Pien- tai mikro-chp-teknologiat tutkimus Jyväskylän yliopistossa Jukka Konttinen Jyväskylän yliopisto 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 Vaajakosken UE-laboratorio Aurinkolämpökeräimiä Rakenteilla mikro-chp-laitteisto lämmön ja sähkön tuottamiseksi puupelleteistä Biokaasun ja kaatopaikkakaasun hyödyntämisen tutkimusta Aurinko- ja tuulienergian sekä lämpöpumppujen demonstraatioita Taloustiede: Innovatiivisia ratkaisuja liiketoimintamalleihin Biojalostamot Biokaasun jakeluverkko Päästökauppa, energiaverotus, energiatehokkuus ja säästäminen Yhteiskuntatiede: Energiantuotannon sosiaaliset vaikutukset paikallisella tasolla
Viitasaaren energiaratkaisu (ABC) Tavoite: 97 % sähköstä ja lämmöstä uusiutuvilla. Uusituvan energian tuoton demonstrointi. Toteutus: Sähkön ja lämmön tuotanto käyttäen bioenergiaa, aurinkoja tuulienergiaa sekä lämpöä Keitelejärvestä. Rahoitus: KTM, Keskimaa Osk., Viitasaaren kaupunki, Euroopan aluekehitysrahasto (EAKR), ESR, Länsi-Suomen lääninhallitus 63.07 N 25.86 E
Lämpöpumpun ja aurinkolämpökeräinten tuotantolukuja ABC Viitasaari 2005-2007 kwh (heat) 24 000 22 000 20 000 18 000 16 000 14 000 12 000 10 000 8 000 6 000 4 000 2 000 0 Jrvilmp Aurinkolmp 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 Kuukausi Tasokeräimet TiNO x päällyste Kokonaisala 38 m 2 32 kw p, Kallistus 35 Suuntaus etelä Lämpöpumpun tuotto 133 MWh/v, n 60% kiinteistön lämmöntarpeesta, kuoletus 10-15v Aurinkolämpökeräinten tuotto 10 MWh/v, kuoletus n. 20v (sähkö 100 /MWh) Jouko Korppi-Tommola University of Jyväskylä 2008 Järvilämpöpumppu 290 kw, 7,5 km putkea Keiteleessä
Viitasaaren ABC-liikennemyymälän verkkoon kytketty aurinko-tuulisähköjärjestelmä 154 läpinäkyvää ASITHRU-30-SG ohutkalvo aurinkopaneelia Pinta-ala: 92,4 m 2 Nimellisteho: 4,2 kw p (DC) Paneelihyötysuhde:4,5 % Kallistuskulma: 5 WT 10P tuuliturbiini Nimellisteho: 10 kw p Roottorin halk.: 5,4 m Käynnistysnop.: 3,5 m/s Nimellisnop.: 12 m/s
Saarijärven keskuskoulun 6 kw:n aurinkosähköjärjestelmä Saarijärvien koulun aurinkosähköj. koulun katolla HIT (Heterojunction with Intrinsic Thin layer) aurinkosähköteknologia Kennon ja moduulin hyötysuhteet ovat 18,4 % ja 16,5 % Lähde: SANYO/HIT Photovoltaic Module
VaajakoskEN laboratorio Aurinkolämpökeräimet Testipaikka 6-10 m 2 keräimille -TiNO x- pinnoitettu paneeli - tyhjöputkikeräin - muoviputkikeräin - kumimattokeräin
Vedyntuotantoa Jyväskylän yliopiston aurinko- ja tuulisähköjärjestelmän avulla Aurinko- ja tuulisähkön varastointi vetynä Vedyn varastointi osana energiajärjestelmää
BIOKAASU Muodostuu orgaanisen aineen hajotessa hapettomissa olosuhteissa Muodostuu kaatopaikoilla, voidaan tuottaa jätevedenpuhdistamoiden lietteistä, biojätteistä, maatalouden lannoista, energiakasveista, elintarviketeollisuuden sivutuotteista Kaasun lähde CH 4 (%) CO 2 (%) N 2 (%) H 2 S (ppm) Jätevedenpuhdistamo 55-65 35-45 <1 10-40 Kaatopaikka 45-55 30-40 5-15 50-300
