Keski-Pohjanmaan energiaosuuskuntien lämpölaitokset: kartoitus ja mittauksia Yliopettaja, k Martti Härkönen, CENRIA Kaustinen 22.9.2010 Halsua 700 kw Kälviä 2 x 2000 kw Lohtaja 300 kw Energiaosuuskuntien omistamia tai ylläpitämiä hakelämpölaitoksia on 6 kpl (kaikissa vierailtu) Maakunnassa on energia- ja hakeosuuskuntia yhteensä 7+1=8 kpl oholammilla on energiaosuuskunta, muttei lämpölaitosta Energia- ja Osakeyhtiöitä 2 kpl (Kaustisen ja Vetelin turvelaitokset, molemmissa hakeosuuskuntien on vierailtu) sijainti kartalla Lestijärvellä on hakkeen kaasutukseen perustuva pieni CHPlaitos (noin 1 MW) 1
Jokaisesta lämpölaitoksesta on laadittu erilliset datakortit (suomeksi ja englanniksi) Veteli Lohtaja Perho Halsua Kälviä Eskola Kaustinen Lestijärvi - CHP-plant - no data card oholampi - no plant at all - no data card Energiaosuuskuntien lämpölaitokset (click) 2
Laitos Vuosi Nimellisteho Hakkeen ja palaturpeen käyttö Perho 1994 1400 kw hake 8000 i-m3/a turve 1000 i-m3/a uotettu lämpö 5500 MWh/a Eskola 2001 120 kw hake 600 i-m3/a 420 MWh/a Lohtaja 2002 300 kw hake 1200 i-3/a 750 MWh/a Halsua 2003 700 kw hake 3500 i-m3/a 2600 MWh/a Kälviä 1 Kälviä 2 Veteli (osakeyhtiö) Kaustinen 1 Kaustinen 2 (osakeyhtiö) 2003 2006 2000 kw 2000 kw hake 14000 i-m3/a (yhteensä) 2008 1500 kw hake + puubriketti yhteensä 1900 i-m3/a turve 1000 t/a 1999 2004 2000 kw 2000 kw turve 15000 i-m3/a hake 1000 i-m3/a 8000 MWh/a (yhteensä) 3870 MWh/a 16600 MWh/a YHEENSÄ 6,52 MW (EOK) hake 27000 i-m3/a 16-17 GWh/a Laitos Nimellisteho Savukaasujen puhdistus uhkan poisto Jäännöshapen mittaus Perho 1400 kw ei märkä kyllä Lohtaja 300 kw ei kuiva ei Halsua 700 kw sykloni kuiva kyllä Eskola 120 kw ei kuiva ei Kälviä 4000 kw ei märkä kyllä Veteli 1500 kw sykloni kuiva kyllä Kaustinen 4000 kw sykloni märkä kyllä 3
Pysyvyyskäyrä huipunkäyttöaika sopiva kattila ämä osa (eli 300 h ja 150 MWh) on tuotettava muulla Vuodessa on tavalla 300 h, jolloin tehoa pitää olla vähintään 400 kwhuipun käyttö ajan olisi Otetaan Vuodessa 400 kw kattila, on 1200 hyvä h, Keskiteho jolloin jolloin sen 145 huipunkäyttöaika 8760 tehontarve kw riittää olla on vähintään 3200 on 3188 = 5560 200 h/a. h/a noin kw Kattilalla tuottamaan voidaan kaiken tuottaa lämmön 2500 noin eli noin 88 77 % tarvittavasta % tarvittavasta 3500 lämpöenergiasta! lämmitysenergiasta! h/a 1275 150 = 1125 MWh, mikä on 88,2 % lämmöntarpeesta! Sopivan Huipun kokoinen käyttöaika kattila saadaan löytyy, kun todellinen jakamalla lämmöntarve vuodessa jaetaan tarvittava kattilan ns. huipunkäyttöajalla. lämpöenergia Huipunkäyttöajan kattilan tulisi olla nimellisteholla 2500 3500 eli tässä h/a 1275 MWh/0,4 MW = 3188 h/a tässä 1275000 kwh / (2500 h 3500 h) = 360 kw 510 kw valitaan 400 kw Pysyvyyskäyrän alle jäävä pinta-ala vastaa asiakkaiden lämmöntarvetta vuoden Vuodessa on 5600 h, jolloin aikana. lämmitystehon tarve ässä on esimerkissä vähintään 100 kw1275 MWh/a 8760 h/a 4
