Biopolttoaineiden soveltuminen säätötehon tuotantoon Markku Raiko, Niina Honkasalo 1
Energialähteiden muuttuminen Suomen sähköntuotantonossa Tuulivoiman ja ydinvoiman tuotantokapasiteettien osuudet kasvavat Tuulivoimaa 4000 MWe /10 TWh/v Tuulivoiman vaikutukset Tuulivoima korvaa käyttökustannuksiltaan kalleinta käytössä olevaa tuotantomuotoa eli lämpövoimaa Lauhdetuotannon ja CHP -tuotannon huipun käyttöajat putoavat Lämpövoiman tehotarve säilyy Säätövoimana Varavoimana 100 % 90 % 80 % 70 % 60 % 50 % 40 % 30 % 20 % 10 % 0 % 2009 2030 Kapasiteetti 16 000 MWe 24 000 MWe Yhteistuotantosähkön osuus nyt n. 50 %! Lähde: Eurelectric Tuulivoima Aurinkosähkö Muut uusiutuvat Vesivoima Fossiiliset polttoaineet Ydinvoima Muut
MW MW Säätökapasiteetti suurelta osin tuonnin varassa (tilanne ennen tuulivoimaa) 3500 Ajanjakso 1 13.-19.12.2010 3000 2500 Vesivoima Säätöteho n. 3000 MWe! Kulutuksen vuorokausimuutos. 2000 1500 Tuulivoima Ydinvoima Kaukolämpö-CHP Teollisuus-CHP 15000 Ajanjakso 1 13.-19.12.2010 1000 500 Lauhde Kaasuturbiinit Nettotuonti 12000 9000 6000 3000 Nettotuonti Kaasuturbiinit Vesivoima Lauhde Kaukolämpö-CHP Teollisuus-CHP Tuulivoima Ydinvoima 0 13 14 15 16 17 18 19 päivä Ruotsikin rakentaa tuulivoimaa! Saadaanko edullista säätövoimaa enää tulevaisuudessa? 0 13 14 15 16 17 18 19 päivä 3 Lähde: Energiateollisuus ry
MW Tuulivoiman tehovaihtelujen kompensointikeinoja 1. Säätötarve suurelta osin hidasta säätötehokapasiteettia (1 h - 2 vrk) Lauhdetuotanto muuttuu säätövoimatyyppiseksi Myös CHP tuotantoon kohdistuu merkittäviä joustotarpeita (mm. lämmön varastointi) 2. Myös nopeaa säätökapasiteettia (alle 1 h) Fingridin arvio 16 % tuulivoimakapasiteetista Vesivoimaa ja pumppuvoimaa Moottoreita ja kaasuturbiineja 3. Lisäksi kysyntäjoustoja Smart Grid/Smart District Heating Lämpövarastoja asumisen yhteydessä 3500 3000 2500 2000 1500 1000 Sähköautojen akkujen latausten ajoitusta 500 Tuulivoimatuotannon toteutunut ja arvioitu vaihtelu tunneittain eri kapasiteeteilla 0 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 päivä 212 MW, 13-26.2.2012 2400 MW 3600 MW 4000 MW 4 Teollisuustuotannon seisokkeja
Lämpöpumput lisäävät tehojoustoa yhteistuotannossa Tuotantotapa Sähkö Lämpö Polttoainetarve MWe MW MW Lämpökattila (hyötysuhde=85 %) 0 85 100 Lauhdetuotanto (hyötysuhde =40 %) 42,5 0 106,3 Erillistuotanto 42,5 85 206,3 CHP (rakennusaste=0,5) 42,5 85 150 Yhteistuotantohyöty (polttoainesäästö) -56,3 Lämpöpumppu (COP= 3,5 4,0) -21,3-24,3 85 0 Lauhdetuotanto+Lämpöpumppu 0 85 53,3 60,8 Lauhdetuotanto+Lämpöpumppu 42,5 85 159,6 167,1 Lämpöpumppuhyöty (polttoainesäästö) -39,2-46,7 Polttoainesäästönä lämpöpumppuhyöty on lähes yhtä suuri kuin yhteistuotantohyöty! Lämpöpumppu on kestävä ja taloudellinen vaihtoehto lämpökattiloille! 5
