SÄHKÖN JA LÄMMÖN YHTEISTUOTANNON TEKNOLOGIOIDEN VAIHTOEHDOT PIENEN KOKOLUOKAN PUUTEOLLISUUDESSA

KARELIA-AMMATTIKORKEAKOULU Poveria Biomassasta -hanke Toni Kortelainen SÄHKÖN JA LÄMMÖN YHTEISTUOTANNON TEKNOLOGIOIDEN VAIHTOEHDOT PIENEN KOKOLUOKAN PUUTEOLLISUUDESSA Teknologiaselvitys Toukokuu 2017

Sisällys 1 Johdanto... 6 1.1 Taustaa... 6 1.2 Keskeiset käsitteet... 7 2 Puuperäisiä polttoaineita hyödyntävät pien-chp-tekniikat... 9 2.1 Polttomoottorit ja kaasuturbiinit... 11 2.2 Höyryturbiinit ja muut höyryvoimalaitteet... 16 2.3 Muut välittäjäaineisiin pohjautuvat tekniikat... 20 2.4 Polttokennot... 25 3 Sivuvirtana muodostuva puupohjainen polttoaine... 29 3.1 Teollisuuden sivutuotepuu... 29 3.2 Teollisuuden sivutuotepuun haasteet... 30 3.3 Teollisuuden sivutuotepuun mahdollisuudet... 32 4 Pien-CHP -laitosten luvat, tuet ja verotus... 34 4.1 Luvat... 34 4.2 Tuet... 34 4.3 Verotus... 35 4.4 Kustannusrakenne... 36 4.5 Sähköverkkoon liittyminen ja sähkön myynti... 37 5 Pien-CHP laitemitoitukset... 39 5.1 Lähtötilanne ja -arvot... 39 5.2 Vaihtoehto 1. Kaasutukseen perustuva CHP-laitos... 40 5.3 Vaihtoehto 2. ORC-tekniikkaan perustuva CHP-laitos... 43 6 Taloudellinen kannattavuus... 45 6.1 Lähtöarvot... 45 6.2 Vaihtoehto 1. Kaasutukseen perustuva CHP-laitos... 47 6.3 Vaihtoehto 2. ORC-tekniikkaan perustuva CHP-laitos... 49 6.4 Tulosten vertailu ja herkkyysanalyysi... 49 7 Päätäntö/Pohdinta... 53 Lähteet... 57 Kuvat Kuva 1. Kuva 2. Kuva 3. Kuva 4. Kuva 5. Kuva 6. Kuva 7. Kuva 8. Kuva 9. Kuva 10. Kuva 11. Kuva 12. Kuva 13. Kuva 14. Kuva 15. Sähkön ja lämmön yhteistuotannon periaate. Yhteis- ja erillistuotannon erot. Nelitahtisen dieselmoottorin halkileikkaus ja tärkeimmät osat. Volterin 140 kw pien-chp-voimalan 40 kwe kaasumoottori Kareliaamk:n Sirkkalan Energiapuistossa. Kaasutintyypit. Kaasuturbiinilla toimivan pien-chp-voimalan toimintaperiaate lämmön talteenotolla, ns. kombi-prosessi. Mikroturbiinilla toimivan pien-chp-voimalan toimintaperiaate. Rankine-kiertoprosessin toimintaperiaate. Clausius-Rankine-kiertoprosessin toimintaperiaate. Vastapaineturbiini (vas.) ja lauhdeturbiini väliotolla. Vastapainehöyryturbiinilla toimivan kaukolämpövoimalaitoksen toimintaperiaate. ORC-kierron periaate CHP-laitoksessa. Piirros Turbodenin ORC-yksiköstä. Stirling-moottorin Alfa ja Beta kokoonpanojen toimintaperiaate. Stirling-moottorin Gamma kokoonpanon toimintaperiaate.

Kuva 16. Kuva 17. Kuva 18. Kuva 19. Kuva 20. Kuva 21. Kuva 22. Kuva 23. Kuva 24. Stirling-moottorilla toimivan CHP-laitoksen toimintaperiaate. Fosforihappopolttokennon (PAFC) toimintaperiaate. Alkali- (AFC) ja sulakarbonaattipolttokennon (MCFC) toimintaperiaate. Protoninvaihto- (PEMFC) ja kiinteäoksidipolttokennon (SOFC) toimintaperiaate. Esimerkki yhdistetyn järjestelmän (polttokenno-kaasuturbiini) toimintaperiaatteesta. Kutterinlastua kotimaisen höyläämön välivarastolla. Sähkön osto- ja myyntihinnan rakenne sekä mittakaava pientuotannon hyödyistä. Pientuotantoteknologioiden sähkön tuotantokustannusten vaihteluvälit verrattuna markkinasähkön (spot) ja ostosähkön hintaan. Toholammin Energia Oy:n ORC-laitos. Kuviot Kuvio 1. Kuvio 2. Kuvio 3. Kuvio 4. Kuvio 5. Kuvio 6. Esimerkki pienpuuteollisuuden sähkönkulutuksen jakautumisesta vuorokauden aikana. Lämpökuorman mukaan mitoitetun kaasutin-kaasumoottori CHPlaitoksen tuotanto. Sähkötehontarpeen mukaan mitoitetun kaasutin-kaasumoottori CHP-laitoksen tuotanto. Lämpökuorman mukaan mitoitetun ORC-laitoksen tuotanto. Sähkötehontarpeen mukaan mitoitetun ORC-laitoksen tuotanto. Uuden biokattilan ja vanhan kevytöljykattilan lämmöntuotanto. Taulukot Taulukko 1. Keskimääräisiä ominaisuuksia teollisuuden sivutuotepuulle. Taulukko 2. Uusiutuvan energian tukimallit Suomessa. Taulukko 3. Puupolttoainevoimaloiden tuotantotukien taso ja saamisen edellytykset. Taulukko 4. CHP-laitteistojen kustannustaso Taulukko 5. Mitoituksen lähtötiedot. Taulukko 6. Vaihtoehdon 1 lähtötiedot. Taulukko 7. Vaihtoehdon 1 mitoitustulokset. Taulukko 8. Vaihtoehdon 2 lähtötiedot. Taulukko 9. Vaihtoehdon 2 mitoitustulokset. Taulukko 10. Kannattavuuslaskelmien yhteiset nimittäjät. Taulukko 11. Vaihtoehdon 1 kannattavuus. Taulukko 12. Vaihtoehdon 2 kannattavuus. Taulukko 13. Sivutuotepuun myyntihinnan vaikutus CHP-laitosten kannattavuuteen. Taulukko 14. Käyttö- ja kunnossapitokustannusten vaikutus CHP-laitosten kannattavuuteen. Taulukko 15. Korkokannan vaikutus CHP-laitosten kannattavuuteen. Taulukko 16. Uuden teknologian korotetun tuen vaikutus CHP-laitosten kannattavuuteen.

Lyhenteet CHP HAT ORC PAFC AFC MCFC PEMFC SOFC TRL HKA yhdistetty sähkön- ja lämmöntuotanto (Combined Heat and Power) kuumailmaturbiini (Hot Air Turbine) orgaaninen Rankine-kiertoprosessi (Organic Rankine Cycle) fosforihappopolttokenno (Phosphoric Acid Fuel Cell) alkalipolttokenno (Alkaline Fuel Cell) sulakarbonaattipolttokenno (Molten Carbonate Fuel Cell) protoninvaihtopolttokenno (Proton Exchange Membrane/ Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell) kiinteäoksidipolttokenno (Solid Oxide Fuel Cell) teknologian valmiusaste (Technology Readiness Level) huipunkäyttöaika C celsiusaste m 3 kuutiometri i-m 3 irtokuutiometri mm millimetri ha hehtaari hs hyötysuhde kg kilogramma t tonni kw kilowatti kwh kilowattitunti kwe kilowatti, sähköteho kwth kilowatti, lämpöteho MWh megawattitunti MJ megajoule d kuiva-aines, kuivana (dry) ar saapumistilassa (as received) p-% painoprosentti, massaprosentti toe tonnes of oil equivalent, öljyekvivalenttitonni A tuhkapitoisuus [p-%] BD irtotiheys saapumistilassa [kg/m 3 ] E energiatiheys [MWh/m 3 ] Ear energiatiheys saapumistilassa [MWh/m 3 ] F hienoaineksen määrä (< 3,15 mm) [p-%] Mar kokonaiskosteus saapumistilassa [p-%] Q tehollinen lämpöarvo vakiopaineessa [kwh/kg, MWh/t] qp,net,d tehollinen lämpöarvo vakiopaineessa kuiva-aineessa [MJ/kg] qv,gr,d kalorimetrinen lämpöarvo vakiotilavuudessa, kuiva-aineessa [MJ/kg] W toimitettu energiamäärä saapumistilassa [MWh/t]

6 1 Johdanto 1.1 Taustaa Tämä teknologiaselvitys on teknistaloudellinen tarkastelu. Selvityksen tavoitteena on kartoittaa lyhyesti kotimaisen pienpuuteollisuuden mahdollisuudet pienen mittakaavan yhdistettyyn lämmön- ja sähköntuotantoon (pien-chp). Työn tietoperusta pohjautuu uusiutuvan energian teoksiin ja virallisiin julkaisuihin, sekä kotimaisilta laitevalmistajilta saatuihin tietoihin. Loppupäätelmät pohjautuvat taloudellisen vertailun lisäksi selvityksen ohessa kirjoitetun opinnäytetyön havaintoihin. Yleisesti pienteollisuudella tarkoitetaan pienyritysten tuotantomuotoa, joka sijoittuu käsityön ja keskisuuren teollisuuden väliin. Pienpuuteollisuus voidaan määritellä monella perusteella, kuten henkilöstömäärällä, liikevaihdolla tai tuotantomäärillä. Tässä selvityksessä pienpuuteollisuudella kuitenkin viitataan puuteollisuuden yrityksiin, joiden energiantarve sijoittuu yhteisteholtaan 200 kw 1000 kw väliin. Yritysten kokoluokan rajaus energiankulutuksen mukaan on toimivin ratkaisu teknologiaselvitystä tehdessä. Teknologiaselvityksen toimeksiantajina toimivat Karelia-ammattikorkeakoulu ja Poveria biomassasta -hanke (hanke nro. 6124).

7 1.2 Keskeiset käsitteet Energiatiheys Lämpöarvo tilavuutta kohti (kts. lämpöarvo) [E, MWh/m 3 ]. (Alakangas ym. 2016, 13.) Huipunkäyttöaika Tuntimäärä, joka laitoksen tulee toimia nimellistehollaan vuosituoton saavuttamiseksi. Maksimiarvo on vuodessa oleva tuntien määrä (8760 h). (Tampereen teknillinen yliopisto 2013.) Investointikustannukset eli hankintamenot sisältävät kaikki kustannukset, joita syntyy ennen investoinnin käyttöönottoa (esim. laitteet, tontti ja rakenteet) [ /kw]. (Pulkkinen 2005, 212.) Irtotiheys Biopolttoaineen tilavuuspaino kuormatilavuutta kohti [BD, kg/m 3 ]. (Alakangas ym. 2016, 10.) Jäännösarvo Investoinnin arvo investointiajanjakson lopussa. (Karjalainen 2005, 99.) Korkokanta Korkokanta ilmoittaa, kuinka monta prosenttia yhden vuoden (korkojakson) korko on pääomasta. (Karjalainen 2005, 61.) Käyttö- ja kunnossapitokustannus Laitteen huolto-, vakuutus-, korjaus- ja hallinnointikustannukset [ /MWh]. (Pappinen 2017.) Lämpöarvo Täydellisessä palamisessa kehittyvän lämmön määrä polttoaineen massaa kohti [Q, MJ/kg]. (Alakangas ym. 2016, 13.)

8 Nimellisteho Valmistajan ilmoittama laitoksen maksimiteho optimiolosuhteissa. Rakennussuhde CHP-laitoksen sähköntuotanto suhteessa lämmöntuotantoon (0,1 0,5). (Aaltonen & Ukkonen 2008, 5.) Tehollinen lämpöarvo eli alempi lämpöarvo. Lämpömäärä joka syntyy poltettaessa yksi massayksikkö polttoainetta, kun palamisen yhteydessä kehittyvä vesi höyrystyy ja jäähtyy takaisin alkulämpötilaan pysyen höyryn muodossa [qnet, dry, MJ/kg]. (Alakangas ym. 2016, 18.) Tuotantokustannus Tuotantokustannus sisältää kaikki kiinteät kustannukset (kuten laitteet ja rakennukset) sekä muuttuvat kustannukset (esim. käyttö- ja kunnossapitokustannukset, polttoaineen hinnan sekä ostosähkön hinnan) [ /MWh]. (Pulkkinen 2005, 212.)

9 2 Puuperäisiä polttoaineita hyödyntävät pien-chp-tekniikat Erinäisiin polttoprosesseihin pohjautuvat tekniikat muodostavat merkittävän osan hajautetun energiantuotannon kokonaispotentiaalista. Polttoprosesseihin pohjautuvilla tekniikoilla tuotetaan lämpöä, joka valjastetaan generaattoreiden avulla sähköenergiaksi. Tätä kutsutaan sähkön ja lämmön yhteistuotannoksi (CHP) (kuva 1). (Vihanninjoki 2015, 15.) Yhteistuotantolaitosten kokoluokat vaihtelevat muutamista kilowateista satoihin megawatteihin. CHP-laitokset jaetaan koon perusteella kolmeen luokkaan: mikro-chp, pien-chp ja suuren kokoluokan CHP-laitokset. (Laurila & Lauhanen 2011, 12.) Jako ei kuitenkaan ole täysin yksiselitteinen. Etenkin mikro- ja pien- CHP-laitokset voivat mennä helposti sekaisin. Mikro-CHP-laitosten nimellistehon ylärajana voidaan pitää 50 kilowattia. (Hintikka 2004, 2.) Kuva 1. Sähkön ja lämmön yhteistuotannon periaate (Kuva: Northern Utilities). Motivan määritelmän mukaan pienen kokoluokan sähkön ja lämmön yhteistuotannolla (pien-chp) tarkoitetaan pienvoimalaa, jonka sähköntuotantoteho on 1 2 MWe ja lämpöteho 3 5 MWth. (Motiva 2014a.) Poikkeaviakin näkemyksiä pien- CHP-laitosten kokoluokan määritelmästä on. Haaviston (2010, 2) Puupolttoaineisiin perustuvat pien-chp-tekniikat raportin mukaan pienen kokoluokan CHPtekniikkoihin luokitellaan sellaiset sähkön ja lämmön yhteistuotantojärjestelmät,

10 joiden sähköteho on alle 1000 kwe. Myös Oulun rakennusvalvonnan ohjekortin (2016, 2) mukaan pien-chp:n sähköteho vaihtelee välillä 10 1000 kwe. Näiden tietojen pohjalta tässä työssä pien-chp -laitoksista puhuttaessa viitataan voimaloihin, joiden sähköteho on 10 1000 kwe. Kokonaishyötysuhteeltaan pien-chp-laitokset ovat yleensä 80 95 % luokkaa. Sähkön tuotannon hyötysuhde vaihtelee 10 40 % välillä voimalan kokoluokasta ja tekniikasta riippuen. (Haavisto 2010, 2.) Pien-CHP-tekniikoiden vertailu on nähtävissä liitteessä 1 ja polttoaineiden soveltuvuus liitteessä 2. Kuva 2. Yhteis- ja erillistuotannon erot (Kuva: Flyktman 2013). Pien-CHP tuotetaan pääosin neljällä eri perustekniikalla (Motiva 2014a): - Polttomoottorit ja kaasuturbiinit - Höyryturbiinit ja muut höyryvoimalaitteet - Muut välittäjäaineisiin pohjautuvat tekniikat - Polttokennot.

