyrystetään kattilassa, jonka jälkeen se tulistetaan. Tulistettu höyry johdetaan vastapaineturbiiniin, jossa sen paine alenee halutulle tasolle. Tämän määrittää lämmönvaihtimen tarvitsema lämpötila. Lämmönvaihtimessa turbiinilta tulleen höyryn lämpö otetaan talteen ja siirretään lämpöverkkoon tai varaajaan. Turbiinissa paisuva höyry pyörittää turbiinia. Turbiinin pyörimisliike siirretään akselin kautta sähkögeneraattoriin. Höyryturbiiniprosessi on yleisesti käytössä suuremman kokoluokan energiantuotannossa. (MicrE 2012) Höyryturbiini Höyryprosessi on maailman yleisimmin käytetty sähköntuotantoteknologia 10 500 MW e kokoluokassa. Nykyisin on olemassa uusia ja pieniä höyryturbiiniyksiköitä, jotka ovat kooltaan kompakteja ja joiden hyötysuhde on aiempaa parempi, pienimmät ovat alkaen 0,1 MW. Arina- ja leijupoltto ovat yleisimmät tekniikat. Alle 5 MW:n kokoluokassa arinapoltto on yleisin. Höyryturbiinin sähköntuotanto pienissä CHPvoimaloissa on usein 5 20 % polttoaineen sisältämästä energiasta. (Lappeenrannan 2009) Höyryturbiinit jaetaan yleensä kolmeen luokkaan (Granö 2008): Lauhdutushöyryturbiini (Condensing Steam Turbines) käytössä pääasiassa teollisuudessa, yhdistetään usein vastapaineturbiiniin Vastapaineturbiini (Back-pressure turbines), soveltuu pääasiassa prosessiteollisuuteen, mutta myös pienempiin CHP-laitoksiin Uuttoturbiini (Extraction turbines) voi muuttaa korkeapaineisen höyryn ottoa teollisen tarpeen mukaan ja tuottaa enemmän tai vähemmän sähköä. Nykyisin Suomesta löytyy höyrykattilavalmistajia, jotka tarjoavat moduulirakenteisia laitosratkaisuja, kuten Savonia Power Oy Varkaudessa ja MW Power Oy / MW BioPower Oy (ent. Wärtsilä BioPower Oy). Höyryprosessin etuja ja haasteita on lueteltu alla (Lappeenrannan 2009). Etuja laaja polttoainevalikoima polttoaine voi olla hyvinkin epätasalaatuista toimii hyvin kosteallakin polttoaineella (jopa 65 %) runsaasti käyttökokemuksia ja valmistajia modulaarinen rakenne pienessä kokoluokassa voidaan laitosta usein käyttää miehittämättömänä. 7
Haasteita höyryturbiinilla osakuormalla alhainen teho minimiteho 35 40 % maksimista ei nopeita kuorman vaihteluita biopolttoaineilla hyötysuhde usein jää usein n. 80 %, johtuen mm. polttoaineen kosteudesta vaatii usein riittävän pitkän vuosittaisen käyttöajan toimiakseen kannattavasti. 1.1.3 Muut välittäjäaineisiin liittyvät tekniikat Välittäjäainetekniikka vastaa toimintaperiaatteeltaan vesihöyryturbiinia. ORC-prosessissa (The Organic Rankine Cycle) työaineena käytetään veden sijasta alhaisen kiehumispisteen omaavaa orgaanista ainetta (esimerkiksi tolueenia). ORC-prosessin työaineen ominaisuuksien johdosta turbiinilla voidaan tuottaa sähköenergiaa perinteistä höyryturbiiniprosessia merkittävästi alhaisemmissa lämpötiloissa. Tämän vuoksi ORC-prosessit sopivat erinomaisesti käytettäväksi hukkalämmönlähteiden hyödyntämisessä tai yhdistettynä kaasuturbiini- tai höyryturbiiniprosesseihin. Stirlingmoottorissa työaineena on moottorin sisällä oleva kaasu (ilma tai helium), joka lämpölaajenemisen ja moottorin tiiveyden johdosta synnyttää paineen jaksottaisen vaihtelun. Painevaihtelu muutetaan mekaaniseksi liikkeeksi männän ja sylinterin avulla, jolla pyöritetään sähkögeneraattoria. (MicrE 2012) ORC lämpöturbiinit (Organic Ranking Cycle) ORC -tekniikassa pystytään hyödyntämään matalaa lämpötilatasoa (350 400 C). Joidenkin lähteiden mukaan se ei kuitenkaan ole kilpailukykyinen tapa toteuttaa pien-chp järjestelmiä alle 300 kw e :n teholuokassa. (Haavisto 2010) Toisen lähteen mukaan ORC-tekniikka taas on ainoa varma tekniikka pienessä kokoluokassa (Laukkanen 12.4.2012). Keski-Euroopassa ko. tekniikalla toteutettuja laitoksia on jo yli 150 kpl (Haavisto, 2010). Saksassa, Itävallassa ja Italiassa on useita kymmeniä biomassalla toimivia ORC-voimalaitoksia, Suomessa ei yhtään. Rakentaminen on keskittynyt maihin, joissa biopolttoaineilla tuotettua sähköä tuetaan esim. takuuhinta järjestelmällä. ORC-yksikkö on kooltaan pienempi ja kompaktimpi kuin höyryturbiini. Yksikkö valmistetaan omana moduulina ja yhdistetään kattilaan sekä kaukolämpö- ja sähköverkkoon rakennuspaikalla. Suurnopeustekniikka mahdollistaa hermeettisen (eli täysin ilmanpitävän) rakenteen sekä turbiinin ja generaattorin välisen mekaanisen alennusvaihteen pois jättämisen ja siten korkeamman hyötysuhteen. Tavoitteena on nostaa laitosten sähköntuotannon osuutta esimerkiksi kohottamalla termoöljypiirin lämpötilaa. Alla on esitelty ORC-prosessin etuja ja haasteita. 8
