Torrefioitujen pellettien raaka-aineet, kustannukset ja varastointi SECTOR-projektin tuloksia A European R&D Project funded within the Seventh Framework Programme by the European Commission Eija Alakangas, Vesa Arpiainen & Kirsi Korpijärvi Teknologian tutkimuskeskus VTT Oy Keski-Suomen energiapäivä 10.2.2015 1,5,6: ECN; 2-4 Jasper Lensselink 1
Esityksen sisältö SECTOR-projektin lyhyt esittely Raaka-ainevarat ja valinta torrefiointikokeisiin Torrefiointilaitoksen integrointi metsäteollisuuteen Torrefioitujen pellettien varastointikokeet 2
SECTOR -projekti EU-projekti (FP7): SECTOR Kesto: 1.1.2012 30.6.2015 Kokonaisrahoitus: 10 miljoonaa Osallistujat: 21 9 EU-maasta VTT, Helen Koordinaattori: DBFZ, Saksa 3
SECTOR-projektin osatehtävät Raaka-ainevarat Saatavuus nyt ja 2030 sisältäen hintatason - Soveltuvuus torrefiointiin - Käyttäjien tarpeet Torrefiointiprosessin optimointi pelletoinnin logistiikan ja käytön kannalta Torrefioidun biomassan tiivistämisen optimointi - Pelletointi - briketointi Tuotetun polttoaineen ominaisuuksien analysointi - Varastoinnin - käsittelyn ja - kuljetuksen kannalta Torrefioidun biomassan käytettävyys - Seospoltossa kivihiililaitoksissa - Kaasutuksessa - Pienpoltossa - Materiaalina Demonstraatiokokeet (WP5) Raakaaineet WP2 Torrefiointiprosessi WP3 Tiivistäminen WP 4 Logistiikka WP 6 Käyttö WP7 Tuotteiden spesifiointi ja analyysimenetelmät (WP 8) ja sosio-ekonomiset ja kestävän kehityksen analyysit (WP9) 4
Raaka-aineet ja raaka-aineiden valinta Biomassapotentiaalit Perustuu olemassa oleviin tutkimuksiin teknisesti saatavissa oleva potentiaali EU-maissa ja maailmanlaajuisesti Myös raaka-aineen hintatasoa ja ominaisuuksia selvitetty Raaka-aineen ja lopputuotteen laatuvaatimukset tuottajien ja käyttäjien kannalta Kyselytutkimus tuottajille sekä puupellettien ja torrefioitujen pellettien käyttäjille Tehty yhteistyötä International Biomass Torrefaction Council (IBTC) jäsenten kanssa. Valituista raaka-aineista laadittu ominaisuusprofiilit Raaka-aineet luokitettu SFS-EN 14961-1 standardin mukaan (korvattu 2014 kansainvälisellä SFS-EN ISO 17225-1 standardilla) Tehty kahdessa vaiheessa (esivalinta kokeet lopullinen valinta) Ominaisuustiedot kerätty kirjallisuudesta ja SECTOR-projektin laboratoriokokeista 5
Yhteenveto puubiomassan potentiaaleista Euroopassa Raaka-ainelähde 1 000 k-m 3 PJ/a Runkopuu 195 656 1 438 Maisemanhoidon puubiomassa 59 000 514 Metsähake 166 438 1 186 Metsäteollisuuden sivutuotteet ja 92 164 644 tähteet Käytöstä poistettu puu (kierrätyspuu) 52 000 397 EU-27 yhteensä 506 258 3 664 Muu Eurooppa Ukraina 9 300 67 Venäjä (luoteinen alue) 103 900 748 Valko-Venäjä, Norja, Sveitsi 6 560 157 Lähteet: BEE-projekti ja EU-Wood projekti 6
