Öljystä eroon viljankuivauksessa ja muussa lämmöntuotannossa
Mistä on kysymys? Helpoin tapa vähentää kasvinviljelytilan fossiilisen energian käyttöä on korvaamalla viljankuivurin öljynkäyttö uusiutuvalla energialla. Tähän tarvitaan noin 300 500 kw:n teho. Kasvihuoneyrityksissä poltetaan edelleen paljon öljyä lämmitykseen. Tehontarve on samaa luokkaa kuin kuivureissa. Tavoitteena on kehittää edullinen ja helposti siirrettävä sarjavalmistukseen soveltuva laite joka tekee puuhakkeesta kaasua mitä poltetaan olemassa olevissa öljykattiloissa. Tämän laitteen avulla maatalousyrittäjät voivat vähentää öljyriippuvuuttaan samalla kuin voivat välttyä suurista paikkaan sidotuista investoinneista.
Mitä puukaasu on? Miten kaasutin toimii?
Puukaasu ja biokaasu -kaasuseoksia joiden tuotantotekniikka ja koostumus on erilainen Puukaasu, häkäkaasu N 2 ~ 50 % CO ~ 20 % H 2 ~ 20 % CO 2 ~ 7 % CH 4 ~ 3 % Lämpöarvo ~5 MJ/m 3 Biokaasu, mädätyskaasu CH 4 ~ 65 % CO 2 ~ 33 % N 2,O 2,H 2 S, H 2 ~ 2 % o Lämpöarvo ~ 20 MJ/m 3
Kaasutuksen toimintaperiaate Puupolttoaine poltetaan ensin hiilidioksidiksi ja vedeksi jonka jälkeen nämä kaasut poltosta saadun lämmön avulla pelkistetään hehkuvassa hiilipatjassa hiilimonoksidiksi ja vedyksi Kaasuttimen rakenteesta riippuen saadaan puun sisältämästä energiasta 70 80 % siirrettyä kaasumaiseen muotoon Loppuosa on lämpöä ja hiilijäännöstä mitä suurelta osin myös voi hyödyntää Myötävirtakaasuttimen toimivuuden kannalta tärkeintä on että terva saadaan hajotettua kaasuttimessa Ainut konsti hajottaa terva on krakkaamalla se riittävässä kuumuudessa Kaikkein tärkein asia myötävirtakaasuttimen toimivuuden kannalta on tulipesän lämpötilanhallinta sekä se, että hiilipatja saadaan pidettyä kuohkeana ja reaktiivisena Säädettävällä ja hyvin eristetyllä kaasuttimella päästään tähän
Polttoaineeksi käy puuta tai turvetta eri muodoissa, mutta kaasuttimen pitää olla oikein säädetty käytettävälle polttoaineelle
Tulipesän säätäminen eri polttoaineilla toimivaksi tehdään tutkimalla sen sisältöä
Esimerkkejä jo rakennetuista kaasutuslaitteista Pitkä kokemus puukaasutekniikasta ja useasta puukaasuautosta Kuvassa Fredrik Ek:in puukaasujeep
XyloGas 50 kw powerplant for dry coarse wood chips Wood chips feed: 55 kg /hour Wood chips heating value: 4,5 kwh /kg Energy content of fuel feed: 250 kwh /h Fuel humidity: < 22% Gasifier efficiency: 80% info@woodgas.fi +358407547182 www.woodgas.fi Automatic fuel feed system Gasifier + heat exhangers Cyclone and startup flare Solid gasification residues ~2 kg /h Hot filter unit Gas condenser and drier unit XyloGas tar free woodgas flame at night 50 kw power output, engine mechanical efficiency 25% 120 kw easily recoverable thermal output. Standard CHP unit for natural gas compression ratio ~13:1 Woodgas power output: ~ 0,6 x natural gas power output
Syksyllä 2006 rakennettiin ensimmäinen Xylogas Oy:n paikallislaitoksen prototyyppi, tämä laitos tuotti hyvin puhdasta kaasua ja sähköä 30 kw:n teholla.