Etuja useita eri polttoainevaihtoehtoja (mm. biomassa, teollisuuden hukkalämpö, maa- ja aurinkolämpö) voidaan mitoittaa lähelle lämmönlähteen lämpötilaa hyvä hyötysuhde matalissa, alle 350 C lämpötiloissa alhaiset käyttökustannukset (kiertoaineen menetystä ei tapahdu) miehittämätön käyttö. Haasteita kiertoaineiden ja lämmönsiirtoöljyjen lämpötilan kesto prosessilaitteiden tekniikka orgaanisia kiertoaineita varten kiertoaineiden myrkyllisyys ja paloturvallisuus (itsesyttymisvaara) Suomessa vähäiset käyttökokemukset (Lappeenrannan 2009). Tähän mennessä toteutetuissa biomassaa polttoaineenaan käyttävissä ORC-voimalaitoksissa ja useissa teollisuuden jätelämpöä hyödyntävissä laitoksissa savukaasujen lämpö siirretään ORC-prosessiin erillisen lämmönsiirtopiirin välityksellä. Termoöljyjärjestelmien käyttölämpötilat vaihtelevat 120 C:sta yli 400 C:een. (Heinimö & Jäppinen 2005) Stirling Stirling-moottori on lämpövoimakone, jonka sisällä ei tapahdu palamista vaan lämpö tuodaan ulkopuolelta. Stirling-moottoria käytettäessä lämmöntuotantomenetelmällä ei ole merkitystä. Moottorissa käytetty työkaasu ei osallistu ollenkaan palamiseen, eikä työkaasu poistu sylinteristä minkään työvaiheen aikana. Biomassalla toimivan stirling-moottorin ongelma on ollut kuuman pään lämmönvaihtimen likaantuminen sekä työaineena toimivan heliumin keveydestä johtuen mäntien tiivisteet. Prosessikaasua ei voida suoraan lämmittää vaan tarvitaan ylimääräinen lämmönsiirrin. Hermeettinen rakenne on helpottanut tiivistysongelmia. (Lappeenrannan 2009) Stirling-moottorit soveltuvat etenkin hyvin pieniin alle 200 kw yhteistuotantolaitoksiin, mutta laitoksen investoinnit nousevat vielä suhteellisen korkeiksi. Stirling -koneen sähköntuoton hyötysuhteen saamiseksi riittävälle tasolle vaaditaan myös korkea lämpötilataso (1000 C) ja riskinä on lämmönvaihtimen likaantuminen. (Haavisto, 2010) Ekogen Oy kehitti stirling -järjestelmänsä lämmönvaihtimen likaantumista siten, että lämpö tuodaan yhden ylimääräisen lämmönvaihtimen kautta ensin puhtaaseen ilmaan, joka siirtää lämpötehon Stirling -koneen lämmönvaihtimelle. Ekogen kuitenkin lopetti Biostirling-voimalan kehittämisen teknisistä ja kannattavuussyistä ja keskittyy nykyisin mikroturbiinitekniikkaan. (Laurila & Lauhanen 2011, 25) 9
Joka tapauksessa kiinnostus biopolttoaineilla toimivan Stirling-moottorin käyttöön sähköntuotannossa on kasvanut ja tutkimustoiminta sen osalta on vilkasta (mm. LUT Energian bio-stirling hanke) (Lappeenrannan 2009). Tuotekehityksessä hyvin aktiivinen yhtiö on ollut Stirling Denmark (Granö 2008). Alla stirling-moottorin etuja ja haasteita (Lappeenrannan 2009): Etuja lämmöntuotantomenetelmällä ja polttoaineella ei merkitystä pitkä huoltoväli (n. 8000 h), erittäin hiljainen ja tärinätön ei karstaannu sylinterin sisältä alhainen kierrosnopeus 1000 1500 rpm. Haasteita markkinoilla menestyvän mallin kehittäminen, hyvä hyötysuhde lämmönsiirtopintojen likaantuminen tällä hetkellä biomassalla toimivasta laitoksesta vain vähän käyttökokemuksia heikko säädettävyys ja hidas käynnistyminen rajoittavat sovelluskohteita. 1.1.4 Polttokennot Polttokenno on sähkökemiallinen laite, joka muuntaa polttoaineen sisältämän kemiallisen energian suoraan lämpö- ja sähköenergiaksi, kuten akut ja paristot. Polttokennot eroavat pattereista ja akuista kuitenkin siten, että reaktioaine (polttoaine) tulee ulkoisesta lähteestä ja sitä täytyy syöttää jatkuvasti. Polttokennot voivat toimia jatkuvasti niin kauan kuin polttoaine- ja hapetinvirtaa pidetään yllä. Polttokennoja on monenlaisia, mutta ne toimivat kaikki samalla periaatteella. Kenno on tehty kolmesta osasta: kahdesta elektrodista, eli anodista ja katodista, jotka on erotettu niiden välissä olevalla elektrolyytillä. Anodille syötetään polttoainetta ja katodille hapetinta (happi tai ilma). Välissä oleva elektrolyytti toimii varauksen kuljettajana ja ulkoisessa virtapiirissä kulkevat elektronit synnyttävät sähkövirran. Yhdellä kennolla on suuri virta, mutta pieni jännite, jolloin jännitettä saadaan nostettua kytkemällä kennoja sarjaan. Polttokennon reaktio riippuu käytetystä polttoaineesta ja elektrolyytistä. Polttokennolla on korkea sähköntuotannon hyötysuhde. (MicrE 2012) Nykyisten polttokennojen hyötysuhde on 38 55 %, mutta muutaman vuoden kuluessa se voi olla huomattavasti korkeampi. Pienimuotoisessa yhdistetyssä sähkön ja lämmön tuotannossa tullaan todennäköisesti tulevaisuudessa käyttämään myös polttokennoja. Polttoaineena kennoissa voidaan käyttää esimerkiksi alkoholia, hiilimonoksidia tai vetyä. (Laurila & Lauhanen 2011) Kaasumoottoriin nähden polttokennojen hinta on edelleen noin 3 5 -kertainen. (Granö, 2010b). Alla taulukko pien CHP:en soveltuvan tekniikan ominaisuuksista. 10
Taulukko 1. Pien-CHP:en soveltuvan tekniikan ominaisuuksia (MicrE 2012) Tekniikka Pienin koko Suurin koko Toiminta- ja ylläpitokulut Pääomakustannukset CHP-tuotantokustannus Sähköntuotantokustannus Sähköntuotannon hyötysuhde CHP-tuotannon kokonaishyötysuhde Tyypillinen käyttöikä Kehitys-aste Tärkein tekninen vahvuus pien-chp - käytössä Suurin tekninen heikkous pien-chp - käytössä [kwe] [kwe] [ /kwe] [senttiä/kwh] [senttiä/kwh*] [senttiä/kwh*] [ %] [%] [vuotta] Mikroturbiini > 1 < 1 000 500-800, lämmöntalteenotolla lisää 50-250 0,3-1,2 7,5-11 19-38 n. 15 15 85 lämmöntalteenotolla Varhaiskaupallisessa vaiheessa Pieni huoltotarve Polttoaineen oltava kaasumainen tai nestemäinen Polttomoottori 10 20 000 800-1 000, lämmöntalteenotolla lisää 50-150 1-3 9-12 17,5-23 25-40 n. 80 15 Laajasti käytössä Korkea sähköhyötysuhde Verrattain suuri huollon tarve 0,5 < 75 1 400-3 000, sisältää lämmönvaihtimen 1-2,5 9,5-15,5 21-43,5 15-35 75-90 15 Stirlingmoottori Pilotvaiheessa Pieni huoltotarve Rajallinen sähköhyötysuhde Höyryturbiini ja -kone 100 500 000 1 300-3 000 0,3-1 9-14,5 18-42 15-35 (alle 3 MW e) 75-85 (alle 3 MW e) 15 Laajasti käytössä Tekniikan todettu toimivuus Sähköhyötysuhde osakuormalla Polttokennot 0,5 2 000 0,3-1,5 8-14 12,5-24 30-50 75-95 1-5 1 000-2 7000, sisältää lämmöntalteenoton Kehitysvaiheessa Korkea sähköhyötysuhde Lyhyt kestoikä OCR-prosessi 7300 (Pöyry) > 20 Varhaiskaupallisessa vaiheessa Hyvä sähköhyötysuhde myös osakuormalla Rajallinen sähköhyötysuhde 11