Lämpövoimalaitosten säätöominaisuuksia Ominaisuudet Höyryturbiini Kombi Kaasuturbiini Moottori Tyypillinen yksikkökoko 600-900 MWe 60-400 MWe 10-300 MWe 1-20 MWe Hyötysuhde vanha 40 % 50 % 32 % 45 % uusi (Max) 47 % 61 % 38 % 48 % Käynnistysajat kylmäkäynnistys 5-10 h 2-3 h 5-15 min 15 min lämmin käynnistys (2 vrk) 3-5 h 1-1,5 h 5-15 min 15 min kuuma käynnistys (yö) 1,3-2,5 h 0,5-1 h 5-15 min 5 min Minimiteho 40 % 40-50 % 50 % *) 30 % *) Tehonmuutosnopeus 3-6 %/min 4-6 %/min 5-20 %/min 25 %/min *) Typpioksidipäästöjen raja-arvot ylittyvät ajettaessa alempia tehoa. Tekninen minimiteho n. 10 %. 6 Lämpövoiman säätöominaisuudet riittävät tuulivoiman tehonmuutosten kompensointiin! (Esim. 1-2 käynnistystä/viikko)
Säätövoiman polttoainekustannus - Hankintahinta ja päästömaksu Polttoainekustannus /MWh Päästömaksu /tonco 2 0 20 40 60 80 100 Kivihiili 13 19,8 26,6 33,5 40,3 47,1 Maakaasu (LNG) 38 42,0 45,9 49,9 53,8 57,8 HFO 50 55,7 61,4 67,0 72,7 78,4 LFO 70 75,3 80,7 86,0 91,4 96,7 Kannattavuusrajat Korvattava polttoaine Päästömaksuraja /tonco 2 Puuhake 18 Kivihiili 15 ok Puupelletti 35 Kivihiili 64,5? TOP -pelletti 40 Kivihiili 79? Pyrolyysiöljy 55 HFO/LFO 18/0 ok (IED: HFO => LFO) 7 Tuulivoiman takuuhinta 83,50 /MWh = Kivihiililauhteen polttoainekustannus päästömaksulla 60 /tonco 2! (kulutussuhde 2,5 x 33,5 /MWh = 83,5 /MWh) Päästökaupan rooli pienentymässä energiapolitiikan ohjauskeinona?
Biopolttoaineiden jalostamisen taloudelliset lähtökohdat 1. Biopolttoainejalosteiden edut Tuotteet puhtaita (typpi-, rikki- ja hiilipäästöt) Tuotteet helppoja kuljettaa, käsitellä ja käyttää 2. Käyttötalouden osatekijät Polttoainekustannukset Investointi Käyttöaika 3. Kannattavuutta parantavat osatekijät Päästömaksun korkea taso => vertailutasona esim. tuulivoiman takuuhintaa vastaava päästömaksu Pieni investointitarve => vanhojen laitosten modernisointi (IED - investointien välttäminen) Lyhyt käyttöaika => säätövoiman tuotanto
Biopolttoaineiden käytön tekniset vaihtoehdot hiilipölykattiloissa 1. Kivihiilenpolton jatko ja puupellettien seospoltto Puupellettien käyttö ei poista IED investointitarvetta (rikinpoistopesuri+scr) Maksimi teho-osuus 20 % (hiilimyllyt rajoittavat) 2. Paahtopellettien (TOP) poltto Ei tarvetta IED investoinneille (typpipäästöt?) Maksimi teho-osuus 70 % (savukaasukemia rajoittaa) 3. Hakkeen kaasutus Ei tarvetta IED investoinneille (typpipäästöt?) Maksimi teho-osuus 70 % (savukaasukemia rajoittaa) 4. Pyrolyysiöljyn poltto Ei tarvetta IED investoinneille Maksimi teho-osuus 100 % Voimalaitoksen maksimitehoa voidaan ehkä joutua alentamaan n. 10-15 % biojalostekäytössä likaantumisen ja typpipäästöjen hallitsemiseksi (vrt. leijukattilat)!