11 2.1 Polttomoottorit ja kaasuturbiinit Tähän kategoriaan sisältyvät polttomoottorit (kaasu- ja dieselmoottorit), kaasuturbiinit, mikroturbiinit, sekä kuumailmaturbiinit (HAT). Kappaleessa käydään läpi myös biomassan kaasutuksen periaate, jolla voidaan valmistaa puupohjaisista raaka-aineista kaasumaista polttoainetta kaasumoottoreille ja -turbiineille. Polttomoottoreiden ja kaasuturbiinien toiminta perustuu sisäiseen palamiseen. Polttomoottorissa kaasumaisen tai nestemäisen polttoaineen ja ilman muodostama seos syötetään sylinteriin. Sylinterissä sytytetty seos palaa räjähdysmäisesti, mistä aiheutuva palotilan paine työntää mäntää kohti kampiakselia. Männän liike työntää kiertokankea, joka aikaansaa kampiakselin pyörimisliikkeen. Kampiakselin pyörimisen liike-energia siirretään sähkögeneraattoriin (kuva 3). Polttomoottoria kutsutaan polttoaineesta riippuen myös diesel- tai kaasumoottoriksi. (Takalo 2013, 4 5.) Polttomoottorit ovat ns. avoimia prosesseja, joissa työaine eli ilman ja polttoaineen seos vaihtuu jatkuvasti. (Hirvonen 2016.) Kuva 3. Nelitahtisen dieselmoottorin halkileikkaus ja tärkeimmät osat (Kuva: Rockwell).

12 Kokoluokaltaan kaasumoottorit ovat muutamista kilowateista ylöspäin. Kaasumoottorit ovat olleet pien-chp-laitoksissa kaupallisesti hallitsevassa asemassa. (Pesola ym. 2010, 28.) Syynä tähän on todennäköisesti se, että polttomoottorit edustavat edullisinta pien-chp-tekniikkaa. (Haavisto 2010, 3.) Kaasumoottoreissa polttoaineena voidaan käyttää maakaasua, nestekaasua (Liquid Petroleum Gas tai LPG) tai biokaasua. Myös puun kaasutusta kaasumottoreiden polttoaineen tuotannossa ollaan kokeilemassa pienessä kokoluokassa (kuva 4). (Pesola ym. 2010, 28.) Kuva 4. Volterin 140 kw pien-chp-voimalan 40 kwe kaasumoottori Kareliaamk:n Sirkkalan Energiapuistossa (Kuva: Toni Kortelainen 2017).

13 Polttomoottoreiden etuna on monipuolisen polttoainevalikoiman lisäksi korkea sähköhyötysuhde sekä laaja tehoalue. Siksi ne soveltuvatkin parhaiten tasaisen sähkön ja lämmön tarpeen kohteisiin, kuten hotelleihin, kylpylöihin tai sahoille ja muuhun pk-teollisuuteen. Pienemmässä kokoluokassa ongelmana on suhteellisen suuri huollon tarve sekä melu. (Vartiainen ym. 2002, 18.) Kaasutus on termokemiallinen prosessi, jossa hiiltä sisältävää materiaalia, kuten puuta, muutetaan kaasuksi tai kemikaaleiksi. Kaasutusprosessin neljä päävaihetta ovat kuivuminen, pyrolyysi, puuhiilen kaasutus ja palaminen. Pien-CHPlaitoksissa käytetään yleensä kiintopetikaasuttimia, jotka voidaan jakaa vasta- ja myötävirtakaasuttimiin, sekä niiden risteytykseen, kaksoiskaasuttimiin (kuva 5). Vastavirtakaasuttimen lämpöteho vaihtelee välillä 1 10 MWth ja myötävirtakaasuttimen 10 kwth:n ja 1 MWth:n välillä. (Europaeus 2014, 10 & 14.) Kuva 5. Kaasutintyypit (Kuva: Europaeus 2014). Biomassan kaasutuksen suurin etu suoraan polttoon nähden on hiukkaspäästöjen sekä muiden päästöjen minimointi, mikä samalla ehkäisee lämmönvaihtimen likaantumisriskiä. Päästöjen vähenemisen lisäksi kaasutustekniikka mahdollistaa pien-chp-laitoksen edullisemman hinnan. (Haavisto 2010, 3.) Tuotekaasun laadulliset ongelmat ja siitä aiheutuvat kustannukset ovat pääsyy kaasutusteknologian hyödyntämisen vähäisyydelle sekä hitaalle kehitykselle. Erityisesti tuhkan ja tervan muodostuminen aiheuttaa käyttö- ja kunnossapitokustannuksia, sekä vaativat investoinnin kalliisiin puhdistuslaitteistoihin. (Europaeus 2014, 48.)

14 Kaasuturbiinissa kaasumainen tai nestemäinen polttoaine syötetään korkealla paineella polttokammioon. Tämän jälkeen ahdin puristaa ilmaa polttokammioon polttoaineen sekaan. Sytytetty seos palaa korkeassa paineessa ja palamisesta syntyvä laajeneva palamiskaasu työntää turbiinisiipiä. Akselille kytkettyjen turbiinisiipien synnyttämä pyörimisliike siirretään akselia pitkin sähkögeneraattorille. Kaasuturbiinin jälkeen palamiskaasut ohjataan lämmön talteenottokattilaan, jossa palamiskaasuihin sitoutunut lämpö otetaan talteen ja hyödynnetään veden höyrystämisessä (kuva 6). (Takalo 2013, 5.) Osassa prosessia työaineena on puhdas ilma, osassa palamiskaasu. Kaasuturbiinivoimalan työaineita voidaan kuitenkin pitää ideaalikaasuina. (Wiksén 1996, 81.) Kaasuturbiiniprosessi voi olla sekä avoin (esim. maakaasu), että suljettu (mm. HAT-prosessi). Avoimen prosessin polttoaineeksi soveltuvat suhteellisen puhtaat kaasumaiset polttoaineet, kuten puu- ja biokaasu. Suljetussa prosessissa polttoaineiden skaala on laajempi (liite 2). (Hirvonen 2016.) Kuva 6. Kaasuturbiinilla toimivan pien-chp-voimalan toimintaperiaate lämmön talteenotolla, ns. kombi-prosessi (Kuva: Energy Solutions Center 2016). Kaasuturbiinien suurin heikkous on tuotannon säädeltävyys. Teollisuudessa käytettävät kaasuturbiinit ovat usein yksiakselisia. Koska yksiakseliset kaasuturbiinit pyörivät vakionopeudella, niiden hyötysuhde alkaa jyrkästi laskemaan, jos niitä

15 käytetään osakuormalla. Osakuormalla käytettäessä virtauksien suunnat muuttuvat epäedullisiksi turbiinin siipiin nähden, mikä aiheuttaa sysäyshäviötä. (Perttula 2000, 122.) Mikroturbiineilla tarkoitetaan yleensä kaasuturbiineja, joiden teho on 25 250 kwe. Myös mikroturbiinit ovat tavallisesti yksi akselisia. Akseliin on laakeroitu generaattori, kompressori ja turbiini joko ilma- tai öljylaakereilla (kuva 7). Muiden kaasuturbiineiden tapaan mikroturbiineissa syöttöilma paineistetaan kompressorilla ennen polttokammioon syöttämistä. Samassa yhteydessä kuumaa palamiskaasua on mahdollista hyödyntää lämmönsiirtimellä hyötysuhteen parantamiseksi. (Vartiainen ym. 2002, 19.) Mikroturbiinit ovat tekniikaltaan yksinkertaisia ja niiden sähkön tuotannon hyötysuhde on hyvä. Lisäksi mikroturbiinien hiljainen toiminta ei edellytä hyvää äänieristystä, toisin kuin polttomoottoreihin pohjautuvat tekniikat. Mikroturbiinien laajempaa käyttöä rajoittaa tekniikan korkeat investointikustannukset, jotka ovat pien-chp mittakaavassa toistaiseksi kaksi kertaa polttomoottorijärjestelmiä suuremmat. (Haavisto 2010, 3.) Kuva 7. Mikroturbiinilla toimivan pien-chp-voimalan toimintaperiaate (Kuva: Energy Solutions Center 2016). Kuumailmaturbiini (HAT) on yksi uusimmista vaihtoehdoista kokonaisteholtaan 2 3 MW:n pien-chp-laitoksille. Tekniikka pohjautuu suuriin, hiiltä polttaviin CAT- Cycle voimaloihin (Coal-fired Air Turbine). Biomassalle sopivaksi muunnettuja

16 voimaloita kutsutaan nimellä HAT (Hot Air Turbine). Kuumailmaturbiinin toimintaperiaate on sama kuin höyryturbiinilla ja ORC-tekniikalla. Edellä mainituista tekniikoista poiketen kuumailmaturbiinissa turbiinille johdetaan höyryn sijasta kuumaa ilmaa. Biomassan kaasutuksen jälkeen lämpöenergia siirtyy palokaasuista paineistettuun kuumaan ilmaan lämmönvaihtimen kautta. Tämän jälkeen 800 950 C ilma johdetaan kuumailmaturbiinille. (Granö 2010, 4.) Koska turbiinille johdettava ilma kuumennetaan lämmönvaihtimessa, se ei joudu kosketuksiin palamiskaasujen tai kaasun sisältämien epäpuhtauksien, kuten tuhkan, kanssa. Tästä syystä palamiskaasujen epäpuhtauksista aiheutuvat ongelmat voidaan välttää kuumailmaturbiinia käytettäessä. Kuumailmaturbiini on tekniikkana suhteellisen tuore, joten järjestelmien käyttövarmuus on edelleen heikko. Järjestelmien toimittajia on kuitenkin jo muutamia, vaikka tekniikka on edelleen kehitysvaiheessa. (Bäckman 2014, 24.) 2.2 Höyryturbiinit ja muut höyryvoimalaitteet Höyryturbiinin eli Rankine-kiertoprosessin toimintaperiaate on samantapainen kuin kaasuturbiinissa, mutta siitä poiketen palaminen ja lämmön talteenotto tapahtuvat höyrypiirin ulkopuolella. Ensin vesi paineistetaan paineennosto- eli syöttövesipumpulla ja höyrystetään kattilassa esimerkiksi kiinteitä biopolttoaineita polttamalla. Tämän jälkeen höyry johdetaan höyryturbiiniin, missä laajeneva höyry pyörittää turbiinisiipiä. Höyryturbiinissa syntyvä pyörimisliike siirretään akselin välityksellä sähkögeneraattoriin. Höyry jatkaa matkaa lämmönvaihtimelle, missä lämpö otetaan talteen ja siirretään joko verkkoon tai varaajaan (kuva 8). (Takalo 2013, 6 7.) Höyryturbiinit ja muut höyryvoimalaitteet ovat suljettuja prosesseja, joissa työaineena toimiva vesi kiertää jatkuvasti laitteiston sisällä. (Hirvonen 2016.)

17 Kuva 8. Rankine-kiertoprosessin toimintaperiaate (Kuva: Energy Solutions Center 2016). Rankine-kiertoprosessin heikkous on höyryn kosteus turbiinissa paisunnan loppupäässä. Höyryn kosteus lopputilassa saa olla maksimissaan 12 %, muuten muodostuvat vesipisarat alkavat kuluttaa turbiinisiipiä. Riittävän alhainen kosteus saavutetaan tulistamalla kattilassa syntynyt höyry ennen turbiinille johtamista. Tulistusta hyödyntävää höyryprosessia kutsutaan Clausius-Rankine-kiertoprosessiksi (kuva 12) ja se on höyryvoimalaitosten perusprosessi. (Wikstén 1996, 57.) Clausius-Rankine-kiertoprosessissa kiehumispistettä korkeampaan lämpötilaan tulistettu höyry johdetaan vastapaineturbiiniin, jossa sen paine alenee halutulle tasolle lämmönvaihtimen määräämän lämpötila perusteella. (Takalo 2013, 6 7.) Kuva 9. Clausius-Rankine-kiertoprosessin toimintaperiaate (Kuva: Energy Solutions Center 2016).

18 Sekä Rankine-, että Clausius-Rankine-kiertoprosesseihin perustuvissa CHPtekniikoissa yleisimmät turbiinivaihtoehdot ovat vastapaineturbiini ja lauhdeturbiini (kuva 10). Vastapaineturbiini-tekniikkaan pohjautuvia voimalaitoksia kutsutaan yleensä myös kaukolämpölaitoksiksi. Vastapaineturbiini tuottaa sähkö- ja lämpöenergiaa, ja sen kokonaishyötysuhde on yli kaksi kertaa lauhdeturbiinia parempi (jopa 85 %), mutta sähköntuotannon hyötysuhde huomattavasti alhaisempi. (Perttula 2000, 183 ja Tjeder 2009, 11.) Vastapaineturbiinin etuna on lämmön- ja sähköntuotannon suhteiden säädeltävyys. Mikäli sähkön tarve on alhainen ja lämmön tarve suuri, voidaan turbiinista väliottohöyryn määrää lisätä ja osa höyrystä ohjata kattilasta suoraan turbiinin ohi lämmönvaihtimille. Vastapaineturbiinit ovatkin yleisesti käytössä kaukolämpölaitoksissa sekä teollisuudessa, koska lämmön ja sähkön yhteistuotanto on huomattavasti yksinomaista sähköenergian tuotantoa kustannustehokkaampaa. (Perttula 2000, 183 & Tjeder 2009, 11.) Kuva 10. Vastapaineturbiini (vas.) ja lauhdeturbiini väliotolla (Kuva: Energy Solutions Center 2016). Lauhdeturbiineilla tuotetaan pelkästään sähköä mahdollisimman korkealla hyötysuhteella, ja lauhdeturbiini valitaankin usein silloin kun lämmöntarve vaihtelee voimakkaasti tai on tehontarpeeseen nähden pientä. Lauhduttimen paine pyritään pitämään mahdollisimman pienenä, jotta höyryturbiinin paisunnasta tulisi mahdollisimman suurta. Turbiinissa voi olla useita väliottoja veden esilämmitystä varten ja laitoksen omakäyttötehon (esim. syöttövesipumppu) tyydyttämiseksi. (Perttula 2000, 183 ja Tjeder 2009, 11.)