Toisen 30 kwe paikallislaitoksen komponenttien rakentamista vuonna 2007
Syksyllä 2006 perustettiin Xylogas Oy Puhdas Energia Oy:n palveluksessa tuli kokemusta puupelletin kaasuttamisesta, kuvissa Japaniin toimitettu pellettikaasutuslaitos jonka teho demonstroitiin sulattamalla yhtä koekattilaa Japanissa keväällä 2006
Puun kaasutus: CHP:stä viljan kuivaamiseen
Sähkön tuotannosta retrofit-laitteeseen Suomessa sähkön tuottaminen pienessä mittakaavassa on vaikea saada kannattavaksi Suomessa ei ole toimiva pientuotannon tukijärjestelmä ja sähkö on vielä halpaa Puukaasuttimen avulla saadaan hakkeesta pienellä ja edullisella laitteella paljon tehoa irti Viljankuivureissa tarvitaan lyhyttä aikaa suurta tehoa Koska käyttöaika on lyhyt, kuivurilaite ei saa maksaa kovinkaan paljon ollakseen kannattava Viljatilalla käytetään tyypillisesti enemmän öljyä sadon kuivaamiseen kuin sen viljelyyn
Öljylämmitteinen tyypillinen maatilan päärakennus kuluttaa vuodessa noin 3500 litraa öljyä Viljankuivuri taas tyypillisellä kasvinviljelytilalla 7000 litraa Rahtikuivureilla kulutus on helposti 50 000 litraa Kuivausjakso kestää noin kolme viikkoa Helpoin ja merkityksellisin tapa vähentää öljyriippuvuutta maataloudessa on hankkiutumalla eroon viljankuivauksen öljynkäytöstä
Olemassa olevalla tekniikalla toimitaan näin: Yli 90 % kuivatettavasta viljasta kuivataan edelleen öljyllä tai kaasulla Kotimaisella polttoaineella lämpö siirretään kuivurille joko vesikierron avulla tai kuivalla järjestelmällä kuuman ilman avulla Kattilalaitos on hyvä vaihtoehto silloin kuin lähistöllä on paljon muutakin lämmitettävää, yksin kuivuria varten sellaista harvoin kannattaa rakentaa
Kuivureille on rakennettu sekä kiinteitä että liikuteltavia hakelämpökeskuksia ennenkin. Kuivan järjestelmän etuna on se, että ei ole jäätymisongelmaa ja se että saadaan kuumempaa kuivausilmaa. Kaasutusjärjestelmän etuna on joustavuus, siirretään tuotekaasua, ei kuumaa vettä eikä kuumaa ilmaa, ei tarvita eristeitä eikä kiinteitä asennuksia.
Olisi helpompaa asentaa kaasuputki kuivureiden väliin kuin rakentaa yli 60 metriä Ø 0,8 m eristettyä kanavaa kuumalle ilmalle Ison kasvinviljelytilan isännän suunnitelma viljankuivureiden muuttamiseksi öljystä puuhakkeelle
Lämpölaitoksen rakentamista hankaloittaa: Kuivurin tehontarve sopii harvoin yhteen muun tehontarpeen kanssa 30-60 kw vs 300-500 kw Kartanot, suuret karjatilat Viljankuivuri sijaitsee tyypillisesti etäällä muista lämmitettävistä rakennuksista Paloturvallisuus Pöly Melu Lämpökanavan rakentaminen kallista Etäisyys Suuri tehontarve Teräsputket
Joustavuus on valttia Hakelogistiikka ja kattilalaitoksen sijoittelu voi olla hankala toteuttaa Olisi suuri etu siirtää puupolttoaine joustavaa putkea pitkin kuivurin uunille
Laitekustannukset pidettävä maltillisina Olkikattiloilla saadaan tarvittaessa 300-500 kw:n teho aikaan Investointi tässä tapauksessa 80 000 plus verkosto yhteensä noin 120 000
Kuvassa kuivuria varten rakennettu kiinteä hakekäyttöinen kuumailmauuni Investointi noin 120 000
Kaasutustekniikalla on mahdollista: Kaasutustekniikka tarjoaa mahdollisuutta käyttää olemassa olevaa öljykattilaa, polttoaine vaihdetaan öljystä puukaasulle Muutos hakkeelle ilman rakentamista paikan päällä
Visio retrofitlaitoksesta Helposti liikuteltava kaasutusyksikkö, rakennetaan pyörien päälle tai siirtolavalle Nopea ottaa käyttöön, soveltuu myös lyhytaikaiselle käytölle Minimaalisesti rakentamista paikan päällä, urakoitsija voi huolehtia laitoksen pyörittämisestä Automaattinen ilmatiivis hakesyöttö Kaasuttimessa liikkuva arina ja holvinpurkain. Lämmön palautus. Sykloni kuivan pölyn poistoon, vaativissa paikoissa tämä korvataan kuivasuodattimella. Lauhdutin erillisenä yksikkönä, tarvitaan mikäli kaasua pitää siirtää pidempiä matkoja. Kaasu johdetaan kattilaan joustavaa letkua pitkin Uunissa oleva öljynpoltin korvataan tuotekaasupolttimella Laitos mahdollistaa viljan kuvaamisen hakkeella ilman lämpökeskuksen rakentamista Samalla säilyy varmuutena myös öljynkäyttömahdollisuus Laite ei ole sidottu ainoastaan viljankuivureihin, sitä voidaan käyttää minkä tahansa isomman öljykattilan yhteydessä! Viljankuivurista on helppo aloittaa.
