Syyskuu 2014 Oljen käyttö Pien-CHP:n polttoaineena Teknologiaselvitys Hämeen uusiutuvan energian tulevaisuus-hue
1 (13) Tekijät L. Pirhonen H. Pietilä Tarkistaja, pvm P. Kling, Jakelu A. Rusanen E. Ekholm Hyväksyjä, pvm R. Koivunen, Ladec Oy Oljen käyttö Pien-CHP:n polttoaineena Teknologiaselvitys ÅF Consult Oy Bertel Jungin aukio 9, 02600, Espoo Puh. +358 (0)40 348 5511. Fax +358 (0)9 3487 0810. www.afconsult.com. ALV nro. FI1800189-6.
2 (13) Sisältö 1 JOHDANTO... 3 2 OLJEN ENERGIAHYÖDYNTÄMINEN... 3 2.1 POLTTOAINEEN KÄSITTELY... 3 2.2 POLTTOTEKNOLOGIAT... 4 2.3 PIEN-CHP... 4 2.4 RISKIT... 6 3 LAITETOIMITTAJAT EUROOPASSA... 6 3.1 KATTILATOIMITTJIEN ESITTELYT... 8 3.1.1 Carborobot... 8 3.1.2 DP Clean Tech... 8 3.1.3 Eurobiomass... 8 3.1.4 Faust... 8 3.1.5 Justsen Energiteknik A/S... 8 3.1.6 Kem... 9 3.1.7 Linka... 9 3.1.8 Polytechnik... 10 3.1.9 Reka... 10 3.1.10 Step Trutnov... 10 3.1.11 Vyncke... 10 3.2 ORC-TOIMITTAJIEN ESITTELYT... 11 3.2.1 Enertime... 11 3.2.2 Maxxtec... 11 3.2.3 Triogen... 11 3.2.4 Turboden... 11 4 LAITOS ESITTELYT... 11 4.1 RUDKØBING... 11 4.2 KÄLLESJÖ GÅRD... 12 4.3 HOLZENERGIE JAHRDORF... 13 Lyhenneluettelo CHP ORC Yhdistetty lämmön ja sähköntuotanto (Combined Heat and Power) (Organic ranking cycle)
3 (13) 1 JOHDANTO Tämä selvitys on laadittu Lahden Seudun Kehitys LADEC Oy:n pyynnöstä osaksi Hämeen uusiutuvan energian tulevaisuus hanketta (HUE). Selvityksen tavoitteena on kertoa lyhyesti oljen energiahyödyntämisestä ja esitellä Eurooppalaisia laitevalmistajia. Tarkasteltava kokoluokka on 0,5-5 MWpa. 2 OLJEN ENERGIAHYÖDYNTÄMINEN Oljen energiahyödyntämistä on selvitelty jo kymmeniä vuosia. Oljen käytön kannattavuus polttoaineena vaihtelee alueellisesti paljon erilaisten kasvuolosuhteiden ja energiaverojen vuoksi. Tanska on edelläkävijä oljen polton hyödyntämisessä ja useat laitetoimittajat ovatkin tanskalaisia. Suomessa energiahyödyntämistä ovat jarruttaneet energiapolitiikka ja puupolttoaineiden suhteellinen edullisuus. Uutta tekniikkaa ei ole ollut tarpeen ottaa käyttöön, koska puuhaketta on ollut helposti ja edullisesti saatavilla. Oljen polttolaitoksen päälaitteita ovat polttoaineen käsittelylaitteet, kattila ja sähköntuotannon mukana ollessa turbiini. Polttoaineen käsittelytekniikka riippuu laitokselle saapuvan oljen ominaisuuksista, kuten pakkaustavasta, sekä polttotekniikasta. Käsittelyn jälkeen olki syötetään kattilaan, joka tuottaa lämpöä. Tuotettua lämpöä voidaan hyödyntää sähköntuotannossa höyry- tai ORC-turbiinin avulla. Seuraavissa luvuissa on esitelty päälaitteita tarkemmin. 