19 Höyryturbiiniprosessia ei hyödynnetä toistaiseksi pien-chp tuotannossa, sillä se on kannattavaa ainoastaan suurten voimalaitosten kokoluokassa (kuva 11). (Takalo 2013, 6 7.) Höyrykoneissa höyryntuotanto tapahtuu höyryturbiinien tapaan erillisessä kattilassa. Höyrykoneet voivat toimia männän mekaaniseen liikkeeseen perustuen. Yleisempänä tekniikkana kuitenkin käytetään vastapaineturbiinia, jolloin voidaan puhua vastapainevoimalaitoksesta. (Pöyry Energy Oy 2006, 10.) Höyrykoneet soveltuvat hajautetun energiantuotannon mittakaavassa parhaiten lämpöteholtaan useiden megawattien kohteisiin. (Pesola ym. 2010, 28.) Höyrykoneet ovat kuitenkin höyryturbiinia taloudellisempi vaihtoehto alle 1 MWe laitoksissa. Tämä johtuu höyryturbiinien alhaisesta hyötysuhteesta etenkin osakuormilla. (Pöyry Energy Oy 2006, 10.) Toisaalta mikään perinteinen vesihöyrytekniikka ei ole kustannustehokas alle 1 MWe kokoluokassa. (Purhonen 2010, 11.) Kaikkien höyryprosessien polttoaineeksi sopii periaatteessa mikä tahansa biopohjainen tai fossiilinen polttoaine (liite 2). Yleisimpiä ovat kuitenkin kiinteät polttoaineet, kuten biomassa, kierrätyspolttoaineet, turve ja hiili. (Pöyry Energy Oy 2006, 10.)

20 Kuva 11. Vastapainehöyryturbiinilla toimivan kaukolämpövoimalaitoksen toimintaperiaate (Kuva: Vattenfall 2014). 2.3 Muut välittäjäaineisiin pohjautuvat tekniikat Välittäjäainetekniikka voidaan jakaa ORC-prosessiin ja Stirling-moottoreihin. Välittäjäainetekniikkaan perustuvien prosessien toimintaperiaate pohjautuu Clausius-Rankine-prosessiin. Perinteisistä höyryturbiiniprosesseista poiketen ORCprosessissa (The Organic Rankine Cycle) työaineena veden sijasta toimii alhaisemman kiehumispisteen omaava orgaaninen aine, kuten tolueeni, isobutaani tai isopentaani (kuva 12). (Hirvonen 2016.) Orgaanisen työaineen kemiallisista ominaisuuksista johtuen ORC-prosessin avulla kyetään tuottamaan sähköenergiaa huomattavasti perinteistä höyryturbiiniprosessia alhaisemmissa lämpötiloissa (350 400 C). Tästä syystä ORC-tekniikka soveltuu erityisesti hukkalämmönlähteiden hyödyntämiseen tai osana kaasu- ja höyryturbiiniprosesseja. (Takalo 2013, 8.)

21 Kuva 12. ORC-kierron periaate CHP-laitoksessa (Kuva: AEE INTEC). Toinen ORC-tekniikan etu on kompaktius. Omana moduulinaan valmistettava ORC-yksikkö on höyryturbiinia pienempi. Yksikkö liitetään kattilaan sekä kaukolämpö- ja sähköverkkoon vasta kohteessa. (Granö 2008, 3.) Säädeltävyydeltään ORC-tekniikka vastaa Clausius-Rankine-prosessia. Vastapaineturbiinin tapaan ORC-laitoksen kuorma on säädettävissä täyttämään lämmöntarve tai maksimoimaan sähköntuotanto. Jälkimmäisen vaihtoehdon etuna on vuosittaisten käyttötuntien kasvu täydellä kuormalla. (Purhonen 2010, 12.) Tiedot ORC-tekniikan sähköntuotannon hyötysuhteesta verrattuna perinteisiin höyryprosesseihin vaihtelevat. Granön mukaan (2008, 3.) pien-chp kokoluokassa ORC-tekniikalla saavutetaan sähköntuotannossa höyryturbiinia korkeampi hyötysuhde, sähköntuotannon osuuden tyypillisesti ollessa 16 20 %, ja lämmöntuotannon osuuden 80 84 %. Purhonen (2010, 10.) lainaa energiatekniikan kandidaatintyössään Quoilinin ja Lemortin Technological and Economical Survey of Organic Rankine Cycle Systems -julkaisua (2009), jonka mukaan sähköntuotannon hyötysuhde taas olisi tyypillisesti perinteisiä höyryprosesseja matalampi.

22 Joka tapauksessa sähköntuotannon hyötysuhde jää ORC-tekniikalla suhteellisen matalaksi, minkä takia ylimääräisen lämmön hyödyntäminen on välttämätöntä kokonaishyötysuhteen kasvattamiseksi. Lämpö on kannattavaa siirtää kaukolämpöverkkoon tai hyödyntää puuteollisuudessa raaka-aineen kuivauksessa tai muissa teollisissa prosesseissa. Muussa tapauksessa ylimääräinen lämpö joudutaan johtamaan lauhduttimen kautta vesistöön tai jäähdyttämään. (Purhonen 2010, 12.) Kuva 13. Piirros Turbodenin ORC-yksiköstä (Kuva: BIOS Bioenergiesysteme GmbH). Euroopassa ORC-laitoksia on lähes 300 kappaletta. Suomeen rakennettiin vuonna 2013 ensimmäinen, ja vuonna 2014 niitä oli jo kolme. (Toholammin Energia Oy 2014.) Suurin syy uusien ORC-laitosten rakentamiseen on biomassan polttoainekäytön merkittävä lisääntyminen viime vuosikymmeninä. ORCtekniikka on yksi taloudellisesti kannattavimmista tekniikoista alle 1 MWe:n biomassan polttoon suunnitelluissa laitoksissa. (Purhonen 2010, 10.) Toisaalta erään laitetoimittajan mukaan ORC-tekniikka ei ole kilpailukykyinen alle 300 kwe kokoluokassa. (Haavisto 2010, 3.) ORC-prosessin yleisimpiä ongelmia ovat korroosio- ja suodatus-ongelmat sekä likaantuminen. (Heikkilä & Kiuru 2014.)

23 Stirling-moottori on lämpövoimakone, johon lämpö tuodaan ulkopuolisesta lämpöprosessista. Lämmöntuotantomenetelmällä ei ole merkitystä, sillä moottorin sisällä käytettävä työkaasu (ilma tai helium) ei osallistu palamiseen. Stirling-moottorissa on ns. kylmä ja kuuma työtila, joiden välillä moottorissa kaikkien työvaiheiden ajan pysyvä työkaasu liikkuu vuorotellen jäähtyen ja lämmeten. Työkaasun lämpölaajeneminen yhdessä moottorin tiiviyden kanssa aiheuttaa paineen jaksottaista vaihtelua. Männän ja sylinterin avulla paineen vaihtelu muutetaan mekaaniseksi energiaksi, joka pyörittää sähkögeneraattoria. Stirling-moottorit voidaan jakaa kolmeen pääryhmään rakenteensa perusteella; Alfa, Beta ja Gamma kokoonpanoihin (kuvat 14 & 15). (Takalo 2013, 8 9 & Foster 2011.) Kuva 14. Stirling-moottorin Alfa (vas.) ja Beta kokoonpanojen toimintaperiaate (Kuva: Foster 2011). Kuva 15. Stirling-moottorin Gamma kokoonpanon toimintaperiaate (Kuva: Foster 2011).

24 Stirling-moottoreilla on höyrykoneita korkeampi hyötysuhde ja samankokoisia otto- ja dieselmoottoreita alemmat päästöt sekä melutaso. Moottoreiden helppokäyttöisyys perustuu ulkoiseen palamiseen, mikä pidentää huoltoväliä ja mahdollistaa lähes minkä tahansa polttoaineen hyödyntämisen lämmönlähteenä. (Karjalainen 2012, 3 & Vartiainen ym. 2002, 20 21.) Lisäksi Stirling-moottorit ovat mekaanisesti varmatoimintaisia, eikä moottorissa tarvita välttämättä öljyä. (Hintikka 2004, 7.) Pitkä huoltoväli on erityisesti pienemmässä kokoluokassa huomattava etu. Osittain matalien huoltokustannusten ansiosta Stirling-moottorit ovat kilpailukykyisiä otto- ja dieselmoottoreiden kanssa alle 30 kw kokoluokassa. (Vartiainen ym. 2002, 20 21.) Tekniikkansa puolesta ne soveltuvat aina 75 kwe CHP-laitoksiin saakka, mutta toistaiseksi investointikustannukset nousevat verrattaen korkeiksi. (Haavisto 2010, 3.) Kuva 16. Stirling-moottorilla toimivan CHP-laitoksen toimintaperiaate (Kuva: BIOS Bioenergiesysteme GmbH 2016). Stirling-moottoreiden polttomoottoreita korkeampi hinta johtuu pienistä valmistuseristä, eikä järjestelmän teknisestä haastavuudesta. (Hintikka 2004, 7.) Erityisesti biomassaa polttoaineena käyttävien järjestelmien ongelmana on ollut lämmönvaihdinpintojen likaantuminen ja siitä johtuvat ongelmat. Heliumia työaineena käytettäessä ongelmaksi on muodostunut männän tiivisteiden toiminta. (Takalo 2013, 9.) Lämmönvaihdinten likaantumisen syynä on yleensä huono polttoaine tai epätäydellinen palaminen. (Hintikka 2004, 7.) Likaantumista vauhdittaa myös

25 korkeat lämpötilat, jotka ovat edellytys sähkön tuotannon hyötysuhteen nostamiseksi riittävälle tasolle. (Haavisto 2010, 3.) 2.4 Polttokennot Polttokenno on sähkökemiallinen laite, jonka polttoaineena käytetään yleisimmin esimerkiksi maakaasusta reformoimalla tuotettua vetyä. Sähkö ja lämpö tuotetaan suoraan ilman palamista polttoaineen ja hapettimen kemiallisesta energiasta. (Karjalainen 2012, 7.) Polttokennon rakenne käsittää kaksi elektrodia (katodi ja anodi), jotka erotetaan toisistaan elektrolyytillä. Toiselle elektrodille syötetään polttoainetta, kuten vetyä, ja toiselle hapettimena toimivaa happea tai ilmaa. Elektronit vapautuvat polttoaineen hapettuessa anodilla ja jatkavat siitä matkaansa virtapiirin kautta katodille, jossa ne reagoivat hapettimen kanssa. Ulkoisen virtapiirin kautta kulkiessaan elektronit synnyttävät sähkövirran. (Vartiainen ym. 2002, 22.) Elektrolyytti on varauksen (ionit) kuljettaja, joka kuljettaa ionit elektrodilta toiselle. Polttokennoissa syntyvä reaktio on riippuvainen polttoaineesta ja elektrolyytin tyypistä. Elektrolyytin ionijohtavuudesta (positiivinen vai negatiivinen) riippuen reaktiotuotteet voivat syntyä joko katodilla tai anodilla. Elektrolyytin perusteella polttokennot voidaan jakaa happamiin ja alkalisiin. (Halinen 2007.) Esimerkki protoninvaihtopolttokennon toiminnasta (kuva 19): Vety reagoi anodilla: H2 2H + + 2e - Protonit elektronit ja happi reagoivat katodilla, jolloin syntyy vettä ja lämpöä: ½ O2 + 2H + + 2e - H2O Kokonaisuudessaan kennoreaktio: H2 + ½ O2 H2O. Halinen kuvaa VTT:n Polttokennot -julkaisussaan (2007) polttokennojen rakennetta tarkemmin seuraavasti: Kennostot koostuvat polttokennosta (elektrodit ja elektrolyytti), bipolaari/interconnect -levyistä sekä tiivisteistä. Elektrodien rakenteen on oltava riittävän huokoinen, jotta reaktantit ja reaktiotuotteet pääsevät

26 liikkumaan vapaasti. Elektrolyytin on oltava hyvä ionijohde, hyvä sähköinen eriste, kaasutiivis ja kemiallisesti stabiili. Bipolaarilevyt jakavat kaasuvirtaukset tasaisesti kennon pinnalle ja kuljettavat reaktiotuotteet pois kennosta. Tämän lisäksi ne estävät polttoaineen ja hapettimen sekoittumisen sekä kytkevät kennot sähköisesti yhteen. Tiivisteet erottavat elektrodit ilmakehästä ja toisistaan. (Halinen 2007.) Tärkeimmät polttokennotyypit ovat (Teräsvirta 2016.): Fosforipolttokenno (PAFC) Protoninvaihtopolttokenno (PEMFC) Alkalipolttokenno (AFC) Sulakarbonaattipolttokenno (MCFC) Kiinteäoksidipolttokenno (SOFC). Kuva 17. Fosforihappopolttokennon (PAFC) toimintaperiaate (Kuva: Fuel Cell Markets). Kuva 18. Alkali- (AFC) ja sulakarbonaattipolttokennon (MCFC) toimintaperiaate (Kuva: Forbes 2013).

27 Kuva 19. Protoninvaihto- (PEMFC) ja kiinteäoksidipolttokennon (SOFC) toimintaperiaate (Kuva: Forbes 2013). Polttokennojen kokoluokka vaihtelee hyvin pienistä ratkaisuista useaan megawattiin. Bioenergiaan pohjautuvassa tuotannossa niitä ei toistaiseksi hyödynnetä merkittävästi, mutta erityissovelluksissa ne ovat jo nyt kilpailukykyistä tekniikka. (Pesola, ym 2010, 29.) Erityisesti puupohjaiseen bioenergiaan perustuvien polttokennojen kehitys on nopeaa. Puukaasua voidaan jo nyt käyttää polttokennotekniikkaan perustuvissa pien-chp-laitoksissa. Puukaasu tosin vaatii puhdistuksen ennen polttokennoprosessia. (Granö 2008, 6.) Polttokennoilla on korkea sähkön tuotannon hyötysuhde myös osakuormalla sekä hyvä kokonaishyötysuhde pienessäkin kokoluokassa. Suuren mittakaavan voimalaitoksissa mahdollisuutena on hybridiratkaisu, jolloin kaasuturbiiniin yhdistetyn polttokennon sähkön tuotannon hyötysuhteeksi voidaan saada yli 65 % (kuva 20). Lisäksi liikkuvien osien puuttuminen mahdollistavat hiljaisen toiminnan sekä pitkän käyttöiän. Päästöinä polttokennosta muodostuu vetykäytössä vain vesihöyryä. (Granö 2008, 6 & Halinen 2007.)