BIOKAASUN HYÖTYKÄYTTÖ Lämmön ja höyryn tuotanto Lämmön ja sähkön tuotanto Ajoneuvojen polttoaine Polttokennot Syöttö maakaasuverkkoon Kemikaalit Optimaalisin hyötykäyttömuoto riippuu useista eri tekijöistä, esim. sijainti, paikalliset olosuhteet, jakeluverkoston saatavuus, lainsäädäntö, sivutuotteet jne. Eri käyttökohteille eri kaasun puhtausvaatimukset
BIOKAASUA LABORATORIOSTA KÄYTÄNTÖÖN
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 https://www.jyu.fi/kemia/tutkimus/uusiutuva-energia/tutkimus/mikro-chp
Mikro-CHP-laitteisto Vaajakosken laboratoriossa 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! https://www.jyu.fi/kemia/tutkimus/uusiutuva-energia/tutkimus/mikro-chp
Teoreettisia virtauslaskelmia mikro-chplaitteiston suunnittelun avuksi a) b1) b2) λ=2,03, circ. 0% m= 48 g/s (λ=1,47, circ. 0%, m= 33 g/s) T f =1245 λ=1,47, circ. 46% m= 48 g/s Sec.+tert. 345 o C Sec.+tert. 558 o C T f =1173 T f = 1224 o C Clever air jet direction Example of CFD calculations: Fuel power 60 kw high lamda (a) and fuel gas recirculation (b) with equal mass flow of flue gas (Lähde: VTT)
Vaajakosken mikro-chp-laitteisto, tilanne Laitteisto rakennettu Viivästyksiä johtuen laitetoimituksista ja rahoituksesta Ensimmäiset pellettipoltto-koeajot suoritettu noin 20 kw th kapasiteetilla syksyllä 2009 Kirjallisuusselvitys pienen kokoluokan CHPlaitteistoista, yhteistyössä VTT:n kanssa, rahoittajat Keulink Oy sekä OSKE/Jyväskylä Innovation Oy
Vaajakosken mikro-chp-laitteisto, suunniteltuja jatkotoimenpiteitä Pellettipolton ajo täydellä kapasiteetilla (60 kw th ) Tuhkan käyttäytyminen lämpötiloissa > 1000 C, näytteitä mahdollisista depositioista lämmönvaihtimeen tuhkatase alkuaineittain Stirling-koneen asennus savukaasukanavaan ja koeajot Lämpösähköisten materiaalien asennus ja testaus (yhteistyö VTT:n kanssa) Mahdollinen lisäaineiden testaus pellettituhkan höyrystymisen vähentämiseksi Pien-sähkösuodin, mahdollinen testaus
Pien- tai mikro-chp-laitteistot kaasutukseen perustuen Myötävirtakaasutin, ns. häkäpönttö + kaasun puhdistus + kaasumoottori POLTTOAINE LTO KUIVUMINEN Moottori Sähkö PYROLYYSI ILMA HAPETTUMINEN ILMA PELKISTYMINEN 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 Vähemmän rohkaisevia kokemuksia Kokemäen ja Tervolan laitoksilta
Pien- tai mikro-chp-laitteistot, yhteistyö Jyväskylän yliopisto yhteistyössä seuraavien tahojen kanssa Yritykset: HT Enerco Oy Vapo Oy Gasek Oy Tutkimuslaitokset: Chydenius-keskus, Kokkola (JY & OY) Prof. Ulla Lassi, Oulun yliopisto www.chydenius.fi/yksikot/luonnontieteet/tutkimus/highbio-interreg-nord VTT Jyväskylän ammattikorkeakoulu (JAMK), Bioenergiakeskus (Saarijärvi) Rahoitus: TEKES, EAKR
YHTEENVETO Uusiutuvan energian tutkimus- ja koulutusohjelma Jyväskylän yliopistossa Poikkitieteellinen: luonnontieteet sekä yhteiskunta- ja taloustieteet Yksi painopiste bioenergia pienen mittakaavan paikalliset energiantuotantolaitokset (10 1000 kw e ) Oma pellettipolttoon perustuva mikro-chp-laitteisto rakennettu ja tutkimuksessa JY mukana kaasutukseen perustuvien CHP-laitteistojen kehitystyössä Myötävirtakaasutin + kaasun puhdistus + kaasumoottori Yhteistyö tutkimuslaitosten sekä keski- ja pohjoissuomalaisten yritysten kanssa