Vanhentuvia lämpövoimalaitoksia (yli 4000 MWe:n kapasiteetti) Laitos Polttoaine Sähköteho (MWe) Valm.(tai rev.) Tuotantotapa Mussalo1 hiili 75 1966 CHP (ei tuotannossa) Mussalo 2 kaasu 238 1973 lauhde (ei tuotannossa) Kristiina 1 öljy 210 1974 lauhde (tehoreservi) Kristiina 2 hiili 242 1989 lauhde Tahkoluoto hiili 235 1976 lauhde Vaskiluoto 2 hiili (+puu) 230 1997 CHP (etukaasutin 2012) Vaskiluoto 3 öljy 160 1972 CHP (tehoreservi) Naantali 1 hiili 115 1960 lauhde Naantali 2 hiili 110 1964 CHP Naantali 3 hiili 110 1972 CHP Inkoo 1 hiili 250 1974 lauhde Inkoo 2 hiili 250 1975 lauhde Inkoo 3 hiili 250 1976 lauhde (tehoreservi) Inkoo 4 hiili 250 1978 lauhde (ei tuotannossa) Meri-Pori hiili 560 1994 lauhde Haapavesi turve+puu 155 1989 lauhde Kymijärvi hiili+kaasu 138 1976 CHP Hanasaari B hiili 228 (2x114) 1974 CHP Salmisaari B hiili 160 1984 CHP Martinlaakso 1 kaasu 60 1975 CHP (LCP opt-out) Martinlaakso hiili 80 1982 CHP Suomenoja 1 hiili 80 1977 CHP Haapaniemi 2 turve 60 1982 CHP
Vanhojen voimalaitosten uusinnan investointiarvot Biopolttoaine Bio-osuus Käyttötapa Retrofit Asset-arvo % /kwe /kwe Puuhake 70 Kaasutus ja kaasun poltto 520 180 Puupelletti 20 Hiilijärjestelmä 250 180 Paahtopelletti (TOP) 70 Hiilijärjestelmä 100 180 Pyrolyysiöljy 100 Öljyjärjestelmä 40 0 Retrofit- arviot sisältävät IED investoinnit, säätöajotapamuutokset ja polttoainemuutokset. Laitoksen jäännösarvo 10 % uusinvestoinnista (pyrolyysiöljymuutoksessa 0 %). Laitoskohtaiset muutostarpeet vaihtelevat paljon! IE -direktiivi sallii helpotuksia päästöjen BAT -tasosta, jos laitosten käyttöaikaa rajoitetaan!
Uusien lämpövoimalaitosten investointiarviot Konsepti Polttoaine Yksikkö Hyötysuhde Investointi MWe % /kwe Kaasuturbiini LFO 10 150 34 300 Öljydiesel HFO 1-30 46 600 Kaasumoottori maakaasu 1-30 48 600 Kaasukombi maakaasu 100-300 50 700 Öljykombi LFO 100-300 50 700 Öljylauhde HFO 250-700 43 1400 Bioöljylauhde pyrolyysiöljy 250-700 43 1400 Biolauhde hake 100-400 40 1800 Hiililauhde kivihiili 250-700 40 1800
/MWh Lauhdetuotannon kustannukset säätöajossa (päästömaksu 50 /tonco 2 ) 300,0 250,0 Lauhde 1000 h/v Uusinvestointijärjestys, mikä määrittää sähkön hinnan markkinan tasapainotilanteessa Ajojärjestys 200,0 150,0 100,0 Muuttuvat /MWh Kokonaishinta /MWh 50,0 0,0 13
/MWh Yhteistuotannon kustannukset säätöajossa (päästömaksu 50 /tonco 2 ) 300,0 250,0 200,0 CHP 1000 h/v Lämmöntuotantovaihtoehtona on samaa polttoainetta käyttävä lämpökattila! Arvio kohdistuu yhteistuotannon hyötyvaikutukseen! 150,0 100,0 Muuttuvat /MWh Kokonaishinta /MWh 50,0 0,0 14
kgco2/mwh kgco2/mwh Lämpövoimaan perustuvan säätösähkön ominaispäästöt 900,0 800,0 700,0 600,0 500,0 400,0 300,0 200,0 100,0 0,0 Lauhdetuotanto 900,0 800,0 700,0 600,0 500,0 400,0 300,0 200,0 100,0 0,0 CHP -tuotanto 15
Säätösähkön hintaskenaariot 1. Nykyinen markkinahinta (Nord Poolin Elspot hinta) 2. Markkinahinta muodostuu uusinvestoinneista yhteistuotantoon (Suomi) 3. Markkinahinta muodostuu uusinvestoinneista lauhdetuotantoon (Saksa)
/MWh /MWh Säätösähkön Suomen aluehinta (Elspot) Suomen aluehinta - vuoden 100 kalleinta tuntia poistettu 175 150 125 100 75 50 25 0 1 2001 4001 6001 8001 h Suomen aluehinta 2010 Suomen aluehinta 2011 1600 1400 1200 1000 800 600 400 200 0 Suomen aluehinta - vuoden 100 kalleinta tuntia 1 11 21 31 41 51 61 71 81 91 101 h Suomen aluehinta 2010 Suomen aluehinta 2011 17