Puuenergiapotentiaalit EU-27 (PJ/a) 700 PJ/a 600 500 400 300 200 100 Käytöstä poistettu puu Sivutuotteet ja tähteet teollisuudesta Hakkuutähteet suoraan metsästä Runkopuu 0 Lähde: VTT VTT 7
8
Agrobiomassapotentiaali Euroopassa Raaka-ainelähde PJ/a Kirjallisuuslähde Olki 560 BEE, Böttcher et al. 2010 600 DBFZ, Thrän et al. 2010 960 BIOMASS FUTURES, Elbersen et al 2012 983 MTT, Pahkala & Lötjönen 2012 Sokerijuurikastähde 25 BEE, Böttcher et al. 2010 36 MTT, Pahkala & Lötjönen 2012 (EU-25) Auringonkukka 34 BEE, Böttcher et al. 2010 Riisin kuori 9 BEE, Böttcher et al. 2010 Maissitähde 85 BEE, Böttcher et al. 2010 Viinitarhojen ja oliivipuiden korjuutähde, yhteensä 423 BIOMASS FUTURES, Elbersen et al. 2012 Viinitarhat 14 BEE, Böttcher et al. 2010 Oliivipuut 28 BEE, Böttcher et al. 2010 Viljellyt energiakasvit, kasvisruokavalio 3 465 BEE, Böttcher et al. 2010 Viljellyt energiakasvit, sekaruokavalio 742 BEE, Böttcher et al. 2010 Monivuotiset peltokasvit 1 642 BIOMASS FUTURES, Elbersen et al 2012 Maataloustähteet (sokerrjuurikas, palkokasvit, 656 MTT, Pahkala & Lötjönen 2012 perunakasvit ja öljykasvit) Elefanttiheinä 3 324 7 651 RENEW, Seyfried et al. 2004 Ruokohelpi (teoreettinen potentiaali) 8 110 BEE, Böttcher et al. 2010 Puumaiset peltokasvit (poppeli, teoreettinen) 12 713 BEE, Böttcher et al. 2010 Lyhytkiertoviljelykasvit 2 576 5 447 RENEW, Seyfried et al. 2004 9
Maailmanlaajuinen potentiaali Oljen potentiaali noin 13 317 PJ/a maissi, sokeriruoko, sokerijuurikas, riisi ja vehnä Kiinassa suurin. Palmuöljytuotannon tähteet teoreettinen potentiaali yli 260 000 PJ/a Malesia ja Indonesia. Sokeriruohon puristustähde 3 647 PJ/a Brasilia, Intia, Kiina Bambua kasvatetaan 37 miljoonalla hehtaarilla ja kasvava varanto on noin 389 miljoonaa tonnia. Oljen tekninen potentiaali, PJ/a. Lähde: DBFZ 10
Kokeisiin valitut raaka-aineet No. Valittu raaka-aine (pilotkokeisiin valitut merkitty lihavoinnilla, 12 kpl) Kokeen tyyppi 1 Karsittu havupuun ranka (kuoreton) : Mänty ja kuusi (Referenssi 1) Lab ja pilot 2 Hakkuutähde, havupuu Lab ja pilot 3 Olki, vehnä (Pohjoismainen lajike) Lab 4 Käytöstä poistettu puu kierrätyspuu, kemiallisesti käsittelemätön (A, B) Lab ja pilot 5 Kuori Lab 6 Karsittu lehtipuun ranka (kuorellinen): Pyökki (Referenssi 2) Lab ja pilot 7 Poppeli Lab ja pilot 8 Olki (ohra ja vehnä, Etelä-Euroopan lajike) Lab ja pilot 9 Oliivipuiden karsintatähde puubiomassa Lab ja pilot 10 Eucalyptus Lab ja pilot 11 Paulownia Lab ja pilot 12 Bambo Lab ja pilot 13 Palmutuotannon tähde (mm. tyhjä öljypalmun hedelmän kota) Lab 14 Sokeriruuon puristustähde Lab ja pilot 15 Maissin tähkä Lab 16 Elefanttiheinä Lab 17 Auringonkukan tähde Lab 18 Paju (Salix) Lab ja pilot 19 Ruokohelpi Lab 20 Olki, ohra (Pohjoismainen lajike) Lab 21 Rapsin olki Lab 11