Mittauksia tehty Kälviän 2 MW lämpölaitoksella syksyn 2009 ja kevään 2010 aikana (click) Mitä ovat päästöt (kaasumaiset ja kiinteät) ja mikä on lämpölaitoksen hyötysuhde? P, 2000 kw hakekattila Mittaukset jatkuvat vielä syksyllä 2010 ja keväällä 2011 loppuyhteenveto syksyllä 2011 5
PERHO 1994 osuuskunnassa jäseniä 58 1400 kw LAKA-kattila Hake + turve 8000 i-m3/a lämpöenergiaa 5500 MWh/a 3930 h/a ESKOLA 2001 osuuskunnassa jäseniä 30 120 kw Arimax-kattila Haketta kuluu 600 i-m3/a lämpöenergiaa 420 MWh/a 3500 h/a 1
LOHAJA 2002 osuuskunnassa jäseniä 41 300 kw Arimax-kattila Haketta kuluu 1200 i-m3/a lämpöenergiaa 750 MWh/a 2500 h/a HALSUA 2003 osuuskunnassa jäseniä 27 700 kw LAKA-kattila Haketta kuluu 3500 i-m3/a lämpöenergiaa 2600 MWh/a 3715 h/a 2
KÄLVIÄ 2003, 2006 osuuskunnassa jäseniä 65 2 x 2000 kw Arimax-kattila Haketta 14000 i-m3/a lämpöenergiaa 8000 MWh/a 2000 h/a VEELI 2008 K & V osuuskunnassa jäseniä 60 1500 kw Calortec-Kyrö-kattila urvetta 1000 tonnia/a urve + hake 1500 i-m3/a lämpöenergiaa 3870 MWh/a 2580 h/a 3
2 x 2000 kw ermopoint-kattila KAUSINEN 1999, 2004 K & V osuuskunnassa jäseniä 60 urvetta 15000 i-m3/a Haketta 1000 i-m3/a urve + hake 16000 i-m3/a lämpöä 16600 MWh/a 4150 h/a 4
Hakelämpölaitoksen hyötysuhde- ja päästömittaukset Kälviällä sekä kostean hakkeen eräitä ominaisuuksia Kaustinen 22.9.2010 Martti Härkönen, CENRIA Kälviä 2,0 MW On osattava laskea (ilman mittauksia), että paljonko hakekuormassa on energiaa hakkeen tuojan ja toisaalta hakkeen polttajan kannalta? Lohtaja 0,3 MW Paljonko hakkeessa sitten on energiaa per kilo tai per irtokuutio? Hakkeeseen sitoutunut energiamäärä riippuu monista seikoista: hakeraaka-aine (puulaji): koivu, mänty, kuusi, leppä haketyyppi: kokopuuhake, rankahake, hakkuutähdehake hakekattila: ajotapa, lämpöpintojen puhtaus, säädöt Hakkeen kosteus on tärkein yksittäinen tekijä lämpöarvo ja irtotiheys Hakkeen kosteus vaihtelee noin välillä 25 50 % Mittausten analysointia ja tulevia simulointilaskelmia varten täytyy hakkeen tärkeimmät ominaisuudet osata mallintaa eli on kehitettävä laskentakaavat mm. hakkeen irtotiheydelle ja lämpösisällölle kosteuden funktiona kaikkeahan ei voi aina mitata!!! 1
1. Puun tai hakkeen kosteus Hakkeen kosteus määritellään normaalisti vertaamalla hakkeen sisältämää vesimäärää hakkeen kokonaismassaan kosteus Kosteus voidaan kuitenkin määritellä ja ilmoittaa myös toisella tavalla eli vertaamalla vesimäärää hakkeessa olevan kuivan puun massaan kosteusuhde kosteus X annetaan usein kosteussuhde U annetaan prosentteina välillä 0-100 %, mutta useimmiten desimaalilukuna, koska myös desimaalilukuna välillä 0 1. voi olla, että U > 1 Esimerkiksi 100 kg kosteudeltaan tärkeä kuivauslaskelmissa! 