BIOKAASUAGGREGAATIN KÄYTTÖÖNOTTO

1 Jaakko Raudaskoski & Jari Laitala BIOKAASUAGGREGAATIN KÄYTTÖÖNOTTO Opinnäytetyö KESKI-POHJANMAAN AMMATTIKORKEAKOULU Sähkötekniikan koulutusohjelma Helmikuu 2007

2 Toimipiste Tekniikan toimipiste, Ylivieska Koulutusohjelma Sähkötekniikan koulutusohjelma Työn nimi Biokaasuaggregaatin käyttöönotto Työn ohjaaja Yrjö Muilu Aika 1.2.2007 Tekijä Jari Laitala & Jaakko Raudaskoski Sivumäärä 30+6 Työn valvoja Yrjö Muilu Opinnäytetyön aiheena on biokaasulla toimivan aggregaatin käyttöönotto maatilalle Nivalaan. Kyseessä oleva TOTEM-aggregaatti on ollut aikaisemmin toiminnassa maatilalla Kalajoella. Työhön sisältyi tarvittavien sähkösuunnitelmien ja asennusten tekeminen, aggregaatin käyttöönotto sekä mittausten tekeminen sähkön- ja lämmöntuotannosta. Työn tilaaja oli Heikki Junttila. Maatilalla on omasta takaa biokaasun tuotantoa. Biokaasu tuotetaan kahdella reaktorilla. Aikaisemmin biokaasua on käytetty käyttöveden lämmittämiseen navetalle. Osa kaasusta käytetään reaktoreiden lämmittämiseen. Biokaasua tuotettiin yli oman tarpeen, joten uudelle käyttökohteelle oli kysyntää. Aggregaatin generaattoria pyörittää Fiat:in valmistama tilavuudeltaan 1,2 litrainen ottomoottori. Sähköntuotannon lisäksi TOTEM tuottaa myös lämpöenergiaa, joka otetaan talteen moottorin jäähdytysnesteistä ja pakokaasusta. Aggregaatin lisäksi oli myös hankittava ja asennettava tarvittavat turvalaitteet. Asiasanat Aggregaatti, sähköntuotanto, CHP

3 CENTRAL OSTROBOTHNIA POLYTECHNIC Date 1.2.2007 Author Jari Laitala & Jaakko Raudaskoski Degree program Electrical engineering Name of thesis Inauguration of biogas functioning aggregate Instructor Yrjö Muilu Pages 30+6 Supervisor Yrjö Muilu The main purpose for this thesis was to take a biogas operating aggregate (TOTEM) in to function for a farm at Nivala. The aggregate have been in use before at Kalajoki. Work included doing electrical plans and assemblies, and measuring relevant values of power and heat production. The commissioner of this project was Heikki Junttila. Farm is producing biogas with two reactors. Before biogas was used to heat water for cow-shed and heating the reactors. Biogas production was higher than consumption, so there was need for another consumption object. Generator is operated by Fiat s 1,2 litres otto-engine. In addition for electricity production, TOTEM products heat energy, which is taken from engine s cooling fluids. Attaining and installing necessary safety devices was also required. Key words Aggregate, electric production, CHP

4 ESIPUHE Tämä opinnäytetyö tehtiin Heusalan tilalle Heikki Junttilalle vuonna 2006 maaliskuu-joulukuu välisenä aikana. Käytännön työt teimme kesällä kesätöiden ohessa. Teoriaosuutta kirjoitimme pääosin loppuajasta. Työnjako meni luontevasti suuntautumisalojen mukaan, Laitala perehtyi energiaosuuteen ja Raudaskoski sähkösuunnitteluun ja asennuksiin. Aineiston kerääminen ja opinnäytetyön kirjoittaminen tehtiin mahdollisuuksien mukaan yhdessä. Haluamme kiittää Timo Heusalaa, Yrjö Muilua ja Heikki Junttilaa kaikesta avusta ja opastuksesta. Ylivieskassa 1.2.2007 Jaakko Raudaskoski Jari Laitala

5 SISÄLLYSLUETTELO TIIVISTELMÄ ABSTRACT ESIPUHE SISÄLLYSLUETTELO 1. JOHDANTO 7 2. BIOKAASU 8 3. BIOKAASUN HYÖDYNTÄMISTEKNIIKAT CHP KÄYTÖSSÄ 10 3.1 Polttomoottori 10 3.2 Stirling-moottori 10 3.3 Polttokenno 12 3.4 Kaasuturbiinit 13 4. TOTEM KAASUMOOTTORI 16 4.1 Yleistä 16 4.2 Generaattori 17 4.3 Toiminta 18 5. TOTEUTUS 19 5.1 Perehtyminen 19 5.2 Sähköasennukset 21 5.2.1 generaattorilaitteistoasennuksien turvamääräykset 23 5.2.2 Ohjauskeskus 24 5.2.3 Happianturiohjattu seossäätö 26 6. KAASULAITTEISTO 28 6.1 Virtaus- ja teholaskelmat 28 6.2 Asennus- ja turvallisuusohjeet 30 7. KÄYTTÖ 35 7.1 Käyttöönotto 35 7.2 Huolto 35

6 8. TULOKSET 36 9. YHTEENVETO 38 LÄHTEET LIITELUETTELO LIITTEET

7 1. JOHDANTO Tämän työn tarjosi Keski-Pohjanmaan ammattikorkeakoulu, joka oli myynyt TOTEM - kaasumoottorin maatilalle, jossa on biokaasulaitos. Aikaisemmin se on ollut sähkön- ja lämmöntuotannossa Kalajoella. Työn tavoitteena oli saada TOTEM - aggregaatti toimintakuntoon Heusalan tilalle Nivalaan. Työhön sisältyi perehtyminen aggregaatin toimintaan sekä kaasu- ja sähkölaitteiden asennusmääräyksiin. Työhön kuului olennaisesti myös sähköasennukset. Keräsimme myös tietoa järjestelmään kuuluvista kaasulaitteista (kaasuanturit, kaasusuodattimet, pikasulkuventtiilit). Sovimme kuitenkin, että työn tilaaja suorittaa kyseiset hankinnat itse. Tilalla tuotettu biokaasu on käytetty tähän asti navetan käyttöveden ja kaasureaktorin lämmittämiseen. Kaasuntuotto tilalla on paljon suurempi kuin mitä lämmittämiseen tarvitsee. Laitoksella ei ole soihtupoltinta, vaan ylijäämäkaasu on johdettu ulkokaton yläpuolelle ilmaan. Tarkoitus on, että tilalla tuotettu biokaasu hyödynnetään polttoprosessissa lämmöksi ja sähköksi. (CHP) KUVA 1. Oilonin kaasupoltin. Vastaavanlainen poltin on Heusalan tilalla biokaasukäytössä.(http://www.oilon.com)