Integrointi nykyaikaisen sahaan Nykyaikainen saha, joka käyttää havupuuta 250,000 k-m 3 /a Vaihtoehto 1: Uusi saha ja torrefiointilaitos, 231 600 t/a torrefioituja pellettejä Käytetään kuorta ja sahanpurua, kattila 35 MW th kuuman veden tuottoon (nauhakuivuri torrefiointilaitoksella) Sahanhake (39 MW th ) käytetään raaka-aineena torrefiointilaitoksella Lisäksi metsähaketta (136 MW th ) torrefiointilaitoksella Vaihtoehto 2: Olemassaoleva saha ja uusi torrefiointilaitos, 101 100 t/a torrefiotuja pellettejä Uusi biomassakattila kuorelle torrefiointilaitosta varten (12 MW th ) Sahanhake ja sahanpuru käytetään raaka-aineena torrefiointilaitoksella Lisäksi metsähaketta (77 MW th ) torrefiointilaitoksella 12
Rinnakkaisprosessi: Moderni saha päämassa- ja energiavirrat kun tuotantomäärä on 250 000 m 3 havusahatavaraa 13
Rinnakkaisprosessit ja integraatit: Moderni pohjoismainen sellutehdas Moderni Pohjoismainen sellutehdas, joka käyttää havupuuta 600 000 kuiva-aine tonnia sellua vuodessa Vaihtoehto 5: Sellutehdas ja uusi torrefiointilaitos, 407 200 t/a torrefioituja pellettejä Sellutehtaan kuori käytetään torrefiointilaitoksen kattilan polttoaineena (45 MW th ) (nauhakuivuri torrefiointilaitoksella) Sellutehdas tuottaa lähisähköä (50 /MW e ) torrefiointilaitoksen jauhatukseen ja pelletointiin Metsähaketta (299 MW th ) käytetään raaka-aineena torrefiointilaitoksella Integrointi säästää logistiikka- ja henkilöstökustannuksissa (75 % standalone-laitoksen kustannuksista) ja käyttökustannuksissa (75% stand-alonelaitoksen kustannuksista) kuten myös sahavaihtoehdossa on oletettu. 14
Stand alone-laitokset: Eurooppalaiset ja kansainväliset vaihtoehdot Perusvaihtoehto: Referenssilaitos, 72 800 t/a torrefioituja pellettejä Raaka-aineen hinta on Pohjoismaissa 18-25 /MWh Kustannuslaskelmissa käytetty metsähakkeelle hintaa 18 /MWh (< 150 MW th ) Vaihtoehto 8: Suuri eurooppalainen torrefiointilaitos, 500 000 t/a torrefioituja pellettejä Metsähakkeen hinta laskelmissa 20 /MWh (>150 MW th ) Vaihtoehto 9: Suuri, Euroopan ulkopuolella toimiva iso torrefiointilaitos, 500 000 t/a torrefioituja pellettejä Näissä kohteissa raaka-aineen hintavaihtelut suuremmat, 10-20 /MWh Kustannuslaskelmissa käytetty hintaa 15 /MWh 15
Stand alone-laitokset: Puun hinta Hinta Venäjällä huomattavasti halvempi tänään Selluhakkeen hinta toimitettuna laitokselle vuonna 2013, m 3 sob (kuorellinen kiintokuutiometri) Source: Sipilä, E., Biomassan kaasutus, AEL seminaari, 29 lokakuu 2013, Tampere 16