Markkinatasapainon mukaiset säätösähkön hintaskenaariot 1000 900 800 700 600 Sähkön hinta 500 /MWh 400 300 200 100 0 18 Sähkön hinnan pysyvyyskäyrä -Lauhdetuotanto 0 500 1000 1500 2000 Tuotantoaika, h/v Sähkön hinta /MWh Sähkön hinnan pysyvyyskäyrä -CHP-tuotanto 1000 900 800 700 600 500 400 300 200 100 0 0 500 1000 1500 2000 Tuotantoaika, h/v
Lauhdetuotannon Retrofit - konseptien kilpailukyky Käyttöaika Konseptit Sähkön hintaskenaariot Hiili+Pelletti Hiili+TOP Kaasutus Bioöljy Elspot CHP Lauhde h/v /MWh /MWh /MWh /MWh /MWh /MWh /MWh 500 171,1 157,9 192,7 166,9 90 121,1 217,4 1000 124,8 126,0 123,8 153,6 75 87,3 157,3 1500 109,3 115,4 100,8 149,1 70 76 137,3 Päästömaksu 50 /tonco 2
Yhteistuotannon Retrofit - konseptien kilpailukyky Käyttöaika Konseptit Sähkön hintaskenaariot Hiili+Pelletti Hiili+TOP Kaasutus Bioöljy Elspot CHP Lauhde h/v /MWh /MWh /MWh /MWh /MWh /MWh /MWh 500 127,1 105,1 162,1 88,4 90 121,1 217,4 1000 80,8 73,3 93,2 75 75 87,3 157,3 1500 65,4 62,7 70,1 70,6 70 76 137,3 Päästömaksu 50 /tonco 2
Konseptien kilpailukyky käyttöajan funktiona Biopolttoainejalosteiden kilpailukyky vanhoissa kivihiilivoimalaitoksissa Lauhde CHP Pyrolyysiöljy alle 400 h/v alle 900 h/v TOP 400 950 h/v 900 2200 h/v Hake/kaasutus yli 950 h/v yli 2200 h/v Konseptivalinnat uusissa säätövoimainvestoinneissa Lauhde CHP LNG (kombi/moottori) alle 1800 alle 2700 h/v Hakeleijukattila yli 1800 h/v yli 2700 h/v HFO/LFO (kombi/moottori) alle 1000 h/v alle 1900 h/v Hakeleijukattila yli 1000 h/v yli 1900 h/v 21
Pohdintoja 1. Tuulivoima lyhentää lämpövoiman huipun käyttöaikaa 1. Polttoaineiden osuus primäärienergian lähteenä pienenee 2. Bioenergian rooli systeemin päästöttömänä energiavarastona kasvaa 3. Bioenergian käyttö siirtyy perustuotannosta jalosteisiin ja säätösähköön 2. IE -direktiivi 1. Säätövoiman hiilidioksidipäästöt voitaisiin minimoida biopolttoainekäytöllä 2. Biopolttoainejalosteiden käyttö vähentäisi IED -investointitarvetta 3. Siirtymäaikajoustot olisi edullista kohdentaa biopolttoainemuutoksiin 3. Kehitystarpeita 1. Erilaisten biopolttoainemuutosten demonstrointi olisi nyt tärkeää voimalaitoksilla (mm. polttimet, polton vaiheistus, reburning, SNCR, likaantumisen hallinta) 2. Vielä olisi aikaa kehittää ratkaisuja kaukolämpöjärjestelmien tehokkaampaan hyödyntämiseen osana joustavaa energiantuotantoa (lämpöakut ja lämpöpumput)
Yhteenveto 1. Tuulivoiman lisärakentaminen nähdään nyt kannattavuusuhkaksi lämpövoimalaitoksille, josta seuraa riskiskenaario 1. Vanhoja lämpövoimalaitoksia poistuu runsaasti käytöstä 2. Muutaman vuoden päästä rakennettavat tuulivoimalaitokset aiheuttavat suuria hintaheilahteluja markkinoilla 3. Säätösähkökapasiteetti rakennetaan uudestaan öljyä käyttävien uusinvestointien varaan 2. Säätösähkön määrän ja hinnan voidaan olettaa nousevan merkittävästi tuulivoiman lisärakentamisen seurauksena 3. Biopolttoainejalosteiden kilpailukyky on parhainta säätövoiman tuotannossa Vanhoissa yhteistuotannon polttokattiloissa Suomessa Vanhoissa lauhdetuotannon polttokattiloissa Keski-Euroopassa