8 2. BIOKAASU Biokaasua syntyy eloperäisen aineksen hajotessa hapettomissa olosuhteissa. Hapen puuttuessa hajoaminen tapahtuu mädäntymällä anaerobisten bakteerien vaikutuksesta. Hajoamisprosessin viimeisessä vaiheessa syntyy metaania metaanibakteerien hajotustoiminnan tuloksena. Koostumukseltaan biokaasu on pääasiassa metaania (CH 4 ) ja hiilidioksidia (CO 2 ). Metaanin osuus vaihtelee 35-80 prosenttiin ja hiilidioksidin osuus 20-65 prosenttiin. Biokaasureaktoreissa tuotetussa kaasussa on lisäksi pieniä pitoisuuksia typpeä ja rikkivetyä. Biokaasun tuotannossa käytössä olevat menetelmät ovat mesofiilinen (33-37 C) ja termofiilinen (54 C) prosessi. Erona näissä on lähinnä lämpötila, joka on termofiilisessä prosessissa korkeampi. Suomessa mesofiilinen prosessi on ollut huomattavasti yleisempi. Termofiilinen prosessi vaatii lämmitykseen enemmän energiaa kuin mesofiilinen. Toisaalta termofiilisessa prosessissa lietteen käsittelyaika (noin 2 viikkoa) on lyhyempi kuin mesofiilisessa (noin 3 viikkoa), ja korkeampi lämpötila tuhoaa tehokkaammin haitallisia bakteereita lietteestä. Näin jäännöslietteen laatu on parempi kuin mesofiilisella käsittelyllä. Mädätysprosessia voidaan tehostaa ja samalla kohottaa myös tuotetun kaasunmäärää. Käytetyimpiä keinoja on lietteen homogenisointi. Tällöin käsiteltävä liete jauhetaan tasalaatuiseksi massaksi. Aineen rikkomiseen voidaan käyttää esim. mekaanista jauhamista tai ultraäänitekniikkaa, jolla pystytään rikkomaan karkeampia rakenteita. Mitä hienojakoisempaa prosessoitu aines on, sen tehokkaammin prosessi toimii. Ongelmana näissä menetelmissä on ollut hinta ja energiankulutus. Suomessa esikäsittelymenetelmiä ei ole juurikaan käytetty. Mikäli käsiteltävässä aineessa on energiapitoisuudeltaan korkeita jätteitä, saattaa esiintyä ongelmia liittyen ph tason vaihteluun. Nykyaikaista tekniikkaa käyttäen ongelmia pystytään kuitenkin hallitsemaan. Reaktorin kokovaatimus voidaan arvioida karkeasti lietemäärän mukaan. Yhdeltä lehmältä saadaan vuorokaudessa noin 75 litraa lietettä. Tilakohtaisen biokaasulaitoksen mitoitus lähtee tilalla syntyvästä lietemäärästä. Kun tunnetaan lietteen määrä vuositasolla ja sen kiintoainepitoisuus, niin tästä voidaan karkeasti laskea lietteestä biokaasutuksella saatava energiamäärä.

9 Biokaasun raaka-aineeksi soveltuvia biomassoja ovat maatiloilla syntyvät biojätteet ja eläinten lanta, kunnallisten jätevedenpuhdistamoiden liete ja puunjalostus- ja elintarviketeollisuuden orgaaniset jätteet. Peltokasveja voidaan myös viljellä biokaasun raaka-aineeksi. Kaatopaikoilla muodostuu lisäksi merkittäviä määriä metaania orgaanisten jätteiden hajotessa. Biokaasua voidaan hyödyntää sekä sähkön- että lämmöntuotannossa. Sitä voidaan käyttää myös ajoneuvojen polttoaineena. Polttoaineeksi biokaasun sisältämä metaani sopii erinomaisesti, koska palamisen lopputuotteena syntyy ainoastaan vettä ja hiilidioksidia. Biokaasulla tuotetun energian hyötysuhde vaihtelee riippuen siitä käytetäänkö sitä sähkön ja lämmön yhteistuotantoon vai tuotetaanko sillä vain jompaakumpaa. Pelkässä lämmöntuotannossa päästään 90 %:n hyötysuhteeseen, mutta tuotettaessa vain sähköä jää hyötysuhde 35 %:iin. Yhteistuotannossa hyötysuhde on noin 85 %, josta sähkön osuus on noin 25 prosenttiyksikköä ja lämmön osuus hieman alle 50 prosenttiyksikköä. Puhdas biokaasu ja maakaasu ovat koostumukseltaan hyvin samankaltaisia, sillä ne muodostuvat lähes kokonaan metaanista. Suomessa käytettävän venäläisen maakaasun metaanipitoisuus on n. 98 %. Maakaasu on fossiilinen poltto-aine. Kasvihuoneilmiön kannalta biokaasu on maakaasua ympäristöystävällisempi vaihtoehto. Biokaasun energiasisältö on 5-7 kwh/m 3. (http://www.motiva.fi)

10 3. BIOKAASUN HYÖDYNTÄMISTEKNIIKAT CHP KÄYTÖSSÄ 3.1 Polttomoottori Alle 100 kw kokoluokassa nestemäisiä polttoaineita käyttävät moottorit ovat kipinäsytytteisiä eli ottomoottoreita. Suuremmissa luokissa käytetään lähinnä puristussytytteisiä moottoreita. Kaasumoottorit taas ovat poikkeuksetta kipinäsytytteisiä. Maa- ja nestekaasu ovat pienessä kokoluokassa suosittuja polttoaineita vähäisten päästöjen takia. Polttomoottoriratkaisun hyviä puolia ovat edullinen hinta ja testattu tekniikka, huonoja puolia taasen korkea huollon tarve ja käyntiääni. Päästöt ovat pienillä moottoreilla korkeampia kuin suurilla. CHP-käytössä polttomoottorin suuri hukkalämpö otetaan talteen jäähdytysnesteistä ja/tai pakokaasuista. Asennetussa TOTEM yksikössä oli molemmat lämmönvaihtimet. Sähköä saadaan moottorin yhteyteen liitetyllä generaattorilla. TOTEM:issa on käytössä kyseinen CHP-tekniikka. 3.2 Stirling moottori Stirling-kone on laite, jolla muunnetaan polttoaineen sisältämä energia mekaaniseksi työksi. Stirling-kone toimii suljetulla lämpöä vastaanottavalla ja vapauttavalla termodynaamisella kierrolla. Kierron aikana työkaasu vuoroin puristuu ja laajenee eri lämpötiloissa. Laajenemistyön ja puristustyön erotuksena saadaan nettotyötä, joka hyödynnetään edelleen mekaanisena liikkeenä. Tyypillinen Stirling-kone on ulkoisesti lämmitettävä suljetulla työkaasun kierrolla toimiva mäntämoottori. Lämpövoimakoneet voidaan jakaa ulkoisesti lämmitettäviin suljetulla tai avoimella työkaasun kierrolla toimiviin mäntämoottoreihin (ECE, external combustion engine) tai sisäisesti

11 lämmitettäviin avoimella työkierrolla toimiviin räjähdysmoottoreihin (ICE, internal combustion engine). Stirling-moottori on suljetulla työkaasun kierrolla toimiva ulkoisesti lämmitettävä mäntämoottori. Avoimella työkaasun kierrolla toimivista lämpövoimakoneista voidaan mainita esim. höyrykoneet. Sisäisesti lämmitettävät räjähdysmoottorit, kuten 4-tahti-, 2-tahti-otto ja dieselmoottorit, ovat tällä hetkellä laajimmin käytettyjä moottorityyppejä, erityisesti liikkuvan kaluston moottoreina. Stirling-koneen työkaasua ei vaihdeta kierrosta toiseen, kuten polttomoottorissa, vaan koneen kuumaa päätä lämmitetään ja työkaasuun siirtyy lämpöenergiaa kierron ylläpitämiseksi. Stirling-konetta voidaan käyttää myös kylmävoimakoneena, jäähdytyskoneena ja lämpöpumppuna. Koneelle on tunnusomaista: hyvä hyötysuhde (kaupalliset kokonaisteholtaan noin 12 kw noin 25 %), pitkä käyttöikä (noin 60000 tuntia), hiljainen käyntiääni (noin 30 db), puhdas hallittu palaminen, monipolttoainekäyttö, mahdollisuus käyttää suoraan kiinteitä, nestemäisiä ja kaasumaisia polttoaineita sekä mitä tahansa muuta lämmönlähdettä esimerkiksi suoraa auringonsäteilyä. Monissa yrityksissä Stirling-moottoreita suunnitellaan käytettäväksi biopolttoaineilla, mm. Stirling Denmark (kuva 2) valmistaa biokaasulla toimivia Stirling-koneita. Kaupallisessa käytössä Stirling moottoreita ei juuri ole. Biokaasukäytössä ongelmina ovat piin ja muiden epäpuhtauksien kerrostuminen palopinnoille. biokaasulla toimiva 9 kw:n stirling moottori. KUVA 2. Stirling Denmark yhtiön yksisylinterinen

