HANKESUUNNITELMA Viikinmäen jätevedenpuhdistamon biokaasumoottoreiden uusiminen ja pakokaasulämmön hyötykäytön tehostaminen Helsingin seudun ympäristöpalvelut -kuntayhtymä Samkommunen Helsingforsregionens miljötjänster Helsinki Region Environmental Services Authority
Helsingin seudun ympäristöpalvelut -kuntayhtymä Opastinsilta 6 A 00520 Helsinki puhelin 09 156 11 faksi 09 1561 2011 www.hsy.fi Lisätietoja Kari Reinikainen, puhelin 09 1561 3440 kari.reinikainen@hsy.fi Copyright Kartat, graafit, ja muut kuvat: HSY Kansikuva: HSY
Sisällys 1 Johdanto 4 2 Hanke-esittely 5 2.1 Biokaasumoottori... 5 2.2 ORC-prosessi... 5 3 Hankkeen suunnittelu 7 3.1 Biokaasumoottori... 7 3.2 ORC-prosessi... 7 4 Aikataulu 8 5 Investointikustannukset ja kannattavuus 9 5.1 Hankkeen kustannukset... 9 5.2 Biokaasumoottoreiden kannattavuus... 10 5.3 ORC-prosessi... 10
1 Johdanto Viikinmäen jätevedenpuhdistamo palvelee Helsingin metropolialueen noin 850 000 asukkaan jätevedenpuhdistusta. Jätevedenpuhdistuksen sivutuotteena syntyy lietettä, joka mädätetään laitosalueella sijaitsevissa neljässä mädättämössä. Syntyvä biokaasu kerätään talteen ja hyödynnetään laitoksen omassa voimalaitoksessa. Lietejae kuivataan ja kuljetetaan jatkojalostukseen multatuotteeksi. Viikinmäen jätevedenpuhdistamon voimalaitos on otettu käyttöön 1994 ja osa laitoksen konekannasta on alkuperäistä vuodelta 1994. Alkuperäisiä kaasumoottoreita on 2 kpl (2*0,7 MW). ja kaasudiesel-koneita 1 kpl (0,8 MW). Voimalaitokselle hankittiin vuonna 2009 viides kaasumoottori (1 MW) tehostamaan sähkön tuotantoa ja vähentämään ylijäämäkaasun polttoa. Vuonna 2012 investoitiin kuudes kaasumoottori (1,6 MW) kasvavien kaasumassojen käsittelyyn, energiatehokkuutta kasvattamaan ja toimintavarmuutta lisäämään. Vuonna 2012 hankittu kaasumoottori korvasi olemassa olevan kaasumoottorin, joten laitteistojen kokonaismäärä on edelleen viisi moottoria. Edellisen kaasumoottorihankinnan aikana investoitiin voimalaitokselle myös oma ORCvoimalaitoskokonaisuus. ORC-laitteisto on otettu käyttöön vuoden 2014 alussa. ORC-laitteiston avulla tuotetaan kaasumoottorista poistuvasta pakokaasusta sähköä. Kaasumoottori ja ORC-laitteiston hankinnalle saatiin Työ- ja elinkeinoministeriön energiatukea. Vuosina 1994 ja 2009 hankituille kaasumoottoreille ei ole aikanaan haettu investointitukea. Viikinmäen voimalaitoksen tuottama sähkö hyödynnetään Viikinmäen jätevedenpuhdistamon prosessisähkönä. Laitoksen energiaomavaraisuus on sähkön suhteen tällä hetkellä noin 70 % ja lämmön suhteen 100 %. Puhdistamon sähkön tuotannon omavaraisuusaste on parantunut viime vuosina merkittävästi. Keskeisessä roolissa ovat uuden teknologian mukaiset tehokkaat kaasumoottorit, joiden avulla samasta kaasumäärästä pystytään tuottamaan aiempaa enemmän sähköä sekä energiankulutuksen vähentämiseksi tehdyt toimenpiteet. Nykyisen energiatuotannon energiatehokkuutta voidaan parantaa edelleen, korvaamalla teknisen käyttöikänsä loppuvaiheessa olevat alkuperäiset kaasumoottorit uusilla. Sähkön tuotantoa pyritään lisäämään myös tehostamalla puhdistamon lämmön talteenottoa ja pienentämällä puhdistamon lämmönkulutusta, jolloin yhä suurempi osa biokaasusta voidaan hyödyntää sähkön tuotannossa. Kaasumäärän lisääntyminen edellyttää myös riittävää kaasumoottorikapasiteettia. ORClaitteistolla voidaan edelleen lisätä kaasusta saatavan sähköenergian määrää.