2.1 POLTTOAINEEN KÄSITTELY Polttoaineen syöttö kattilaan vaihtelee merkittävästi toimittajien välillä. Oljelle on suunniteltu omia syöttöratkaisuja, joissa olkipaalit syötetään kokonaisina tulipesään. Osa näistä ratkaisuista perustuu kantikkaaseen olkipaaliin, joka on tyypillinen mm. Tanskassa. Suomalaiselle pyöröpaalille nämä eivät suoraan käy. Toinen ratkaisumalli perustuu paalien repimiseen ja oljen pilkkomiseen mahdollisimman pieniksi paloiksi. Syöttötapa riippuu polttotekniikasta ja vaihtelee toimittajien välillä. Käytössä on sulkusyöttimiä, askelsyöttimiä ja ruuveja, joiden kaikkien toiminta edellyttää hyvää palakoon hallintaa. Yhtenä vaihtoehtona on nähty oljen pelletöinti/briketöinti, jolloin tiheys saadaan kasvamaan. Pelletöityä olkea voidaan käyttää myös puupellettien ohessa, kunhan alhaisempi tuhkan sulamislämpötila on otettu huomioon. Pellettejä ja brikettejä voidaan kuljettaa myös pidempiä matkoja kannattavasti. Pienessä kokoluokassa <1 MW on jonkin verran käytössä panossyöttö, eli olkipaali viedään kattilaan kokonaisena ja polttoainetta lisätään vasta, kun edellinen paali on palanut. Tämä ei ole tarkoituksenmukaista isommissa laitoksissa vaan sopii paremmin maatilojen, kasvihuoneiden tai pienten kiinteistöjen lämmitykseen. Nämä laitteet on jätetty tämän raportin ulkopuolelle.
4 (13) Kuva 1. Periaate kuva kattilasta (Eurobiomass Poland 1 ) Taka-alalla näkyy paalin syöttörata, josta polttoaine kuljetetaan repijän kautta kattilaan. 2.2 POLTTOTEKNOLOGIAT Perinteisesti olkea on poltettu arinalla, mutta kaasutusteknologian kehittyessä sekin on tullut vaihtoehdoksi. Kaupalliset toimittajat perustavat kuitenkin polttotekniikkansa arinaan. Suuremmissa kattiloissa yleinen leijukerrospoltto ei ole taloudellisesti kilpailukykyinen näin pienissä kattiloissa. Tyypillinen arinaratkaisu on vesijäähdytetty porrasarina. Polttoaine syötetään arinan yläosaan ja se valuu palaessaan alaspäin. Tuhka poistetaan arinan alareunasta. Arinat ovat usein vesijäähdytettyjä oljen alhaisen tuhkan sulamispisteen vuoksi. Mikäli palamislämpötila nousee liian suureksi, tuhka tarttuu arinaan ja tukkii sen. Alle 5 MW laitoksille ei tällä hetkellä ole ympäristön suojeluvaatimuksia laissa, jolleivät ne sijaitse samalla laitosalueella muiden energiantuotantoyksiköiden kanssa, joiden yhteenlaskettu teho on yli 5 MW. Oljenpoltossa ympäristösäädöksiä voi tulla vastaan hiukkaspäästöjen osalta. Esimerkiksi tällä hetkellä on valmisteilla Euroopan parlamentin direktiivi tiettyjen keskisuurista polttolaitoksista ilmaan johtuvien epäpuhtauksien rajoittamisesta. Jotkin laitetoimittajat tarjoavat jo nyt optiona syklonia hiukkaspäästöjen vähentämiseksi. 2.3 PIEN-CHP Sähköä tuotetaan pienen kokoluokan kattiloissa yleensä joko höyryprosessin avulla tai ORCprosessilla (Organic Rankine Cycle). 1 http://www.eurobiomass.info/26-straw.html (8.7.2014)
5 (13) Höyryprosessin kannattavuus on kyseenalainen alle 1 MW turbiineilla. Markkinoilla ei ole yhtään eurooppalaista voimalaitosturbiinin valmistajaa, joka olisi erikoistunut pieniin höyryturbiineihin. Kannattavuus kasvaa merkittävästi suurempiin kokoluokkiin siirryttäessä. ORC-prosessista on odotettu pienvoimaloiden sähköntuotantoratkaisua. Polytechik GmbH:n mukaan se on jo kannattava vaihtoehto pieniin laitoksiin alueilla, joissa sähkön hinta on tuettu. Heillä on useita referenssejä puuperäisiä polttoaineita käyttävistä CHP-laitoksista, mutta mainintaa oljen polton yhteyteen tehdystä ORC järjestelmästä ei ollut. Viereisessä kuvassa on esimerkki ORCprosessikaaviosta. Kuva 2. ORC-prosessikaavio (Weiss GmbH 2 ) 2 http://www.weiss-kessel.de/pdf/english/orc.pdf (8.7.2014)