12 3.3 Polttokenno Polttokenno (kuva 3) on laite joka muuntaa polttoaineen kemiallisen energian sähkökemiallisen reaktion kautta suoraan sähköksi. Kyse ei ole palamisesta sanan normaalissa merkityksessä. Polttokennon pääosat ovat kaksi elektrodia, joilla tapahtuu sähkökemiallisia reaktioita ja niiden välissä oleva elektrolyytti, jonka kautta ionit kulkeva elektrodilta toiselle. Elektrodien välille muodostuu tietty lepopotentiaali, ja kun kenno kytketään kuormaan, siitä saadaan virtaa. Asiaa voi havainnollistaa myös siten, että polttokenno on käänteinen elektrolyyseri. Käytännön sovelluksiin yksikkökennoja yhdistetään sarjaan stackiksi, jotta siitä saataisiin riittävästi jännitettä. Polttokennon ja akun (tai pariston) ero on se, että polttokenno on energian konversiolaite, ja polttokennoon perustuvassa energiajärjestelmässä on siis konversion ja energian lähde (tai varasto) erotettu toisistaan. Akussa tai paristossa elektrodit ovat samalla reaktantteja, jotka kuluvat reaktioissa. Kun ne ovat kuluneet loppuun, täytyy akku joko ladata käänteisreaktiolla tai vaihtaa uuteen. Polttokenno ei ole lämpövoimakone. Tästä seuraa monia merkittäviä etuja, joista voidaan mainita, että polttokennon hyötysuhde ei ole juurikaan kennon kokoluokasta riippuvainen, ja se saavuttaa parhaan hyötysuhteensa itse asiassa osateholla, mikä on monien sovellusten kannalta hyvä asia. Polttokennossa ei ole liikkuvia osia, minkä vuoksi sen pitkäaikaiskestävyys on lähinnä materiaalien stabiiliudesta riippuvaista. Muita etuja ovat vähäinen käyntiääni ja pienet paikalliset päästöt. Metanolipolttokennossa DMFC (Direct Methanol Fuel Cell) ei käytetä vetyä kaasuna, vaan polttokenno saa tarvitsemansa vedyn metanolista. Polttoainesäiliöön laitetaan metanolin ja veden seosta, jolloin kenno tuottaa siitä suoraan tasasähköä. Näitä polttokennoja on sovellettu tosin vasta kannettavien tietokoneiden teholähteinä.

13 KUVA 3. Polymeeripolttokennon toimintaperiaate. (http://www.tkk.fi) 3.4 Kaasuturbiinit Biokaasu soveltuu myös sähköä ja lämpöä tuottavan mikroturbiinin polttoaineeksi. Mikroturbiineja käytetään yleensä kaasutehon ollessa alle 1 MW. Yksiköitä yhdistämällä saadaan luonnollisesti myös isompia laitoksia. Mikroturbiini on kaasumoottoreita uudempaa tekniikkaa ja päästöiltään puhtaampi vaihtoehto. Polttoaineena voidaan käyttää myös maakaasua ja dieselöljyä. Mikroturbiini on alkuinvestoinniltaan kaasumoottoria kalliimpi, mutta huoltokustannukset ovat edullisemmat. Biokaasusta tuotettua energiaa pystytään harvemmin myymään energiayhtiöiden verkkoon kannattavalla hinnalla. Kaasun arvo energiantuotannossa onkin sen polttoaineen arvo, jota sillä

14 korvataan. Paras hyöty saadaan, kun energia pystytään hyödyntämään lähellä tuotantopaikkaa ja myös lämpö käytetään hyväksi. Kaasuturbiinikoneisto (Kuva 4) muodostuu kaasumaista väliainetta puristavasta kompressorista, puristetun kaasun lämmityksestä ja turbiinista. Kaasuturbiiniprosesseja on suunniteltu myös suljettuna prosessina eri väliaineille. Tässä selvityksessä keskitytään kuitenkin avoimeen kaasuturbiiniprosessiin, jonka väliaine on ilma ja lämmöntuonti prosessiin tapahtuu suorasti polttokammiossa. Pienten kaasuturbiinien polttoaineena käytetään Suomessa lähes pelkästään maakaasua. Muita mahdollisia polttoaineita ovat nestekaasu, lentokoneiden polttoaineena käytettävä kerosiini, kevyt ja raskas polttoöljy, masuunikaasu sekä kiinteiden polttoaineiden kaasutuksessa syntyvä ns. kaasutuskaasu (tuotekaasu). Kaasuturbiinien korkea polttolämpötila ja savukaasujen suuri virtausnopeus edellyttävät polttoaineelta tiukkoja vaatimuksia. Haitallisimpia aineita ovat kiintoaine (tuhka) ja alkalimetallit suolojen kanssa, jotka on puhdistettava tarpeen vaatiessa ennen polttoa. Alle 1 MW:n luokassa on käytännössä kaksi vaihtoehtoa, joko kaasumoottorit tai mikroturbiinit. Mikroturbiini on kaasumoottoria kalliimpi investointi suhteessa nimellistehoon. Toisaalta mikroturbiini on pitkäikäisempi kuin kaasumoottori ja turbiinin elinkaaren kustannukset jäävät huomattavasti kaasumoottoria pienemmäksi johtuen mikroturbiinin minimaalisesta huollontarpeesta. Mikroturbiinin melutaso on myös hyvin alhainen. Mikroturbiinit ovat öljyttömiä mikä johtuu siitä että laakeri pyörii ilmapatjan päällä. Mikroturbiinin hyötysuhde sähköntuotannossa on n. 30 %, yhteistuotannossa n. 80 %. Minimi metaanipitoisuus, minkä mikroturbiini vaatii, on 38 %.