2 Hanke-esittely Viikinmäen jätevedenpuhdistamon kaasumoottorihanke on osa HSY:n energiatehokkuusohjelmaa, jolla lisätään HSY:n energiaomavaraisuutta. Viikinmäen puhdistamon tavoitteena on 100 % energiaomavaraisuus. Tämä tavoite vaatii jatkuvaa prosessin energiakulutuksen vähentämistä sekä voimalaitoksen energiatehokkuuden parantamista. Uuden sukupolven kaasumoottorista on nyt Viikinmäessä useamman vuoden käyttökokemukset ja niiden tuoma energiatehokkuushyöty on merkittävä suhteessa 90- luvun alun konekantaan. Tuotantovarmuuden vuoksi vanhan konekannan uusimista on jatkettava, muuten nykyisenkään tasoista tuotantoa ei kyetä ylläpitämään. 2.1 Biokaasumoottori Viikinmäen alkuperäiset biokaasukaasumoottorit on otettu käyttöön mädättämötoiminnan käynnistyttyä syksyllä 1994. Konekanta on tuottanut vuotuisella tasolla sähköä noin 20-28 GWh ilman vakavia käyttöhäiriöitä. Laitteet ovat kuitenkin selvästi teknisen käyttöikänsä päässä, varaosien saanti alkuperäisiin koneisiin on jo tällä hetkellä hankalaa ja koneita ohjaaviin sähköjärjestelmiin on jo tullut vakavia vikoja. Moottorit uusitaan kapasiteetiltaan nykyistä suuremmiksi ja energiatehokkaimmiksi. Aiempien hankkeiden myötä on käynnistynyt biokaasumoottoreiden uudistamisprosessi ja ensimmäinen vanhan moottorin korvaava laite on otettu käyttöön 2013 tammikuussa. Tämän nyt esitetyn hankesuunnitelman kautta käynnistyy kahden seuraavan, alkuperäisen biokaasumoottorin uudistamisprosessi ja investoitavat laitteet tulevat korvaamaan vanhat moottorit. Viikinmäen jätevedenpuhdistamolle hankittavat biokaasumoottorit edustavat nykyaikaista tehokasta moottoritekniikkaa. Biokaasumoottorien hankinnassa tullaan käyttämään neuvottelumenettelyä ilman tarjouskilpailua. Viikinmäen biokaasuvoimala on yksi kokonaisuus ja kaasumoottoreiden tulee olla mahdollisimman samankaltaisia. Toimittajan mahdollinen vaihtuminen johtaisi teknisiltä ominaisuuksiltaan erilaisten laitteiden, varaosien ja materiaalien hankkimiseen ja aiheuttaisi yhteensopimattomuutta sekä suhteettoman suuria teknisiä vaikeuksia käytössä ja kunnossapidossa. Lisäksi kriittisten varaosien varastointi muodostuisi jatkossa ongelmalliseksi. Viikinmäen viidennen biokaasumoottorin avoin kilpailutus on tehty 2009. Kuudes kaasumoottori hankittiin 2012 vuoden 2009 kilpailutuksen pohjalta. Saatujen budjettitarjousten mukaan hintataso ei kaasumoottoreiden osalta ole tässä ajassa oleellisesti muuttunut. Kaasumoottorihankinnan osuus koko hankkeen kustannuksista on noin 60 %. Uudet kaasumoottorit tulevat korvamaan kaksi nykyistä moottoria ja näin ollen hankkeeseen tulee liittymään vanhojen purku- ja uusien moottorien vaatimia rakenneja putkistotöitä. Kaasumoottorin asennus- ja putkistourakka kilpailutetaan hankkeen osana erikseen. Hankkeen valmisteluun liittyvät esiselvitykset hinnoittelun ja suorahankinnan osalta on tehty vaikka biokaasumoottorien hankintapäätöstä ei ole HSY:ssä vielä tehty. Hankittavat biokaasumoottorit ovat kapasiteetiltaan noin 1,6 MW eli ne olisivat kapasiteetiltaan vastaavia kuin vuonna 2012 hankittu moottori, ja ne ovat korvattavia kaasumoottoreita suurempia. Tämän lisäksi uuden konekannan sähkön tuottoteho on yli 41 % ja lämpöteho 44 % luokkaa, mikä on selkeä ero vanhojen moottoreiden (á 0,7 MW) vastaavaan tasoon (arvio 34 % /45 %). Uuden moottorin kautta saavutetaan lähes 20 % moottorikohtainen energiatehokkuuden nousu suhteessa käytettyyn kaasumäärään. Tämän lisäksi käyttövarmuuden ja kapasiteetin noston kautta voidaan minimoida ylijäämäkaasunpolttotarve. Biokaasun voimatuotanto on osa nykyistä Viikinmäen ympäristölupaa eikä kaasumoottorien uusiminen edellytä muutoksia lupaan. Viikinmäen toiminnalle on haettu uutta ympäristölupaa, hakemus on vielä käsittelyssä. Kaasumoottoreiden hankintaprojektiin ei liity rakennusluvan alaisia toimenpiteitä. 