40 % haketta sisältää vettä 0,40 x Esimerkiksi 100 kg kosteudeltaan 100 = 40 kg 40 % haketta sisältää vettä 40 kg ja kuivaa puuta 60 kg, jolloin hakkeen kosteussuhde on 40/60 = 0,67 eli 67 % Kosteuden X ja kosteussuhteen U välinen riippuvuus: X = U/(1 + U) kg vettä / kg kosteaa puuta U = X/(1 X) kg vettä / kg kuivaa puuta Esimerkki: Kuivataan 100 kg märkää haketta alkukosteudesta X 1 = 50 % loppukosteuteen X 2 = 30 %. Paljonko vettä pitää poistaa? Alussa hakkeessa on vettä 0,50 x 100 = 50 kg ja kuivaa puuta loput 50 kg. Kuivan puun massa ei kuivauksessa muutu. Lopussa kosteussuhde on U 2 = 30 /(100-30) = 0,429 eli hakkeessa on vettä jäljellä 0,429 x 50 = 21,4 kg, joten vettä pitää poistaa 50 21,4 = 28,6 kg. arkistus: Lopputilassa hakkeessa on siis vettä 21,4 kg ja kuivaa puuta 50 kg eli kokonaismassa on enää 71,4 kg. Kosteus X 2 = 21,4/71,4 = 0,30 eli 30 % (oikein). Huomaa, että poistettavaa vesimäärää ei todellakaan voi laskea suoraan kaavalla: 100 x (0,50 0,30) = 20 kg! 2
Esimerkki: Ote Laatuhakkeen tuotanto-oppaasta Metsäkeskus Etelä-Pohjanmaa / anja Lepistö Sivulla 33 sanotaan: Jos kylmäilmakuivurilla kuivataan 35 % kosteudessa oleva hake 20 % kosteuteen, haihtuu 300 irtokuutiosta haketta noin 11000 litraa (11000 kg) vettä 300 i-m3 haketta, kosteudeltaan 35 %, painaa noin 240 x 300 = 72000 kg ästä on vettä 0,35 x 72000 = 25200 kg ja kuivaa puuta tietysti loput eli 46800 kg Hakkeen loppukosteus on 20 %, mikä on kosteussuhteena U = 20/(100-20) = 0,25. Kuivauksen jälkeen hakkeessa on vettä jäljellä 0,25 x 46800 = 11700 kg ja kuivaa puuta siis edelleen 46800 kg. Vettä siis poistettiin kuivauksessa 25200 11700 = 13500 kg eli noin 23 % enemmän kuin mitä oppaassa kerrotaan! Kuivausenergiana ero olisi vieläkin suurempi 2. Veden sitoutuminen puuhun Kun puun kosteus X on alle ns. PSK-rajan eli noin 23 %, niin puussa oleva vesi on fysikaalisesti ja/tai kemiallisesti sitoutuneena puun syiden soluseinämiin. sidottu vesi: vesi on hyvin tiukassa ja sen pois saaminen vaatii paljon enemmän energiaa (kwh/kg vettä) kuin pelkkä veden höyrystäminen mitä kuivemmaksi puu tulee, sitä enemmän energiaa tarvitaan veden poistamiseen eli tarvittava energia riippuu kosteudesta X tarvittava energia on keskimäärin 1,18 kwh/kg vettä Kosteuden ollessa yli 23 %, puun syiden soluseinämät ovat täysin vedellä kyllästyneet ja lisävesi on puun syiden soluonteloissa ja seinämien pinnoilla vapaa vesi: vapaa vesi on helppo poistaa, koska tarvittava energia vastaa veden höyrystymislämpöä täytetäytetäytetäytetäytetttttttttttt t veden poistamiseen tarvittava energia (kwh/kg vettä) ei riipu kosteudesta X tarvittava energia on 0,63 kwh/kg vettä 3