28 Kuva 20. Esimerkki yhdistetyn järjestelmän (polttokenno-kaasuturbiini) toimintaperiaatteesta (Kuva: Teräsvirta 2016.) Polttokennoissa ongelmaksi muodostuvat materiaalirajoitusten lisäksi monimutkainen järjestelmä sekä vedyn kuljetus ja varastointi. (Halinen 2007.) Myös polttokennojen hinnat ovat toistaiseksi noin 3 5 -kertaisia kaasumoottoreihin verrattuna (alimmillaan ~1000 /kw). (Granö 2008, 6.) Polttokennot tulevat olemaan keskeinen osa tulevaisuuden energiaratkaisuja esimerkiksi liikenteessä ja hajautetussa energiantuotannossa. Syynä tähän ovat useiden energialähteitä hyödyntäminen sekä mahdollisuus monipuolisesti uudistaa jo olemassa olevia ratkaisuja. Lisäksi polttokennot ovat energiatehokkaita ja ympäristöystävällisiä, sekä ne luovat uutta liiketoimintaa. (Teknologiateollisuus 2017.)

29 3 Sivuvirtana muodostuva puupohjainen polttoaine 3.1 Teollisuuden sivutuotepuu Teollisuuden sivutuotepuuksi lasketaan (Metla): Teollisuuden puutähdehake: hake ja puumurske, jota syntyy sahateollisuuden tai muun puutuoteteollisuuden (esim. vaneri- ja muu levyteollisuus sekä puusepänteollisuus) sivutuotteena. Sahanpuru ja muut purut: sahauksessa, puutavaran höyläyksessä tai muussa puunjalostuksessa syntynyt sahanpuru, kutterinlastu, muu lastu ja puru sekä hiontapöly. Kuori: sahauksessa ja muussa puunjalostuksessa tähteeksi jäävä kuorintatähde. Muu puupolttoaine: muu edellä mainitsematon tai erittelemätön kiinteä puupolttoaine, kuten rimat, pinnat, tasauspätkät, halot jne. Pelletit ja briketit: lähinnä sahanpurusta, hiontapölystä ja kutterinlastusta eri muotoon puristamalla valmistetut puupolttoainejalosteet. (Metla puupoltto PDF) Taulukko 1. Keskimääräisiä ominaisuuksia teollisuuden sivutuotepuulle (Metla & Alakangas ym. 2016). Teollisuuden puutähdeke Sahanpuru ja muut purut Kuori (koivu ja havupuu) Muu puupolttoaine Energiatiheys (E) [MWh/i-m 3 ] Tiiviys ( ) [m 3 /i-m 3 ] Kosteus (M ar) [p-%] Kuiva-aineen tehollinen lämpöarvo (qp,net,d) [MJ/kg] Irtotiheys (BD) [kg/i-m 3 ] 0,8 0,4 45-60 18,5-20,0 250-400 0,4-0,7 0,3 5-55 18,9-19,2 250-350 0,6-0,75 0,35 45-65 18,5-23,0 250-400 0,7 0,4 12-60 17,2-20,9 240-350 Pelletit ja briketit 4,8 MWh/tn 575 kg/i-m 3 1150 kg/m 3 6-9 18,9-19,5 600-650

30 3.2 Teollisuuden sivutuotepuun haasteet Perinteisesti puupolttoaineiden tärkeimmät kriteerit ovat kosteus, palakoko sekä polttoaineen puhtaus. Puuteollisuuden tuotantovaiheet sisältävät monesti raakaaineen kuivauksen. Tästä syystä sivuvirtana muodostuva sivutuotepuu on useimmissa tapauksissa, kuten sahoilla ja höyläämöissä, kuivaa. Prosesseista muodostuva sivutuotepuu on monesti myös suhteellisen tasalaatuista kokonsa ja puhtautensa puolesta. Poikkeuksena esimerkiksi huonekaluteollisuus, jonka tasauspätkät ja rimat ovat vaihtelevaa kokoluokkaa, sekä saattavat sisältää puun käsittelystä johtuen erilaisia kemikaaleja. Vaihtelevaa kokoluokkaa oleva sivuvirta on joissain tapauksissa mahdollista polttaa sellaisenaan. Muissa tapauksissa se voidaan joko hakettaa tai murskata murskeeksi. VTT:n Suomessa käytettävien polttoaineiden ominaisuuksia -julkaisun (Alakangas ym. 2016) mukaan Tilastokeskus ja Energiavirasto luokittelevat teollisuuden puutähteistä tehdyn hakkeen tai murskeen sekä sahateollisuuden sivutuotteena syntyvän kuorellisen tai kuorettoman hakkeen tai murskeen, joka ei sisällä halogenoituja orgaanisia yhdisteitä, raskasmetalleja tai muoveja, biopolttoaineeksi. Myös puunjalostusteollisuudessa syntyvä jätepuu, joka sisältää liima-, maali-, kyllästys- tms. aineita kuuluu biopolttoaineisiin, jos se ei sisällä halogenoituja orgaanisia yhdisteitä ja raskasmetalleja puunkyllästysaineilla tai pinnoitteilla tehtyjen käsittelyjen seurauksena enempää kuin luonnonpuu. Poikkeuksena on painekyllästetty puu, joka on vaarallista jätettä. (Alakangas ym. 2016.) Erityisesti hienojakoisempien sivuvirtojen kohdalla teollisuuden sivutuotepuun haasteisiin energiakäytössä lukeutuvat takatulen riski, pölyäminen tontilla, sintraantuminen, epätaloudellinen kuljetettavuus sekä haasteet kuljettimilla. Korkea takatulen vaara on etenkin kutterinlastun sekä sahanpurun hienojakoisuuden aiheuttama ongelma. Perinteisessä kattilapoltossa tuli saattaa karata palotilasta polttimen kautta kuljettimille polttoaineen keveyden ja kuivuuden takia. Huokoinen polttoaine saattaa asettaa rajoitteita myös kuljetin- sekä poltintekniikalle. Useimmat markkinoilla olevat kuljettimet ja polttimet on suunniteltu erityisesti kiinteämmille puupolttoaineille, kuten hakkeelle ja pelletille.

31 Kuva 21. Kutterinlastua kotimaisen höyläämön välivarastolla (Kuva: Eetu Pietarinen 2017). Hienojakoiset polttoaineet voivat aiheuttaa ongelmia myös välivarastoinnissa. Mikäli varastointi tapahtuu puoliksi tai kokonaan kattamattomassa tilassa, saattaa polttoaine pölytä tuulen mukana ympäri tonttia. Hienojakoisuus aiheuttaa myös tehottomuuden kuljetettaessa. Pienpuuteollisuuden kokoluokassa sivuvirtana muodostuvaa biopolttoainetta syntyy tyypillisesti yli oman lämmöntarpeen. Tämä tarkoittaa, että osa purusta tai lastusta menee myyntiin. Sivuvirtana muodostuvien purujen ja lastujen tiiviys on keskimäärin 0,3 m 3 /i-m 3, sekä irtotiheys polttoaineesta riippuen 100 350 kg/i-m 3. Sivutuotepuun kuljettaminen on epätaloudellista ilman sivuvirran tiiviimmäksi puristamista esimerkiksi pellettipuristimella. Kaasutukseen pohjautuvassa pien-chp-tekniikassa hienojakoisen polttoaineen suurimmat haasteet ovat kaasuttimen ja muiden sisäpintojen sintraantuminen sekä matalan irtotiheyden aiheuttama tehottomuus. Samat ongelmat ilmenevät myös kattilapoltossa, jossa etenkin palopää ja arinapinnat saattavat sintraantua. Kolmesta kotimaisesta kaasutukseen perustuvasta pien-chplaitosvalmistajasta yksi lupasi purumaisen polttoaineen sopivan sellaisenaan.

32 Toinen valmistajaa kertoi, että testiajoja on tehty pääasiassa hakkeella, eikä purun tai lastun toimintavarmuudesta ole toistaiseksi takeita. Kolmas valmistaja kertoi laitteen toimivan toistaiseksi vain hakkeella. 3.3 Teollisuuden sivutuotepuun mahdollisuudet Pienpuuteollisuudessa muodostuvasta sivutuotepuusta saadaan suurin hyöty tuottamalla lämpöenergiaa yrityksen omiin tarpeisiin. Tällaisissa tapauksissa lämmön hinnaksi jää vain lämmitysjärjestelmän investointikustannukset sekä mahdollinen myyntihinta, mikäli sivuvirta ei vaadi jatkokäsittelyä, kuten haketusta, murskausta tai jauhatusta. Sivuvirta voidaan hyödyntää tuottamalla lämpöä omaan kiinteistöön sekä tuotantoprosessiin, kuten raakapuun tai polttoaineen kuivaukseen. Lisäksi lämmön myyminen naapureille on mahdollista. Yhdistetyn lämmön- ja sähköntuotannon mahdollisuuksia pienpuuteollisuudessa tarkastellaan luvuissa 5 ja 6. Muita sivutuotepuun mahdollisuuksia on sen myyminen käsittelemättömänä tai käsiteltynä. Verkossa tehtyjen havaintojen sekä eräältä höyläämöltä saadun tiedon pohjalta esimerkiksi kutterinlastun myyntihinta suoraan höyläämöiltä itse pakattuna on keskimäärin alle 10 /i-m 3 (1 i-m 3 = n. 100 kg). Puristamatonta kutterinlastua ja sahanpurua voidaan käyttää energiantuotannon lisäksi joko maatiloilla kuivikkeena tai puurakentamisessa eristeenä. Maataloustuotteisiin erikoistuneiden ketjujen myymän havupuupohjaisen paalatun kuivike(kutterin)lastun hinta on verkkosivuilla ilmoitettujen hintojen perusteella keskimäärin 35 /i-m 3. Kuivikkeeksi myytävän sahanpurun hinta nousee hintatietojen perusteella lähemmäksi 50 /i-m 3 paremman imukykyisyytensä ansiosta. Paalaamisen lisäksi hienojakoisten sivuvirtojen jatkokäsittelynä voidaan käyttää puristamista. Lastu ja puru voidaan puristaa joko briketeiksi tai pelleteiksi. Mikäli kutterinlastu tai sahanpuru on riittävän hienojakoista ja kuivaa (Mar = ~ 10 p-%), on se mahdollista puristaa ilman kuivausta ja jauhatusta. (Pellettienergia 2016.) Muussa tapauksessa puristaminen vaatii kuivauksen sekä jauhatuksen polttoaineen jatkokäsittelynä. Yrityksen lämmöntuotannon näkökulmasta sivuvirran puristaminen pelletiksi tai briketiksi ei ole kannattavaa, sillä ns. ilmainen polttoaine

33 muuttuu maksulliseksi jauhatuksesta ja puristamisesta aiheutuvien kustannusten myötä. Toisaalta myyntiin menevän ylimääräisen sivutuotepuun puristaminen voi olla kannattavaa, sillä pelletistä ja briketistä saatava hinta on käsittelemätöntä sivutuotetta korkeampi. Tällaiseen lopputulokseen päädyttiin Lieksan Teollisuuskylä Oy:n kutterilastun pelletöinti -selvityksessä (2014): Hintavertailun perusteella kutterilastu kannattaisi myydä jalostettuna, puristettuna joko pelleteiksi tai briketeiksi tai paalattuna kuivikkeeksi, ja minimoida suoraan irtotavarana polttoon myytävä määrä. Kutterilastusta puristettu pelletti on helpompi myydä kuluttajamarkkinoilla kuin sahanpurusta puristettu pelletti. Oleellista hintalisää ei kuitenkaan saada. (Hiltunen & Klemetti 2014, 2.) Lainatun selvityksen loppupäätelmän arvioinnissa tulee ottaa huomioon, että selvityskohde sijoittuu pienpuuteollisuutta suurempaan kokoluokkaan. Tällöin sivuvirran volyymi on pienpuuteollisuuden yrityksiä huomattavasti suurempi.

34 4 Pien-CHP -laitosten luvat, tuet ja verotus 4.1 Luvat CHP-laitoksen rakentaminen edellyttää kunnan rakennusviranomaisen luvan. Rakennusluvan edellytyksenä on, että hanke täyttää säännösten ja määräysten asettamat tekniset, ympäristölliset ja oikeudelliset vaatimukset. Joissain tapauksissa laitostoiminnan aloittaminen edellyttää Turvallisuus- ja kemikaaliviraston (TUKES) hyväksyntää. (Motiva 2014b.) Koosta riippuen hankkeesta tulee ilmoittaa Energiamarkkinavirastolle, tullille ja Fingridille. Yleisimmät alle 2 MWe voimalaitoksen rakentamiseen vaaditut luvat ovat rakennuslupa, vesilupa ja toimenpidelupa. Lupamenettelyissä on kuntakohtaisia eroja, minkä takia paras tietolähde lupakysymyksissä on kunnan rakennusviranomainen. Lämpöteholtaan alle 5 MWth voimalaitokset eivät tarvitse ympäristölupaa. (Takalo 2013, 20.) Sähkömarkkinalain mukaan sähköverkkotoimintaan tarvitaan Energiamarkkinaviraston lupa. Mikäli sähköverkko on laitoksen hallinnassa ja sen avulla hoidetaan kiinteistöryhmän sisäistä sähkönjakelua, lupaa sähköverkkotoimintaan ei tarvita. Sähkön tuotanto ja myynti eivät edellytä toimilupaa. Tuotettu sähkö voidaan myös myydä ulkopuoliseen verkkoon. (Takalo 2013, 20.) 4.2 Tuet Uusiutuvia polttoaineita käyttävälle CHP-laitokselle ei myönnetä energiatukea. 0,1 8,0 MW CHP-laitoksen on mahdollista liittyä syöttötariffijärjestelmään, mikäli se täyttää asetetut ehdot (taulukko 3). Takuuhintaan perustuvan syöttötariffin tarkoituksena on tukea energiantuotantoa, joka ei ilman tukea ole kilpailukykyinen sähköntuotantomarkkinoilla muihin tuotantomuotoihin verrattuna. (Pesola ym. 2014, 18.) CHP-laitoksessa puupolttoaineilla tuotetun sähkön tavoitehinta on 83,50 /MWh. Lisätukena maksetaan lämpöpreemiota 20 /MWh. (Pesola ym. 2010, 29.) Tavoitehinnan ja lämpöpreemion muodostama kokonaistavoitehinta on

