Kohti biojalostamoja biomassan termokemiallinen jalostus kaasutuksen avulla Jukka Konttinen Jyväskylän yliopisto Uusiutuvan energian ohjelma
Johdanto Vetykaasun (H 2 ) tai ns. synteesikaasun hiilimonoksidin (CO) ja vedyn seos valmistaminen kaasutuksella on tunnettu jo toisesta maailmansodasta polttoainepula: nestemäisten polttoaineiden valmistus kiinteästä rusko- tai kivihiilestä (Saksa, Etelä-Afrikka) HÄKÄPÖNTTÖ suomalainen sovellus Polttoaineen poltto alistökiömetrisellä happimäärällä (happea 30 50 % täydellisen palamisen vaatimasta määrästä) täydellinen palaminen - vrt. lamda-anturi autossa Puhutaan biomassan TERMOKEMIALLISESTA prosessoinnista
Biojalostamo/termokemiallinen prosessointi - ajavia voimia Ilmastonmuutos / CO 2 -päästöt fossiilisesta öljystä Pois raakaöljyriippuvuudesta Liikennepolttoaineita puuperäisistä raaka-aineista ei vaikutusta ruoan tuotantoon Massa- ja paperiteollisuus Nykytuotteiden kysyntä ei ainakaan nouse Vaihtoehtoiset tuotteet, joilla suuri jalostusarvo suomalaisen teollisuuden pelastus? Parantunut imago EU-direktiivit liikennepolttoaineista (biodiesel, etanoli)
Mitä kaasutuksessa tapahtuu? GASIFICATION PRODUCT GAS Osittaispoltto hapella tuo tarvittavan lämmön (= heat)
Lähde: VTT (Kurkela et al., 2009)
Synteesikaasun puhdistus ja prosessointi Lähde: Carbona Oy (2008)
Synteesikaasun puhdistus ja prosessointi Contaminant Examples Problems Cleanup method Particulates Ash, char, bed material Erosion, plugging Filtering, scrubbing Alkali metals Sodium and potassium Hot corrosion Cooling, absorption, compounds condensation, filtering Fuel-bound nitrogen Mainly NH 3 and HCN NO x formation Scrubbing, selective catalytic reduction Tars Reactive aromatics Plugs filters, difficult Tar cracking/reforming, to burn, deposits scrubbing internally Sulfur, chlorine HCl and H 2 S (and some COS) Corrosion, gaseous sulfur emissions Limestone or dolomite, scrubbing, absorption Lähde: Bridgwater, A. et al.: An Assessment of the Possibilities for Transfer of European Biomass Gasification Technology to China. Part 1. Report of Mission to China. 1998, 65 p.
Kaasutukseen perustuva biojalostamo Lähde: VTT (Kurkela et al., 2006)
Synteesikaasun prosessointi nestemäisiksi biopolttoaineiksi Ns. Fischer-Tropsch prosessissa, synteesi tapahtuu katalyytin vaikutuksen alaisena 10-40 bar paineessa ja korotetussa lämpötilassa (200 400 C), synnyttäen BIODIESELIÄ nco + 2nH 2 n(ch 2 ) + nh 2 O Synteesikaasun prosessoinnilla voidaan myös tuottaa: Metanolia (voidaan sekoittaa bensiiniin) Etanolia (bensiinin osa) Dimetyyli eetteriä (DME) Muita alkoholeja Nämä tekniikat eivät ole niin kaupallisesti kehittyneitä kuin Fischer- Tropsch Kasvisöljyihin perustuva esteröintiprosessi on eri menetelmä!