Yhtenä uutuutena on käynnin aikana täysin säädettävä kaasutin, saadaan käsillä olevalla puupolttoaineella haettua asetukset missä kaasutusprosessi toimii stabiilisti tuottamatta tervaa ja tukkiutumatta. Kaasutuspuoli on hanskassa, Aritermin kanssa on sovittu syötinyhteistyöstä ja Oilonin kanssa poltinyhteistyöstä. Protolaite pitää rakentaa valmiiksi ja testata! Omilla resursseillamme asia edistyy, mutta turhan hitaasti. Kuumasuodatin Kaasutin
Kuivattava vilja-ala määrää kuinka paljon kuivauslaitteeseen kannattavasti voi sijoittaa Viljan kuivaus, perusoletuksia Kevyen polttoöljyn lämpöarvo 10,02 MWh/m3 Hakkeen lämpöarvo 0,75 MWh/im3 Öljykattilan hyötysuhde 0,85 Hakekattilan hyötysuhde 0,7 Öljyn veroton hinta 900 /m3 Hakkeen veroton hinta 20 /im3 Nettoenergiantarve/ha kuivattavaa viljaa 0,8 MWh Vilja-ala 150 ha Hehtaarisato 4,5 tonnia Kuivausajan pituus 12 h/vrk Kuivauskauden pituus 21 vrk/vuosi Viljan kuivaus, perusoletuksia Kevyen polttoöljyn lämpöarvo 10,02 MWh/m3 Hakkeen lämpöarvo 0,75 MWh/im3 Öljykattilan hyötysuhde 0,85 Hakekattilan hyötysuhde 0,7 Öljyn veroton hinta 900 /m3 Hakkeen veroton hinta 20 /im3 Nettoenergiantarve/ha kuivattavaa viljaa 0,8 MWh Vilja-ala 100 ha Hehtaarisato 4,5 tonnia Kuivausajan pituus 12 h/vrk Kuivauskauden pituus 21 vrk/vuosi Viljan kuivaus paljonko korvaava energianlähde saa maksaa Energiahinta netto öljyllä 106 /MWh Energiahinta netto hakkeella 38 /MWh Energiahinta öljy- energiahinta hake 68 /MWh Viljan kuivaus paljonko korvaava energianlähde saa maksaa Energiahinta netto öljyllä 106 /MWh Energiahinta netto hakkeella 38 /MWh Energiahinta öljy- energiahinta hake 68 /MWh Vilja-alan kuivauksen tarvitsema nettoenergia Viljankuivauksen bruttoenergiantarve öljyllä Viljankuivauksen bruttoenergiantarve hakkeella Kuivaustunnit jolloin lämpö päällä Minimiteho millä kuivaus ehditään tehdä 120 MWh 141 MWh 171 MWh 252 h/vuosi 476 kw Vilja-alan kuivauksen tarvitsema nettoenergia Viljankuivauksen bruttoenergiantarve öljyllä Viljankuivauksen bruttoenergiantarve hakkeella Kuivaustunnit jolloin lämpö päällä Minimiteho millä kuivaus ehditään tehdä 80 MWh 94 MWh 114 MWh 252 h/vuosi 317 kw Öljystä hakkeelle, säästö per ha kuivattavaa viljaa Öljystä hakkeelle säästö koko vilja-alalla 54 /vuosi 8109 /vuosi Öljystä hakkeelle, säästö per ha kuivattavaa viljaa Öljystä hakkeelle säästö koko vilja-alalla 54 /vuosi 5406 /vuosi Öljynkulutus 100 % Hakkeen kulutus 100 % 14 m3 229 im3 Öljynkulutus 100 % Hakkeen kulutus 100 % 9 m3 152 im3 Investoinnin koroton takaisinmaksuaikavaatimus 10 vuotta Investointiavustus 35 % Nettoinvestoinnin maksimisuuruus 81091 Bruttoinvestointi maksimisuuruus 109473 Investoinnin koroton takaisinmaksuaikavaatimus 10 vuotta Investointiavustus 35 % Nettoinvestoinnin maksimisuuruus 54061 Bruttoinvestointi maksimisuuruus 72982
Kuivurikattilat ovat vain alku Suomessa raskas ja kevyt polttoöljy ovat edelleen tärkeimmät kasvihuoneviljelijöiden lämmityspolttoaineet Kasvihuoneiden hakelämpökeskukset maksavat 100 000-1000 000 Olisi iso etu hyödyntää olemassa olevia kattiloita ja asennuksia Kasvihuoneyrittäjän ei välttämättä tarvitse investoida laitteeseen ollenkaan, lämpöyrittäjä voi myydä hänelle puupolttoainetta putkesta/letkusta