35 103,50 /MWh. Kokonaistavoitehinnan ja sähkön 3 kk:n markkinahinnan keskiarvon erotusta maksetaan 12 vuoden ajan. (Takalo 2013, 20 21.) Taulukko 2. Uusiutuvan energian tukimallit Suomessa (Liukko 2016) Investointituki Tuotantotuki Tuki kohdistetaan Investointikust. /MWh Kuka maksaa? Valtion budjetti Valtion budjetti/ sähkön käyttäjät Riski tuottajalle Määrä- ja markkinariski Määräriski (markkinariski) Tuen määräytyminen Tapauskohtainen Takuuhinta Tukimuoto Energiatuki Syöttötariffi (+lämpöpreemio) Nettolaskutus on järjestelmä, jossa sähkön pientuottaja maksaa kuluttamastaan sähköstä nettona. Tässä tapauksessa pientuottajan kuluttamasta sähköenergian määrästä vähennetään pientuottajan verkkoon syöttämä sähkön määrä. Nettolaskutuksen osalta yhtenäistä käytäntöä Suomessa ei vielä ole, mutta sähköyhtiöillä on jo mahdollisuus tarjota sitä asiakkailleen. Järjestelmä vaatii vielä käytännön toteutuksen ja hallinnoinnin suunnittelua, mutta teknisiä esteitä sille ei ole. Tukimekanismina nettolaskutus olisi investointitukea ja syöttötariffia hallinnollisesti kevyempi, sillä se ei vaadi suoraa rahoitusta valtion budjetista. (Pesola ym. 2014, 19.) Taulukko 3. Puupolttoainevoimaloiden tuotantotukien taso ja saamisen edellytykset (Määttä 2016, 25.) Puupolttoainevoimaloiden tuotantotuet Tukimuoto Syöttötariffi (tavoite- & markkinahinnan erotus) Perustuki 83,5 /MWh, josta vähennetään markkinahinta Lisätuki Lämpöpreemio 20 /MWh Lisätuen saamisen ehto Hyötysuhde 50 % (yli 1 MW 75 %) Nimellisteho 0,1 8,0 MW Lämmön hyötykäyttö Kyllä Muut ehdot Hanke ei ole saanut valtiontukea 4.3 Verotus Sähköntuottajat ovat sähköverovelvollisia. Sähköverovelvollisuus sisältää sähkön valmisteveron sekä huoltovarmuusmaksun suorittamisen. Valmisteveroa ja

36 huoltovarmuusmaksua ei tarvitse maksaa sähköstä, jonka sähköntuottaja luovuttaa verkkoon. Veroa maksetaan pelkästään omaan tuotantoon kuluvasta sähköstä, joka ei ole omakäyttösähköä. (Motiva 2012, 14.) Pientuottajien kohdalla sovelletaan helpotuksia suurempiin sähköntuottajiin verrattuna. Pientuottaja ei ole sähköverovelvollinen sähköstä, jonka tuottaa alle 50 kilowatin tehoisessa generaattorissa tai alle 50 kilowatin nimellistehoisessa sähköntuotantokokonaisuudessa. Sähköverovelvollisuus ei myöskään koske alle 2 MW generaattorissa tuotettua sähköä, jota ei siirretä sähköverkkoon. (Motiva 2012, 14.) Polttoainevero sisältää energiasisältöveron ja hiilidioksidiveron, sekä erikseen perittävän huoltovarmuusmaksun. Energialainsäädännössä on säädetty sähkön tuotantoon käytettävien polttoaineiden olevan verottomia ja lämmön tuotantoon käytettävien verollisia. (Motiva 2012, 14.) Omasta tuotannosta muodostuvat puupohjaiset polttoaineet eivät kuitenkaan ole lämmön tuotannossa polttoaineverotuksen alaisia. Lämmöntuotannon polttoainevero koskee kevyttä (POK) ja raskasta (POR) polttoöljyä, maakaasua, kivihiiltä sekä turvetta. (Flyktman 2013, 21.) Mikäli kattilassa tai varalämmitysjärjestelmässä käytetään muita veronalaisia polttoaineita, maksetaan niistä polttoaineveroa. (Pesola ym. 2010, 27.) 4.4 Kustannusrakenne Luotettavaa kuvaa pien-chp -teknologioiden tuotantokustannuksista on hankala muodostaa, toistaiseksi vähäisten käyttökokemukset johdosta. Tuotantokustannukset vaihtelevat käytettävästä teknologiasta riippuen, mutta teknologiasta riippumatta kustannukset laskevat selvästi laitoksen koon kasvaessa. Investointikustannuksia nostavat toistaiseksi massatuotannon puuttuminen sekä korkeat materiaalikustannukset. Polttoainekustannukset vaikuttavat laitoksen hyötysuhteen ohella kokonaiskuluihin eniten. Polttoainekustannukset saattavat muodostaa yli puolet, jopa 80 % CHP-laitoksen käyttöön liittyvistä kuluista. (Pesola ym. 2014, 13 & Takalo 2013, 21.)

37 Taulukko 4. CHP-laitteistojen kustannustaso (Takalo 2013, 22). Laitteisto Investointikustannukset Käyttö- ja kunnossapito Tuotantokustannukset 8000 h/a Tuotantokustannukset 4000 h/a /kw /MWh /MWh /MWh Kaasulaitteisto 550 900 2 7 27 30 27 44 Stirling-moottori 1350 3400 7 23 35 62 55 130 Mikroturbiini 880 1700 3,5 11 35 47 47 74 Höyrymoottori 300 1000 < 2,7 17 44 27 80 4.5 Sähköverkkoon liittyminen ja sähkön myynti Hajautetussa sähkön pientuotannossa omaan kulutukseen suunnitellut sähköntuotantolaitokset voivat myydä tuotannon ylijäämän sähköverkkoon. Paikallinen sähköverkkoyhtiö hoitaa laitoksen verkkoon liittämisen, sekä sähkönsiirron ja - mittaroinnin. Ylijäämäsähkön voi kuitenkin myydä muille kuin paikalliselle sähköyhtiölle. Sähköyhtiöt kannattaa kilpailuttaa, sillä korvaus pientuotannon ylijäämäsähköstä vaihtelee, eivätkä kaikki sähköyhtiöt välttämättä edes osta pientuotettua sähköä. (Pikes 2017.) Korvauksen suuruuden määrä yleensä tunneittain muuttuva spot-markkinahinta. Pientuottajan saamat myyntitulot sisältävät vain sähkön markkinahinnan, eli sähkövero tai sähkönsiirron osuus ei sisälly korvaukseen. Tästä syystä ylituotannon myyntihinta jää huomattavasti verkosta ostettua sähkön hintaa alhaisemmaksi (kuva 22). Osa verkkoyhtiöistä vähentää ylijäämäsähkön ostohinnasta välityspalkkion. Osa taas maksaa samaa hintaa millä itse myyvät sähköenergiaa asiakkailleen. Ylijäämäsähkön korvaushinta vaihtelee yleensä 30 50 /MWh välillä, verkosta ostetun sähkön maksaessa 110 140 /MWh. (Pikes 2017.) Tarkemmat ohjeet saatavissa Energiateollisuuden julkaisemassa ohjeessa Sähköntuotantolaitoksen liittäminen jakeluverkkoon (2016).

38 Kuva 22. Sähkön osto- ja myyntihinnan rakenne sekä mittakaava pientuotannon hyödyistä (Kuva: Pesola ym. 2014, 16).

39 5 Pien-CHP laitemitoitukset 5.1 Lähtötilanne ja -arvot Lähtötilanteena käytetään pienpuuteollisuuden yritystä, jota kutsutaan nimellä yritys A. Yritys on uusimassa tuotantonsa sivutuotepuuta polttoaineena käyttävää lämmityskattilaa. Yrityksen A kattilan nimellisteho on 500 kw. Korvattava lämmityskattila on yli 20 vuotta vanha arinakattila, ja sen hyötysuhteeksi on arvioitu noin 70 %. Varakattilana toimii 250 kw kevytöljykattila (POK). Yritys pohtii siirtymistä yhdistettyyn lämmön- ja sähköntuotantoon kattilan uusimisen yhteydessä. Vaihtoehtoina ovat kaasutukseen ja ORC-tekniikkaan perustuvat pien-chplaitokset. Taulukossa 5 esitettävät lähtötiedot yritykselle A perustuvat löyhästi todellisen kotimaisen pienpuuteollisuuden yrityksen arvoihin. Sivutuotepuun arvot perustuvat sahanpurun ja muiden purujen (taulukko 1, 29) ominaisuuksiin. Taulukko 5. Mitoituksen lähtötiedot. Yritys A Lämmönkulutus 4 000 MWh/a Sähkönkulutus 600 MWh/a Sivutuotepuun määrä 35 000 i-m 3 /a Energiatiheys [E] 0.5 MWh/i-m 3 Polttoaineen energiapotentiaali 17 500 MWh/a Kattilan hyötysuhde 70 % Polttoaineen kulutus 5 714 MWh/a 11 428 i-m 3 /a Myyntiin menevä osuus 11 786 MWh/a 23 572 i-m 3 /a Lämmön kulutus on korkeaa myös kesällä yrityksen raakatavaran kuivaamisesta johtuen. Kuivurit ja kattilan kuljettimet syövät myös sähköä tasaisesti, mistä johtuen työvuorojen ulkopuolinen sähkönkulutuksen pohjakuorma on suhteellisen korkea. Kuviossa 1 erään saman kokoluokan kotimaisen pienpuuteollisuusyrityksen sähkönkulutuksen jakaantuminen vuorokauden aikana.

40 Kuvio 1. Esimerkki pienpuuteollisuuden sähkönkulutuksen jakautumisesta vuorokauden aikana. Pien-CHP-laitteistojen mitoitus suoritetaan lämpökuorman ja sähkötehontarpeen mukaan. Mitoitusten lämmönkulutuksen kuukausittaiset osuudet vuoden lämmön tarpeesta ovat arvioita, jotka pohjautuvat olettamukseen, että lämpöä tarvitaan ympäri vuoden puutavaran kuivaukseen. CHP vaihtoehdoiksi on valittu kaasutin-kaasumoottori-tekniikka sen suosion johdosta kotimaassa, sekä globaalisti. Korkean sähköntuotannon hyötysuhteensa ansiosta se edustaa yhteistuotannossa yleisintä tekniikkaa (Pesola ym. 2014, 32). ORC-tekniikka on otettu rinnalle vertailuun sen potentiaalin sekä uutuuden takia kotimaan markkinoilla. 5.2 Vaihtoehto 1. Kaasutukseen perustuva CHP-laitos Sekä kaasutukseen, että ORC-tekniikkaan perustuvien ratkaisujen mitoitustiedot ja kustannustiedot on otettu liitteen 1 taulukosta, joka on yhdistetty aihepiiriin eri julkaisujen pohjalta. Kaasutukseen perustuvan CHP-laitoksen kokoluokka sekä lämmön- ja sähköntuotantosuhde perustuvat todelliseen, kotimaiselta valmistajalta saatuun laitetarjoukseen. Kaasumoottoreiden sähköntuotannon hyötysuhde on korkea, tyypillisesti 25 40 % (liite 1).

41 Taulukko 6. Vaihtoehdon 1 lähtötiedot. 600 kw kaasutin-kaasumoottori CHP Pel 150 kw Pth 450 kw Ppa 750 kw Phäviö 150 kw hsel 0.2 hsth 0.6 hskok 0.8 Rakenussuhde 0.33 Taulukko 7. Vaihtoehdon 1 mitoitustulokset. Lämpökuorman mukaan Sähkötehontarpeen mukaan Lämmöntuotanto 3576 1800 MWhth/a Lämmöntuot. vara 434 2200 MWhth/a 11 55 % Sähköntuotanto 1192 600 MWhe/a Sähkön ylijäämä 592 - MWhe/a Huipunkäyttöaika 7947 4000 h/a Taulukon 7 perusteella voidaan arvioida, että kaasumoottorilaitos ei ole optimaalinen ratkaisu kohteeseen. Syynä tähän ovat kaasumoottorin korkea sähköntuotannon hyötysuhde, sekä pienpuuteollisuuden korkea lämmönkulutus suhteessa sähkönkulutuksen. Korkean lämmönkulutuksensa takia esimerkkiyritykselle sopii paremmin lämpökuorman mukaan mitoitus. Lämpökuorman mukaan mitoitettuna lämmöntuotanto ja huipunkäyttöaika vaikuttavat hyviltä, mutta sähköntuotanto ylittää omakäyttötarpeen kaksinkertaisesti. Toisaalta, kuten kuviosta 1 huomataan, korkea sähköntuotanto kattaa työvuorojen aikaisen kulutuspiikin. Ongelmaksi muodostuu sähkön ylituotannon määrän lisäksi ylituotannon ajankohta. Ylimääräistä sähköä muodostuu eniten yöaikaan, jolloin sähkön tuntikohtainen SPOT-hinta on matalimmillaan. Näin ollen verkkoon siirrettävästä sähkön ylituotannosta saatava korvaus jää entistäkin pienemmäksi, mikä tekee sähkön myymisestä entistäkin kannattamattomampaa. Mitoitusten kuukausikohtaiset lämmön- ja sähköntuotannot nähtävissä kuvioissa 2 & 3.

42 Vaihtoehto 1, lämpökuorman mukaan [kw] 900 800 700 600 500 400 300 200 100 0 Joulu Tammi Helmi Marras Maalis Loka Syys Huhti Elo Touko Kesä Heinä Pth CHP Pth vara Pel CHP oma käyttö Pel CHP ylijäämä Kuvio 2. Lämpökuorman mukaan mitoitetun kaasutin-kaasumoottori CHPlaitoksen tuotanto. Vaihtoehto 1, sähkötehontarpeen mukaan [kw] 800 700 600 500 400 300 200 100 0 Joulu Tammi Helmi Marras Maalis Loka Syys Huhti Elo Touko Kesä Heinä Pel CHP Pth CHP Pth vara Kuvio 3. Sähkötehontarpeen mukaan mitoitetun kaasutin-kaasumoottori CHP-laitoksen tuotanto.