Synteesikaasun valmistus ns. BtL sovelluksiin (Biomass to Liquids) Teollisia demonstraatiohankkeita
Lähde: Bacovsky, N.: Overview on Wide Spread Implementation of 2nd Gen Biofuel Demonstration Plants in the World. In: 4 th BtLtec Conference, Graz, Austria, September 24 th 2009
Nestemäisten biopolttoaineiden valmistus suomalaisia demohankkeita Stora Enso Oyj, Neste Oil Oyj, Foster Wheeler Energia Oy ja VTT NSE Biofuels Oy: 50/50 yhteisyritys Stora Enson and Neste Oil in välillä synteesikaasun tuotanto F.-T. biodieselsovellukseen Tekniikan pilotointi: kaasutus ja kaasun puhdistus 5 MW th kokoluokassa Varkaudessa Käynnistyy tänä vuonna Päätös kaupallisen, teollisen mittakaavan laitoksen rakentamisesta lähivuosina
Nestemäisten biopolttoaineiden valmistus suomalaisia demonstraatiohankkeita Vapo/VapOil Idea: Synteesikaasun tuotanto, liitettynä BtL-tekniikkaan Yksikköprosessit valitaan kaupallisilta toimittajilta Menossa teknis-taloudellinen evaluointi Paikka laitokselle jossain Pohjoismaissa Investointipäätös kaupallisesta laitoksesta 2010 Turpeen ja biomassan sekoitus kaasutuksen raaka-aineena Onko turve uusiutuvaa polttoainetta?
Nestemäisten biopolttoaineiden valmistus suomalaisia demohankkeita UPM-Kymmene Oy, Andritz Oy ja Carbona Oy Synteesikaasun tuotanto, kaasun käsittely ja puhdistus F.-T.- sovellukseen Testiohjelma (5 MW th ) alkoi lähellä Chicagoa (Gas Institute of Technology), USAssa keväällä 2007 Suunnittelu ja neuvottelut kaupallisen mittaluokan biojalostamon rakentamiseksi meneillään. Kaksi kohdetta Suomessa (sellu- ja paperitehtaita): Kymi Rauma
Sähkön- ja lämmöntuottosovellus - IGCC - ei ole menettänyt potentiaaliaan IGCC = Integrated Gasification Combined Cycle = Integroitu kaasutus-kombivoimalaitos
Biomass-based IGCC plant for industrial CHP production (CHP = Combined Heat and Power) Flue gas Biomass Steam turbine G Process heat Design parameters for a future plant Wood input Power output Heat production Total efficiency Power-to-heat ratio 150 MW 60 MW 70 MW 87% 0.86 Dryer Gasifier Ash Steam Air Clean-up Gas turbine Combustion chamber G Specific investment 550 /kw fuel Power production cost 27 /MWh Assuming: Price for heat 13 /MWh Fuel cost 7.5 /MWh Full-load operating time 6500 h/a Economic lifetime 20 years Interest rate 5% Lähde: VTT (Kurkela et al., 2003)
Kaasutussovelluksia hajautetun energian mittakaavassa
Güssingin laitos, Itävalta Lähde: Rauch, 4 th BtLtec (2009) Sähkön ja lämmön tuotto (CHP) puupolttoaineella, 8 MW th ja tästä sähköä vähintään 30 % Laitoksen käytettävyys yli 90 % Biodieselin tuotanto demonstroitu Fischer-Tropsch-laitteistolla Polttokennosovelluksen tutkimus menossa SNG (Synthetic Natural Gas) demonstraatio rakenteilla
Güssingin laitos, Itävalta Lähde: Rauch, 4 th BtLtec (2009)
Lähde: Carbona Oy (2008)
BIOMASS GASIFICATION - COAL BOILER Lahti, Finland 360 MW 540 C/170 bar Biomass 350 GWh/a -15 % fuel input Processing 60 MW Pulverized coal flames Power * 600 GWh/a District Heat * 1000 GWh/a Gasifier Gas flame Bottom ash Coal Natural Gas 1850 GWh/a -80 % 100 GWh/a -5 % Fly ash Source: Kivelä M, Lahti Energia, 2002
Source: Palonen J, Foster Wheeler, 2002 Lahden polttoaineita