1.2 Laitevalmistajat 1.2.1 Laitevalmistajia Suomessa Suomessa myytävät mikro- ja pien-chp -järjestelmät toimitetaan usein konttiratkaisuina ja ne voidaan ottaa käyttöön avaimet käteen -periaatteella. Joiltain osin tilaaja joutuu itse rakentamaan ja täydentämään laitteistoa saadakseen toimivan kokonaisuuden. (Haavisto 2010) Alla on taulukoitu suomalaisia laitevalmistajia ja olemassa olevien laitteistojen tehoja. Taulukko 2. Suomalaisia laitevalmistajia ja laitteistojen tehoja 1-1000 kw e kokoluokassa (Haavisto 2010) Valmistaja Polttoaineet Tekniikka Sähköteho Lämpöteho Kokonaishyötysuhde kw e kw th Ekogen Oy Hake, pelletti, turve Mikroturbiini - - 100 - - 300 82 % Volter Oy Hake Kaasutus/ polttomoottori Gasek Oy Puu, hake, peletti, biojätteet Kaasutus/ polttomoottori - - 30 - - 80 50-500 100-1000 75 90 % Entimos Oy Biomassa, hake yms. Kaasutus/ 300-2000 700-5000 82 % polttomoottori Savonia Power Oy Hake, sahausjäte, turve Höyryturbiini 1000-3000 5000-15 000 80 % Wärtsilä Kaasu Polttokenno (SOFC) Greenvironment Mikroturbiini 20-50 Siemens Kaasu Polttokenno (SOFC) Ekogen Oy Lappeenrantalainen Ekogen Oy kehittää mikroturbiinivoimalaa, jonka sähköteho on 100 kw ja lämpöteho 300 kw. Aikaisemmin Ekogen Oy kehitti myös BioStirling -voimalaa, mutta lopetti sen kehittämisen teknisistä ja kannattavuussyistä. (Laurila & Lauhanen 2011, 25) Ekogenillä on rakenteilla koelaitos Lappeenrantaan. Laitos on tarkoitus saada käyttöön vuonna 2012. (Koskelainen 13.2.2012) Laitoksen sähkö tuotetaan italialaisella Turbec T100 mikroturbiinilla. Vastaavanlaisia turbiineja on Euroopassa käytössä biomassalla kymmenkunta ja maa/biokaasulla noin 500 kpl. Polttoratkaisu perustuu Ariterm Oy:n polttimeen. Ekogen lupaa laitokselleen 15 vuoden käyttöiän. Huoltotoimenpiteisiin kuuluu laitoksen lämmönvaihtimen uusiminen noin 5 vuoden välein. (Koskelainen 13.2.2012). Volter Oy Oululainen Volter Oy (entinen Fortel Components Oy) valmistaa pienen kokoluokan CHP-laitoksia. Konttiin pakattu pienvoimalaitos perustuu puuhakkeen kaasutukseen. Volter CHP 30:n hakkeen kulutus on 3,5 i- 12
m 3 /2640 kwh (24h). Laitoksen sähköteho on 30 kw ja lämpöteho 80 kw. Käytetty tekniikka on tunnettua ja perustuu komponentteihin, joiden käytöstä on kokemusta kolmen vuoden ajalta. VTT:n tutkimusten mukaan kaasu on hyvälaatuista, eikä sisällä tervaa. Laitoksen huoltoväli on viikko, jolloin tuhka poistetaan suodattimesta. Volterin lämmönvaihdintekniikka on patentoitu. (Haapakoski 22.2.2012) Volterin laitteilla on korkea automaatiotaso, laitos toimii miehittämättömänä ja käytössä on etävalvonta, johon pääsee käsiksi netin kautta. Laitosta voidaan ajaa ajastetusti lämpö- ja/tai sähköntarpeen ohjaamana. Ylös- ja alasajo sekä ylläpitotila ovat automatisoituja. (Haapakoski 22.2.2012) Volterin laitoksen kokoa voidaan kasvattaa lisäämällä useampia rinnakkain toimivia reaktoreita. Reaktorin kokoa Volter ei halua kasvattaa, koska tekniikka pienemmässä mittakaavassa on toimivaa. Esimerkiksi 1 MW:n laitokseen tarvitaan 6 reaktoria. (Haapakoski 22.2.2012) Gasek Oy Reisjärveläinen Gasek Oy valmistaa hakekäyttöisiä puun kaasutustekniikkaan perustuvia sähkön- ja lämmöntuotantolaitoksia. Ensimmäiset kaupalliset toimitukset on tehty vuonna 2011. Pienoisvoimalaitosten toiminta perustuu pyrolyysiprosessiin, jossa puu kaasutetaan patentoidussa pyrolyysikaasuttimessa palavaksi kaasuksi. Puukaasu puhdistetaan, jonka jälkeen se on käytettävissä hyötysuhteeltaan tehokkaasti esimerkiksi polttomoottorissa. Puukaasu sisältää pääosin hiilimonoksidia ja vetyä. Laitos ei tuota haitallisia hiukkaspäästöjä ilmaan, pakokaasu on pääasiassa hiilidioksidia ja vesihöyryä. Prosessin sivutuotteena syntyy tuhkaa. (Väänänen 17.2.2012) Gasekin CHP-laitokset ovat konttimalleja. Polttoaineeksi soveltuvat kaikki kotimaiset puulajit, kun kosteuspitoisuus on < 35 %. Gasekin laitoksilla on tällä hetkellä 1 kk:n huoltoväli (yl. 300 h). (Väänänen 17.2.2012) Laitoksia on kahta eri kokoa 90 kw ja 150 kw. Pienemmässä laitoksessa on nelisylinterinen 4,9 - litrainen moottori, jossa sähköteho on 30 kw ja lämpöteho 60 kw. Suuremmassa laitoksessa on kuusisylinterinen 8,4 -litrainen moottori, jossa sähköteho on 50 kw ja lämpöteho 100 kw. Täydellä teholla isommalla moottorilla ajettaessa haketta kuluu noin 4-5 m 3 /vrk. (Laurila & Lauhanen 2011, 23) Entimos Oy Tervolalainen Entimos Oy valmistaa kaasutukseen perustuvia pienen kokoluokan CHP -laitoksia, joiden sähköntuotantoteho on 300 2000 kw. Laitokset käyttävät polttoaineena haketta, joka kaasutetaan Entimos Oy:n kehittämällä kaksoiskaasutustekniikalla. Tuotettu puukaasu poltetaan kipinäsytytteisessä mäntämoottorissa, joka pyörittää sähkögeneraattoria. Sähköenergian osuus tuotetusta energiamäärästä on noin 30 %. (Laurila & Lauhanen 2011, 23) 13