43 5.3 Vaihtoehto 2. ORC-tekniikkaan perustuva CHP-laitos ORC-tekniikan kokonaishyötysuhde on Rowshanzadehin mukaan (2010, 54) noin 90 %. ORC-tekniikan sähköntuotannon hyötysuhde on kaasumoottoriin verrattuna alhainen, noin 10 20 % (liite 1). Matalamman sähköntuotannon hyötysuhteen voidaan olettaa sopivan jopa paremmin kohdeyrityksen tarpeisiin. Tulee kuitenkin ottaa huomioon, että ORC-laitoksen mitoitus- ja kannattavuustulokset ovat teoreettisia, sillä ORC-laitosten koko on yleisesti 200 kwe:sta ylöspäin. (Puhakka & Makkonen (toim.) 2011, 77.) Taulukko 8. Vaihtoehdon 2 lähtötiedot. 600 kw ORC-laitos Pel 100 kw Pth 500 kw Ppa 667 kw Phäviö 67 kw hsel 0.15 hsth 0.75 hskok 0.9 Rakenussuhde 0.20 Taulukko 9. Vaihtoehdon 2 mitoitustulokset. Lämpökuorman mukaan Sähkötehontarpeen mukaan Lämmöntuotanto 3720 3000 MWhth/a Lämmöntuot. vara 280 1000 MWhth/a 7 25 % Sähköntuotanto 744 600 MWhe/a Sähkön ylijäämä 144 - MWhe/a Huipunkäyttöaika 7440 6000 h/a Taulukosta 9 nähdään, että ORC-laitoksen rakennussuhde soveltuu kohdeyrityksen tarpeisiin paremmin. Lämpökuorman mukaan mitoittamalla lämmöntarve saadaan lähes kokonaan täytettyä ja sähkön ylituotantokin vähenee merkittävästi kaasumoottorilaitokseen verrattuna. Huomionarvoista on kuitenkin se, ettei tällä tavalla mitoitettu laitos kata päivällä voimakkaasti kasvavaa sähkökulutusta. Verkkosähkön ostaminen on välttämätöntä työvuorojen aikana, jolloin ostosähkön hinta on korkeimmillaan. ORC-laitoksen päivittäinen tuotanto kuvattuna kuvioissa 4 & 5.

44 Vaihtoehto 2, lämpökuorman mukaan [kw] 800 700 600 500 400 300 200 100 0 Joulu Tammi Helmi Marras Maalis Loka Syys Huhti Elo Touko Kesä Heinä Pth CHP Pth vara Pel CHP oma käyttö Pel CHP ylijäämä Kuvio 4. Lämpökuorman mukaan mitoitetun ORC-laitoksen tuotanto. Vaihtoehto 2, sähkötehontarpeen mukaan [kw] 800 700 600 500 400 300 200 100 0 Joulu Tammi Helmi Marras Maalis Loka Syys Huhti Elo Touko Kesä Heinä Pel CHP Pth CHP Pth vara Kuvio 5. Sähkötehontarpeen mukaan mitoitetun ORC-laitoksen tuotanto.

45 6 Taloudellinen kannattavuus 6.1 Lähtöarvot Taloudellisen tarkastelun vertailuarvona toimivat verkkosähkön hinta (T1 pienteollisuus & sähköveroluokka 2) sekä korvattavalla lämmityskattilalla tuotetun lämmön hinta (tuotantokustannukset). Sähkön hinta koostuu energian hinnasta, siirtomaksusta sekä sähköverosta. Esimerkkiyritys kuuluu ryhmään tyyppikäyttäjä T1 pienteollisuus. Oletusarvona on myös, että yritys on hakenut oikeutta sähköveroluokkaan 2, johon yleisesti kuuluvat valmistavaa teollisuutta harjoittavat teollisuusyritykset. Sähkövero on pysynyt vakiona 1.1.2015 alkaen ja sähköveroluokan 2 kohdalla se on 8,717 /MWh. Energian osuutena sähkön hinnasta käytetään kotimaisen pienpuuteollisuusyrityksen sähkönkulutusprofiileista saatua keskiarvoa 33,7 /MWh ja siirtomaksuna tyyppikäyttäjän T1 vuoden painotettua keskiarvoa 40,6 /MWh. Verkkosähkön kokonaishinnaksi muodostuu 83 /MWh. Pöyry Management Consulting Oy:n (2016, 31) arvion mukaan sähkön hinta nousee vuosittain 2 %. Kohdeyrityksen sivuvirtana muodostuu vuosittain 35 000 irtokuutiometriä purua/lastua havupuun höyläämisestä, jonka kosteusprosentti on 15 p-%. Purua ei käsitellä paalaamalla tai puristamalla, vaan omaan tarpeeseen menevä osuus menee polttoon ja ylimääräinen osuus myyntiin sellaisenaan. Yrityksen A sivuvirran myyntihinnaksi on arvioitu 9 /i-m 3 ja energiatiheydeksi 0,5 MWh/i-m 3. CHP-laitosten taloudellisen kannattavuuden selvittäminen vaatii vertailukohteen. Tässä selvityksessä vertailuarvona lämpökustannusten osalta toimii uusi biokattila ja biopoltin. Erään tarjouksen perusteella 500 kw biokattila, biopoltin ja ohjauskeskus kustantavat noin 70 000 euroa (alv. 0%). Investointiin lisätään mm. muutostöiden ja asennusten takia 30 000 euroa, jolloin kattilainvestoinniksi muodostuu 100 000 euroa. Kattilainvestointiin on saatavissa energiatuki, eli 10-15 %:a investointitukea. Tuen jälkeen investointikustannus on 90 000.

46 Kun laskelmien korkokantana käytetään 7 prosenttia ja poistoaikana 15 vuotta, muodostuu hankintamenon annuiteetiksi 9 882 euroa vuodessa. Käyttö- ja kunnossapitokustannukset ovat uusilla biokattiloilla 1 /MWhth luokkaa (Pappinen 2017), joten mitoitetulla 7 440 tunnin huipunkäyttöajalla vuosittaiseksi käyttö- ja kunnossapitokustannukseksi muodostuu 3 720 euroa. Uusien biokattiloiden hyötysuhde on noin 94 %, joten vuosittain kuluu 8 8420 irtokuutiota sivutuotepuuna syntyvää purua. Kun myyntihinta on 9 /i-m 3, muodostuu polttoainekustannuksiksi 75 781 euroa vuodessa. 700 Uusi biokattila [kw] kw 600 500 400 300 145 145 95 500 500 500 500 430 376 389 389 376 376 389 376 200 100 0 Joulu Tammi Helmi Marras Maalis Loka Syys Huhti Elo Touko Kesä Heinä KATTILAperus KATTILAvara Kuvio 6. Uuden biokattilan ja vanhan kevytöljykattilan lämmöntuotanto. Mitoituksen perusteella uudella biokattilalla tuotetaan 3720 MWhth vuodessa ja varakattilalla 280 MWhth, eli 7 % lämmöntuotannosta (kuvio 6). Varalämmityskattila kuluttaa kevyttä polttoöljyä (POK) hyötysuhde huomioon ottaen 29787 litraa vuodessa. Kevyen polttoöljyn energiasisältönä on käytetty 10 kwh/l. Kevyen polttoöljyn hinta on noin 0,95 /l, jolloin varalämmityksen osuus polttoainekustannuksista on 28 298 euroa vuodessa. Uuden biokattilan tuotantokustannuksiksi muodostuisi 117 681 euroa, eli lämmön hinta olisi noin 29,5 /MWh. Mahdollista lämmön ylituotantoa ei myydä kohteen ulkopuolisille käyttäjille. Vanhan lämmityskattilan ja potentiaalisten CHP-laitteistojen jälleenmyyntiarvona käytetään 0 euroa. Laskelmissa ei oteta huomioon inflaation vaikutusta. Inflaatio-odotuksen pitkän ajan keskiarvo on 2,2 % (Tilastokeskus 2013).

47 Laskelmissa ei ole otettu huomioon sähköntuotantoveroa tai verkkoon myytävän sähkön mahdollista välityspalkkiota. Taulukko 10. Kannattavuuslaskelmien yhteiset nimittäjät. Yritys A Korkokanta 7 % Poistoaika 15 a Verkkosähkön hinta 83 /MWhe Myytävän sähkön korvaushinta 33,7 /MWhe Sähkön hinnan nousu 2 %/a Lämmön tuotantokustannukset 29,5 /MWhth 6.2 Vaihtoehto 1. Kaasutukseen perustuva CHP-laitos Tämän vaihtoehdon CHP-laitoksen investointikustannukset perustuvat todellisiin saatuihin tarjouksiin kaasutin-kaasumoottorilaitoksista. Saatujen tarjousten kustannukset ovat huomattavasti suurempia kuin liitteessä 1 oleva arvio 550 900 /kw. Investointikustannukset osuvat Takalon (2013, 22) lainaamaan arvioon, jonka perusteella Suomessa kiinteillä polttoaineilla toimivien CHP-laitosten investointikustannukset ovat 1400 4800 /kw. 600 1000 kw kaasutin-kaasumoottorilaitosten investointikustannukset tarjousten perusteella vaihtelivat välillä 1350 1700 /kw. Esimerkkilaitoksen investointikustannuksina käytetään 1700 /kw. Kustannukseen sisältyy uuden varakattilan investointi sekä asennus- ja muutostyöt. Lisäksi hankintaan on sisällytetty kontti, sekä CHP-laitoksen aiheuttamien muutostöiden kustannusarviot. Kokonaisinvestointikustannus on 1 025 000 euroa. Tuotantokustannukset koostuvat muuttuvien kustannusten eli polttoainekustannusten sekä käyttö- ja kunnossapitokustannusten lisäksi kiinteistä kustannuksista, jotka tässä tapauksessa koostuvat investoinnin annuiteetista. Käyttö- ja kunnossapitokustannuksiin sisältyy huoltojen, vakuutusten ja ylläpidon lisäksi mahdolliset lisäinvestoinnit. Kaasumoottoreiden kohdalla se tarkoittaa moottorin uusimista 6 8, maksimissaan 10 vuoden välein. (Väinämö 2017.) Kaasureaktorin käyttöikä yltää jopa 25 vuoteen saakka. (Uusi-Rajasalo 2017.) Käyttö- ja kunnossapitokustannukset ovat noin 3 % koko investoinnin kustannuksista ja

48 niihin sisältyvän vakuutuksen osuus vain 0,25 2 % annuiteetista. (Takalo 2013, 22.) CHP-laitosten tapauksessa vaihtoehdon 1 ja 2 varalämmitysjärjestelmäksi valitaan biolämmityskattila, jonka investointikustannukset lisätään CHP-laitosten hankintahintaan. Biokattila mahdollistaa sivuvirran käyttämisen polttoaineena. Mahdollisen laitevian sattuessa CHP-laitoksessa lämmöntuotanto voidaan järjestää kohtuulliseen hintaan öljykattilaan verrattuna. Lisäksi uusi varakattila voidaan sijoittaa vanhan arinakattilan tilalle, jolloin liitännät on helpompi toteuttaa. Sekä vaihtoehto 1:n, että 2:n kannattavuuslaskelmat perustuvat lämpökuorman mukaisiin mitoituksiin. Taulukko 11. Vaihtoehdon 1 kannattavuus. Tuotantokustannukset Kiinteät kustannukset Investoinnin annuiteetti 112 539 /a Muuttuvat kustannukset Käyttö- ja kunnossapito 23 840 /a Polttoainekustannukset 107 280 /a Kustannukset yhteensä 243 659 /a Vuosittaiset tuotot Säästöt 175 420 /a Tuotot (sähkön myynti ja tuotantotuki) 75 388 /a Tuotot yhteensä 250 808 /a Nettotuotto 7 148 /a Koroton takaisinmaksuaika 8,6 vuotta Korollinen takaisinmaksuaika 23,6 vuotta Koska laskelmissa ei oteta huomioon sähköntuotantoveroa tai verkkoon myytävän sähkön välityspalkkiota, saattaa se muuttaa vaihtoehdon 1 kannattavuuden tappiolliseksi. Kaasureaktorin käyttöiän ollessa 20 25 vuotta, positiivisista nettotuotoista huolimatta hankinta voi olla tappiollinen takaisinmaksuajan valossa.

49 6.3 Vaihtoehto 2. ORC-tekniikkaan perustuva CHP-laitos ORC-laitosten hintahaarukka investointikustannusten osalta on 1500 4500 /kw (liite 1). Koska suunniteltava laitos on pieni (varsinkin ORC-tekniikalla), voidaan investointikustannuksen olettaa sijoittuvan hinta-arvion yläpäähän. Laskelmissa käytetään investointikustannuksena 3500 /kw. Kustannukseen sisältyy uusi varakattila tarvittavine töineen. Investointikustannuksena käytetään 2 100 000 euroa. Taulukko 12. Vaihtoehdon 2 kannattavuus. Tuotantokustannukset Kiinteät kustannukset Investoinnin annuiteetti 230 569 /a Muuttuvat kustannukset Käyttö- ja kunnossapito 22 320 /a Polttoainekustannukset 89 280 /a Kustannukset yhteensä 342 169 /a Vuosittaiset tuotot Säästöt 175 420 /a Tuotot (sähkön myynti ja tuotantotuki) 38 293 /a Tuotot yhteensä 213 713 /a Nettotuotto - 128 456 /a Koroton takaisinmaksuaika 20,6 vuotta Korollinen takaisinmaksuaika 56,7 vuotta 6.4 Tulosten vertailu ja herkkyysanalyysi Tässä kappaleessa tarkastellaan investointien kannattavuutta herkkyysanalyysien avulla. Herkkyysanalyysin tarkoituksena on testata tutkimuksen lopputuloksen varmuutta muuttujien arvoja vaihtamalla. Muuttujina käytetään sivutuotepuun myyntihintaa, CHP-laitosten käyttö- ja kunnossapitokustannuksia, korkokantaa sekä uudelle teknologialle myönnettävää investointitukea. Taulukko 13 esittelee CHP-laitosten kannattavuuden muutosta suhteessa polttoaineen hintaan. Maalattu rivi edustaa taloudellisissa laskelmissa käytettyjä arvoja.

50 Taulukko 13. Sivutuotepuun myyntihinnan vaikutus CHP-laitosten kannattavuuteen. Sivutuotepuun myyntihinta Vaihtoehto 1 Vaihtoehto 2 Vaihtoehto 1 Vaihtoehto 2 [ /i-m 3 ] Nettotuotot [ /a] Takaisinmaksuaika [a] 0 114 428-39 176 12,5 30,3 1 102 508-49 096 13,2 31,9 2 90 588-59 016 13,9 33,8 3 78 668-68 936 14,8 35,9 4 66 748-78 856 15,8 38,2 5 54 828-88 776 16,9 40,9 6 42 908-98 696 18,2 43,9 7 30 988-108 616 19,7 47,5 8 19 068-118 536 21,5 51,7 9 7 148-128 456 23,6 56,7 10-4 772-138 376 26,2 62,9 Taulukon perusteella on nähtävissä kuinka suuri merkitys yrityksen sivutuotepuun myyntihinnalla, eli polttoaineen hinnalla on pien-chp:n kannattavuuteen. Mikäli yrityksen sivutuotepuun myyntihinta on keskimäärin 5 /i-m 3 tai vähemmän, on kaasutukseen perustuvalla CHP-laitoksella edellytykset kannattavuuteen, vaikka taloudellisen osion laskelmissa ei oteta huomioon sähköntuotantoveroa tai verkkoon myytävän sähkön välityspalkkiota. ORC-laitoksen kustannukset ovat pien-kokoluokassa kaasumoottoriin verrattuna selkeästi korkeammat, mistä johtuu ORC-tekniikan heikko kannattavuus, vaikka sivutuotepuun myyntihinta olisi 0 euroa. CHP-laitosten käyttö- ja kunnossapitokustannuksiin sisältyvät huollot, vakuutukset, kaasumoottorin uusiminen, korjaukset ja hallinnointikustannukset. Herkkyysanalyysi kannattaa suorittaa muuttujan eri arvoilla, sillä arviot pien-chplaitosten käyttö- ja kunnossapitokustannusten suuruudesta vaihtelevat merkittävästi lähteestä riippuen.

