Miten eri energiantuotantomuotoja tulisi vertailla Polttotekniikka seminaari 2011 Esa K. Vakkilainen
Vanhoja poistuvia laitoksia on korvattava Teho (MW) kulutus CHP teollisuus CHP kaukolämpö Muu lauhde Hiililauhde Ydinvoima Vesi- ja tuulivoima Lähde: VTT, 2006 20.5.2011 Esa K. Vakkilainen 3
Kristiinan lauhdevoimalaitos Lähde: Pohjolan Voima 4
Keravan bio-kaukolämpövoimalaitos Lähde: Pohjolan Voima 5
Ydinvoima Kiehautusvesireaktori (BWR Painevesireaktori (PWR) Ydinvoimalassa polttoaineen, uraanin, haljetessa syntyy lämpöä, jonka avulla vettä kiehautetaan korkeapaineiseksi höyryksi. Höyry pyörittää turbiinia, jonka akselille kytketty generaattori tuottaa sähköä. Lähde: Energia.fi
Vesivoimala Vesivoimalassa veden potentiaalienergia muunnetaan sähköksi; kahden eri vesitason välistä korkeuseroa käytetään ja vesi johdetaan turbiinin läpi ja turbiini pyörittää generaattoria, josta saadaan sähköä kuva: Wikipedia.org
Suomenoja, kaasuturbiini kombivoimalaitos SO2 Lähde: Fortum 8
Tuulivoimala Tuulivoimalan tuottama energia riippuu olennaisesti tuulivoimalan lapojen piirtämällä alueella vallitsevasta tuulen nopeudesta ja nopeuden jakaumasta yhtälön mukaan Footer lähde: Tuulivoimatieto.fi
Millä polttoaineella öljy hiili kaasu biomassa ydin vesi muut uusiutuvat Energian kulutus kasvaa Sähkön kehitys höyrykattiloilla kasvaa Perinteinen yhä suurta Biomassan käyttö 1.4 %/a Lähde IEA World Energy Outlook 2008 20.5.2011 Esa K. Vakkilainen 10
Miksi höyrykattila Sähkön Luotett./käytettäv. Ympäristö Nykyisin hinta Teknologia Polttoaine päästöt CO2 t/mwh paras mahd. matala korkea korkea nolla nolla hiili nyky matala korkea korkea matala 1.0 hiili-ccs keski? korkea matala 0.8 maakaasu CC korkea korkea vaihtelee matala 0.6-0.4 ydin keski korkea korkea nolla nolla biomassa keski korkea vaihtelee matala 1.5 aurinko/tuuli korkea? vaihtelee nolla nolla polttokenno korkea? vaihtelee matala 0.3 vesi matala korkea vaihtelee nolla nolla lähde, Rogan, 1996 20.5.2011 Esa K. Vakkilainen 11
Polttoaineet
Suomessa käytettäviä polttoaineita Puuperäiset polttoaineet Mustalipeä Kuori Puru Metsätähde Maakaasu Öljy Hiili Turve Polttoaine %* PJ Öljy 25.3 335 Hiili 11.4 152 Maakasu 10.1 135 Turve 5.4 72 Mustalipeä 8.3 110 Kuori, puru ym. 7.4 98 Puun pienpoltto 4.5 60 *Osuus Suomen energian kokonaikulutuksesta 2009 13
Kotimaisia biopolttoaineita 14
Suomessa käytettäviä biopolttoaineita Teollisuus Mustalipeä Kuori, puru,.. sahateollisuuden sivutuotteet Bioliete, siistausliete metsäteollisuuden sivutuotteet Energiantuotanto Risutukki Viherhake Jäte Kotitaloudet Puu; halot, klapit, pelletti Olki? Vilja? 15
Polttoaineiden kulutus, Mtoe, 12 kk liukuvasti KTM Energiakatsaus 3/7 16
Kaukolämmön polttoaineet Suomessa vuosina 1976-2009 100 % muu 80 % turve bio 60 % maakaasu 40 % kivihiili 20 % öljy 0 % 1976 1979 1982 1985 1988 1991 1994 1997 2000 2003 2006 2009 Lähde: http://www.energia.fi/fi/tilastot/kaukolampotilastot/kaukolammitys 17