2.2 ORC-prosessi ORC-prosessilla tarkoitetaan orgaanista kiertoainetta käyttävää Rankine-prosessia (Organic Rankine Cycle), jolla voidaan tuottaa sähköä kaasumoottorien pakokaasun lämmöstä. Prosessi soveltuu erityisesti matalien
lämpötilojen hyödyntämiseen ollen ns. uutta teknologiaa. Itse ORC-kone on höyryturbiiniin perustuva voimakone, jossa höyrystinpiiri liitetään kuumaöljykierron välityksellä lämmön lähteeseen tai höyrystin sijoitetaan suoraan savukaasukanavaan kuten kuvassa 1 on esitetty. ORC-kone tuottaa sähköä noin 15-20 % sen käyttämästä lämpövirrasta, kun lämmön lähteen lämpötila on 300-500 C. Mahdollinen uusi ORC-laitteisto mitoitetaan uusien biokaasumoottoreiden mukaisesti. Lähtökohtaisesti yhdelle ORC-laitteistolle johdetaan kahden kaasumoottorin pakokaasulämpö. Tilantarpeen osalta laitteisto on mahdollista ottaa käyttöön nykyisissä tiloissa ja erillistä rakennuslupaa sille ei tarvita. Vastaavasti Viikinmäen ympäristölupaprosessi kattaa nykyisellään biokaasuvoimatuotannon ja ORC-koneen käyttöönotosta Viikinmäen toiminnalle on haettu uutta ympäristölupaa 2013, jossa silloin meneillään ollut ORC-laitteiston hankinta on ollut mukana. Uudessa lupahakemuksessa lietteenkäsittely ja voimatuotanto on luvitettu viranomaisten toiveesta nykyistä selkeämmin ja tarkemmin omaksi osaprosessikseen. Toiminnan luonteesta johtuen muita viranomaislupia ei tarvitse tälle hankkeelle hakea. Vuonna 2013 hankitussa ORC-laitteistossa on ollut käyttöönottoon liittyviä haasteita. Tässä hankesuunnitelmassa lähtökohtana on se, että hankkeen ensimmäisessä vaiheessa hankitaan uudet kaasumoottorit ja ORC laitteiston lopullinen hankintapäätös tehdään vasta, kun nykyisen laitteiston käytettävyys on varmistunut. Näin ollen tämä hankesuunnitelma sisältää ORC-laitteiston, ja moottoreiden uusinnassa tullaan ottamaan huomioon ORC-laitteiston mahdollinen jälkiasennus.
3 Hankkeen suunnittelu 3.1 Biokaasumoottori Biokaasumoottorien hankekokonaisuus muodostuu varsinaisista kaasumoottoritoimituksista. Lisäksi ns. alihankkeita päähankkeelle ovat automaatio- ja sähkökokonaisuus, koneisto ja LVI-hanke, prosessilaitehanke, putkistohanke, ja rakenne- ja purkutyöhanke sekä ORC-laitteistohanke. Hanke käynnistyy vaiheittain. Ensimmäisessä vaiheessa projekti aloitetaan yhden vanhan biokaasumoottorin purkutöillä, minkä jälkeen voidaan edetä rakennetöiden osalta. Putkisto-, sähkö-, LVI- ja automaatioasennuksissa hankkeet käynnistyvät limittäin rakennetöiden kanssa, mutta varsinaiset loppuasennukset tehdään biokaasumoottorin saavuttua laitokselle. Biokaasumoottorin toimitusaika tilauksesta on noin 6 kk. Hankintaa jatketaan seuraavassa vaiheessa aloittamalla vanhan biokaasumoottorin purkutöillä ja jatketaan rakennetöiden osalta vastaavasti ensimmäisen vaiheen kanssa. 3.2 ORC-prosessi Aikaisemmin hankittu ORC-laitteisto on toteutettu Triogenin laitteistolla, joka on ns. suorahöyrytysmenetelmä. Mahdolliseen uuteen laitteeseen voidaan johtaa molempien uusien kaasumoottoreiden pakokaasut, jolloin yhden laitteiston hankinta olisi riittävä.
