Onko jo pien-chp:n aika? Jukka Konttinen Jyväskylän yliopisto Uusiutuvan energian ohjelma www.jyu.fi/uusiutuvaenergia Uusiutuvan energian tutkimus- ja koulutusohjelma (JY) Maisteriohjelman tavoitteena on kouluttaa uusiutuvan ja hajautetun energiantuotannon asiantuntijoita edistämään paikallisten energialähteiden hyödyntämistä Koulutus pohjautuu aiempaan kandidaatin tai AMK-tutkintoon Koulutuksen kesto on min. 2 vuotta ja johtaa KTM/YTM/FM tutkintoon Opintojaksojen aiheisiin kuuluvat aurinko- ja tuulivoimateknologiat, biomassan konversiotekniikat yms. Poikkitieteellisyys: koulutuksessa yhdistyvät matemaattis-luonnontieteellisen tiedekunnan antama koulutus Kemia, fysiikka ja ympäristötieteet yhteiskunta- ja taloustieteet
Uusiutuvan energian tutkimus UE-hankkeessa tutkimustoimintaa sekä perustutkimuksen että soveltavan tutkimuksen piirissä Aurinko- ja tuulienergian sekä lämpöpumppujen demonstraatioita: Viitasaaren liikenneasema, 97 % uusiutuvilla Lämpöpumppu Keitelejärvestä (290 kw) Aurinkolämpökeräimet (32 kw) Aurinkopaneelit (92.4 m 2, 4,2 kw) Tuuliturbiini (10 kw) Bioenergiaa viereiseltä sahalta Saarijärven koulu aurinkosähköjärjestelmä HIT -paneeleilla Yliopisto: aurinkopaneeleita, tuuliturbiini aurinko- ja tuulisähkön varastointi vetynä Uusiutuvan energian tutkimus Vaajakosken UE-laboratorio Aurinkolämpökeräimiä vertailumittauksissa Ollut rakenteilla PienCHP-laitteisto lämmön ja sähkön tuottamiseksi puupelleteistä Biokaasun ja kaatopaikkakaasun hyödyntämisen tutkimusta Uusi: kaasutus (CHP sekä synteesisovellukset) Taloustiede: Innovatiivisia ratkaisuja liiketoimintamalleihin Biojalostamot Biokaasun jakeluverkko Päästökauppa, energiaverotus, energiatehokkuus ja säästäminen Yhteiskuntatiede: Energiantuotannon sosiaaliset vaikutukset paikallisella tasolla
Pien-CHP:n potentiaalista Pien- tai mikro-chp tarkoittaa sähkön ja lämmön tuottoa 10 1000 kw e mittakaavassa biomassan polton tai kaasutuksen avulla (tai maakaasun tai biokaasun poltto) A Jyväskylän yliopisto ja VTT toteuttuvat kirjallisuuselvityksen mikro-chp teknologioista ja kaupallisesta potentiaalista Euroopassa Selvityksen rahoittivat Keulink Oy jajyväskylä Innovation Oy Noin sata ORC (Organic Rankine Cycle) laitosta on rakennettu Saksassa ja Itävallassa, joissa käytetään puubiomassaa raaka-aineena Teknologioiden käytettävyys on ollut hyvällä tasolla eli siis kaupalliselta vaadittavalla tasolla Mikro-turbiinien käyttö on lisääntynyt. Valmistuskustannusten odotetaan laskevan. Biokaasun käyttö on merkittävä uusi sovellus. Suurin osa kehityksestä USA:ssa ja Japanissa Producing power in small-scale CHP Organic Rankine Cycle (ORC) The process uses an organic, high molecular mass fluid with a liquid-vapor phase change occurring at a lower temperature than the water-steam phase change. The mass fluid can be toluene or silicone oil. The fluid allows Rankine cycle heat recovery from lower temperature sources such as industrial waste heat, geothermal heat, solar ponds etc. The low-temperature heat is converted into useful work, that can itself be converted into electricity. Besides plants based on biomass combustion, the applications of ORC technologies are related with energy recovery from flue gas waste heat. An example can be waste heat recovery from flue gases after biogas combustion. The power production does not usually decrease