6 (13) 2.4 RISKIT Seuraavaan taulukkoon on koottu oljen polton ja pien-chp:een liittyviä riskitekijöitä. Taulukko 1. Riskitekijät Oljen poltto Pien CHP - Alhainen tuhkan sulamislämpötila Alhainen lämpötila hyödyksi saatavalle energialle - Laitokselle toimitetun oljen laatu ja pakkaus asettaa haasteita polttoaineen käsittelyssä - Polttoaineen syötön varmentaminen, mekaanisten syöttölaitteiden käytettävyys - Hiukkaspäästöjenhallinta tulevaisuudessa, mikäli päästönormit tulevat koskemaan myös pieniä laitoksia - Alhainen lämpötila oljen poltosta alhaisempi sähköntuotannonhyötysuhde - Ei koeteltua tekniikkaa Suomessa, muualla Euroopassa kyllä huolto- ja käyttökustannusten ennustettavuus huono - Sähkön alhainen hinta lämmönhintaan verrattuna - Sähkönhinnan ennustettavuus sähköntuotannon kannattavuuden ennustettavuus - Polttoaineen hinnanvaihtelu pitkällä aikajänteellä esim. vuoden kasvuolosuhteiden vaikutuksesta - Ei koeteltua tekniikkaa suomalaisella oljella. Muualla Euroopassa kyllä, mutta oljen laatu vaihtelee merkittävästi kasvuolosuhteiden mukaan (maaperä, kasvuolosuhteet, kemiallinen koostumus). 3 LAITETOIMITTAJAT EUROOPASSA Euroopasta löytyy lukuisia olkea polttavien kattiloiden toimittajia. Osa toimittajista keskittyy vain suurempaan kokoluokkaan. Pienistä kattilatoimittajista valittiin mukaan niitä, joilla on tarjota jatkuvatoiminen automaattinen polttoaineensyöttö ja toimivia laitosreferenssejä. Eniten toimittajia löytyi Tanskasta. Taulukko 2. Laitostoimittajat maittain Toimittaja Maa Kokoluokka Yhteystiedot Oljen Energia hyödyntämiseen soveltuvat kattilat Carborobot Unkari <0,3 MW info@carborobot.com Bíró Ernő +36-20-9223-216
7 (13) Toimittaja Maa Kokoluokka Yhteystiedot DP Clean tech Tanska www.dpcleantech.com +45 70 26 11 26 Eurobiomass Puola 1-10 MW biuro@eurobiomass.pl Maciej KOLATOR +48 55 234 64 64 Faust Tanska/ edustaja Suomessa 0,3-7 MW mail@faust.dk/ patrik.mattsson@kardonar.com +358 (0)19 232 520 Justsen Tanska 0,3-20 MW tpm@justsen.dk +45 86 26 05 00 KEM Tanska info@kem.dk Kim Kokholm +45 40453892 Linka Tanska 0,2-5 MW linka@linka.dk Claus Larsen cml@linka.dk +45 2428 5460 Polytechnik GmbH Itävalta/edusta ja Suomessa 0,3-30 MW jarmo.kivisto@enerec.fi +358 500 353 453 Reka Tanska 0,1-3,5 MW Step Trutnov Tsekki 0,1-5 MW Vyncke Belgia 1-100 MW reka@reka.com +4598624011 steptrutnov@steptrutnov.cz +420 499 407 407 mail@vyncke.com + 32 56 730 630 Pien CHP laitoksen soveltuva ORC turbogeneraattorit Enertime Ranska 1 MWe Maxxtec Saksa 0,3-2,4 MWe Triogen Hollanti n. 0,1 MWe Turboden Italia 0,4-3 MWe www.enertime.com +33 1 75 43 15 40 www.maxxtec.com +49 7261 9279-0 www.triogen.nl +31 547 820900 info@trogen.nl www.turboden.eu +39 030 355 2001