Savonia Power Oy Savonia Power Oy Varkaudessa toimittaa CHP-laitoksia alle 15 MW th kokoluokassa. Ratkaisut perustuvat vesihöyryprosessiin ja suurnopeustekniikkaa käyttävään turbogeneraattoriin (1-3 MW e sähköntuotannolla). Ratkaisulla saavutetaan korkea hyötysuhde pienessä kokoluokassa. Savonia Power Oy toimittaa myös kiinteitä polttoaineita käyttäviä voimalaitoksia 5-15 MW polttoaineteholla. (Savonia Power 2012) Wärtsilä Eräs höyryprosessin sovellutus on Wärtsilän Biopower voimalaitos. Wärtsilä Oy on kehittänyt biopolttoaineilla toimivan Rankine-höyryprosessiin perustuvan Biopower-voimalaitoskonseptin. Biopower laitokset valmistetaan standardikokoisina ja moduulirakenteisina, jolloin suunnittelukustannukset laskevat, mutta toisaalta täysin optimoidun kokoisen laitoksen saaminen hankaloituu. Laitokset ovat myös suhteellisen suuritehoisia esimerkiksi pienen kunnan lämmöntarpeeseen. Pienin käytössä oleva voimalaitos, BioPower 2 CHP-laitos, on rakennettu Irlantiin vuonna 2004. Sen sähköntuotanto on 1,9 MW e ja lämmöntuotanto 3,5 MW th. Polttoaineena toimii puunkuori. (Kilpeläinen 2003, 62 64 ks. Aaltonen & Ukkonen 2008, 17 18) Wärtsilä kehittää polttokennoilla varustettuja CHP-yksiköitä. Wärtsilä on esitellyt pienen, noin 20 kw e CHP-yksikön, jossa polttoaineena on biokaasu. Polttokennot ovat SOFC-tyyppiä. Vaasassa sijaitsevassa pilottilaitoksessa käytetään vanhalta kaatopaikalta saatavaa metaanikaasua. (Granö 2008). Greenvironment Oy Greenvironment on bioenergiaan ja hajautettuihin energiasovelluksiin erikoistunut vuonna 2002 perustettu teknologiayritys. Berliinissä ja Lahdessa toimivan yrityksen päämarkkina-alue on Saksa, jossa se operoi kehittämiään maa- ja biokaasuvoimalaitoksia ja myy tuotetun sähkön ja lämmön paikallisille energiayhtiöille. Yhtiön asiakkaita Saksassa ovat muun muassa maanviljelijät, teollisuusyritykset ja kunnat. Greenvironment käyttää voimalaitoksissaan yhdysvaltalaisen Capstone Corporationin mikroturbiineja. Voimalaitosten teho vaihtelee 30 kw:n ja 1000 kw:n välillä. Yhtiöllä on toimipaikka Lahden tiede- ja yrityspuistossa, jonka kanssa se toimii tiiviissä yhteistyössä. (Malkamäki 2010) Siemens Siemensin mikro-chp -konseptissa biokaasua käyttävä voimalaitos kasataan 5 kw SOFC -polttokennoista, jolloin oikean kokoisen laitteen valmistaminen on erittäin helppoa. Hyötysuhde oletetaan hyväksi, päästöt vähäisiksi ja huollon tarve pieneksi. Vuonna 2004 konsepti ei ollut vielä myynnissä, mutta pilottikohde haussa. (Hintikka 2004, 11) 14
1.2.2 Laitevalmistajia ulkomailla Mikro- ja pien-chp -tekniikkaa myyviä yrityksiä löytyy pääasiassa Euroopasta, jossa puupolttoaineilla tuotetun sähkön syöttötariffi on mahdollistanut uuden tekniikan käyttöönoton (Lappeenrannan 2009). Kokoluokan 1-10 kw e myytävät laitteistot pohjautuvat pääsääntöisesti Stirling-tekniikkaan ja kokoluokassa 10 1000 kw e käytetyimmät teknologiat perustuvat kaasutukseen sekä ORC-tekniikkaan. (Haavisto, 2010) Alla on taulukoitu ulkomaisia laitevalmistajia ja olemassa olevien laitteistojen tehoja. Taulukko 3. Ulkomaisia laitevalmistajia ja laitteistojen tehoja 1-1000 kw e kokoluokassa (Haavisto 2010). Valmistaja Polttoaineet Tekniikka Valmistus Sähköteho Lämpöteho Kokonaishyötysuhde -maa kw e kw th KWB Pelletti Stirling Itävalta - - 1 - - 15 Disenco Kaasu, puu, öljy, Stirling Englanti 1-3 5-15 > 85 % biopolttoaineet Sunmachine Pelletti Stirling Saksa 2-3 7-11 > 85 % Cleanergy AG Kaasu, biomassa, Stirling Ruotsi 2-9 8-26 90 % pelletti Talbotts Biomass Hake, biomassa Mikroturbiini Englanti 25-500 80-2000 80 % Energy Stirling.dk Hake, biomassa, Stirling Tanska 35-140 140-560 biokaasu Tri-O-Gen Hake yms. (lämpö) ORC Hollanti 60-160 - - 600 Energiprojekt AB Hake, biomassa Höyrymoottori Ruotsi - - 500 Ormat Hake yms. (lämpö) ORC USA 200-20 000 800 - - Alfagy Ltd Hake, biomassa Kaasutus/ Englanti 250-1000 750-3000 90 % polttomoottorit Schmitt Enertec Hake, sahausjäte, Kaasutus/ Saksa 250-1000 750-3000 kaasut polttomoottorit Polytechnik Hake yms. (lämpö) Höyryturbiini / Itävalta 300-4000 1500-20 000 Group ORC Maxxtec AG Hake yms. (lämpö) ORC Saksa 300-2000 85 % Turboden Hake yms. (lämpö) ORC Italia 400-2000 1800-9600 88 % Kohlbach Group Hake yms. (lämpö) ORC Itävalta 450-1700 GET Hake yms. (lämpö) ORC Saksa 500-5000 Stirling DK Tanskalainen Stirling DK myy modulaarisia 35 kw e :n stirling-moottoriin perustuvia pien-chp yksiköitä mm. Saksaan, Tanskaan ja Englantiin. Kyselyjen mukaan Stirling DK:lla ei tällä hetkellä ole potentiaalia laajentaa myyntiä kattamaan Suomea. Yhdistämällä stirling-moduuleja laitoksen kokoa voidaan kasvattaa (35kW e /140kW th, 70 kw e /280 kw th ja 140 kw e /560 kw th ). (Groth 20.4.2012) 15
Tri-O-Gen Hollantilainen Tri-O-Gen B.V. omistaa kaupalliset oikeudet Suomessa kehitettyyn suurnopeus ORCvoimalaitostekniikkaan. Tekniikan kehittämiseksi kaupalliselle tasolle aloitettiin vuonna 2002 Tri-O-Genin toimesta 175 kw e pilot-laitoksen rakentaminen Lappeenrantaan LTY:n tiloihin. Kesällä 2003 laitos siirrettiin Hollantiin jatkokehittelyyn ja koeajoihin. Lämmönlähteinä voidaan käyttää nestekaasua, maakaasua tai kaatopaikkakaasua. (Heinimö & Jäppinen 2005, 32, 35) Vuoden 2010 toukokuussa laitoksia oli toimitettu jo 10 kpl. Voimalan osista mm. lämmönsiirtimet (Vahterus), taajuusmuuttajat (Vacon) ja roottorit (HST) valmistetaan Suomessa ja koko voimalan suomalaisvalmistuksesta neuvotellaan. Voimalan sähköteho on 160 kw e ja isompien mallien (320, 640 kw e ) tuotanto aloitettaneen. (Larjola ja muut 2010, 