significantly with partial loads Micro Turbines Micro turbines operate at high rotational speed (> 500 000 rpm) and high temperature ( > 1200 K). The power output of micro gas turbines ranges from 25 kw e to 250 kw e. The fuel used in micro gas turbines is usually biogas. In addition, recycled fuels or biomasses after gasification and liquid biofuels can be used. The applications for using direct biofuel combustion are under development. Pressurised combustion with gas cleaning could be applied
Producing power in small-scale CHP Stirling engines A Stirling engine is a heat engine that operates by cyclic compression and expansion of air or other gas (usually helium), the working fluid, at different temperature levels there is a net conversion of heat energy to mechanical work. Because the combustion of fuel occurs outside the process, different fuels or heat sources can be used to produce the heat required The power output of a Stirling engine is from 1 kw e to 150 kw e. The power production does not decrease significantly with partial loads. The noise level of the engine is low The first applications of Stirling engine were with natural gas. The applications of using combustion of solid biomasses (wood chips, pellets) are under development Development and testing in Finland ORC, Micro turbine: Lappeenranta University of Technology (profs. Larjola, Vakkilainen) ORC technology has been commercialized (Naaraharju Oy) The University of Jyväskylä, Renewable Energy programme Pien-CHP:en soveltuvan teknologian ominaisuuksia Technique Combustion engines Size 1 kw e 1000 kw e Power Heat Typical operation time Development stage Strength Weakness Micro turbine 25 kw e 250 kw e Stirling engine 10 kw e 150 kw e Fuel cells 1 kwe 50 kw e Steam engine and -turbine Engines > 100 kw e Turbines > 500 kw e 150 kw e 1 MW e 25 40 % 25 30 % 8 22 % 38 55 % 6 30 % 10 20 % 45 50 % 50 60 % 50 60 % 30 45 % 40-70 % 60 70 % 15 years 15 years 15 years 1 15 years 15 years > 20 years Widely used High power production Large need of maintenance Only gaseous or liquid fuel Pilot-stage Low maintenance need Limited power Development stage High power Short duration Widely used Proven technology Power at partial load ORCprocess Precommercial stage Low need of maintenance Precommercial stage Good power also at partial load Limited power
Sähköä ja lämpöä kiinteästä biomassasta pienessä mittakaavassa? Kiinnostava tehoalue 10 1000 kw e Stirling-tekniikka: Energiaa siirretään palamiskaasuista stirling-koneen työkaasuun lämmönsiirtimen avulla Biomassalla hyötysuhde n. 15 % Lämmönsiirtimen toiminta avainkysymys Mikro-CHP-laitteisto Vaajakosken laboratoriossa P2 Fan mass flow... prim. air (with pellets) Furnace: height. 1.3 m, i.d. 0.5 m mass flow meters sek+ tert air flue gas recirculation + sek. & tert. air preheating Stirling 9 kwe 1300C Pellet furnace Fuel power 60 kw Heat exchanger 1 T5 T4 District heat T6 T2 T3 T1 P1 T7 Heat exch 2 Stack Flue. Gas. sampling O2, CO, particles Flue gas cleaning T= temperature, P= pressure to PC control system! https://www.jyu.fi/kemia/tutkimus/uusiutuva-energia/tutkimus/mikro-chp