8 (13) 3.1 KATTILATOIMITTJIEN ESITTELYT 3.1.1 Carborobot Carborobot on Unkarilainen kattilan valmistaja, joka toimittaa monipolttoainekattiloita kokoluokassa <0,3 MW. Heidän kattilansa voi polttaa olkea pelletteinä ja sillä voidaan tuottaa kuumaa vettä 110 o C asti tai matalapaineista höyryä 0,5 bar/110-115 o C asti. Carborobotilla on referenssejä mm. Unkarissa, Ranskassa, Australiassa, Slovakiassa, Tsekeissä, Puolassa, Romaniassa, Serbiassa ja Venäjällä. 3.1.2 DP Clean Tech DP Clean Tech on tanskalainen kattilanvalmistaja, jolla on monen kokoluokan kattiloita ympäri maailmaa. Pienen kokoluokan referenssi löytyy Tanskasta. Uudemmat voimalaitokset ovat suurempaa kokoluokkaa. Rudköping, 1990, 7 MW th, 2,5 sähköä 3.1.3 Eurobiomass Eurobiomass on puolalainen kattilatoimittaja, jolla on useita toimitettuja olkikattiloita Puolassa. Ohessa Eurobiomassan olkikattilareferenssejä: Energy investors; 2,5 MW Radzikow, Puola Rapid SP. Z.O.O; 1,5 MW+2x0,5 MW; Poddebice, Puola 3.1.4 Faust Ohessa olki/puubiomassareferenssejä: Bio-Energia; 0,6 MW Tolkmicko, Puola Perig SP. Z.O.O; 4x0,25+1x0,15 MW Braniewo, Puola Faust on tanskalainen kattilatoimittaja, joka toimittaa 0,3-7 MW kattiloita Euroopassa. Heidän oljen syöttönsä perustuu erilliseen paalin repijään, jonka avulla olkipaalit voidaan syöttää kokonaisina polttoainejärjestelmään. Palaminen tapahtuu arinalla. Faustilla on maahantuoja Suomessa. Suomeen on myyty noin 10 kpl panospolttoisia olkikattiloita, mutta ei automaattisesti syötettäviä olkilämmitysjärjestelmiä. Faust on viimeisen 2-3 vuoden aikana kehittänyt automaattista syöttöjärjestelmää oljelle ja on myynyt joitakin kokonaisjärjestelmiä Tanskassa ja Etelä-Ruotsissa. 3.1.5 Justsen Energiteknik A/S Justsen on tanskalainen yritys, joka toimittaa erilaisia pienen kokoluokan biomassakattiloita. Heidän polttoainevalikoimaansa kuuluvat esikäsitelty (silputtu) olki sekä olkipelletit ja briketit. Kuumavesikattiloiden kapasiteetit ovat välillä 0,3-20 MW. Heillä on myös standardituote 0,3-5,5 MW kuumavesikattilasta. Lisäksi Justsen toimittaa höyrykattiloita samassa kokoluokassa.
9 (13) Justenilla on olemassa tulistettua höyryä tuottava kattila, jota voi käyttää voimalaitossovelluksessa. Referenssejä tällaisista laitoksista: Irlanti, 2007, höyryä 6,3 t/h, Irlanti Aarhurs, 2008, 2 MW lämpöä, Tanska 3.1.6 Kem 3.1.7 Linka Kem on tanskalainen kattilanvalmistaja, jolla on referenssejä useissa maissa. Pääpolttoaineena olkea käyttäviä kattiloita on toimitettu Tanskaan. Ohessa KEMin referenssejä Høng Varmeværk 1x7 MW Tanska Kværndrup Fjernvarme 1x2.8 MW Tanska Slagelse KVV 40 t/h steam Tanska Linka toimittaa 0,2-5 MW kuumavesikattiloita standardituotteena. Sen lisäksi he toimittavat puupelleteillä toimivia höyrykattiloita samassa kokoluokassa. Olkea polttavista kattiloista on referenssejä Tanskassa, Ruotsissa ja