23) Ormat Tunnetuin ja eniten referenssejä omaava ORC-laitevalmistaja on israelilainen Ormat. Ormatin valmistamien ORC-laitosten koko vaihtelee pienestä 200 kw e yksiköistä suuriin, useista yksiköistä koostuviin 130 MW e voimalaitoksiin. (Heinimö & Jäppinen 2005, 34) Ormat on keskittynyt lähinnä maalämmöllä ja teollisuuden hukkalämmöllä toimiviin ORC-laitoksiin ja hyödyntää matalia, alle 200 C lämpötiloja. (Lappeenrannan 2009) Turboden Italialainen Turboden SRL on valmistanut ORC-yksiköitä 1980-luvulta lähtien (Heinimö & Jäppinen 2005) ja biomassalla toimivia ORC-laitteistoja 2000-luvulta lähtien. Prosessitoimittajista Turbodenilla on eniten referenssejä biopolttoainetta hyödyntävistä voimalaitoksista. Laitokset ovat moduulirakenteisia standardikokoisia ratkaisuja kokoluokassa 200 1500 kw e. (Lappeenrannan 2009) GET Saksalainen GETmbH (Gesellschaft für Energietechnik) on pieniin, 100 500 kw e kokoluokan laitoksiin keskittynyt prosessitoimittaja. Yhtiö on toimittanut ORC prosessit mm. Wurzbach:n ja Friedland:n laitoksiin. (Heinimö & Jäppinen 2005, 35) Vuonna 2009 sillä oli 5 kpl biomassalla toimivaa 350 1400 kw e laitosta (Lappeenrannan 2009). 16
2 Suomalaiset kokemukset pienistä CHP-laitoksista Volter Oy: Kempeleen ekokortteli, konttivoimala ja Madekosken CHP-laitos Kaasutuslaitoskokeilujen on todettu Suomessa järjestäen epäonnistuneen (Lappeenrannan 2009), mutta 2011 Kempeleen ekokortteliin valmistunut CHP-laitos tuottaa sähkö- ja lämpöenergiaa edelleen alueen kymmenelle omakotitalolle. Alkujaan Fortel Components Oy:n (nykyään Volter Oy) pilottilaitos on Suomen ensimmäinen energia-omavarainen asuinalue, jota ei ole kytketty valtakunnan sähköverkkoon. Ekokortteli on toiminut tuotekehitysalustana Volter-teknologialle. Ekokorttelissa sijaitsevat myös yrityksen toimisto- ja tuotekehitystilat. (Haapakoski 22.2.2012) Volterin muita referenssejä ovat mm. konttivoimala Kempeleessä ja CHP-laitos Madekoskella. Vuonna 2011 valmistunut konttivoimala toimii valtakunnan sähköverkkoa vasten ja tuottaa sähköä ja lämpöä omakotitalolle ja konepajalle. Sähköylimäärä syötetään Oulun Seudun Sähkön verkkoon. Konttivoimalassa on myös uudentyyppinen lähilämpöverkko sekä puuhakkeen kuivausterminaali. Rakennettu pinta-ala on 125m², josta kuivurin osuus 44m² ja polttoainevaraston osuus 36m². Madekosken CHP-laitos valmistui lokakuussa 2011. Rakennettu pinta-ala on 54 m 2, josta polttoainevaraston osuus on 20 m 2. Laitos tuottaa sähkö- ja lämpöenergiaa omakotitalolle autotalleineen ja varastorakennuksineen. Laitos toimii sähköverkkoa vasten. (Haapakoski 22.2.2012) Wärtsilä (nyk. MW Power): Iisalmen Sahat Oy Kiuruvedellä, Honkarakenne Oy Puulaakson Energia Oy Karstulassa ja Biokraft Oy Vilppulassa sekä Rengossa Vuonna 1999 käyttöön otettu CHP-laitos Kiuruvedellä tuottaa sähköä 6-sylinterisellä höyrykoneella (0,9 MW e /7 MW th ). Kattila on Wärtsilän (nyk. MW Power) BioGrate-arinateknologiaa. Laitos tuottaa sahalle sähköä ja kunnalle kaukolämpöä. Laitoksen vuosituotanto on noin 5 000 MWh e ja 32 000 MWh th. Kokonaishyötysuhde on 80 85 %. Moduulirakenteinen laitos toimii miehittämättömänä. Polttoaine ei vaadi kuivausta. (Lappeenrannan 2009) Myös Karstulassa vuonna 2000 käyttöön otetun laitoksen (1MW e /10 MW th ) sähkö tuotetaan höyrykoneella ja kattila on Wärtsilän (nyk. MW Power) BioGrate-arinateknologiaa. Laitoksen vuosituotanto on noin 7000 MWh / 45000 MWh th, josta kaukolämpöä noin 11000 MWh th. (Lappeenrannan 2009) Vilppulassa Vapo Oy:n ja Finnforest Oyj:n yhteisyritys Biokraft Oy tuottaa sähköä ja lämpöä sahalle ja lähes kokonaan Vilppulan kunnan kaukolämmön. CHP-laitos (2,9 MW e /13,5 MW th +9,0MW th ) sisältää kaksi Wärtsilän (MW Power) kiinteän polttoaineen BioGrate-arinakattiloita. BioPower 5 HW (höyrykattila) vastapainevoimalaitos tuottaa peruskuorman ja BioEnergy 9 (lämpölaitos) on käytössä huippukuormalla. 17
Laitokset on kytketty siten, että Bioenergy 9 tuottaessa lämmön, voidaan BioPower 5 HW laitoksella tuottaa enemmän sähköä vastapaineen ollessa pieni. Laitos ei vaadi polttoaineen kuivausta tai tukipolttoainetta. (Lappeenrannan 2009) Biokraft Oy omistaa myös Rengon sahalla lämpöä ja sähköä tuottavan voimalaitoksen (1,3 MW e / 8,0 MW th ). Kattila on Wärtsilän (nyk. MW Power) BioPower 2 HW kattila, jonka lisäksi varalla on öljykattila tasaamassa kulutushuippuja. Laitoksen kokonaishyötysuhde on 85 %. Laitos on otettu käyttöön 2004. Vuosituotanto on noin 7000 MWh e ja 48000 MWh th. (Lappeenrannan 2009) Vapo Oy: Ilomantsi Vuonna 2006 käyttöön otettu Vapon CHP-voimalaitos (3,5 MW e / 16MW th ) käytti vuonna 2007 n. 80 GWh polttoainetta (turvetta 70 % ja metsäpolttoainetta 30 %). Samana vuonna laitos tuotti kaukolämpöä n. 40 GWh. Laitos tuottaa kaukolämpöä Ilomantsin kaupungille (8 MW), sähköä paikalliseen verkkoon (3,5 MW) ja prosessihöyryä pellettitehtaan raaka-aineen kuivaukseen (8 MW). Leijukerroskattila on Noviter Oy:n (nyk. MW Power). (Lappeenrannan 2009) Entimos Oy: kunnan CHP-laitos Tervolassa ja hakeosuuskunta Lestijärvellä Entimos Oy:n kehittämä kiinteän biopolttoaineen kaasutuslaitos (0,5 MW e /1,1 MW th ) otettiin käyttöön vuonna 2002 Tervolassa. Laitos tuotti sähköä kaasumoottorilla, siinä oli lämmön talteenottokattila sekä erillinen kaasukattila