Protolaitteen kehitystyön tilanne (toukokuu 2014) Toimija SLF/Fiskarsin Voima Oy/Fiskarsin pellettikamiina Oy Kaasutin, kokonaan säädettävä malli (mallinnettu ja valmistumassa) Sykloni ja tuhkasäiliö (CAD malli valmiina) Kaasun jäähdytin (jäähdytin valmiina) Kaasun suodatin (CAD malli valmiina ja rakennettuna) Tuotekaasun poltin (suunnitelmia karkeasta tuotekaasupolttimesta) Toimija Oilon Oilonin kanssa on sovittu poltinyhteistyöstä. Oilonin sarjavalmisteinen kaasupoltin toimii tuotekaasupolttimen kehitysalustana testeissä. Toimija Ariterm Aritermin kanssa sovittu hakkeen syötinyhteistyöstä. Aritermin syöttö ja sulkulaitteet käytetään Retrofit-laitteen prototyypin testiajoissa. Tavoitteena on jatkaa yhteistyötä Aritermin kanssa jos laitteesta tulee menestys.
Retrofit -hankkeen edistyminen Oma kehitystyö ei ole ilmainen, tai jos on, niin silloin edistymistahti on hidas. Leipätyön, perheen ja talonrakennusprojektin jälkeen jää vähän aikaa kehittelyyn Hankittavien valmiiden komponenttien ja muiden rakennusmateriaalien rahoittaminen käytännössä pysäyttää homman, ellei laitteelle löydä ostajaa tai rahoitusta Ennen kuin prototyyppiä oikein voi myydä loppukäyttäjälle, pitää olla kunnollista näyttöä sen toimivuudesta Jotta homma etenisi järkevästi, pitäisi löytää prototyypille toimiva rahoituskuvio Toistaiseksi olen itse maksanut kulut, mutta nyt on liikkeellä pari kuviota joista saattaa jäädä vähän resursseja asian edistämiseen
Säädettävän kaasuttimen prototyypin runko on valmistumassa. (toimi- ja valvontalaitteet puuttuvat vielä)
Protolaitekokonaisuuden hahmotelmaa Toisesta päästä haketta syötetään sisään ja toisesta päästä suodatettua kaasua tulee ulos poltettavaksi tuotekaasupolttimessa Nyt pitäisi päästä kokoamaan protolaitteen yhteen ja ajamaan riittävästi testejä jotta konseptin saa hierottua toimivaksi!
Grillaamista Retrofit -protolaitteen puukaasulla Vantaan Varialla 28.5 2014 Kaasutinta käytettiin minimiteholla jotta makkaranpaisto onnistuisi
Kaasuttimesta on nyt otettu ensi savut Laite on kuitenkin kesken, siitä puuttuu muun muussa syöttölaite, alusta ja automaatio Kokemukset ensimmäisestä testistä ovat kuitenkin lupaavia
Esimerkkejä yksittäisten maatilojen energiankäytöstä - lähtötilanteen muodostaa tilan nykyinen energiankäyttö
Viljan sekä vadelman viljely 75 ha vehnää, kauraa, ruista ja vadelmaa Peltoviljelyssä keskimääräinen öljynkulutus on 46 litraa/hehtaari Yhteydenoton ensisijainen syy: Kiinnostus vesivoimaan sekä lämmitysvaihtoehtoihin
Tämän tilan suurin energian tuotantopotentiaali löytyi vesivoimasta. Vuotuinen potentiaali ~600 MWh sähköä, edellyttää uuden turbiinin hankintaa ja padon sekä turbiinirakennuksen kunnostamista
Naudanlihantuotanto: 140 sonnia, Ahvenanmaa Nurmea ja viljaa 120 ha Öljynkulutus keskimäärin: 51 litraa/ha Lihantuotannon avainluku: 2,06 kwh/kg lihaa Yhteydenoton syy: Lämpökeskussuunnitelmia
Naudanlihantuotannon energiatehokkuuteen vaikuttaa eniten käytetyn polttoöljyn määrä Tilan nimi kwh energiaa/ kg lihaa