Energian tarve on suurempi kuin 0,63 kwh/kg vettä PSK-rajana on käytetty arvoa U = 0,30 kg vettä/kg kuivaa puuta, mikä vastaa kosteutta X = 23 % Sidottua vettä 0,63 kwh/kg vettä Vapaata vettä 3. Puun turpoaminen / kutistuminen Puu turpoaa kostuessaan ja kutistuu kuivuessaan, mutta vain kun kosteus on PSK-rajan alapuolella. PSK-raja: U = 30-33 % kosteus X = 23-25 % PSK-rajaa suuremmilla kosteuksilla puun (hakkeen) tilavuus ei enää riipu kosteudesta X. urpoaminen ja/tai kutistuminen on suurinta koivulla ollen maksimissaan noin 15 %, männyllä maksimi on noin 12 %. urpoaminen ja kutistuminen ovat keskenään likimain yhtä suuria. Puun turpoaminen/kutistuminen otettava huomioon esimerkiksi, kun määritetään hakkeen lämpöarvoa yksikössä kwh/i-m3 4
Esimerkki: mäntypuun todellinen tiheys (kg/m3) Veden tiheys 1000 kg/m3 Jos turpoamista ei ole huomioitu Kaatotuoreen männyn tiheys- ja kosteusalue Männyn kuivatiheys on noin 460 kg/m3 ja kuivatuoretiheys 405 kg/m3 Puuaineksen turpoaminen kostuessaan on otettu huomioon 4. Kostean hakkeen irtotiheys (kg/i-m3) Irtotiheys riippuu mm. puulajista, ohessa on joitakin kuivatuoretiheyksiä: koivu 490 kg/m3 mänty 405 kg/m3 leppä 400 kg/m3 kuusi 395 kg/m3 haapa 375 kg/m3 (kuiva-tuoretiheys on puun kuivamassa per puun tuoretilavuus) Irtotiheys riippuu luonnollisesti myös kosteudesta X Hakekasan tiiviys (v) määritellään hakkeen kiinteän puuaineksen osuutena sen irtotilavuudesta. 22 kg Usein käytetään vakioarvoa v = 0,40 m3/i-m3 eli 1 k-m3 puuta tuottaa 2,5 i-m3 haketta. - 25 kg Käytännössä tiiviys kuitenkin vaihtelee, ollen välillä 0,36 0,44, jolloin 1 irto-m3 sisältääkin 0,36 0,44 kiinto-m3 puuta. Mitä suurempi tiiviys, sitä suurempi on hakkeen irtotiheys: Paljonko painaa 100 litraa kosteudeltaan 27 % haketta? irtotiheys = tiiviys x märkätiheys 5
Mittaustulos riippuu liikaa mittausastian ravistelusta epävarmuutta! 5. Hakkeen energiasisältö Puun kuiva-aineen kalorimetrinen eli ylempi lämpöarvo (qcal) on kaikilla puulajeilla suunnilleen sama eli 19,5-20,5 MJ/kg ka. eli noin 5,6 kwh/kg ka. Puun tuhkattoman ja vedettömän kuivaaineen alkuainekoostumus on hakkeilla keskimäärin: Hiili C: 51-52 % Vety H: 6,0 6,2 % Rikki S: 0,003 % yppi N: 0,3 % Happi O: 41-42 % (loput) uhkaa on lisäksi noin 0,6 1,0 % ka:sta Kuiva-aineen tehollinen eli alempi lämpöarvo ottaa huomioon puun sisältämän vedyn palaessaan muodostaman veden höyrystämiseen kuluvan energian qalempi = qcal 0,2197 x H% qalempi = 18,7 MJ/kg ka. = 5,2 kwh/kg ka. Kosteus alentaa hakkeesta saatavaa todellista lämpöenergiaa, koska kaikki hakkeen sisältämä vesi täytyy höyrystää vesihöyryksi ja tämä vaatii paljon energiaa Standardikaava (+25 C): qstd = qalempi * (100 X)/100 0,02443X (jossa X = kosteusprosentti) Kaava ei kuitenkaan ota huomioon: turpoamista eikä kutistumista sidottua ja vapaata vettä hakkeen ja pal. ilman alkulämpötilaa 6