Fossiilinen uusiutuva Fossiilinen polttoaine on sellainen, jonka polttaminen aiheuttaa pysyvän muutoksen polttoainevaroihin Uusiutuvaa polttoainetta muodostuu enemmän kuin mitä sitä käytettään Rajana 300 vuoden uusiutumiskierto 300 vuotta määrittää esim. turpeen fossiiliseksi Nyt mietitään onko kestävää kehitystä jos ei-uusiutuvaa polttoainetta poltetaan sen vuotuista syntyä vastaava määrä (Vapo) Nyt mietitään onko kestävää kehitystä jos uusiutuvaa polttoainetta poltetaan ja sen paikalle ei välittömästi synny samaa määrää uutta 18
Fossiilisten polttoaineiden ja turpeen käytön hiilidioksidipäästöt, Mt KTM Energiakatsaus 3/7 19
Polttoaineiden käyttäjähinnat lämmöntuotannossa Suomessa /MWh 35 30 25 20 15 10 5 Metsähake Jyrsinturve Maakaasu Kivihiili 0 Lähde: http://www.tem.fi/files/28630/energiakatsaus_2_2010_web.pdf
Veron osuus prosentteina polttoaineen hinnasta vuosina 1998-2010 % 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0 1998 1999 2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010 Moottoribensiini, lyijytön 95 okt, verot% Dieselöljy, verot % Kevyt polttoöljy, verot % Raskas polttoöljy, vähärikkinen, verot% Kivihiili, verot % Maakaasu, verot % Kotitaloussähkö, verot % Kaukolämpö,verot % Taulukossa esitettynä: Valmiste- ja arvonlisäverot sekä veroluonteiset maksut eri energialähteiden kuluttajahinnoissa Lähde: http://pxweb2.stat.fi/database/statfin/ene/ehkh/ehkh_fi.asp
Polttoaineiden ominaisuuksia Esa Vakkilainen 22
Polttoaineiden ominaisuuksia Lämpöarvo Tiheys Kosteus Tuhkapitoisuus Alkuaineanalyysi Haihtuvien osuus Tuhkan sulamiskäyttäytyminen 23
Lämpöarvo Tärkein polttoaineen ominaisuus on lämpöarvo. Se ilmoittaa poltettaessa vapautuvan lämpömäärän Lämpöarvo ilmoitetaan tavallisesti alempana lämpöarvona jolloin oletetaan palaessa muodostuvan veden Lämpöarvo mitataan kalorimetripommilla, jossa polttoainenäytteen lämpö siirretään veden lämmittämiseen Polttoaine MJ/kg(ka) Öljy 38 Hiili 28 Maakaasu 42 Turve 23 Mustalipeä 12 Kuori, puru ym. 11 Puun pienpoltto 11 24
Pommikalorimetri 25
Alempi ja ylempi lämpöarvo LHV MJ kg = HHV 18 2.443* 2 H 100-100 - 2.443 x x MJ kg Alempi lämpöarvo saadaan vähentämällä ylemmästä lämpöarvosta Polttoaineen sisältämän vedyn palaessa syntyneen veden lauhtumislämpö Polttoaineen sisältämän veden lauhtumislämpö 26
Kosteus Kosteus (polttoaineen sisältämä vesi) vaikuttaa polttoaineen palaessa luovuttamaan lämpömäärään Ei ole yksikäsitteistä tapaa määrittää polttoaineen vesipitoisuutta, koska vesi voi sitoutua eri tavoin Tyypillisesti vesipitoisuus määritetään kuivaamalla polttoainenäytettä vakiolämpötilassa (105 o C), vakioajan (24 h) ja määrittämällä painon vähenemä Polttoaine Kosteus % Öljy 0 Hiili 2 Maakaasu 0 Turve 55 Mustalipeä 20 Kuori, puru ym. 50 Puun pienpoltto 30 27
Tuhkapitoisuus Polttoaineen tuhkalla tarkoitetaan sitä epäorgaanista osuutta polttoaineesta joka jää jäljelle poltettaessa Tuhka määritetään polttamalla näyte vakiolämpötilassa (815 o C 500 o C) ja määrittämällä painon vähenemä Oikeassa poltossa voivat tuhkan ominaisuudet poiketa vakiolämpötilapolton arvoista Polttoaine Tuhka %-ka Öljy <0.1 Hiili 3 Maakaasu 0 Turve 5 Mustalipeä 55 Kuori, puru ym. 0.5 Puun pienpoltto 0.2 28