Perustiedot tuotantokustannuksien laskentaan Kustannuslaji Raaka-ainekustannukset Hakkuutähde < 150 MW th Hakkuutähde > 150 MW th Kuori Sahanpuru Sahanhake (sahalta) Viljelty puubiomassa (Etelä-Eurooppa Lämpö Kuumavesi Höyry (matalapaineinen) Sähkö Ilman siirtokustannuksia Siirtokustannuksien kanssa Työvoima (sisältää henkilösivukustannukset) Kustannus 18 /MWh 20 /MWh 16 /MWh 16 /MWh 18 /MWh 15 /MWh 20 /MWh th 25 /MWh th 50 /MWh e 60 /MWh e 55 /h Kustannustekijät Vuotuiset pääomakustannukset (annuiteetti) Käynnistyskulut, rakentamisen aikaiset korot Skaalauskomponentti Käyttökustannukset, vakuutukset, verot Vuotuinen käyttöaika (stand-alone-laitokset ja saha- ja selluintegraatit) 0,1175 (10 %, 20 v) 21 % laitosinvestoinnista 0,7 4 % kokonaiskustannuksista 8 000 h/a 17
Yhteenveto tuotantokustannuksista torrefioiduille pelleteille Laji Torrefioitujen pellettien tuotanto, t/a Perus Standalone 1 (uusi saha) 2 (olemassa oleva saha) 5 Moderni sellutehdas 8 Stand-alone Eurooppa 9 Stand-alone Euroopan ulkopuolinen 72 800 231 600 101 100 407 200 500 000 500 000 Tuot.kust. M /a 19,3 48,8 24,3 82,5 104,2 87,6 Tuot.kust. /MWh 43 34 38 33 34 29 Puupelletit /MWh* Hinta verrattuna perustapaukseen, % Hinta verrattuna puupellettiin, % * PIX Pellet Nordic index 30 30 30 30 30 30 100 79 91 76 79 66 145 115 126 111 114 96 18
Tuotantokustannukset, /MWh Jyväskylä, 10.2.2015 Eri vaihtoehtojen tuotantokustannusjaottelu, /MWh 50,0 45,0 40,0 35,0 30,0 Eri vaihtojen tuotantokustannusjaottelu, /MWh Perustapaus 72 800 t/a Sahaintegraatit 231 600 t/a 101 100 t/a Sellutehdasintegraatti 407 200 t/a 500 000 t/a Suuret stand-alone laitokset Merikuljetuksen kustannukset 25,0 20,0 15,0 10,0 Kiinteät kustannukset Pääomakustannukset Muut muuttuvat kustannukset 5,0 Raaka-ainekustannukset 0,0 Kuva: VTT 19
Johtopäätöksiä torrefiointilaitoksen integroinnista Integrointi uuteen sahaan on suositeltavin (Vaihtoehto 1: 231 600 t/a torrefioituja pellettejä, kustannukset 80% perustapauksesta) Sellutehdasintegraatti voi tuottaa lähes samoilla kustannuksilla kun sahaintegraatti (Vaihtoehto 5: 407 200 t/a torrefioituja pellettejä, kustannukset 80% perustapauksesta) Edut ovat energian tuotannon integroinnissa (sähkö, lämpö ja erityisesti kuivausprosessi), raaka-aineen logistiikassa, biomassan käsittelyssä ja muissa yleisissä toiminnoissa. Tiettyjä hyötyjä: puun hankinta, logistiikka- ja kuljetuskustannukset, varastointia ja käsittely laitoksella sekä mahdollisissa muissa tuotteissa, joita ei ole täysimääräisesti huomioitu näissä laskelmissa Tarvitaan tarkempi tapauskohtainen analyysi. 20
Käsittelykestävyyden ja varastoitavuuden tutkimukset 5 erää torrefioidusta biomassasta valmistettuja pellettejä - suomalainen puupelletti vertailuna VTT:n kehittämät käsittelymenetelmät Pellettien kostutus tasapainokosteuteen Sadetuskoe Upotuskoe Pellettien ominaisuuksien määritys lähtötilanteessa ja erilaisten käsittelyjen jälkeen Pellettien mitat, kosteus, irtotiheys ja mekaaninen käsittelykestävyys, puristuslujuus Kuvat: VTT 21