Tomaatin ja kurkun viljely 6500 m 2 kasvihuonealalla, Ahvenanmaa Hakelämpökeskus, 700 kw Polttoöljy käytetään ainoastaan CO 2 -tuotantoon Asennettu valaistusteho: 1100 kw Vuotuinen sähkönkulutus: 1,2 miljoonaa kwh Suurin kiinnostus: Oma sähköntuotanto, kannattavuus Suurin säästöpotentiaali: Lauhduttava lämmön-talteenotto hakekattilan savukaasuista, 700 MWh/a
Maidontuotantoa pienessä mittakaavassa: 10 lehmää 35 hehtaaria. Pohjanmaa Säilörehu, rypsi, kaura ja ohra. Sahaustoimintaa. Keskimääräinen maidontuotanto: 7000 kg/lehmä, melko vähän mutta energiankulutus myös erittäin alhainen. Avainluku: 0,11 kwh/kg maitoa (lämpö, sähkö ja polttoöljy) Laskelmia erilaista lämmitysratkaisuista
Maidontuotantoa suuremmassa mittakaavassa: 60 lehmää 120 hehtaaria. Lounaissuomi Sokerijuurikasta, säilörehua, kauraa/ohraa, mustikkaa. B&B palvelua, maatilamatkailua Keskimääräinen maidontuotanto: 9800 kg/lehmä, hyvä. Avainluku: 0,17 kwh/kg maitoa (lämpö, sähkö ja polttoöljy) Viljelyn öljynkulutus: 120 l/ha kaikki, (62 l/ha säilörehua) Laskelmia tehty biokaasun tuottamisesta (suunnitelmissa uusi 350 lehmän navetta, 4 viljelijän yhteistyö)
Maidontuotannon avainlukuja
Kiinteän polttoaineen lämmityslaitteita: esimerkkejä
Puunpolton periaatteita Alapalokattila Yläpalokattia
Käänteispalokattilat, kaasutuskattilat
Hakelämpökontti
Eräs välimuoto hakelämpökeskuksen ja puukattilan välillä on ulos sijoitettava kattila metrin haloille. Tässä tapauksessa 80 kw tehoinen kaasutuskattila Kattila pärjää ilman erillistä varaajaa ja palaa jatkuvasti, puuta lisätään päivän parin välein.
Lämpökeskus olemassa olevassa rakennuksessa
Panostäyttöisissä olkikattiloissa poltetaan usein lahoa sellupuuta pääpolttoaineena. Näiden kattiloiden kenties paras ominaisuus on niiden moniruokaisuus
Olkipaaleja, kuormalavoja, purkupuuta ym. voidaan polttaa myös käänteispaloperiaatteen mukaan Tällä saksalaisen Herlt:in valmistama kattila Kattilaa poltetaan varaajaa vastaan
Energiansäästöä kattilaa vaihtamalla Polttopuiden kulutus vanhalla yläpalokattilalla noin 80 im 3 vuodessa ~ 67 MWh/vuosi Uusi alapaloinen puukattila tilalle ja polttopuiden kulutus enää 45-50 im 3 vuodessa ~40 MWh/vuosi Säästö lämmitysenergian kulutuksessa 40 %
Lämpökeskuksen myötä energiankulutus joskus kasvaa merkittävästi Ennen lämpökeskuksen rakentamista asuinrakennus ja verstas lämpeni sähköllä, tilan sähkön kokonaiskulutus oli 36 MWh/vuosi Rakennettiin 60 kw lämpökeskus vanhaan navettaan, tämän jälkeen tilan sähkönkulutus on enää 13 MWh/vuosi Lämpökeskuksen tuomaa säästöä sähkönkulutuksessa: 23 MWh/vuosi Hakkeen kulutus: 130 im 3 kuivaa haketta ~0,8 MWh/im 3 = 104 MWh/vuosi Muutos 104/23 ~4,5. Lämmityksen energiankulutus kasvoi kertoimella 4,5 hakelämpökeskuksen myötä Miksi? Lämpötilat nostettu ja lisää lämmintä tilaa, lämpökanava
Biomeiler on kompostikasa mistä otetaan kompostoitumislämpöä talteen Biomeilereissa voi käyttää olkea eristeenä mutta myös kompostoitavana tuotteena
Iso biomeiler osana kasvihuoneen lämmitysjärjestelmää
ProAgria Svenska lantbrukssällskapens förbund www.slf.fi fredrik.ek@slf.fi +358407547182