Hakkeen lämpösisältö hakekiloa kohti Kalorimetrinen lämpösisältö per hakekilo Alempi lämpösisältö per hakekilo Hakkeen todellinen lämpösisältö ARINALLA per hakekilo (kesä/talvi) Hakkeen lämpösisältö irtokuutiota kohti 7
Esimerkki kuorman energiasisällöstä Kuormassa on 15 i-m 3 kosteudeltaan 42 % haketta hakkeen irto-tiheys on 285 kg/i-m 3, jolloin kuorman massa on 4275 kg. Lavalla on periaatteessa energiaa alemman lämpöarvon mukainen määrä eli 858 kwh/i-m3 x 15 i-m3 = 12,9 MWh (tämä arvo ei riipu kosteudesta, jos X > 23 %) Hakkeen tuojalle maksetaan standardimallin mukaisesti 775 kwh/i-m3 eli 11,6 MWh perusteella! Kattilassa poltettuna tästä saadaan kuitenkin arinalla irti vain 742 kwh/i-m3 x 15 i-m3 = 11,1 MWh ja tästäkin vielä osa menee kattilan savukaasu-, tuhka- ym. häviöihin. KL-veden lämmittämiseen jää ehkä noin 9,0 MWh ja vain tästä asiakas maksaa energiaosuuskunnalle!!! 4275 kg x 2,72 kwh/kg = noin 11,6 MWh energiaa tästä maksetaan hakkeen tuojalle 4275 kg x 2,61 kwh/kg = noin 11,1 MWh energiaa tämän verran lämpöä irtoaa arinalla Lämpölaitokselle tulee 15 i-m3 haketta (Ko2Mä98 ja = +2 C). Hakkeen kosteus on 42 % (0,42 kg vettä per kg haketta). iiviys v = 0,40. Mittaussuunnitelmia Kälviän 2,0 MW lämpölaitos Savukaasujen O2 ja H2O, hiukkas- ja kaasumaiset (CO, CO2, SO2) päästöt Hake: koostumus elem. analyysi poltettu määrä kosteus tiheys lämpösisältö P, Ulkoilman olosuhteet: p,, kosteus, tuulisuus jne 2000 kw hakekattila Kaukolämpöveden massavirta, meno- ja paluuveden Ensiö- ja toisioilmamäärät 23.9.2009 uhka- ja kuonamittaukset (arina, konvektioosa) uotettu (toimitettu) lämpöenergia ja lämpöteho 8
Mittausjärjestelyt Kälviällä 3/2010 Poltettiin noin 3,9 i-m3 pääasiassa mäntypohjaista +2 C haketta (kosteus 27 %) hakkeen irtotiheys mitattiin punnitsemalla hakkeen tiiviys v = 0,40 k-m3/i-m3 (arvio) Hake syötettiin ruuville traktorin lavalta käsin lapioimalla. Kattilassa tuotettu energia mitattiin lukemalla lämpölaitoksen KL-energiamittaria. Mittausjakson pituus oli noin 2 tuntia (116 min). Saman aikaisesti mitattiin GASMEkaasuanalysaattorilla savukaasujen erilaisia kaasukomponenttien pitoisuuksia: H20, CO2, CO, CH4, SO2 jne happipitoisuutta ei mitattu Muita mitattuja asioita: hakkeen ja palamisilman lämpötila kattilahuoneen lämpötila hakevaraston lämpötila, ulkolämpötila Näytteet hakkeen kosteuden ja tuhkan hehkutusjäännöksen mittaamista varten mittaukset CENRIAn laboratoriossa Hake-erän lämpösisältö: kosteus 27 % SD:n mukaan 816 kwh/i-m3 ja todellisuudesssa 784 kwh/i-m3 kattilaan syötettiin hakkeen mukana energiaa 3,9 x 816 = 3182 kwh mittausjakson aikana (SD) KL-energiamittarin mukaan hakkeesta saatiin KL-energiaa 2596 kwh mittausjakson aikana. Kattilan hyötysuhteeksi tuli näin ollen: h = 2596/3182 = 81,5 % 9