epäpuhtaamman kaasun polttamiseen. Tavoitteena oli tuottaa kaukolämpöä ja sähköä Tervolan kunnalle, mutta sähköenergian tuotantoa ei saatu toimimaan häiriöttä. Laitoksen polttoaineena käytettiin läheisen sahan kuori- ja purujätettä. (Lappeenrannan 2009) Entimos Oy:n laitteet on purettu ja voimala on nykyisin pelkkä kaukolämpöä tuottava lämpökeskus. CHPlaitoksen ongelmaksi tuli kaasun puhtaus, erityisesti sen sisältämä terva. Kaasutukseen perustuva CHPlaitos osoittautui erityisen vaativaksi polttoaineen laadulle. Myös mitoitus oli liian pieni Tervolan kunnan tarpeeseen. Tervolasta puretut laitteet ovat nykyisin Lestijärvellä. (Kähkölä 29.12.2011) Lestijärvellä Entimos Oy:n kiinteän biopolttoaineen kaasutuslaitos otettiin käyttöön vuonna 2008 tarkoituksena tuottaa sähköä ja lämpöä kunnan tarpeisiin sekä osa lämmöstä polttoaineen kuivaukseen. Polttoaineena käytettiin paikallista puuhaketta sekä paikkakunnan pelloilta korjatusta rypsistä puristettua öljyä. (Lappeenrannan 2009) Lestijärven Hakeosuuskunta on toistaiseksi luopunut puukaasutukseen perustuvasta sähköntuotannosta. Laitoksen ongelmana on kaasun puhdistus ja epäpuhtaudet. Kaasutusprosessi on vaativa ja laitosta on valvottava jatkuvasti. Miehittämätön käyttö ei ole mahdollista, mikä aiheuttaa kustannuksia. Kavanterä (2.1.2012) pitää perinteistä lämpöä tuottavaa lämpökeskusta 18
varmimpana ratkaisuna, mutta Lestijärven Hakeosuuskunta aikoo jatkaa puukaasu CHP-voimalan kehitystä ongelmista huolimatta. (Kavanterä 2.1.2012) VTT & Condens Oy, Kokemäki Kokemäelle valmistui vuonna 2005 biomassan kaasutukseen perustuva Novel-koevoimalaitos (1,8 MW e /4,3 MW th ). Laitos tuotti kaukolämpöä kaupunkiin ja sähköä alueen jakeluverkkoon. (Lappeenrannan 2009) Polttoaineena käytettiin puuta. Voimalaitoksella oli kolme JMS 316 moottoria, joiden yksittäisteho oli 0,6 MW. Polttoainetta kuivattiin 0,4 MW teholla. (Condens Oy ks. Aaltonen & Ukkonen 2008) Condens Oy:n ja VTT:n yhteistyössä kehittämää kaasutusvoimalaitosta ei saatu kaupallistettua. Laitos ei saavuttanut haluttua käytettävyyttä, eikä miehittämättömään käyttöön päästy. Laitos suljettiin vuonna 2007 ja muutettiin prosessimuutoksilla pelkäksi lämpökeskukseksi. (Lappeenrannan 2009) Jyväskylän yliopisto: Vaajakosken MikroCHP Jyväskylän yliopiston UE-laboratoriossa Vaajakoskella on pien-chp -laitteisto. Ensimmäiset pellettipolttokoeajot on suoritettu noin 20 kw th kapasiteetilla syksyllä 2009. 19
3 Lämpöyrittäjän CHP-konsepti ja sen kannattavuus Potentiaalisia yhdistetyn sähkön- ja lämmöntuotannon kohteita ovat mm. pienteollisuus, kauko- ja aluelämpölaitokset, sairaalat, hotellit, uimahallit, maatilat sekä muut pk-yritykset (Lappeenrannan 2009, ja Laurila & Lauhanen 2011). Käyttökohteissa tärkeää on riittävä lämpökuorma ja sähköenergian tarve, tasainen energian kulutus vuoden ympäri, biopolttoaineen saatavuus ja sen vakaa hinta. Potentiaalisia käyttökohteita teollisuudessa ovat esimerkiksi sivutuotteiden osalta yliomavaraiset sahat, huonekalujen valmistusteollisuus, kasvihuoneet, meijerit ja lihanjalostus. Myös taajamien asutuskeskukset ja erilliset verkot, joissa suurempi keskitetty tuotanto on kannattamatonta, ovat potentiaalisia kohteita. (Lappeenrannan 2009) Yhdistetystä sähkön ja lämmön tuotannosta voisi syntyä uutta lämpöyrittäjyyteen verrattavissa olevaa liiketoimintaa (Laurila & Lauhanen 2011). 3.1 Luvat, tuet ja verot Luvat Voimalaitoksen rakentaminen edellyttää viranomaisen lupaa ja koosta riippuen ilmoitusta Energiamarkkinavirastolle, tullille ja Fingridille. Ensimmäinen vaihe lupaprosessissa on tontin hankkiminen ja kaavoittaminen energiantuotantoon. Yleisimpiä sähköteholtaan enintään 2 MVA:n voimalaitoksen rakentamiseen tarvittavia lupia ovat rakennuslupa, toimenpidelupa ja vesilupa. Lupamenettelyt voivat vaihdella kunnittain. Rakennus- ja ympäristölupakysymyksissä paras tietolähde on pienvoimalaitoksen sijaintikunnan rakennusviranomainen. Ympäristölupaa ei tarvita, kun laitoksen lämpöteho on alle 5 MW. (Motiva 2012a, 12) Sähkön tuottaminen tai myynti ei edellytä toimilupaa. Verkonhaltijan on annettava yksityiskohtainen kustannusarvio liittyjälle sitä pyydettäessä. Voimalaitoksessa tuotettu sähkö voidaan myydä joko kokonaan tai osittain ulkopuoliseen verkkoon. Sähkömarkkinalain mukaan sähköverkkotoimintaan tarvitaan lupa, jonka myöntää Energiamarkkinavirasto. Lupaa ei kuitenkaan tarvita, kun sähköverkkotoiminta rajoittuu yhteisön tai laitoksen hallinnassa olevaan sähköverkkoon, jolla hoidetaan vain kiinteistön tai kiinteistöryhmän sisäistä sähkönjakelua. (Motiva 2006) Tuet Puupolttoainevoimalaitos voi saada investointitukea tai syöttötariffin. Investointitukea voidaan myöntää uudelle teknologialle enintään 40 % investoinnista ja tavanomaiselle tekniikalle 30 %. Tyypillinen investointituki on 15 20 %. Syöttötariffiin puupolttoainelaitos on oikeutettu kun sen nimellisteho on vähintään 100 kva. Syöttötariffilla saa sähkölle takuuhinnan 103,50 /MWh 12 vuoden ajan. Tariffin arvo 20