Pellettien kosteus, % Jyväskylä, 10.2.2015 Pellettien kostuminen 15,0 14,0 13,0 12,0 11,0 10,0 9,0 8,0 7,0 6,0 5,0 4,0 3,0 2,0 1,0 ECN Spruce 260 ECN Poplar 270 ECN Pine 270 CENER Straw 270 Topell Wood Residues 260-280 Wood Pellets Kuvat: VTT 0,0 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 32 34 36 38 40 42 44 46 48 50 Aika, h Pellettilaatujen tasapainokosteudet suhteellisen ilmankosteuden ollessa 81 83 % ja 26 C lämpötilassa 22
Kosteus, % Jyväskylä, 10.2.2015 Pellettien kosteus eri käsittelyjen jälkeen 80,0 70,0 Lähtötilanne Tasapainokosteus Lähde: VTT 72,0 60,0 50,0 Sadetuskokeen jälkeen Upotuskokeen jälkeen 40,0 30,0 20,0 25,2 21,5 23,9 24,6 23,3 35,8 30,0 25,0 27,8 27,4 25,9 10,0 0,0 8,8 8,7 9,6 3,8 4,2 5,1 12,4 12,9 10,3 8,4 ECN Spruce 260 ECN Poplar 270 ECN Pine 270 CENER Straw 270 Topell Wood residues 260-280 6,3 12,0 Wood pellets 23
Mekaaninen käsittelykestävyys, % Lähtötilanne 98,2 Tasapainokosteus 97,4 Sadetus 58,9 Upotus 54,2 Lähtötilanne 97,5 Tasapainokosteus 97,9 Sadetus 81,3 Upotus 80,7 Lähtötilanne 93,0 Tasapainokosteus 89,2 Sadetus 49,7 Upotus 54,0 Lähtötilanne 98,0 Tasapainokosteus 97,0 Sadetus 74,9 Upotus 80,8 Lähtötilanne 96,0 Tasapainokosteus 95,0 Sadetus 64,2 Upotus 60,1 Lähtötilanne 98,2 Tasapainokosteus 94,6 Jyväskylä, 10.2.2015 Sadetus Upotus Pellettien kostumisen vaikutus käsittelykestävyyteen 100 Lähde: VTT 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0 ECN Spruce 260 ECN Poplar 270 ECN Pine 270 CENER Straw 270 Topell Wood residues 260-280 Wood pellets 24
Johtopäätökset varastointikokeista Kaikki testatut torrefioidusta biomassasta valmistetut pelletit kestivät kostumista ja kastumista puupellettejä paremmin Kostuminen tasapainokosteuteen heikensi pellettien käsittelykestävyyttä vain vähän Sadetus tai upottaminen veteen heikensi käsittelykestävyyttä huomattavasti Käsittelykestävyydessä oli eroja pellettilaatujen välillä, joita voitiin perustella mm. pellettien mitoilla ja raakaaineilla Laboratoriomitan kokeiden perusteella torrefioidut pelletit tulisi varastoida katettuna 25
Helsinki, 17 September 2014 Karl-Heinz Liebisch/PIXELIO Kiitos! SECTOR-projekti Prof. Dr.-Ing. Daniela Thrän DBFZ ggmbh Torgauer Str. 116 04347 Leipzig Germany www.dbfz.de SECTOR-projektin VTT:n yhdyshenkilöt Eija Alakangas (varat, standardisointi) Vesa Arpiainen (kustannukset, integrointi) Kirsi Korpijärvi (varastointi) Leena Fagernäs (kemikaalit) etunimi.sukunimi@vtt.fi Lisää tietoa SECTOR projektista info@sector-project.eu URL: www.sector-project.eu 26