51 Taulukko 14. Käyttö- ja kunnossapitokustannusten vaikutus CHP-laitosten kannattavuuteen. Käyttö- ja kunnossapito Vaihtoehto 1 Vaihtoehto 2 Vaihtoehto 1 Vaihtoehto 2 [ /MWh] Nettotuotot [ /a] Takaisinmaksuaika [a] 3 16 684-119 528 21,9 52,2 4 11 916-123 992 22,7 54,4 5 7 148-128 456 23,6 56,7 6 2 380-132 920 24,6 59,3 7-2 388-137 384 25,7 62,2 8-7 156-141 848 26,8 65,3 Taulukossa 14 esitettyjen arvojen muutoksella ei ole merkittäviä vaikutuksia kannattavuuteen verrattuna polttoaineen hinnan vaikutukseen. Pienemmät käyttö- ja kunnossapitokustannukset lisäävät kaasumoottorilaitoksen kannattavuutta hivenen, mutta kokonaisuutta tarkasteltaessa kustannusten suuruuden vaikutus jää vähäiseksi. Investointilaskelmissa laskentakorkokannalla tarkoitetaan yhden vuoden koron prosenttiosuutta investoinnista. Koska laskelmissa ei oteta inflaatiota huomioon, korkokantana käytetään reaalikorkoa (taulukko 15). Taulukko 15. Korkokannan vaikutus CHP-laitosten kannattavuuteen. Korkokanta Vaihtoehto 1 Vaihtoehto 2 Vaihtoehto 1 Vaihtoehto 2 [%] Nettotuotot [ /a] Takaisinmaksuaika [a] 3 33 827-73 797 13,3 32,0 4 27 498-86 763 15,4 37,0 5 20 937-100 206 17,8 42,8 6 14 151-114 109 20,5 49,3 7 7 148-128 456 23,6 56,7 8-63 -143 229 27,2 65,2 Vaihtoehdosta 1 saadaan huomattavasti kannattavampi käytettäessä matalampaa korkokantaa kuin esimerkkilaskuissa, etenkin jos korkokanta on 3 5 %. Kaasumoottori on Pesolan ym. (2014, 32) mukaan perinteisin CHP-tekniikka. ORC-laitoksia on Suomessa toistaiseksi muutamia, jotka ovat kuitenkin kaikki

52 suurempia voimaloita. Vaihtoehtojen 1 ja 2 mahdollisuudet uuden teknologian tukeen ovat vähäiset. Viimeinen herkkyysanalyysi on kuitenkin skenaario, jossa molemmille laitoksille myönnetään uuden teknologian korotettua tukea, eli 20 40 % investointikustannuksista (taulukko 16). Taulukko 16. Uuden teknologian korotetun tuen vaikutus CHP-laitosten kannattavuuteen. Tuki Vaihtoehto 1 Vaihtoehto 2 Vaihtoehto 1 Vaihtoehto 2 [%] Nettotuotot [ /a] Takaisinmaksuaika [a] 20 29 656-82 342 18,9 45,4 30 40 910-59 285 16,5 39,7 40 52 164-36 228 14,2 34,0 Uuden teknologian korotetulla tuella ei laskelmien tiedoilla olevaa ORC-laitosta saada kannattavaksi, mutta tuen vaikutus kaasumoottorilaitoksen kannattavuuteen on merkittävä. Vaihtoehdon 1 nettotuotot kasvavat investoinnin annuiteetin laskun seurauksena.

53 7 Päätäntö/Pohdinta Kaasulaitteisto on edullisempi ja sillä on korkeampi sähköntuotannon hyötysuhde verrattuna ORC-tekniikkaan. Sähköntuotannon korkea määrä voi olla ongelma pienpuuteollisuudessa, jossa myös korkea lämmöntarve on jatkuvaa. Toisaalta suuri sähköteho kattaa työvuorojen aikaisen sähkötehon tarpeen piikin, mikä mahdollistaa omavaraisuuden sähköntuotannon osalta. Tällöin vuorokauden muina aikoina muodostuvan ylijäämäsähkön määrä voi olla noin puolet kaikesta tuotetusta sähköstä. ORC-laitosten kokonaishyötysuhde on yleisesti kirjallisista lähteistä riippumatta kaasumoottorilaitosta korkeampi. Tällä hetkellä puupohjaisia polttoaineita käyttävien pien-orc-laitosten kannattavan kokoluokan alarajasta on useita näkemyksiä. Purhosen (2010, 10) mukaan se on yksi taloudellisesti kannattavimmista tekniikoista alle 1 MWe biomassan poltossa. Haavisto (2010, 3) taas kertoo erään laitetoimittajan maininneen, ettei ORC-tekniikka ole kilpailukykyinen alle 300 kwe kokoluokassa. Puhakka ja Makkonen (2011, 77) taas määrittelevät ORClaitosten alarajaksi 200 kwe. Joka tapauksessa voidaan todeta, että toistaiseksi ORC-tekniikka ei ole taloudellisesti kannattavaa tämän selvityksen esimerkkiyrityksen kokoluokassa. Lopputuloksena vaihtoehdon 1, eli kaasutin-kaasumoottori-laitoksen kannattavuus on hienoinen yllätys. Selvityksen ohella tehdyn opinnäytetyön tulos oli päinvastainen. Opinnäytetyössä selvitettiin 600 kw kaasumoottorilaitoksen, sekä 1 MW kaasumoottorilaitoksen kannattavuutta itäsuomalaiselle pienpuuteollisuuden yritykselle. Selvityksen lopputuloksena oli, ettei kumpikaan pien-chp-laitos ollut kannattava. Taloudellisesti kannattavin vaihtoehto oli päivittää vanha arinakattila uuteen biokattilaan ja -polttimeen sekä ostaa tarvittava edelleen sähkö verkosta. Investointikustannusten suuruuden lisäksi taloudellisen kannattavuuden kannalta merkittävin tekijä on käytettävän polttoaineen hinta. Mikäli sivutuotepuusta muodostuu enemmänkin ongelma kuin tulonlähde, on pien-chp-laitosten kannattavuus silloin huomattavasti todennäköisempää.

54 Kuva 23. Pientuotantoteknologioiden sähkön tuotantokustannusten vaihteluvälit verrattuna markkinasähkön (spot) ja ostosähkön hintaan (Kuva: Pesola ym. 2014, 15). Tutkimustuloksen luotettavuutta heikentää muutamat seikat, kuten sähköntuotantoveron ja myytävän sähkön välityspalkkion, sekä inflaation vaikutuksen puuttuminen taloudellisesta vertailusta. Pien-CHP-laitosten vaatimien muutostöiden kustannukset saattavat laskelmissa olla todellisia kustannuksia pienemmät. Etenkin ORC-tekniikka vaatii suhteellisen suuren tilan, mikä voi lisätä muutostöiden kustannuksia pienemmillä tonteilla. Lisäksi osa käytetyistä luvuista ja summista taloudellisen kannattavuuden laskelmissa ovat kirjallisuuteen perustuvia tai arvioita. Lopputulos on kuitenkin yhteneväinen tuoreiden ennusteiden kanssa pien-chp:n tulevaisuuden näkymistä. Pöyry Management Consulting Oy (2016, 50) kertoo tuoreessa julkaisussaan CHP-laitosinvestointien kannattavuuden olevan tulevaisuudessa epävarmaa ja useiden energiayhtiöiden pohtivan CHP-tekniikan korvaamista erillisellä lämmöntuotannolla tulevaisuudessa. Syynä tähän on alhainen sähkön hinta, jolla on merkittävä vaikutus pientuotannon kannattavuuteen Toisaalta Haaviston (2010, 2) mukaan pien-chp-tuotanto biomassasta on voimakkaasti kasvava toimiala ympäri maailman ja kiinnostus sähkön pientuotantoa kohtaan on kasvussa sähkön hinnan noustessa. Ristiriitaisiin tietoihin saat-

55 taa sähkönhinnan vaihtelevan kehityksen lisäksi olla Pesolan ym. (2014, 8) mukaan se, ettei Suomessa ole kattavasti saatavilla tilastotietoa pien-chplaitosten kapasiteetista. Tekniikkana Pien-CHP:n kilpailukykyyn Pesolan ym. (2014, 21) mukaan vaikuttavat eniten tukimekanismit, lainsäädäntö sekä polttoaineen ja sähkön hinta. Erityisen ongelmallista Suomessa on sähkön ja käytettyjen polttoaineiden hintasuhteiden epäotollisuus sekä epäkannustava säädösympäristö. Säädösten asettamien esteiden sekä sähköverkkoon liittymisen byrokratian ja kalleuden nähdään suosivan suurempia toimijoita, minkä takia pientuotanto koetaan haasteelliseksi kotimaassa. (Pesola ym. 2014, 22.) Suomessa metsäteollisuuden sivuvirtojen puukaasun tuotantopotentiaalin on arvioitu olevan noin 8 TWh/a, josta suurin osa tultaneen käyttämään suuren kokoluokan metsäbiodiesel- ja biokaasulaitoksissa. Tästä huolimatta metsätähdettä riittää todennäköisesti tulevaisuudessa pien-chp-tuotantoon, sillä isojen laitoshankkeiden vaatimien suurten pääomien kokoon saaminen on haastavaa. (Pesola ym. 2014, 26.) Energiamarkkinaviraston (2013, 7) julkaisussa mainitaan viimeisen kolmen vuoden aikana pienteollisuuden tyyppikäyttäjäprofiilin (T1) sähkön kiinteiden maksujen osuuden nousseen yli 31 %, mikä on suhteellisesti toiseksi eniten kaikista viidestä tyyppikäyttäjäprofiilista. Tämän lisäksi sähkön kokonaishinta on kääntynyt takaisin nousuun kesän 2016 hinnanlaskun jälkeen. Sähkön hinnan nousu ei ole näkynyt pienen mittakaavan yhteistuotannon markkinoilla kasvavana kannattavuutena, sillä useammat opinnäytetyötä ja teknologiaselvitystä varten kartoitetut laitevalmistajat tai maahantuojat ovat viimeisen viiden vuoden aikana päätyneet konkurssiin tai suunnanneet tuotantonsa muihin energiantuotannon ratkaisuihin. Jatkotutkimusaiheiksi suositellaan pelletöinnin kannattavuuden selvittämistä pienpuuteollisuuden yritysten kokoluokassa. Hienojakoisen sivuvirran, kuten purun ja lastun, pelletöinti voi mahdollistaa myös sellaisten CHP-tekniikoiden käytön, jotka eivät hienojakoista puupolttoainetta pysty käyttämään. Eräältä yritykseltä kuullun perusteella pelletöintikokeilut eivät ole onnistuneet muilla pienen kokoluokan puuteollisuusyrityksillä, tuotannosta aiheutuvien kustannusten takia.

56 Toisaalta kuivan ja hienojakoisen sivutuotepuun pelletöinti voi olla mahdollista ilman murskausta (Paukkunen 2017). Kuva 24. Toholammin Energia Oy:n ORC-laitos (Kuva: Toholammin Energia Oy 2014).

57 Lähteet Aaltonen, J. & Ukkonen, J. 2008. Pienet alle 4 MW yhdistetty sähkön- ja lämmöntuotanto mahdollisuudet. Kanditaatintyö. Lappeenrannan teknillinen yliopisto. http://www.doria.fi/bitstream/handle/10024/39675/pienet%20chp%20laitokset.pdf. 31.3.2017. AEE INTEC. Bioenergy in sugar production. http://wiki.zero-emissions.at/index.php?title=bioenergy_in_sugar_production. 12.1.2017. Alakangas, E., Hurskainen, M., Laatikainen-Luntama, J. & Korhonen, J. 2016. Suomessa käytettävien polttoaineiden ominaisuuksia. VTT Technology 258. VTT. http://www.vtt.fi/inf/pdf/technology/2016/t258.pdf. 10.1.2016. BIOS Bioenergiesysteme GmbH. 2016. Stirling-engine. http://www.bios-bioenergy.at/en/electricity-from-biomass/stirling-engine.html. 11.1.2017. BIOS Bioenergiesysteme GmbH. Working principle and implementation in the biomass CHP plant. http://www.bios-bioenergy.at/en/electricity-frombiomass/orc-process.html. 3.4.2017. Bäckman, A. 2014. Bioenergiaselvitys. Biopohjaisen lämmöntuotannon ja biopohjaisen sähkön ja lämmön yhteistuotannon vaatima tekniikka ja kannattavuus sekä biomassan saatavuus Paraisten kaupungin saaristo-osissa. Käännös. http://www.parainen.fi/html/dynasty/fi_fi/kokous/20153777-10-1.pdf. 15.3.2017. Energiamarkkinavirasto. 2013. Sähkön siirtohintatariffien kehitys 2000-2013. https://www.energiavirasto.fi/documents/10179/0/sahkon_siirtohintatariffienkehitys2013.pdf/49f73b2d-f227-473f-b510-fb77a76f18e4. 6.4.2017. Energy Solutions Center. 2016. CHP technologies. http://understandingchp.com/chp-applications-guide/4-chp-technologies/. 11.1.2016. Europaeus, V. 2014. Puubiomassa kaasutukseen perustuva hajautettu energiantuotanto. Kandidaatintyö. Lappeenrannan teknillinen yliopisto. https://www.doria.fi/xmlui/handle/10024/94329. 6.1.2017. Flyktman, M. 2013. Sähkön ja lämmön yhteistuotanto biomassasta. VTT seminaari: Puuhakkeesta sähköä ja lämpöä pienen kokoluokan kaasutustekniikan kehitys ja tulevaisuus. VTT. http://www.vtt.fi/files/news/2013/13062013/06_sahkon_ja_lammon_yhteistuotanto.pdf. 8.1.2017. Forbes. 2013. 12 hydrogen and fuel cell stocks. http://www.forbes.com/sites/tomkonrad/2013/12/11/twelve-hydrogenand-fuel-cell-stocks/#5f334dfd326d. 19.1.2017. Foster, P.R. 2011. Innovative Rotary Displacer Stirling Engine: Sustainable Power Generation for Private and Fleet Vehicle Applications. Virginia Tech. The Journal of Technology Studies. Electronic Journals. Volume 37, Number 2. https://scholar.lib.vt.edu/ejournals/jots/v37/v37n2/foster.html. 20.3.2017. Fuel Cell Markets. PAFC Phosphoric Acid Fuel Cells Portal Page. http://www.fuelcellmarkets.com/fuel_cell_markets/phosphoric_acid_fuel_cells_pafc/4,1,1,2507.html. 20.1.2016. Gasek Oy. 2017. Laitteistotiedustelu. Gasek Oy. td.kortelainen@gmail.com. 8.2.2017. Granö, U-P. 2008. Pienempiä CHP- yksiköitä. HighBio-Interreg Pohjoinen 2008 2011. Projekti info 05. Kokkolan yliopistokeskus Chydenius.