KUVA 4. Kaasuturbiini (http://www.btk.slu.se) 15

16 4. TOTEM-KAASUMOOTTORI 4.1 Yleistä Totem-aggregaatti (kuva 6) on valmistettu biokaasukäyttöön. Se tuottaa biokaasun metaania polttamalla sähköä ja lämpöä. Aggregaatin polttomoottorina toimii Fiat:in tilavuudeltaan 1200 kuutiosenttimetrin kaasukäyttöön muunneltu moottori. Moottori on yhdistetty 15 kw:n generaattoriin. Totem-aggregaatissa moottorin tuottama hukkalämpö otetaan talteen lämmönvaihtimen avulla. Tällä tavalla aggregaatin hyötysuhde saadaan huomattavan korkeaksi verrattuna perinteisiin polttomoottoreihin. Aggregaatin nimellinen lämpöteho on noin 39kW, lämminvesivaraajaan talteen tästä saadaan noin 23 kw. Totem-aggregaatin kaasuvaatimuksia: Tulopaineen on oltava vähintään 10 mbar, korkeintaan 35 mbar. Suositeltava käyttöpaine on 15 mbar. Maksimi rikkivetypitoisuus 0,15 % Aggregaatin tuottama teoreettinen sähköteho on 15 kw. Palamisilman tarve on 75m 3 tunnissa. Korkein sallittu paluuveden lämpötila Totem:ille on 76 celsiusastetta, lämpötilan eroksi meno/paluuvesissä suositellaan 15 celsiusta. Optimaalisimmat arvot olisivat 70 astetta paluuvedelle ja 85 menovedelle. Biokaasun syöttö ja kulutus on noin 7-10 Nm 3 /tunti. Arvot on saatu käyttämällä 25 celsius asteen lämpöistä polttoilmaa

17 4.2 Generaattori Generaattori muuttaa voimakoneen antaman mekaanisen tehon sähkötehoksi ja luovuttaa sen sähköverkkoon. Generaattorikäytössä roottori pyörii epätahdissa magneettikentän kanssa, kuten moottorinakin, mutta nopeammin kuin magneettikenttä. Epätahtigeneraattorit voidaan magnetoinnin perusteella jakaa kahteen ryhmään, verkko- ja kondensaattorimagnetoituihin (itsemagnetoituva) epätahtigeneraattoreihin. Verkkomagnetoidut epätahtigeneraattorit ottavat magnetointivirran sähköverkosta, joten ne eivät pysty syöttämään sähkötehoa muuhun kuin jännitteelliseen verkkoon. Tällaisia verkkomagnetoituja epätahtigeneraattoreita on käytetty esimerkiksi pienitehoisissa vesivoimalaitoksissa ja tuulivoimalaitoksissa. Sen sijaan kondensaattorimagnetoitu epätahtigeneraattori ottaa tarvitsemansa magnetoimisvirran koneen liittimiin kytketyistä magnetoimiskondensaattoreista, joten ne pystyvät toimimaan täysin itsenäisinä generaattoreina. Näitä generaattoreita käytetäänkin usein poltto- tai dieselmoottorin ollessa voimakoneena. Itsemagnetoituvan generaattorin rautaosien pitää olla magneettisesti kyllästyviä, jotta generaattorin heräämiselle välttämätön remanenssivuo olisi olemassa. KUVA 5. AEM-epätahtigeneraattori (vem.fi)

18 4.3 Toiminta Generaattori alkaa tuottaa sähköenergiaa, kun sitä pyöritetään yli nimellisnopeutensa. Käynnistettäessä generaattori toimii tavallisen sähkömoottorin tapaan ja käynnistää siten polttomoottorin. Sähkömoottori lähtee pyörimään tähti-kolmio käynnistyksellä. Kun polttomoottori käynnistyy, sen pyörimisnopeus ylittää sähkömoottorin nimellisen kierrosnopeuden, jolloin oikosulkumoottori muuttuu generaattoriksi ja alkaa näin tuottaa sähköä. KUVA 6. TOTEM-kaasumoottoriyksikkö

19 5. TOTEUTUS 5.1 Perehtyminen Aloitimme opinnäytetyön perehtymällä TOTEM-aggregaattiin ja järjestelmään kuuluviin osiin. Laitteesta oli kaksi kansiota, joiden avulla aloimme selvittää sen toimintaa. Kansiot olivat englannin ja ruotsin kielellä, joka lisäsi haastavuutta. Aggregaatti on ollut aiemmin käytössä maatilalla Kalajoella ja sieltä se on tuotu Keski-Pohjanmaan ammattikorkeakoululle, jossa se on ollut muutaman vuoden. Tarkastimme laboratoriossa järjestelmään kuuluvien osien kunnon ja testasimme niiden toimivuuden. Selvitimme laboratoriossa ohjauskeskuksen toiminnan ja piirsimme siitä kykentäkaavion. Sen jälkeen testasimme ohjauskeskuksessa olevan taajuussuojalaitteen toimivuuden. Testasimme myös termostaattien toimivuuden. Kaasulinjaan tulevaa kaasusuodatinta ja magneettiventtiiliä ei ollut, joten ne piti hankkia. Työ toteutettiin suurelta osin kesäaikaan, mikä aiheutti omalta osaltaan ongelmia. Me molemmat olimme kesätöissä ja maatilalla oli myös omat kiireensä.

KUVA7.TOTEM-kaasumoottorinohjausyksikkö 20

21 5.2 Sähköasennukset Kaasulaitteiden ja tarvittavien säätö- ja ohjauslaitteiden sijoitustilaa ei katsota räjähdysvaaralliseksi tilaksi. Kaikki sähköasennukset ovat kotelointiluokitukseltaan vähintään IP-44. Sähköasennukset koostuivat generaattori- ja reaktorihuoneen tehdyistä asennuksista. Generaattori- huoneeseen on asennettu ryhmä- ja ohjauskeskus, loisteputkivalaisin, sekä termostaatit ja magneettiventtiili. Johdotukset on tehty pinta-asennuksena MMJ- ja kumikaapeleilla. Syöttökaapelina on MCMK 4*16+16. Syöttökaapeli tulee navetan keskukselta maassa suojaputkessa. Syöttökaapeli tulee generaattorihuoneen ulkoseinälle, jossa on turvakytkin. Turvakytkimeltä kaapeli jatkuu generaattorihuoneen ryhmäkeskukselle. Keskuksella on 35A sulakkeet aggregaattia varten, jotka kestävät käynnistysvirtapiikin. Ryhmäkeskukselta lähtee TOTEM-aggregaatille kumikaapeli Cu 5*10. KWh-mittari on aggregaatin ja ryhmäkeskuksen välillä. Kaasureaktoritilassa on johdotettu kiertovesipumput, vesivaraan lämmitysvastus sekä energiamittari. Sähkösyötöt reaktoritilassa on otettu siellä olevasta ryhmäkeskuksesta. Työn tilaaja teki verkkoyhtiön kanssa sähköntuottosopimuksen. Maatilan pääsulakkeet ovat 63 A. 63 ampeerin pääsulakekokoon nähden 15kW voimakone ei tuota niin suurta ylijäämäsähköä, että sitä olisi kannattava myydä. Pieniä siirtomääriä rasittaa tuotannon perusmaksu. Verkkoyhtiön edustaja kävi tarkastamassa sähköasennukset.