on kiinteä, jolloin sen reaalinen arvo laskee inflaation vaikutuksesta. Nykyarvossa 3 % inflaatiolla syöttötariffin arvo on 12 vuoden tarkastelujaksolla 86 /MWh. (Laukkanen & Korhonen 2012) TEKES voi rahoittaa yritysten ja yhteisöjen tutkimus- ja tuotekehityshankkeita. Rahoitusta voidaan myöntää esimerkiksi tuotannon kehittämishankkeille. (Motiva 2012c) Verot Sähköntuottaja on verovelvollinen siitä oman sähköntuotannon osuudesta, jonka hän käyttää itse muuhun kuin energian tuotantoon voimalaitoksen yhdistetyn sähkön ja lämmön tuotannon omakäyttölaitteissa. Valmisteveroa tai huoltovarmuusmaksua ei tarvitse maksaa siitä sähköstä, jonka sähköntuottaja luovuttaa verkkoon vaan pelkästään siitä itse kulutetusta sähköstä, joka ei ole omakäyttösähköä. Valmisteveroa tai huoltovarmuusmaksua ei kuitenkaan peritä kun sähkö tuotetaan enintään 50 kva:n tehoisella generaattorilla tai useamman laitteiston, enintään 50 kva:n nimellistehoisella kokonaisuudella. Lisäksi valmisteveroa ja huoltovarmuusmaksua ei tarvitse maksaa sähköstä, joka on tuotettu alle 2000 kva tehoisessa generaattorissa kun sitä siirretä sähköverkkoon. (Motiva 2012a) Polttoaineiden verotuksen keskeisenä periaatteena on, että sähkön tuotannossa kulutetut polttoaineet ovat verottomia ja lämmöntuotannossa kulutetut verollisia. Polttoainevero muodostuu energiasisältöverosta ja hiilidioksidiverosta sekä huoltovarmuusmaksusta. Kun polttoaineita käytetään sähkön ja lämmön yhteistuotannossa, sovelletaan lämmön tuotannon polttoaineille hiilidioksidiveron alennusta. Yhdistetyn tuotantolaitoksen lämmöntuotannon polttoaineet määritellään kulutukseen luovutetun lämmön perusteella käyttämällä tehollisia lämpöarvoja. Kulutukseen luovutettu lämpö sisältää myös tuottajan itse käyttämän lämmön. Yhdistetyn tuotannon lämmön polttoaineiden verot määrätään sen lämpömäärän perusteella, joka saadaan kertomalla kulutukseen luovutettu hyötylämpömäärä kertoimella 0,9. (Motiva 2012a) 3.2 Kustannusrakenne PienCHP -laitosten investointikustannukset voivat olla huomattavan suuria. Kustannukset muodostuvat mm. moottorista, generaattorista, automaatiosta, rakentamisesta ja asentamisesta sekä polttoaineen varastointi-, vastaanotto-, käsittely-, kuljetus- ja syöttöjärjestelmistä. (Motiva 2006). Voimalaitoksen yksikkökoon kasvaessa laitoksen teho kasvaa investointikustannuksia nopeammin. Energiantuotannossa kuluihin vaikuttaa eniten polttoaineen hinta ja laitoksen hyötysuhde. Käyttökustannukset muodostuvat kiinteistä kustannuksista, henkilökunnan palkoista sekä huolto- ja korjaustöistä. (Laurila & Lauhanen 2011, 13) 21
Institutional Handbook for Combined Heat and Power Production with District Heating -käsikirjan mukaan Suomessa käytössä olevien kiinteillä polttoaineilla toimivien CHP-laitosten investointikustannusten on arvioitu olevan 1400 4800 /kw. Vuotuiset huolto- ja kunnossapitokustannukset ovat noin 3 % koko investoinnista. Tämä osuus sisältää myös muuttuvat käyttö- ja kunnossapitokustannukset. Vakuutusten osuus on hyvin pieni, 0,25 2 % annuiteetista. (Poikkonen ja muut 2005) Muuttuviin kustannuksiin kuuluvat polttoainekustannukset sisältävät biopolttoaineen hankinnasta aiheutuvat kulut. Nämä saattavat muodostaa jopa 80 % voimalaitoksen käyttöön liittyvistä kustannuksista. Muuttuvia käyttö- ja kunnossapitokustannuksia on muun muassa vedenkäsittely-, kemikaali-, ja tuhkankäsittelykustannukset sekä muut kunnossapitokustannukset. (Poikkonen ja muut 2005) Alla on taulukoitu CHP-laitteistojen kustannusarvioita. Taulukko 4. CHP-laitteistojen kustannustaso (WADE 2008 kts. Kotakorpi 2010) Laitteisto Investointikustannukset Käyttö ja kunnossapito Tuotanto kustannukset 8000 h/v Tuotanto kustannukset 4000 h/v /kw /MWh /MWh /MWh Kaasutuslaitteisto 550 900 2 7 27 30 27 44 Stirling-moottori 1350 3400 7 23 35 62 55 130 Mikroturbiini 880 1700 3,5 11 35 47 47 74 Höyrymoottori 300 1000 < 2,7 17 44 27 80 3.3 Kannattavuus 3.3.1 CASE Kuivaniemi Hukkalämpöä hyödyntävä biopolttoaineterminaali -hankkeessa toteutettiin konsulttityönä Iin Kuivaniemeen lähiaikoina toteutettavan lämmöntuotantolaitoksen toteutettavuusselvitys. Selvityksen toteutti Pöyry Finland Oy. Raportissa tarkastellaan mahdollisuutta, jossa uudesta lämmöntuotantolaitoksesta saataisiin tuloja lämmön lisäksi sähköstä ja/tai hukkalämmöllä kuivatetun polttoaineen myynnistä. Lämmöntuotanto toteutetaan kiinteillä polttoaineilla. Kuivaniemen vuotuinen lämmöntarve on noin 5200 MWh ja lämmöntuotannon huipputeho 2 MW. Yhtenä tarkasteluvaihtoehtona selvitettiin hakkeella toimivan CHP-laitoksen sekä hakelämpökeskuksen kannattavuutta. Tarkastelussa huomioitiin kolme vaihtoehtoista sähkön- ja lämmöntuotanto tapaa: a) CHP-laitos tuottaa pohjakuorman (syöttötariffi) b) Hakelämpökeskus tuottaa pohjakuorman (syöttötariffi) c) CHP-laitos tuottaa pohjakuorman (investointituki) 22
Vaihtoehdoissa a ja c tuotetut lämpömäärät polttoaineittain ovat CHP 4580 MWh/a (88 %) Hakelämpökeskus 620 MWh/a (12 %) Yhteensä 5200 MWh/a (100%). Alla on lämmöntuotantomäärien määritys Kuivaniemellä pysyvyys- ja tuntivaihtelukäyrillä. Kuva 1. Lämmöntuotannon pysyvyys- ja tuntivaihtelukäyrät Kuivaniemellä tapauksissa a ja c. (Laukkanen & Korhonen 2012, Copyright Pöyry). Vaihtoehdossa b tuotetut lämpömäärät polttoaineittain ovat Hakelämpökeskus 4740 MWh/a (91 %) CHP 310 MWh/a (6 %) raskaspolttoöljy (kesä) 150 MWh/a (3 %) Yhteensä 5200 MWh/a (100%). Koska CHP-laitoksen minimiteho ei riitä kesäkäyttöön, tuotetaan lämpö kesäaikaan öljyllä. Alla on lämmöntuotantomäärien määritys Kuivaniemellä pysyvyys- ja tuntivaihtelukäyrillä. 23