Romaniassa. Liettuassa olevassa kattilassa voidaan polttaa olkipellettejä. Höyrykattiloita Linka on toimittanut Ruotsiin, Belgiaan ja Italiaan, mutta niissä on polttoaineena käytetty puupellettejä. Ohessa Linkan olkea polttavia kuumavesikattiloita Henry Toft, 800kW, 2000, Tanska Engestoft & Søholt Godser, 600 & 200kW, 2004 & 2008, Tanska Katholm Gods, 600kW, 2005, Tanska Svenstorps och Björnstorps Godser, 1500 & 1000kW, 2002 & 2004, Ruotsi BISO, 400KW, 2011, Romania Nimtofte Varmeværk, 5000kW, 2007, Tanska Søllested Varmeværk,, 5000kW, 2008, Tanska Terndrup fjernvarme, 6300KW, 2011, Tanska AXIS, puupelletti/olkipelletti, 800KW, 2011, Liettua Ohessa Linkan höyrykattilareferenssejä Boulstrup hov, 1500KW, 2009, Tanska KLm - Saltå Kvarn, puupelletti, 400kW, 2005, Ruotsi E. H. Technique, puupelletti, 400kW, 2005, Belgia KLm - Rimbo, puupelletti, 5000kW, 2006, Ruotsi KLm - Norrmejerierna, 5000kW, 2008, Ruotsi
10 (13) 3.1.8 Polytechnik Polytechnik GmbH on Itävaltalainen biomassaa polttavia kattiloita toimittava yritys. Heidän kattilansa koko vaihtelee 0,3-30 MW välillä. Suuremmissa kokoluokissa sähköä tuotetaan höyryturbiinilla. Polytechnik on toimittanut myös ORC-prosessiin perustuvia sähköä tuottavia laitoksia. Sopiva kattilan minimiteho tällaisille laitoksille on n. 1,5-2 MW. Kaikki toimivat referenssit polttavat kuitenkin lähtökohtaisesti puuta pääpolttoaineenaan. Polytechnikillä on jonkin verran kokemusta oljesta polttoaineena, mutta pääpaino on ollut puupolttoaineissa. Polytechnikillä on referenssiluettelossa yksi olkea tukipolttoaineena polttava kattila Gut Ising, Saksa 1MW paikallinen lämpökeskus; polttoaineet hevostilan jätteet, sahanpuru ja olki ORC-prosessiin perustuvia voimalaitoksia on useita, tässä lueteltu muutamia. Echtle Sägewerk GmbH & Co. KG, Saksa 4.850 kwth kuumaöljykattila (800 kwel) G.u.E. Zimmermann GmbH Saksa 4.000 kw kuumaöljykattila (700 kwel) Neue Naturenergie Ventac Itävalta 5.450 kw kuumaöljykattila (900 MWel) Holzenergie Jahrdorf Saksa 4.850 kw kuumaöljykattila (800 kwel) Frischholzaufbereitungsanlage Saksa Hürtgenwald STAWAG Energie 4.320 kw kuumaöljykattila Bodelschwingh-Haus Wolmirstedt e.v. Saksa 3.180 kw kuumaöljykattila (600 kwel) Klärschlammverwertung Albstadt GmbH Biomassefeuerungsanlage Saksa 1.720 kwth kuumaöljykattila (300 kwel) Osrodek Wypoczynkowy Puola 6.715 kw kuumaöljykattila(1.255 kwel) 3.1.9 Reka 3.1.10 Step Trutnov 3.1.11 Vyncke Reka on tanskalainen toimittaja, jolla on pienen kokoluokan kattiloita. Pääpaino on puuperäisillä polttoaineilla, mutta olki käy polttoaineena osaan kattilatyypeistä. Step Trutnov on tsekkiläinen kattilatoimittaja, joka tekee olkipaalia polttavaa kattilaa kokoluokassa 0,6-5 MW. Vynke on belgialainen yritys, joka toimittaa 1-100 MW biopolttoainekattiloita. Heillä on referenssejä ympäri maailman. Osa kattiloista pystyy polttamaan myös olkea, mutta tällä hetkellä kaikki käyvät pääasiassa puuperäisillä biomassoilla.