KUVA 8. Ryhmäkeskus ja generaattorin virtamittari 22

23 5.2.1 Generaattorilaitteistoasennuksien turvamääräykset On olemassa lisävaatimuksia sähköasennuksille, joissa generaattorilaitteisto toimii rinnan yleisen sähkönjakeluverkon kanssa. Seuraavissa kappaleissa on käsitelty tärkeimmät määräykset generaattorilaitteistoille. Kun valitaan tai käytetään generaattorilaitteistoa, joka on tarkoitettu toimimaan rinnan yleisen jakeluverkon kanssa, on huolehdittava, ettei yleiseen jakeluverkkoon tai muuhun sähköasennukseen aiheudu häiriöitä. Tällaisia häiriöitä voivat olla esimerkiksi jännitteen vaihtelut, verkkojännitteen vääristymät, vaiheiden epäsymmetria sekä käynnistyksen ja tahdistuksen aiheuttamat häiriöt. Jakeluverkon haltian kanssa on neuvoteltava mahdollisista erityisvaatimuksista. Jos generaattori täytyy tahdistaa verkkoon, suositellaan käytettäväksi automaattista tahdistuslaitteistoa. (SFS-standardi 6000-5-55, 551.7.1) Kun kaasumoottori käynnistyy ja sen pyörimisnopeus ylittää käynnistävän sähkömoottorin pyörimisnopeuden niin generaattori alkaa tuottamaan verkkoon sähköä. Generaattorilaitteisto on varustettava suojalaitteilla, jotka kytkevät laitteiston irti yleisestä verkosta, jos verkkosyöttö katkeaa tai jännite tai taajuus generaattorin liitäntänavoissa poikkeaa normaaliverkon ilmoitetuista arvoista. Suojauksen tyyppi, herkkyys ja toiminta-aika riippuvat yleisen jakeluverkon suojauksesta ja siksi suojat on valittava yhteistyössä jakeluverkon haltijan kanssa. (SFS-standardi 6000-5-55, 551.7.2) Jännitteen ja taajuuden vaihtelut eivät pääse aiheuttamaan häiriötä sähköverkkoon. Jos taajuus tai jännite poikkeaa normaaliarvoista, taajuussuojarele katkaisee ohjausvirtapiirin ja aggregaatti kytkeytyy irti verkosta. Generaattorilaitteisto on varustettava laitteilla, joilla sen voi erottaa yleisestä jakeluverkosta. Näiden laitteiden on oltava jatkuvasti yleisen jakeluverkon haltian käytettävissä. (SFSstandardi 6000-5-55, 551.7.4)

24 Generaattorihuoneen ulkoseinällä on turvakytkin, joka on sähköverkon haltian käytettävissä. Turvakytkin katkaisee sähkösyötön generaattorilta. 5.2.2 Ohjauskeskus TOTEM-aggregaatin yksi toiminnan edellytyksistä on, että ohjausvirtapiiri on suljettuna. Ohjausvirtapiiriin kuuluvat meno ja -tuloveden termostaatit, taajuussuojalaite sekä kaasukellon kaasumääräkytkin. Ohjausvirtapiirissä pitäisi olla myös metaani-anturi, joka haistelisi generaattorihuoneen ilman metaanipitoisuutta ja metaanipitoisuuden noustessa yli asetetun raja-arvon se katkaisisi ohjausvirtapiirin. Metaani-anturin hankkiminen ja asentaminen jäi työn tilaajalle. Termostaatit mittaavat meno- ja tuloveden lämpötilaa. Jos lämpötila nousee yli asetetun rajaarvon, termostaatissa oleva kosketin avautuu ja ohjausvirtapiiri avautuu. Menoveden lämpötila asetettiin +90 asteeseen ja tuloveden lämpötila +76 asteeseen. Crouzet-taajuussuojalaite tarkkailee sähköverkon taajuutta ja jännitettä. Jos taajuus laskee tai nousee yli kymmenen prosenttia normaalista viidenkymmenen hertzin taajuudesta taajuusreleen kosketin katkaisee ohjausjännitteen. Taajuussuojalaite katkaisee ohjausjännitteen myös silloin, jos jännite laskee tai nousee liikaa, tai yksi vaihe katoaa kokonaan. Kaasukellon kaasumääräkytkimen kosketin on sulkeutuneena kun kaasukello on lähes täynnä. Kun kaasu kaasukellossa vähenee tarpeeksi paljon, kosketin avautuu ja ohjausvirtapiirin jännite katkeaa. Kaasukellon täyttyessä kosketin taas sulkeutuu. Ohjauskeskus on siis toiminnaltaan hyvin selkeä. Jos jokin ohjausvirtapiirin koskettimista on avautuneena, niin aggregaatti ei saa ohjausjännitettä ja moottori ei lähde pyörimään. Myös kaasun tulo on silloin estetty magneettiventtiilillä, joka saa jännitteen moottorin pääkontaktorin kautta.

KUVA 9. Ohjauskeskus 25

26 5.2.3 Happianturiohjattu seossäätö Kalajoella TOTEM:in käytössä ollessa oli havaittu ongelmia, jotka liittyivät biokaasun metaanipitoisuuden vaihteluun. Tilalla oli havaittu, että tuotetun biokaasun koostumus vaihteli jatkuvasti. Tämä aiheutti seoksen säädön päivittäisen tarpeen kaasumoottorilla ja loi tarpeen järjestelmälle, joka pitää seossuhteen optimaalisena. Opinnäytetyössään Tomi Kangas sekä Jari Rasmus (lähde) perehtyivät ongelmaan ja ratkaisivat sen käyttämällä pienoislogiikalla ohjattua säätöjärjestelmää. Happi- eli lambda-anturin tehtävänä säätöjärjestelmässä on seurata pakokaasun happipitoisuutta. Happianturi koostuu elektrolyytistä, elektrodista ja lämmityselementistä. Anturin toimintalämpötila on 350-850 celsiusastetta ja se saavuttaa lämpötilan noin 30 sekunnin kuluttua. Kun elektrodien kanssa kosketuksissa olevan kaasun happiatomien määrä on erisuuri, syntyy elektrodien välille jännite-ero, josta voidaan päätellä pakokaasun sisältämän hapen määrä. Tämän tiedon avulla voidaan ohjata polttoaineen syöttöjärjestelmää säätämään seossuhde oikeaksi. Työssään he valitsivat Boschin nimenomaan kaasu- ja öljypolttimille suunnitellun LSU 1- tyyppisen happitunnistimen. Kyseistä happianturia ei voi sellaisenaan käyttää lambdamittaukseen, vaan se on liitettävä ulkoiseen ohjausyksikköön. Ohjausyksikkö koostuu tarkoitusta varten suunnitellusta CJ110-piiristä oheiskytkentöineen. Logiikkayksiköksi opinnäytetyössään he valitsivat Siemensin Simatic S7 ja ohjelmointityökaluksi STEP-7 Micro/WIN. Työssä tarvittiin myös EM 231 analogiatulomoduuli, jotta lambda-anturin lähettämä digitaalinen viesti saatiin logiikkayksikön ymmärtämään analogiseen muotoon. TD 200 ohjaus- ja näyttöpaneelin avulla voidaan kommunikoida ohjelman kanssa sekä ohjata tulojen ja lähtöjen tiloja manuaalisesti.