Alkuaineanalyysi Alkuaineanalyysillä tarkoitetaan polttoaineen palavan osan alkuainejakaumaa Tärkeimmät ovat C hiili H vety O happi S rikki N typpi 29
Haihtuvien osuus Haihtuvilla tarkoitetaan sitä osaa polttoaineesta, joka kaasuuntuu polttoainetta kuumentaessa Haihtuvat määritetään laittamalla näyte vakiolämpötilaiseen uuniin (900 o C) vakioajan (7 min) ja määrittämällä painon vähenemä Oikeassa poltossa voi haihtuvien määrä poiketa standardimäärityksen arvoista merkittävästikin Polttoaine Haihtuvat-% Öljy 100 Hiili 34 Maakaasu 100 Turve 72 Mustalipeä 30 Kuori, puru ym. 85 Puun pienpoltto 87 30
Lämpöarvo vs. haihtuvat Esa Vakkilainen Saastamoinen 2009
Tuhkan sulamiskäyttäytyminen Polttoaineen tuhkalla on merkitystä kattilan likaantumisen hallinnassa, tuhkan poiston suunnittelussa ja leijukerroskattilan keon pitämisessä leijuvana Tyypillisesti tuhkalle määritetään pehmenemispiste ja sulamispiste Määritys tehdään lämmittämällä tuhkaa uunissa ja tarkkailemalla sen käyttäytymistä lämpötilan noustessa 32
Raskasmetallit ja halonit Ympäristösyistä on usein tarpeen määritellä polttoaineen sisältämät raskasmetallit (Cr, Cd, As, Cr, V ) jotka aiheuttavat polton jälkeisessä muodossa ongelmia eliöstöille Samoin ongelmallisia ovat fluori ja elohopea Kaikissa polttoaineissa vain pieniä, mutta merkittäviä määriä 33
Palaminen
Palaminen Palamisella (poltto) tarkoitetaan lämpöä tuotavaa kokonaisreaktiota kun polttoaine ja hapetin reagoivat keskenään Palamisreaktio tuottaa yleensä lämpöä ja valoa Tyypillisesti hapetin on ilma tai happikaasu Yleensä palamisen lopputuote on kaasumainen Kontrolloimaton palaminen voi johtaa räjähdykseen 35
Liekki putkessa
Ilmakerroin Ilmakertoimella saadaan stökiömetrisen palamisen ylittävä todellinen polttoilmamäärä Termodynaaminen tasapaine edellyttää aina palamisen välituotteiden muodostumista Öljyn ja kaasun poltossa on ilmakerroin matala 1,03 1, 05 Biopolttoaineiden poltossa on ilmakerroin korkeahko 1,10.. 1,15 Ilmakertoimen määrää sallittu palamisen välituotteiden määrä savukaasuissa (CO-pitoisuus esim. <200 ppm.) 37
Palaminen pesässä on sekasortoista From, Mitsubishi Heavy Industries Ltd 38
Syttyminen Syttyminen vaatii sopivan polttoaine-ilmaseoksen Pelkkä polttoaine ei pala Pelkkä ilma ei pala Lisäksi vaaditaan riittävä syttymisenergia Itsesyttymislämpötilat yleensä useita satoja asteita Pöly syttyy yleensä helposti 39
Sammuminen Yleensä liekin palamista pyritään varmistamaan Energiaa tuodaan liekkiin säteilemällä (muuraus) Energiaa tuodaan liekkiin kuumia kaasuja kierrättämällä Pidetään yllä apuliekkiä Jos virtaus liian suuri, liekki voi karata 40
Palamisen vaiheet Kuivuminen Haihtuvien vapautuminen Hiiltojäännöksen palaminen Tuhkareaktiot 41
Kuivuminen Polttoaineen joutuessa tulipesään se alkaa lämmetä Lämpö alkaa höyrystää polttoainepartikkelissa olevaa vettä Veden höyrynpaine nousee Vesi poistuu huokoisen polttoaineen läpi H 2 O 42