11 (13) 3.2 ORC-TOIMITTAJIEN ESITTELYT 3.2.1 Enertime 3.2.2 Maxxtec 3.2.3 Triogen 3.2.4 Turboden Enertime suunnittelee ja kehittää turbiineita ORC sovelluksiin. Internet sivuillaan he mainitsevat yhden teolliseen jätelämpöön liitetyn 1 MWe referenssin. Maxxtec on Saksalainen ORC teknologian toimittaja. Maxxtecilla on referenssejä biokattiloiden yhteyteen tehdyistä ORC järjestelmistä. Seuraavassa Maxxtecin Internet-sivuilla luettelemat referenssit. Fernheizwerk Olang AG, Italia, 2008, 650 kwe EPC GmbH, Saksa, 2008, 2 x 1.600 kwe Erdenwerk Gregor Ziegler GmbH, Saksa, 2007, 2.000 kwe Bioenergie Pfalzcrafenweiler GmbH, Saksa, 2007, 560 kwe ENRO Ludwigsfelde Energie GmbH, Saksa, 2007, 1.700 kwe Biomasse Heizwerk Bayreuth, Saksa, 2006, 320 kwe Triogen on Hollantilainen ORC teknologian toimittaja. Toimitettuja referenssejä on kokoluokassa noin 100 kwe, mikä on hieman tarkastelu luokkaa pienempi. Lappeenrannan yliopisto on ollut mukana kehittämässä Triogenillä käytössä olevaa ORC teknologiaa. Turboden on Italialainen ORC teknologian toimittaja. Turbodenilla on useita referenssejä biovoimalaitosten yhteydessä Euroopassa. Turbodenillä on paljon referenssejä biomassalaitosten yhteydessä. Internet sivuilla Turboden luettelee yhteensä 245 biolaitosten yhteyteen toteutettua projektia. 4 LAITOS ESITTELYT 4.1 RUDKØBING Vuonna 1990 käyttöön otettu RudkØpingin laitos käyttää polttoaineena 100 % olkea. Laitosta operoi Langelands Elforsyning. Olki toimitetaan laitokselle paaleina. Paalit revitään ennen kattilaan syöttöä. Revitty olki työnnetään männän avulla vesijäähdytteiselle täryarinalle. Mäntä työntää oljen tiiviiksi tukoksi syöttöaukossa ennakko syttymisen estämiseksi syöttökanavassa.
12 (13) Laitoksen sähköteho on 2,3 MW ja kaukolämpöteho noin 7,5 MW. Höyryn arvot ennen turbiinia ovat 60 Bar ja 450 C. Oljen kulutus on noin 3 t/h. Vuonna 2013 laitos kulutti olkea noin 15 000 t, tuotti sähköä verkkoon noin 11 000 MWh ja kaukolämpö noin 36 000 MWh. Kuva 3. RudkØpingin sijainti kartalla 4.2 KÄLLESJÖ GÅRD Faust on toimittanut Ruotsiin maatilan yhteyteen 950 kw Bio-Flow II olkikattilan. Olkikattila tuottaa lämpöä ympärivuoden maatilalle ja alueen kaukolämpöverkkoon. Lisäksi lämpöä tarvitaan viljan kuivaukseen kahtena kuukautena vuodessa. Laitoksella syntyvä tuhka on niin puhdasta, että se käytetään lannoitteena pelloilla. Laitteiston toimintaperiaate on hyvin saman tyylinen kuin RudkØpingin laitoksella. Seuraavissa kuvissa on esitetty Faustin polttoaineen käsittely järjestelmä ja arinakattila sisältä. Yhteystiedot laitokselle: Johannes Lembke puh. +46 70 81 66 442 Kuva 4. Polttoaineen käsittelu (Faust 3 ) Kuva 5. Arina (Faust 4 ) 3&4 Mattsson Patrik, DI. 2014. Faustin edustaja Suomessa; Kardonar Oy.
13 (13) 4.3 HOLZENERGIE JAHRDORF Vuonna 2006 rakennettu Jardorffinlaitos laitos sijaitsee Hauzenbergissä Saksassa. Laitoksella on Polytechnikin toimittama arinakattilalaitos ja Turbodenin toimittama ORC-laitteisto. CHP laitoksen polttoaineen pääsääntöisesti hake. Laitos sijaitsee sahan yhteydessä. Sähkö ja lämpö tuotetaan lähialueen tarpeisiin. Laitoksen lämpöteho on 4 850 kw ja sähköteho 680 kw. Laitoksen investointikustannukset olivat 5,3 MEUR. Seuraavassa kuvassa on esitetty Turbodenin ORC-laitteisto. Kuva 6. ORC-laitteisto (Turboden 5 ) 5 Turboden presentation; Orcanic Rankine Cycle (ORC) in Biomass-Fueled CHP