27 Säätöventtiiliksi Rasmus & Kangas valitsivat Osby Armaturin NMTV15 mallin, ja toimilaitteeksi AQT1000A-1R:n. Lisäksi työssä tarvittiin kaksi virtalähdettä sekä tasasuuntaava diodisilta, jolla moottorin vaihtovirtatieto muutettiin tasajännitteeksi mikä vaaditaan logiikan sisääntulotiedoksi. (Opinnäytetyö, Kangas Tommi & Rasmus Jari) Junttilan tilalla tuotettu biokaasu on erittäin tasalaatuista verrattuna Kalajoen maatilalla tuotettuun kaasuun. Neuvoteltuamme asiasta Timo Heusalan kanssa päätimme, että seossäätöjärjestelmään ei oteta käyttöön. Mikäli tulevaisuudessa kuitenkin järjestelmälle tulisi tarvetta, päätimme kokeilla järjestelmän toimivuuden sekä liittää järjestelmän osat kaasulaitokselle Nivalaan. Seossäätöjärjestelmä on siis otettavissa käyttöön pienellä vaivalla, mikäli tarvetta tulevaisuudessa ilmenee. Koekäyttäessämme järjestelmää havaitsimme diodisillan rikkoutuneen, joten vaihdoimme osan uuteen. Lisäksi päätimme esteettisistä syistä asentaa säätöjärjestelmän ulkoiset laitteet lastulevyn sijasta muoviseen ovelliseen koteloon. komponentteja KUVA 10. Seossäätöjärjestelmän

28 6. KAASULAITTEISTO 6.1 Virtaus- ja teholaskelmat Halusimme tietää biokaasun virtausnopeudet putkistoissa. Putken halkaisija tilalla on 1,5 tuumaa eli 1,5 * 2,54 cm = 3,81 cm. Saadaksemme tietää virtausnopeuden, käytämme seuraavaa kaavaa: V = A*v, jossa V on tilavuusvirta, v virtausnopeus ja A putken pinta-ala 3,5Nm V = = 0,141Nm 60 8 3 min 0,141Nm V = 60 3 = 0,0023m 3 s Tilavuusvirraksi V saimme 0,0023 m 3 s A = π = 2 2 2 *(1,905cm) = 11,400cm 0,00114m Putken halkaisijaksi saimme 0,00114m 2 v = V /A 3 0,0023m v = s = 2, 01m 2 0,00114m s

29 Kaasun virtausnopeudeksi putkistossa saimme 2,01 m s Halusimme laskea myös Heusalan tilan tuottaman biokaasun energiasisällön. Biokaasun lämpöarvoksi laskimme 25,30 MJ/m 3, kun biokaasun koostumus on seuraava: Metaani CH4 : 70 % Rikkivety H2S : 1 % Hiilidioksidi CO2 : 20 % Typpi N2 : 9 % Kun tunnemme lämpöarvon, saamme tietää myös tehon: MJ 3 25,30 *0,0023m 58, kw m s 2 3 = Seuraava energiatasekuva esittää yksinkertaistetusti biokaasun sisältämän energian jakautumisen eri osiin. Häviöiden osuus on 41%, sähköntuotannon 20% ja lämmöntuotannon osuus 39 %.

30 6.2 Asennus- ja turvallisuusohjeet Biokaasun käsittely sekä kaasun siirto- ja polttolaitteistoja koskevat ohjeet lainasimme maakaasukäsikirjasta. Maakaasu ei oleellisesti eroa biokaasusta joten maakaasukäsikirjan ohjeita voidaan soveltaa suoraan myös biokaasuputkistoihin. Rakennusten ulkopuoliset maakaasuputkistot rakennetaan yleensä maanalaisena. Alueilla ja paikoissa, joissa maanalainen putkisto voi vahingoittua maan laadun tai liikkumisen johdosta tai joissa maanalaisen putkiston rakentaminen on teknisesti vaikeata, kannattaa kaasuputkisto rakentaa maanpäällisenä. Maakaasuputkisto suositellaan asennettavaksi mahdollisimman paljon pinta-asennuksena. Tilalla ei ollut tarvetta maanalaisiin putkistoihin, koska kaikki putket on sijoitettu sisätiloihin. Kaikki putket on asennettu pinta-asennuksina, lukuun ottamatta läpivientejä seinissä. Sisä- tai ulkotiloissa maakaasuputket voidaan asentaa putkistoja varten varattuihin putkikanaviin, jotka ovat joko avattavissa tai muutoin tarkastettavissa. Tuuletuksen vuoksi putkikanavan on oltava molemmista päistään avonainen. Putkikanavassa olevan putkiston läpivientikohdan on täytettävä palonkestävyydelle asetetut vaatimukset jos läpivientikohta erottaa paloteknillisesti osastoituja tiloja. Heusalan tilalla kaikki putket ovat esillä ja siten helposti tarvittaessa tarkastettavissa ja huollettavissa. Putket suositellaan asennetavaksi ensisijaisesti vaaka- tai pystysuoraan. Vaakasuorat putket asennetaan vähintään 50 mm lattiatason yläpuolelle. Ovien tai vastaavien aukkojen kohdalla mainittua mittaa voidaan tarvittaessa pienentää. Putket kiinnitetään asennusalustaansa tai kannakkeisiinsa tukevasti. Putken tukipisteiden väliseksi etäisyydeksi suositellaan enintään 60 x putken ulkohalkaisija, ei kuitenkaan yli 6 metriä.

31 Putkistot tilalla ovat vaaka- tai pystyasentoon asennettuja, lukuun ottamatta pientä kallistusta generaattorihuoneessa sijaitsevassa putkessa. Putki on hieman vinossa siitä syystä että kondenssivesi ei pääse moottorille. Putket on asennettu joko n. 1,5 metrin korkeudelle tai n. 15 cm:n korkeudelle lattiatasosta. Putkiston ja siihen liittyvien varusteiden tukemiseen tai kiinnittämiseen käytetyt materiaalit eivät saa aiheuttaa putkelle tai varusteille sähkökemiallista korroosiota. Putkea ei saa käyttää putkistoon kuulumattomien osien tai rakenteiden kannatukseen. Asuintiloissa tai niitä vastaavissa tiloissa olevan käyttöputkiston merkintä voidaan tehdä putken tulo- ja lähtöpaikkaan sijoitetulla merkintäteipillä. Putkisto voidaan maalata halutulla värillä. Putkisto, jonka käyttöpaine on yli 50 mbar merkitään keltaisella tunnusvärillä. Putkiston käyttöpaine Heusalan tilalla on 10-15 mbar, joten merkintää ei tarvitse tehdä. KUVA 11. Kaasunpainemittari Jakeluputkistoissa linjasulkuventtiilien sijainti ja lukumäärä valitaan siten, että putkisto voidaan turvallisesti ja kohtuuajassa tyhjentää maakaasusta.

32 Rakennuksessa oleva metallinen jakelu- tai käyttöputkiston runko-osa liitetään sähkönjakokeskuksen päämaadoituskiskoon tai vastaavaan. Putkistojen tai kaasulaitteiden varusteita ei tarvitse erikseen maadoittaa. Kaikkien Euroopan talousalueella markkinoille saatettavien ja käyttöön otettavien kaasulaitteiden (eräitä teollisuudessa käytettäviä kaasulaitteita lukuun ottamatta) on täytettävä tietyt kaasulaiteasetuksessa 1434/1993 www.finlex.fi määritellyt olennaiset vaatimukset mm. rakenteen ja toimivuuden suhteen. Vaatimusten mukaisuuden merkiksi kaasulaiteisiin kiinnitetään CE-merkintä. Myös turva-, säätö- ja ohjauslaitteiden sekä muiden osaksi kaasulaitetta suunniteltujen oheislaitteiden vaatimustenmukaisuus on osoitettava. Näiden varusteiden mukana on toimitettava kirjallinen todistus. Todistuksessa ilmoitetaan varusteen ominaisuudet ja kuinka se on liitettävä kaasulaitteeseen tai koottava ollakseen valmiiseen kaasulaitteeseen sovellettavien olennaisten vaatimusten mukaisia. Kaasulaitteessa on oltava liekinvalvontalaite paitsi silloin, jos kohteen muu jatkuvatoiminen sytytyslähde tai kaasun syttymisrajan yläpuolella oleva jatkuva prosessilämpötila varmistaa kaasun häiriöttömän palamisen. Mikäli moottori jostain syystä lakkaa polttamasta kaasua tai polttaa sitä aliteholla, niin moottori sammuu 30 sekunnin päästä. Silloin myös kaasunsyöttö katkeaa. Kaasulaitteessa on CE-merkinnän lisäksi oltava kullekin laitteelle laadittujen standardien mukaiset merkinnät. Laitteiden mukana on seurattava asennus-, käyttö- ja huolto-ohjeet. Laite on niin vanha, että CE-merkintäkäytäntöä ei vielä ollut. Aggregaatin mukana tuli kattavat käyttö- sekä huolto-ohjeet. Kaasulaitteita saa sijoittaa vain sellaisiin huonetiloihin, joiden suuruus ja ilmanvaihto ovat riittävät. Kaasulaitteet sijoitetaan siten, että niitä voidaan käyttää turvallisesti ja helposti. Läheisyydessä olevat esineet ja pinnat eivät saa lämmetä turvallisuutta vaarantavalla tavalla.