Kuva 2. Lämmöntuotannon pysyvyys- ja tuntivaihtelukäyrät Kuivaniemellä tapauksessa b. (Laukkanen & Korhonen 2012, Copyright Pöyry ). Investointi ja käyttökustannukset PienCHP:n investointiarvion laskennassa on käytetty ORC-voimalaitosta sen kaupallisuuden vuoksi. Sinällään voimalaitosvaihtoehdoissa ei ole selvästi muita parempia vaihtoehtoja. Laskennassa on käytetty ominaisinvestointina 7500 /kw e ja rakennusasteena 0,2. Kun CHP-laitoksen lämmöntuotantokapasiteetti on 1000 kw th, saadaan voimalaitoksen investointikustannukseksi 1 500 000. Kun investointiin lisätään hakelämpökeskus (764 000 ), kevytöljykattila (20 000 ), kiinteän polttoaineen vastaanotto (3 vrk:n tarpeeseen 276 000 ), kaukolämmön runkoputki (DN 100 x 800 m, 192 000 ) sekä muut investointikustannukset (508 000 ), saadaan kokonaiskustannukseksi 3 260 000. Jos Investointitukea saadaan 30 %, jää kokonaisinvestoinniksi 2 282 000 (alv 0 %). (Laukkanen & Korhonen 2012) Merkittävin vuotuinen kustannus koostuu polttoainekustannuksista. Arvioitu polttoainekustannus a, b ja c vaihtoehdoissa on noin 125 000. Kun tähän lisätään muut kiinteät ja muuttuvat käyttökustannukset (henkilöstökustannukset puolimiestyövuotta/vuosi), saadaan vuosittaiseksi käyttökustannuksiksi lähes 200 000. (Laukkanen & Korhonen 2012) Kannattavuus Sähköstä saatava tuotto vaihtoehdoissa a, b ja c sähkön nykyhinnalla on syöttötariffilla (a ja b) 77 /MWh ja investointituella (c) 45 /MWh. Nettomenoiksi investoinnin, ja edellä mainittujen menojen ja sähköstä saatavan tuoton jälkeen saadaan (15 vuotta, 3 %) vaihtoehdossa a) 127 300, b) 183 500 ja c) 157 000. Takaisinmaksuajaksi (reaalikorko 5 %) saadaan vaihtoehdossa a) 22, b) 47 ja c) 15 vuotta. Tässä tapauksessa investointituki on syöttötariffia kannattavampi. Sisäisen koron perusteella voimalaitosvaihtoehdot eivät ole kannattavia. (Laukkanen & Korhonen 2012) 24
Kun lämmöntuotanto ylittää sen tarpeen, voidaan laitoksen hukkalämpöä hyödyntää polttoaineen (tässä hakkeen) kuivaukseen. Jos hake kuivataan 45 % kosteudesta 22 % kosteuteen, vuosittain kuivatettavissa oleva polttoainemäärä on vaihtoehdossa a)160 835, b) 149 642 ja c) 160 835 MWh. Kuivatun hakkeen määrä vuosittain on silloin a) 170 951, b) 159 054 ja c) 170 951 MWh. Oletuksena hakkeen kuivauksessa on 100 % hyötysuhde. Todellisuudessa hyötysuhde on huomattavasti tätä heikompi ja todellinen kuivattava polttoainemäärä saadaan jakamalla laskettu määrä hyötysuhteella. (Laukkanen & Korhonen 2012) 3.3.2 CASE Syötekeskus, Pudasjärvi Seuraavien kappaleiden tiedot perustuvat Pekka Pääkkösen loppuraporttiin Syötekeskuksen lämmöntuotantovaihtoehdot (2013). Syötekeskuksen tiloissa toimivat hotelli, ravintola, baari, kansainvälinen nuoriso- ja leirikoulukeskus sekä Syötteen alakoulu. Kiinteistön lämmitettävä pinta-ala on yhteensä 6560 m 2 ja tilavuus n. 30 000 m 3. Syötekeskuksella on oma öljylämpökeskus, joka sijaitsee kiinteistön kellaritiloissa. Kiinteistöjen sekä käyttöveden lämmitykseen on käytössä kolme öljykattilaa. Huonetilat lämmitetään pääasiassa vesikiertoisilla pattereilla. Pienessä osassa tiloista on vesikiertoinen lattialämmitys. Kiinteistössä on koneellinen ilmanvaihto ja ilmanvaihtokoneissa on lämmön talteenotto. Lämpökeskuksen ja kiinteistön hoito työllistää yhden henkilön. Syötekeskuksen suurin öljyn ja käyttöveden kulutus painottuu kevättalvelle hiihtoloma- ja laskettelukauteen. Kesäkuukausina lämmityksen ja käyttöveden tarve on hyvin pientä johtuen sekä ulkoilman lämpötilasta että toiminnan sesonkiluonteesta. Lämmöntuotanto tehdään pääsääntöisesti kahdella öljypolttimella, kolmannen ollessa käytössä vain kuormitushuippujen aikana. Keskimääräinen käyttöteho on 670 kw ja huipputeho 990 kw. Lämpöverkoston paine on 2,5 bar ja patteriveden menolämpötila +70..+80 o C. Lämminvesivaraajan tilaavuus on 2,1 m 3. Käyttöveden paine on 4 bar. Kuva 3. Öljyn ja käyttöveden kulutus 8/2011 10/2012. 25
Lämmöntuotannon muutostarpeet Tässä kappaleessa tutkitaan öljyllä toteutetun lämmöntuotannon vaihtamista uusiutuvalle energialle ja vertaillaan eri energiatuotannon investoinnin takaisinmaksuaikoja sekä tehdään arvio toteutuskelpoisuudesta. Vertailtavat uusiutuvan energian vaihtoehdot ovat: Hake Pelletti Pien-CHP Maalämpö Tarkastelussa on verrattu hakkeen ja pelletin polttoainekustannuksia kuukausitasolla nykyiseen öljylämmitykseen. Maalämpö on mukana tarkasteluvaihtoehtona, mutta siitä ei aiheudu polttoainekuluja. Maalämmön käyttökustannukset tulevat sähkön kulutuksen lisäyksenä. Pellettiä ja haketta käyttävillä lämmitysratkaisuilla ei ole merkittävää vaikutusta sähkön kulutukseen. Maalämpöratkaisussa kompressorien sähkönkulutus nostaa kulutusta n. 36000 kwh, joka sähkölaskuna mitattuna on n. 114 000 /vuosi. Pien-CHP ratkaisussa voidaan sähköntarpeesta tuottaa parhaimmillaan 30 % suuruinen osuus itse. Kuva 4. Lämmityskulujen hintavertailu 8/2011 10/2012. Laitosinvestointien kokonaiskustannusten selvittämiseksi, tarjouksia pyydettiin yhteensä kymmeneltä laitetoimittajalta (3 hake-, 2 pelletti-, 3 pien CHP- ja 2 maalämpötoimittajaa). Laskelmissa käytettiin sisäisenä laskentakorkona 5 % ja investoinnin takaisinmaksuaika on laskettu annuiteettiperiaatteella. 26