LAHDEN KAASUTUSLAITOS Polttoaineen käsittely kaasutinta varten Kivihiilikattila Kivihiilikenttä Kivihiilisiilot ja murskaimet Kaasutin
Kaupallisia ja/tai kehityshankkeita Keski- ja Pohjois-Suomessa Ns. mikro-chp tai pien-chp (CHP = Combined Heat and Power) Puuperäinen poltto tai kaasutus mittaluokassa 100 kw th 1 MW th Kaasun puhdistus (esim. tervat kaasutuskaasussa) Sähkön tuotto kaasumoottorilla, Stirling-koneella tai mikroturbiinilla Sähköä > 10 % biopolttoainetehosta Nestemäiset biopolttoaineet taloudellisuus? Osapuolia Yrityksistä Gasek, CCM-Power, HT Enerco, Tutkimuslaitoksista Jyväskylän yliopisto (UE-ohjelma sekä Kokkolan Chydenius-keskus), Jyväskylän ammattikorkeakoulu (JAMK), Oulun yliopisto
Tutkimusta Jyväskylän yliopistossa Uusiutuvan energian ohjelmassa
Mikro-CHP-laitteisto Vaajakosken UElaboratoriossa P2 Fan flue gas recirculation + sek. & tert. air preheating T7 Heat exch 2 Stack Furnace: height. 1.3 m, i.d. 0.5 m mass flow meters sek+ tert air Stirling 9 kwe 1300C Heat exchanger 1 T5 T4 District heat T6 T3 Flue. Gas. sampling O2, CO, particles mass flow... prim. air (with pellets) Pellet furnace Fuel power 60 kw T2 P1 T1 Flue gas cleaning T= temperature, P= pressure to PC control system!
VaajakoskEN laboratorio Aurinkolämpökeräimet Testipaikka 6-10 m 2 keräimille - TiNO x- pinnoitettu paneeli - tyhjöputkikeräin - muoviputkikeräin - kumimattokeräin
Puupoltto/kaasutus & CHP hajautetun energian mittakaavassa HYBRIDIT Alueelliset lämpölaitokset merkittävä sähköntuotto (+ polttonesteet?) Tuulienergian yhdistäminen Lisää sähköntuottoa Aurinkolämpökeräimien yhdistäminen tuottaa osan lämmityskohteen tarvitsemasta lämmöstä - erityisesti kesäkuukausina merkittävä Korvaa myös pellettipolttoainetta Haasteita käytettävyys kannattavuus/taloudellisuus Puuraaka-aineen saatavuus ja laatu POLITIIKKA: hajautettu vs. keskitetty syöttötariffit isot energiantuottajayhtiöt
Puupoltto/kaasutus & Biojalostamo MONITIETEELLISIÄ TUTKIMUSAIHEITA Kemia, fysiikka, ympäristötieteet: biomassan poltto- ja kaasutusominaisuudet kaasun puhdistus/päästöt Nanoteknologia nestemäisten biopolttoaineiden valmistus sähköntuotolle olennaisten lämmönvaihtimien/kaasumoottorien toiminta (termodynamiikka) hybridiratkaisut Yhteiskunta- ja taloustieteet: kannattavuus/taloudellisuus CO 2 -päästöt/päästökauppa puuraaka-aineen saatavuus ja laatu hajautettu vs. keskitetty syöttötariffit politiikka, ihmisten tottumukset, verotus
YHTEENVETO Biomassan terminen konversio kaasutuksen avulla potentiaalia moneen sovellukseen Sähkö } } CHP Lämpö BIOJALOSTAMO Kemikaalit Nestemäiset biopolttoaineet Kaupallisia CHP-laitoksia löytyy (biomassa & jäte), hajautetun energiantuotannon mittakaavasta Teollisen mittakaavan sovellukset vaativat vielä demonstrointia Biomassaperäinen IGCC Biojalostamo sellutehtaan yhteydessä suomalaisen metsäteollisuuden tärkeimpiä kehityskohteita Kaasutuksella uusia mahdollisuuksia hajautetun mittakaavan sovelluksiin pien-tai mikro-chp, puuperäiset polttoaineet hybridit (aurinko- ja/tai tuulienergia mukaan) kehitystoimintaa Keski- ja Pohjois-Suomessa MONITIETEELLISTÄ TUTKIMUSTA TARVITAAN