33 Kaasulaitteen sivuille jätetään riittävästi tilaa niin, että poltin voidaan tarvittaessa huoltaa, säätää tai irrottaa käyttöasennostaan. Kaasulaitteita asennettaessa noudatetaan laitteiden valmistajan antamia ohjeita. Aggregaatti vaatii laskelmiemme mukaan n. 100 neliösenttimetrin suuruisen ilmanvaihtoaukon. Aggregaatin ympärillä on tilaa juuri riittävästi, jotta sille voidaan tehdä tarvittavat huollot yms. Kesällä ongelmia saattaa ilmetä jos generaattorihuone lämpenee liikaa pienen kokonsa takia. Ilmanvaihtoa tosin saadaan yksinkertaisesti avaamalla huoneen ovi. Kukin kaasulaite, kaasupoltin tai poltinryhmä varustetaan sulkuventtiilillä ja sellaisella liitoksella, että kaasulaitteen voi tarvittaessa irrottaa putkistosta. Sulkuventtiili sijoitetaan putkiston kiinteästi asennettuun osaan. Kaasulaitteen liitin voi olla käsin liitettävä/irrotettava tai sellainen, että liittämiseen ja irrottamiseen tarvitaan työkaluja. Kaasun tulon pitää automaattisesti sulkeutua, jos liitos (pikaliitin) on käsin avattavissa. Kaasulaitteen liittäminen putkistoon on tehtävä joustavaksi niin, ettei putkisto aiheuta huomattavia rasituksia, lämpöliikkeitä, tai tärinää kaasulaitteelle tai päinvastoin. Putkistossa generaattorihuoneessa on käsisulkuventtiili putkiston kiinteästi asennetussa osassa. Aggregaatin päässä putki muuttuu kumiseksi jota pitkin moottorin aiheuttama tärinä ei pääse putkistoon. Kuminen putki vaimentaa myös lämpöliikkeet. Kaasulaitteiden ja tarvittavien säätö- ja ohjauslaitteiden sijoitustilaa ei katsota räjähdysvaaralliseksi tilaksi. Automaattisten sulkuventtiilien tehtävänä on pysäyttää kaasuvirtaus, jos poltinautomatiikkaan kuuluva ohjausyksikkö on antanut siihen käskyn tai jos toimilaitteen ohjausenergian (sähkö, paineilma) saanti on keskeytynyt. Ohjausyksikön käskyt perustuvat määriteltyyn ohjaustoimintojen sarjaan tai turvalaitteiden (esim. kaasun paine) antamiin signaaleihin. Automaattinen sulkuventtiili katkaisee kaasunsyötön häiriön ilmaantuessa. Turvallisuussyistä sulkuventtiileitä on kaksi, moottorin oman sulkuventtiilin lisäksi asensimme toisen putkistoon.

34 Tämä toimenpide tehtiin siltä varalta, että mikäli moottorin omaan sulkuventtiiliin tulisi vika, toinen on vielä varmistamassa. KUVA 12. Pikasulkuventtiili Kaasulaitteen sijoitustilan tilavuudeksi suositellaan vähintään 8 m 3. Kaasulaitteen sijoitustilan ilmanvaihtotarve käsittää kaasupolttimen palamisilman tarpeen mahdollisten muiden kuin kaasua käyttävien laitteiden palamisilman tarpeen sekä laitteen sijoitustilan ilmanvaihdon tarpeen. Palamisilma-aukkojen on oltava sellaisia, ettei niitä voi tahattomasti sulkea tuloilman vähimmäistarvetta pienemmiksi. Kaasupolttimen palamisilman tarpeen ja sijoitustilan ilmanvaihtotarpeen voi toteuttaa yhteisellä aukolla tai kanavalla. Palamisilma-aukon pienimmän mitan tulee olla vähintään 20 mm. Palamisilma-aukon saa varustaa suojaverkolla tai ritilällä. Aukon vapaan poikkipinnan täytyy kuitenkin vastata sille määritettyä vähimmäispinta-alaa. Sijoitustilan koko on juuri ja juuri riittävä. Palamisilma-aukko on suojattu ritilällä.

35 7. KÄYTTÖ 7.1 Käyttöönotto Kun kaikki sähköasennukset oli tehty ja kaasulinja tuli moottorille asti, pääsimme testaamaan järjestelmän toimivuuden. Ensimmäisellä yrityksellä kaasumoottori ei lähtenyt käyntiin. Aggregaatti pyöri hetken sähkömoottorin avulla ja sammui kohta. Aloimme tutkia tuleeko kaasu moottorille asti. Vika löytyi kaasulinjassa olevasta 3-tieventtiilistä. Venttiili oli jäänyt kiinni-asentoon. Venttiili asennettiin siltä varalta kaasulinjaan, jos tulee tarvetta ottaa happianturiohjattu seossäätö käyttöön. Toisella yrityksellä moottori lähti käymään biokaasulla. Aluksi moottori pyöri epätasaisesti, mutta pienen säädön jälkeen käynti tasaantui. Moottorin kaasuputkessa on seossäätöruuvi, jolla voidaan säätää moottorille menevän kaasun määrää. 7.2 Huolto Biokaasukäytössä polttomoottori vaatii enemmän huoltoa kuin maakaasukäytössä, johtuen biokaasun epäpuhtauksista. Biokaasussa oleva rikkivety aiheuttaa eniten ongelmia. Rikki aiheuttaa syöpymistä sekä moottorissa että putkistoissa. Liitteenä on taulukko, josta näkee määräaikaishuollot ja tarkistusajankohdat. Liitteessä olevat huoltoajat ovat arvioitu biokaasua käytettäessä. Maakaasua käytettäessä huoltovälit ovat luonnollisesti pidemmät. (Liite 5)