Haihtuvien palaminen Polttoaineen lämpötilan noustessa pienimolekyyliset yhdisteet höyrystyvät Heikot sidokset hajoavat lisäten pienimolekyylisiä yhdisteitä Kaasujen paine nousee Kaasut poistuvat huokoisen polttoaineen läpi Liekki pinnalla CH 4, CH 3 OH, CO, CO 2,H 2 O 43
Hiiltojäännöksen palaminen Polttoaineen lämpötilan edelleen noustessa yhdisteet joissa vetyä ovat poistuneet Polttoaine sisältää pääosin hiiltä Jäljelle jäänyt hiili reagoi hitaasti; CO-kaasutus, H 2 O- kaasutus, reaktiot hapen kanssa, Kaasut poistuvat huokoisen polttoaineen läpi Hehkuva partikkeli CO, CO 2 44
Tuhkareaktiot Hiilikin on pääosin palanut pois Jäljellä epäorgaaninen aines Fe, SO 4, CO 3, Mg, Si, Ca, Epäorgaaninen aines voi jatkaa reagointia esim. hapettumista Tuhkapartikkeli 45
Polttotapojen vertailu Kiinteät polttoaineet
Kuplaleijukerroskattilan toiminta BFB leijutus öljyn poltto - sytytys biomassan poltto 20.5.2011 Esa K. Vakkilainen 47
Kuplapeti Forssan Energia Oy Foster Wheeler, 66 MWth BFB, Kuori, sahanpuru ja hake From, Peltola et al., 1999
Suspensiopoltto leijukerroksessa Polttoaineita Sekapoltto Hiili Kuori+turve+lietteet Isot yksiköt > 100 MW th Sähkön tuotanto From Metso Power 49
CFB kiertoleijupeti 385 MWth, 125 MWe, 149 kg/s, 115 bar(a), 550 C Kaukaan Voima Oy Lappeenranta, Finland
CFB KATTILA Kaukaan Voima Oy, Lappeenranta, Finland HÖYRYN ARVOT POLTTOAINEET Kokonaislämpöteho Total Heat Output Höyryvirta Steam Flow Höyryn Steam Pressure paine Höyryn Steam Temperature lämpötila Syöttöveden Feedwater Temperature lämpötila 385 MWth 149 kg/s 115 bar(a) 550 C 213 C Rikki Typpi Kosteus Tuhka LHV Biomassa 0.05% 0.6% 48.0% 2.5% 9.2 MJ/kg Turve 0.2% 1.9% 45.0% 5.0% 11.3 MJ/kg AIKATAULU Contract Lupa myönnetty Award Start Asennuksen of Erectionaloitus Commercial Kaupallinen Operation käyttö April March February 2007 2008 2010 TAKUUARVOT, O 2 6% kuivat kaasut Biomassa 149 C 91% Savukaasun lämpötila Kattilan hyötysuhde Päästöt -Nox -SO2 -CO Pöly 150 mg/nm³ 200 mg/nm³ 200 mg/nm³ 20 mg/nm³ Turve (75%) 140 C 150 mg/nm³ 200 mg/nm³ 200 mg/nm³ 20 mg/nm³
Leijukerrospalaminen Kaikki polttoaineen lämpö voidaan käyttää palamisen ylläpitämiseen Tulipesän pohjalla oleva paksu hiekka/tuhkakerros auttaa ylläpitämään stabiilia palamista. Kuuma peti kuivaa ja polttaa haihtuvat aineet tehokkaasti, pienet polttoainehiukkaset palavat loppuun pedin päällä sekundääri-ilmalla Jäännöskoksi ja isot polttoainepartikkelit palavat hiekka/tuhkakerroksessa. Sopii polttoaineille joilla lämpöarvo ja kosteus vaihtelee kuten; kuori, hake, sahanpuru, metsätähde, turve, olki, kierrätyspolttoaine, siistausjäte, puhdistamoliete, yms. Isoilla kiertoleijukattiloilla myös hiilen polttoa aina 550 MWe asti Etuna alhaiset päästöt 20.5.2011 Esa K. Vakkilainen 52
Arinapoltto Arinapoltossa palaminen tapahtuu kiinteässä polttoainekerroksessa/patjassa Lähes aina ilmaa puhalletaan arinan läpi Loppuunpalaminen tapahtuu arinan yläpuolella lisäilmasuihkujen ansiosta 20.5.2011 Esa K. Vakkilainen 53
Arinapoltto Kuivuminen Haihtuvien palaminen Koksin palaminen Tuhkareaktiot 20.5.2011 Esa K. Vakkilainen 54
Pohjasyötteinen kekoarina Polttoaineita Kuori Hake Metsätähde Yksiköt < 30 MW th Lämmön tuotanto CHP MW-Biograte