58 https://www.chydenius.fi/tutkimus/soveltava-kemia/julkaisut-ja-raportit/highbio. 9.1.2017. Granö, U-P. 2010. CHP vaihtoehtona energiaosuuskunnille. HighBio-Interreg Pohjoinen 2008 2011. Projekti info 45. Kokkolan yliopistokeskus Chydenius. https://www.chydenius.fi/tutkimus/soveltava-kemia/julkaisut-ja-raportit/highbio. 6.1.2017. Haapakoski, J. 2017. Toimitusjohtaja. Volter Oy. Laitteistotiedustelu. td.kortelainen@gmail.com. 9.2.2017. Haavisto, T. 2010. Puupolttoaineisiin perustuvat pien- CHP tekniikat. Raportti V1.1. Selvitys hankkeeseen: Bioenergian tuotteistaminen liiketoiminnaksi. Joensuu. Wattson Tech Oy. http://www.karelia.fi/biostuli/materiaalit/pien-chp-katsaus_raportti_v11.pdf. 5.1.2017. Halinen, M. 2007. Polttokennot. AS.84-3134 Energiatekniikan automaatio. VTT. http://automation.tkk.fi/attach/as-84-3134/halinen107.pdf. 20.1.2017. Heikkilä, I. & Kiuru, T. 2014. Ylijäämälämmön taloudellinen hyödyntäminen. Ylijäämälämpöenergia-analyysit. Yhteenvetoraportti. Motiva. https://www.motiva.fi/files/8808/ylijaamalammon_taloudellinen_hyodyntaminen_-_ylijaamalampoenergia-analyysit.pdf. 19.3.2017. Hiltunen, A. & Klemetti, O. 2014. Kutterilastun pelletöinti -selvitys. Tiivistelmä. Puun käytön laaja-alaistaminen. Proj.nr. A31942. http://puunkaytto.lieksada.fi/userfile/files/raportit/27_6_2014/kutterinlastun_pelletointi-selvitys.pdf. 7.4.2017. Hintikka, J. 2004. Biomassapohjaiset mikro-chp-tekniikat. Bioenergiakeskuksen julkaisusarja (BDC publications) nro 8. Jyväskylän ammattikorkeakoulu. https://www.theseus.fi/bitstream/handle/10024/20523/mikro-chp-raportti_nro8.pdf?sequence=3. 6.1.2017. Hirvonen, M. 2016. Tuntiopettaja. Yhdistetty sähkön- ja lämmöntuotanto. Uusiutuva energia; osa A energian tuotanto ja käyttö. Kurssimateriaali. Karelia-amk. Kantalainen, K. 2017. Myyntijohtaja. Ariterm Oy. Puhelinhaastattelu. 9.2.2017. Karjalainen, L. 2005. Liiketalouden matematiikka 2. Keuruu: Otavan Kirjapaino Oy. Karjalainen, T. 2012. Pienimuotoisen lämmön ja sähkön yhteistuotannon tilannekatsaus laitteet ja niiden käyttöönotto. Cemis-Oulu. Kajaanin yliopistokeskus. Oulun yliopisto. http://www.oulu.fi/sites/default/files/content/files/pien%20chp%20raportti.pdf. 31.3.2017. Lampinen, M. 2017. Lämmityskattiloista. Laatukattila Oy. Td.kortelainen@gmail.com. 7.2.2017. Laurila, J. & Lauhanen, R. 2011. Pienen kokoluokan CHP-teknologiasta lisää voimaa Etelä-Pohjanmaan metsäkeskusalueelle. Seinäjoen ammattikorkeakoulun julkaisusarja B. Raportteja ja selvityksiä 53. https://publications.theseus.fi/bitstream/handle/10024/33460/b53.pdf?sequence=1. 2.3.2017. Liukko, A. 2016. Uusiutuvan energian tukimallit valinkauhassa. Uusiutuvan energian ajankohtaispäivä 26.1.2016. Työ- ja elinkeinoministeriö. https://www.energiavirasto.fi/documents/10191/0/anja+liukko+ajan- kohtaisp%c3%a4iv%c3%a4%2026.01.2016.pdf/25d54584-3ef6-4244-a77a-cff56e07db60. 27.2.2017. Metla. Puupolttoaineiden käyttö energiantuotannossa. Laatuseloste. http://www.metla.fi/metinfo/tilasto/julkaisut/mtt/laatuseloste/puupoltto.pdf. 10.1.2016.

59 Motiva. 2012. Sähköverkkoon liittyminen. Opas sähkön pientuottajalle. http://www.motiva.fi/files/5724/opas_sahkon_pientuottajalle_2012.pdf. 2.3.2017. Motiva. 2014a. Pien-CHP. http://www.motiva.fi/toimialueet/uusiutuva_energia/bioenergia/bioenergian_tuotantotekniikka/pien-chp. 9.1.2017. Motiva. 2014b. Bioenergian tuotantotekniikka. Rakennuslupa. http://www.motiva.fi/toimialueet/uusiutuva_energia/bioenergia/bioenergian_tuotantotekniikka/saantely/rakennuslupa. 27.2.2017. Määttä, K. 2016. Biokaasu, metsähake ja puupolttoaineet. Eräiden uusiutuvien energialähteiden sääntelystä ja sääntelyn kehittämistarpeista. PTT Työpapereita 180. Pellervon taloustutkimus PTT. http://www.ptt.fi/media/tp180.pdf. 28.3.2017. Northern Utilities. Combined Heat and Power. http://northernutilities.co.uk/combined-heat-and-power/. 15.3.2017. Oulun rakennusvalvonta. 2016. Puuta käyttävät CHP-laitteet rakennusten ja rakennusryhmien energialähteenä. Suunnitteluohje 2015. http://www.tulevaisuudentalot.fi/wp-content/uploads/2014/11/chpohjekortti_20160224.pdf. 6.4.2017. Pappinen, M. 2017. Toimitusjohtaja. Konepaja M. Pappinen. Haastattelu. 9.1.2017. Paukkunen, S. 2017. Projektiasiantuntija. Karelia-ammattikorkeakoulu. Keskustelu. 22.2.2017. Pellettienergia. 2016. Pelletin tuotanto. http://www.pellettienergia.fi/pelletin%20tuotanto. 27.2.2017. Perttula, J. 2000. Energiatekniikka. Porvoo: WS Bookwell Oy. Pesola, A., Hoviniemi, H., Vehviläinen, I. & Vanhanen, J. 2010. Selvitys hajautetusta ja paikallisesta energiantuotannosta erilaisilla asuinalueilla. Loppuraportti. Motiva. http://www.motiva.fi/files/7938/selvitys_hajautetusta_ja_paikallisesta_energiantuotannosta_erilaisilla_asuinalueilla_loppuraportti.pdf. 5.1.2017. Pesola, A., Vanhanen, J., Hagström, M., Karttunen, V., Larvus, L., Hakala, L. & Vehviläinen, I. 2014. Sähkön pientuotannon kilpailukyvyn ja kokonaistaloudellisten hyötyjen analyysi. Loppuraportti. Gaia Consulting Oy. http://docplayer.fi/671154-sahkon-pientuotannon-kilpailukyvynja-kokonaistaloudellisten-hyotyjen-analyysi.html. 6.1.2017. Pikes. 2017. Sähkön pientuotannon kannattavuus. Pielisen Karjalan Kehittämiskeskus Oy. http://www.pikes.fi/sahkon-pientuotannon-kannattavuus. 29.3.2017. Puhakka, A. & Makkonen, S. (toim.). 2011. Lähilämpöratkaisut matalaenergiarakentamisessa. Pohjois-Karjalan ammattikorkeakoulun julkaisuja B:22. Pohjois-Karjalan ammattikorkeakoulu. Joensuu: Kopijyvä Oy. https://www.theseus.fi/bitstream/handle/10024/32354/b22_final.pdf?sequence=4. 12.4.2017. Pulkkinen, P. 2005. Taloutta ja tilastoja. Liiketalouden matematiikka. Helsinki: WSOY. Purhonen, M. 2010. ORC-prosessin käyttö sähköntuotannossa. Kandidaatintyö. Lappeenrannan teknillinen yliopisto. http://www.doria.fi/bitstream/handle/10024/66734/nbnfi-fe201101071019.pdf?sequence=3. 19.3.2017.

60 Pöyry Energy Oy. 2006. Sähkön pientuotannon liittäminen verkkoon. http://www.tornionlaaksonsahko.fi/uploads/files/sahkon_pientuotannon_liittaminen_verkkoon.pdf. 19.3.2017. Pöyry Management Consulting Oy. 2016. EU:n 2030 ilmasto- ja energiapolitiikan linjausten toteutusvaihtoehdot ja Suomen omien energia- ja ilmastotavoitteiden toteutuminen. Valtioneuvoston selvitys- ja tutkimustoiminnan julkaisusarja 28/2016. http://tietokayttoon.fi/docu- ments/10616/2009122/28_eu+2030.pdf/c56de1eb-1790-49a3-ac52-762e2d34bbef?version=1.0. 26.3.2017. Rockwell, K. The efficiency of a sophisticated diesel. http://www.kenrockwell.com/190d/. 1.4.2017. Rowshanzadeh, R. 2010. Performance and cost evaluation of Organic Rankine Cycle at different technologies. Master thesis. Department of Energy Technology. KTH Royal Institute of Technology. http://www.diva-portal.org/smash/get/diva2:410363/fulltext01. 12.4.2017. Takalo, H. 2013. Mikro- ja pien-chp. Teknologia- ja laitekantaselvitys sekä kannattavuuden tarkastelu tapausesimerkin avulla. Iin Micropolis Oy. http://www.greenpolis.fi/wp-content/uploads/004_13-mikro-ja-pien- CHP-Teknologia-ja-laitekantaselvitys-sek%C3%A4-kannattavuudentarkastelu-tapausesimerkin-avulla.pdf. 20.1.2017. Tampereen teknillinen yliopisto. 2013. Luentoesitys 6. SMG-4500 Tuulivoima. https://www.tut.fi/smg/tp/kurssit/smg-4500/2013/luento6.pdf. 31.3.2017. Teknologiateollisuus. 2017. Polttokennot. http://teknologiateollisuus.fi/fi/jasenet/toimialaryhmat/polttokennot. 20.1.2017. Teräsvirta, A. 2016. Voimalaitosmittakaavan polttokennojärjestelmien teknis-taloudellinen vertailu. Prizztech Oy. http://docplayer.fi/1977708-voimalaitosmittakaavan-polttokennojarjestelmien-teknis-taloudellinen-vertailu-antti-terasvirta-prizztech-oy.html. 20.1.2017. Tilastokeskus. 2013. Kuluttajien luottamus ennallaan kuluttaminen ei houkuta. http://tilastokeskus.fi/til/kbar/2013/03/kbar_2013_03_2013-03- 27_tie_001_fi.html?ad=notify. 29.3.2017. Tjeder, O. 2009. Höyry- ja kaasuturbiinin mallintaminen prosessisimulointiohjelmaan. Diplomityö. Lappeenrannan teknillinen yliopisto. https://www.doria.fi/bitstream/handle/10024/44073/nbnfife200902101168.pdf?sequence=3. 12.1.2017. Toholammin Energia Oy. 2014. ORC-laitos. http://www.toholamminenergia.fi/lammityskattilat/orc-laitos/. 19.3.2017. Uusi-Rajasalo, H. 2017. Toimitusjohtaja. Enerkon Oy. Puhelinhaastattelu. 9.1.2017. uva_energia/bioenergia/puulammitys_kiinteistoissa/keskuslammityskattilat. 3.1.2017. Vartiainen, E., Luoma, P., Hiltunen, J. & Vanhanen, J. 2002. Hajautettu energiantuotanto: teknologia, polttoaineet, markkinat ja CO2-päästöt. Gaia Group Oy. Helsinki: Edita. http://docplayer.fi/1429355-hajautettuenergiantuotanto-teknologia-polttoaineet-markkinat-ja-co-2-paastot.html. 5.1.2017. Vattenfall. 2014. Kaukolämpö toimintaperiaate. https://corporate.vattenfall.fi/tietoa-energiasta/energianjakelu/kaukolampo/toimintaperiaate/. 6.1.2017.

61 Vihanninjoki, V. 2015 Hajautettu energiantuotanto Suomessa: nykytila ja tulevaisuus sekä vaikutukset ilmanlaatuun. Suomen Ympäristökeskus SYKE. http://www.syke.fi/download/noname/%7bdd119785-b537-45de-aef0-8360dcab1bdf%7d/111845. 6.1.2017. Wiksén, R. 1996. Lämpövoimaprosessit. 572. Espoo: Otatieto. Väinämö, K. 2017. Toimitusjohtaja. Gasek Oy. Puhelinhaastattelu. 23.2.2017. Västinsalo, J. 2017. Tarjous. Veljekset Ala-Talkkari Oy. Td.kortelainen@gmail.com. 28.2.2017.

Liitteet Liite 1 Liite 2 Liite 3 Liite 4 Pien-CHP-teknologiat ja niiden keskeiset tekniset ominaispiirteet Eri polttoaineiden soveltuvuus pien-chp-tekniikoille Gasek Oy:n konsepti pien-chp-laitoksesta Taloudelliset laskelmat

Pien-CHP-teknologiat ja niiden keskeiset tekniset ominaispiirteet Liite 1 1(1)

Eri polttoaineiden soveltuvuus pien-chp-tekniikoille Liite 2 1 (1)

Gasek Oy:n konsepti pien-chp-laitoksesta Liite 3 1 (1)

Taloudelliset laskelmat Liite 4 1 (1)