4 Aikataulu Biokaasumoottorin investointiaikataulun karkea jako on esitetty kuvassa 2. Hankinnan päätöksestä ensimmäisen moottorin käyttöönottoon on arvioitu kuluvan 10 kk. Biokaasumoottorin varsinainen projektisuunnittelu toteutetaan vastaavasti kuin vuoden 2012 projekti ja se on näin ollen nopeasti käynnistettävissä. ORC-voimalan investointiaikataulun karkea jako on esitetty kuvassa 2, ja hankinnan päätöksestä käyttöönottoon on arvioitu kuluvan 12 kk. ORC-voimalan hankintatapa on riippuvainen nykyisin käytössä olevan laitteiston käyttökokemuksista. Hankinta tehdään hankintalain sallimana suorahankintana nykyisen laitteiston toimittajalta tai vaihtoehtoisesti kilpailutetaan uusi toimittaja. Hankkeen eteneminen voi alkaa vasta, kun päätökset uuden biokaasumoottorihankinnan osalta on tehty ja edellisen ORC-laitehankinnan toiminta on vakiintunut. Sitä kautta saatavilla ovat vahvistuneet tekniset alkutiedot pakokaasun energiamääristä ja itse prosessin toimintavarmuudesta. Kuva 2. Hankkeiden yleisaikataulu
5 Investointikustannukset ja kannattavuus Biokaasumoottorien - ja ORC-voimalahankkeiden osalta investointi- ja kannattavuuslaskennat on esitetty tässä erillisinä laskelmina. 5.1 Hankkeen kustannukset Kahden kaasumoottorin uusimisen kustannusarvio 2,7 M. Kustannusarvio perustuu saatuihin budjettihintoihin sekä vuonna 2012 toteutetun kaasumoottorihankkeen toteutuneisiin kustannuksiin. Investointihankkeen kustannuserittely on koottu taulukkoon 1. Investoinnille haetaan energiatukea ELYkeskukselta. Tuki hankkeelle voi olla luokkaa 10-20 %. Mahdollista tukea ei ole huomioitu investointierittelyssä. Taulukko 1. Viikinmäen kaasumoottoreiden uusinnan investointikustannukset. Investointi Kaasumoottori-investointi -1 400 000 Kaasumoottorin päälaitteet -160 000 Kaasunpuhdistuslaitteisto -200 000 Automaatio ja sähkö -275 000 Putkisto, laitteet, asennusurakka -400 000 Valvonta, käyttöönotto, takuuajot -70 000 Rakennetyöt -125 000 Suunnittelu ja hallinnointi -70 000 Yhteensä -2 700 000 ORC-laitteiston hankinnan kustannusarvio on 1,0 M. Hankkeen kustannuserittely on koottu taulukkoon 2. Investoinnille haetaan uuden teknologian energiatukea TEM:iltä. ORC-tekniikka edustaa ns. uutta teknologiaa, jolloin tuki hankkeelle voi olla jopa 40 %. Mahdollista tukea ei ole huomioitu investointierittelyssä. Taulukko 2. ORC-laitteiston hankinnan investointikustannukset Investointi ORC-investointi -800 000 Automaatio ja sähkö -80 000 Putkisto -40 000 Rakennetyöt -50 000 Valvonta, käyttöönotto, takuuajot -10 000 Suunnittelu ja hallinnointi -20 000 Yhteensä -1 000 000
5.2 Biokaasumoottoreiden kannattavuus Biokaasumoottorien osalta investointi- ja kannattavuuslaskelmat perustuvat olemassa olevan konekannan tuntemukseen, vuosien 2009 ja 2012 investointien taloudelliseen ja tekniseen toteumaan ja kokemuksiin projektin hallinnasta sekä tarjoukseen uudesta 1,6 MW kaasumoottorista. Kahden kaasumoottorin sähkön tuotannon arvo on 1,9 M vuodessa (7500 h/vuosi). Käytännössä tuotantomäärä jää jonkin verran pienemmäksi muodostuvan biokaasun määrästä johtuen. Hankkeen takaisinmaksuaika on alle 2 vuotta, mikäli vertailukohtana on tilanne jossa sähköä ei enää vanhoilla moottoreilla kyetä tuottamaan. Uusien kaasumoottoreiden sähköhyötysuhde on 41 %, kun hyötysuhde vanhoilla moottoreilla on 34 %. Paremman hyötysuhteen vuoksi samalla kaasumäärällä voidaan uusilla moottoreilla tuottaa 2,3 GWh enemmän sähköä. Sähkön tuotannon lisäyksen arvo on 180 000 vuodessa. Lisäksi käyttökustannuksissa arvioidaan saatavan noin 60 000 vuosittainen säästö. Huomioitaessa sähkön tuotannosta ainoastaan parantunut hyötysuhde, saadaan takaisinmaksuajaksi noin 15 vuotta. Mahdollinen TEM:n energiatuki lyhentää takaisinmaksuaikaa. 5.3 ORC-prosessi Käyttöönotettava ORC-prosessi lisää sähköenergian tuotantoa 1,1 GWh vuodessa. Sähkön tuotannon arvo on noin 90 000 vuodessa, jolloin takaisinmaksuaika hankkeelle on noin 12 vuotta. Mahdollinen TEM:n energiatuki lyhentää takaisinmaksuaikaa merkittävästi.