Mitä kaasutuksessa tapahtuu? H 2 O (steam) GASIFICATION PRODUCT GAS H 2, CO, CH 4, C x H y, tars (gases) H 2, CO (gases) DRYING PYROLYSIS CHAR Feedstock particle Dry particle Char residue GASIFICATION Heat Heat Heat Residual ash Osittaispoltto hapella tuo tarvittavan lämmön (= heat) H 2 O, CO 2 Pien- tai mikro-chp-laitteistot kaasutukseen perustuen Myötävirtakaasutin, ns. häkäpönttö + kaasun puhdistus + kaasumoottori POLTTOAINE LTO KUIVUMINEN Moottori Sähkö PYROLYYSI ILMA HAPETTUMINEN PELKISTYMINEN ILMA KAASU Pesuri
Pien- tai mikro-chp-laitteistot kaasutukseen perustuen Häkäpönttö + kaasun puhdistus + kaasumoottori Tehoalue 100 1000 kw th Sähköntuotto noin 30 % termisestä energiasta Kokonaishyötysuhde > 70 % Keski- ja pohjoissuomalaisia yrityksiä teknologiakehitys ja kaupallistaminen Gasek Oy (www.gasek.fi) CCM-Power Oy (www.ccm-power.fi) Entimos Oy (www.entimos.fi) HT Enerco Oy (www.htenerco.fi) Haasteita: Myötävirtakaasutin tervat Muunnelmat perinteisestä häkäpöntöstä, tervan minimoimiseksi Laitosten pitkäaikaiskäytettävyys Tähän asti ajettu kymmeniä satoja tunteja Kokemäen ja Tervolan laitosdemot eivät ole onnistuneet Paineen säätö Suodatus Jäähdyty s Sykloni Suodate Kaasutus kuljetin Sähkö Kaasu Biopoltt oaine Lauhde
Pien- tai mikro-chp-laitteistot kaasutukseen perustuen Häkäpönttö + kaasun puhdistus + kaasumoottori LÄHDE: Gasek Oy www.gasek.fi Pien-CHP:n taloudellisuus Technology ORC Stirling Micro Turbine Gasification Plant type and size Replacing water boiler with ORC Engine only (10 kw e ) Whole plant (25 250 kw e ) Whole plant (30 75 kw e ) (1000 kw e ) Investment cost 2765 1400 2200 1000 1700 1250 1800 ( /kw e ) Operating costs (cent/kwh e ) 12 6.4 9 4.4-7 6.4 8.5 Nykyisillä sähkön hinnoilla joku tuotantotukimekanismi tarvittaneen, jotta teknologia kaupallisesti kiinnostava
Nestemäisen biodieselin tuotanto pienkaasutuslaitoksilla? Kaasutuskaasun syntetisoinnissa on seuraavat vaiheet: 1. Fischer-Tropsch: Polymerisointi hiilivedyiksi hiilimonoksidin (CO) ja vedyn (H 2 ) avulla korkeissa paineissa ( komprimointi) 2. Raakadiesel-fraktion erotus nestemäisistä hiilivedyistä 3. Raskaiden hiilivetyjen (vahojen) prosessointi haluttuun diesel-fraktioon, jotta saadaan diesel-saanto järkeväksi Vaiheiden 2 toteuttaminen kaasutuslaitoksen yhteydessä kyseenalaista. Vaiheiden 2 ja 3 rakentaminen nostaa investointikuluja, samoin kaasujen komprimointilaitteisto Käyttökustannukset: Prosessointi kuluttaa sähköä Kaasu pitäisi puhdistaa todella tehokkaasti pesuri ei riitä Oletetaan olevan taloudellista kertaluokkia suuremmassa koossa JOHTOPÄÄTÖKSET Pien-CHP Suomessa perustuu joko polttoon tai kaasutukseen Puubiomassat paras polttoaine Muita biomassoja kokeiltu onnistuneesti Pien-CHP:llä merkittävää potentiaalia paikallisissa sähkön ja lämmön kulutuskohteissa, kuten kasvihuoneet ja maatilat CHP:hen sopivat moottoritekniikat mm. ORC, mikroturbiini ja Stirling-kone, jotka esitelty
JOHTOPÄÄTÖKSET Pien-CHP-teknologioita kehitetään Suomessa yritysten, tutkimuslaitosten ja yliopistojen toimesta ORC:tä ja mikroturbiineja on kehitetty ja kaupallistettu Lappeenrannan teknilllisessä yliopistossa & Naaraharju Oy:llä Stirling-konetta puun polton yhteydessä on tutkittu LTY:ssä sekä Jyväskylän yliopistossa Kaasutukseen perustuvia tekniikoita kehitetään ja kaupallistetaan yhtiöissä GasEK Oy, HT Enerco Oy, CCM-Power Oy ja Entimos Oy Taloudellisuus: Nykyisen sähkön hinnan takia joku tuotantotukimekanismi on tarpeen Pien-CHP:n yleistyminen tarvitsee onnistuneita pitkän aikajakson (tuhansien tuntien) demonstraatioita