36 8. TULOKSET Saatuamme säädettyä moottorin käynnin tasaiseksi, aloimme suorittaa mittauksia. Sähköntuotannon mittaukseen käytimme yksinkertaisesti kelloa ja virtamittaria. Saimme sähköntuotannoksi 12,5 kw, mikä oli lähellä odotettua. Maksimissaan teoreettinen sähköteho TOTEM:illa on 15kW, joten tulos oli vähintäänkin tyydyttävä. Lämpötehoa emme voineet heti tarkasti mitata, mutta noin 15-20 minuutin kuluttua lämpötehoa oli kertynyt mittariin 10 kwh. TOTEM:in maksimi teoreettinen lämpöteho on 39kW, joten voimme arvioida lämpötehon olevan hieman yli 30kW. Kahden kuukauden kuluttua mittauksista lämpötehoa oli tuotettu 8,67 MWh. Sähkötehoa oli tuotettu 4,574 MWh. Käyttötunteja oli kertynyt 374. Pitkän aikavälin sähköntuotannoksi saamme siis 4574 kwh/374h = 12,2 kw. Lämmöntuotantoa kertyi 8670 kwh / 374 h = 23,18 kw Lämpötehon pienuus selittyy sillä, että energiamittari laskee jatkuvasti meno- ja paluuveden virtaaman energiaerotusta myös silloin kun TOTEM ei ole käynnissä. Kun tiedämme tuotetun sähkön määrän, voimme laskea kuinka paljon sähkölaskussa säästyi 374 käyttötunnin aikana. Oletamme sähkön hinnaksi 8 senttiä kilowattitunnilta. 374h * 0,08 * 12,2kWh = 365. Ihanteellisessa tilanteessa, jossa TOTEM olisi jatkuvasti päällä ja maatilan sähkönkulutus olisi vähintään TOTEM:in tuottaman sähkön verran, säästöä kertyisi: 8760h * 12,2kWh * 0,08 = 8549,76. Edellä mainittu tilanne on käytännössä mahdoton, sillä ympärivuorokautinen käyttö ei ole mahdollista. Lisäksi tilan sähkönkulutus ei ole tasaisesti riittävän korkeaa.

37 Tästä voimme kuitenkin havaita että TOTEM:in käyttö kannattaa ajoittaa kulutushuippujen kohdalle, jolloin käytöstä saadaan suurin mahdollinen taloudellinen hyöty.

38 9. YHTEENVETO Opinnäytetyössä asensimme TOTEM aggregaatin maatilalle toimimaan sähkön- ja lämmöntuotannossa. TOTEM toimii biokaasulla, joka tuotetaan paikan päällä maatilalla kahdella reaktorilla. Biokaasu tuotetaan karjanlietteestä. Biokaasu varastoidaan kaasukelloon josta se johdetaan moottorille. Tällainen ratkaisu soveltuu hyvin maatiloille tasaamaan sähkönkulutushuippuja. Työn aikana kävi selväksi, että tuotettua sähköä ei kannata myydä vaan käyttää se omiin tarpeisiin. Kyseisellä maatilalla on sähkönkulutusta vuorokauden ympäri, joten aggregaattia kannattaa käyttää aina kun kaasua on saatavilla. Sähkön myyntitarkoitukseen tämän kokoisia tuotantolaitoksia ei kannata rakentaa, eikä sähköyhtiö ollut halukas siitä mitään maksamaankaan. Varavoimaratkaisuksi kyseinen laitos ei sovellu, koska aggregaatti vaatii sähköverkon toimiakseen. Saarekekäyttöön tarvitaan aggregaatti kondensaattorimagnetoidulla generaattorilla, jolla saataisiin sähköä TOTEM:in käynnistämiseen ja käynnissä pitämiseen. Tämänkaltaiset ratkaisut tulevat toivottavasti lisääntymään tulevaisuudessa, sillä biokaasulla tuotettu sähkö on vihreää sähköä. Polttamalla metaania, mikä muuten pääsisi vapaasti ilmakehään, vähennämme kasvihuoneilmiön vaikutusta.

39 LÄHTEET Julkaistut lähteet 1. Pienjännitesähköasennukset ja sähkötyöturvallisuus 2005 2. Opinnäytetyö Happianturiohjattu seossäätö biokaasumoottorissa Kangas Tommi & Rasmus Jari 3. Teknikkotyö Biokaasulaitoksen sähkö- ja automaatioasennukset Janne Mehtälä & Lassi Määttälä Julkaisemattomat lähteet 1. Malla-raportti 2. TOTEM käyttö- ja asennusohjeet Sähköiset julkaisut 1. Biokaasu www.motiva.fi (Luettu 7/2006) 2. Polttomoottori bioenergia.jypoly.fi (Luettu 9/2006) 3. Stirling-moottori www.chem.jyu.fi (Luettu 9/2006) 4. Polttokenno ra.hut.fi, www.stepsystems.fi (Luettu 9/2006) 5. Kaasuturbiini www.esprojects.net (Luettu 9/2006) 6. Generaattorit leeh.ee.tut.fi (Luettu 9/2006) 7. Kaasulaitteisto www.maakaasu.fi (Luettu 4/2006)

40 LIITELUETTELO Liite 1 TOTEM generaattorin ohjauskeskus Liite 2 TOTEM generaattorin päävirtakaavio Liite 3 Keskuskaavio Liite 4 Asemakuva Liite 5 Määräaikaishuoltotaulukko

41 LIITE 1

LIITE 2 42

LIITE 3 43

LIITE 4 44

45 LIITE 5 Seuraavassa taulukossa on esitetty TOTEM:in määräaikaishuolto ja tarkastusajankohdat biokaasua käytettäessä. Luvut on ilmoitettu käyttötunteina. Taulukko on saatu maahantuojan toimittamista huolto-ohjeista. Sytytystulppien vaihto 1000 Ilmansuodattimen vaihto 1000 Vesipumpun hihnan tarkistus 1000 Kaasuläpän koneiston tarkistus 1000 Venttiilivälysten säätö 1000 Tyhjäkäynnin säätö 1000 Maksimi tehon säätö 1000 Jäähdytinnesteiden jälkitäyttö 1000 Jäähdytysjärjestelmän tarkistus 1000 Moottorin turvalaitteiden tarkistus 1000 (anturit, kaasuanturit) Moottoritilan puhdistus 1000 Taka-oven tiivisteiden tarkistus 1000 Painetulppien paineen tarkistus 1000 Painetulppien (paisuntasäiliön 1000 ja pakokaasu tulppien vaihto) Ilmansuodattimen vaihto 2000 Moottoriöljyn vaihto 1000 Öljynsuodattimen vaihto 1000 Huohotinventtiilin vaihto 2000 Ilmansuodattimen likaisuuden tarkastus 2000 Jäähdytysjärjestelmän tarkistus 2000 Äänenvaimentimen puhdistus 2000 Moottorin vesipumpun tiiviystarkistus 4000

46 Moottorin öljynpaineen tarkistus 5000 Sylinterikannen vaihto 5000 Jakopyörien ja ketjun vaihto 5000 Pakokaasu lämmönvaihtimen puhdistus 5000 Kaasunsekoittajan ja kaasuläpän tarkistus 5000 Kaasuventtiilien paineen tarkistus 5000 Moottorin täystarkastus/vaihto 10000 Sytytys-kytkimen vaihto* 10000 Lämmönvaihtimen puhdistus 10000 Toisio-lämmityspuolen paineentarkistus 10000 Moottorin letkujen vaihto 10000 Magneettiventtiilin täyskorjaus 10000 Käynnistyslaitteiston solenoidin kunnostus 10000 Jäähdytysjärjestelmän tarkistus(ensiö/toisio) 10000 Generaattorin laakerin vaihto 10000 Kaasusuodattimien tarkastus 2000 (Sisääntulo- ja moottorisuodatin) *) Vauhtipyörässä kiinnitetty sytytys-kytkin vaihdettu 40000 sytytyksen välein Moottorin toimivuuden kannalta on suositeltavaa käytettävä alkuperäisiä TOTEM-osia, sekä TOTEM-öljyjä että PARAFLU-pakkasnestettä.