Arinapoltto Polttoaineen lämpöä pitää kierrättää kuivumisen aikkansaamiseksi Arinalla oleva paksu polttoainekerros auttaa ylläpitämään stabiilia palamista. Jäännöskoksi ja isot polttoainepartikkelit ongelmia Sopii polttoaineille joilla lämpöarvo ja kosteus tasainen kuten; kuori, hake, sahanpuru Sopii jättenpolttoon koska ei arka isoille kappaleille Aikanaan tehty myös hiilen polttoa aina 150 MWe asti Etuna halvempi hinta 20.5.2011 Esa K. Vakkilainen 56
Polttotapojen vertailu Maakaasun ja öljyn poltto - Poltinpoltto
Polttolaitteet Poltinpoltto - yksittäinen poltin jossa liekki Öljy ja kaasu Poltinpoltto poltinjärjestelmät, suspensio Hiilen pölypoltto Poltinpoltto ruiskutus, suspensio Öljyn poltto 58
Tulitorvi-tuliputki kattila yksi poltin Poltin tulitorven päässä From, Aalborg Industries, 2002 59
Kaasupoltin kattilan seinällä 60
Polttimet kattilan seinällä Yhdellä tai useammalla tasolla Liekin mitta määrää Pääsääntöisesti polttimet ovat symmetrisesti keskiviivan suhteen Erityisesti kaasu/öljykattiloissa 61
Etuseinäpolttimia 1000 MWe kattila From, Babcock Hitachi 62
Kaasumainen polttoaine Kaasumaisessa polttoaineessa on vesi jo höyrynä joten kuivuminen jää pois Hiiltojäännöstä ei muodostu Tuhkaa ei ole Palaminen on pelkästään kaasureaktioita Voidaan polttaa halvalla ja edullisesti liekissä Pienet päästöt Haittana polttoaineen korkea hinta 63
Öljy Öljyssä palaminen tapahtuu ilman kuivumisvaihetta (vesipitoisuus pieni) Lämpö kaasuttaa pinnalta hiilivetyjä, jotka palavat liekillä Hiiltojäännös on yleensä pieni ja palaa nopeasti Tuhkaa ei juurikaan ole Voidaan edullisesti polttaa poltinpolttona Haittana polttoaineen kallis hinta ja rikkipitoisuus 64
Esa Vakkilainen 65
Palamisreaktiot Palamisreaktiolla tarkoitetaan kemiallista yhtälöä jossa kuvataan polttoaineen ja hapen lämpöä tuottavaa reaktiota Palamisreaktio on moolipohjainen Hiili reagoi hapen kanssa muodostaen hiilidioksidia C + O CO 2 2 66
Palamisreaktiot Palamisreaktio voidaan kirjoittaa myös polttoaineen oletetulle koostumukselle CH + 2 O CO + 2H O 4 2 2 2 C H + x + y O 4 xco y 2 H x y 2 2 2 + O 67
Yleinen palamisyhtälö ( ) 2 2 2 2 2 2 2 2 2 4 3,77 2 3,77 2 4 zo N x z y w v u yso O H w uco N O z y w v u S N O H C y x w v u + + + + + + + + + + + + + 21.10.2011 68 Esa Vakkilainen
Stökiömetrinen palaminen Stökiömetrisellä palamisella tarkoitetaan ideaalista palamista jossa polttoaineen palavat komponentit reagoivat täydellisesti ideaaliseen lopputuotteeseen Stökiömetrisellä ilmamäärällä tarkoitetaan stökiömetrisen palamisen vaatimaa ilmaa 69
Moolipainoja C 12,011 CO 28,010 CO 2 44,010 H 2 2,014 H 2 O 18,0153 N 2 28,0134 O 2 31,9988 S 32,065 SO 2 64,065 70
Kuiva ilma merenpinnan tasolla Yhdiste Tilavuusosuus Typpi N 2 78.084 % Happi O 2 20.9476 % Argon Ar 0.934 % Hiilidioksidi CO 2 0.0314 % Neon Ne 0.001818 % Metaani CH 4 0.0002 % Helium He 0.000524 % Krypton Kr 0.000114 % Vety H 2 0.00005 % Xenon Xe 0.0000087 % Yksinkertaisimmillaan oletetaan ilman olevan sekoitus 1 osa O 2 ja 3,77 osaa N 2 71