Energiantuotantoteknologiat ja tehostamismahdollisuudet ASIANTUNTIJASEMINAARI 12.2.2008: ENERGIATEKNOLOGIA PITKÄN AIKAVÄLIN ILMASTO- JA ENERGIASTRATEGIAN POLITIIKKASKENAARIOSSA Teknologiapäällikkö Satu Helynen
Sisältö Yhteenveto energiateknologioiden mahdollisuuksista, etenkin ilmastonmuutoksen hillitsemiseksi ja uusiutuvan energian lisäämiseksi Suomessa Mahdollisuudet teknologioittain (paikalla olevat asiantuntijat) Bioenergia (Kai Sipilä, Tuula Mäkinen) Tuulivoima (Esa Peltola) Aurinkoenergia, aaltoenergia Ydinvoima Hiilidioksidin talteenotto ja erotus (Matti Nieminen) Polttokennot ja vetytalous (Rolf Rosenberg) Yhteenveto teknologioiden kehittämistarpeista Energiamäärän yksikkönä käytetty sekä TWh (energiatuotteiden kauppa) että PJ (kokonaisenergia), 1 TWh = 3,6 PJ 2
Yhteenveto uusiutuvien ja vähäpäästöisten energialähteiden käytön lisäämisestä vuoteen 2020 2005 TWh 0 Hiilidioksidin talteenotto Lisäys 2005-2020 1000 MW TWh 0 Aurinkoenergia, aaltoenergia 0,0 13,3 Vesivoima 1-2 79 pa 0,2 s 1 lä Biomassapolttoaineet: puu, kierrätyspolttoaineet, peltobiomassat Tuulivoima Lämpöpumput 4-8 2,1-3,2 1 20-40 6-9 4-9 22 s Ydinvoima 3,2-4,8 26-39 1980 1990 2000 Nykytila 2010 2020 2030 2040 2050 Polttoaine Sähkö Lämpö Uusiutuvia 31-60 TWh lisää 10 52,5 0 Biosähkö 1-2 Biolämpö Liikenteen biopolttoaineet (myös tuonti) 4-8 8-15 4,5-9 3
Energian kokonaiskulutus energialähteittäin 1990-2006: Suomelle ominaista energialähteiden monipuolisuus ja käytön kasvun jatkuminen 1 600 1 400 1 200 PJ 1 000 800 600 Sähkön nettotuonti Muut Turve Puupolttoaineet Vesivoima Ydinenergia Maakaasu Hiili Öljy 400 200 0 1990 1991 1992 1993 1994 1995 1996 1997 1998 1999 2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 4
Puupolttoaineiden käyttö 2-kertaistunut ja osuus noussut 20 %:iin 1990-2006 pääosin metsäteollisuuden tuotannon kasvun ansiosta 30 % Turve Puun pienkäyttö 25 % Teollisuuden ja energiantuotannon puupolttoaineet Metsäteollisuuden jäteliemet 20 % 15 % 10 % 5 % 0 % 1990 1991 1992 1993 1994 1995 1996 1997 1998 1999 2000 2001 2002 2003 2004 5 2005 2006
Metsähakkeesta uusi markkinapolttoaine 2000-2006 Tavoitteet vuosille 2005 ja 2010 toteutumassa 10 Tavoite Pientalokiinteistöt Lämmöntuotanto 8 Sähkön ja lämmön yhteistuotanto TWh 6 4 2 0 2000 2001 2002 2003 2004 2005 tavoite 2005 2006 2010 tavoite 6
Muun bioenergian kuin puupolttoaineiden käytön kasvu (kierrätyspolttoaineet, biokaasu, peltobiomassat) jäänyt kauas tavoitteista 5 Tavoite Muu bioenergia 4 Biokaasu Purkupuu, bio-osuus TWh 3 Kierrätys ja muu sekapolttoaine, bioosuus 2 1 0 1990 1991 1992 1993 1994 1995 1996 1997 1998 1999 2000 2001 2002 2003 2004 2005 tavoite 7 2005 2006 2010 tavoite
Kiinteiden biopolttoaineiden arvioitu saatavuus eri kustannustasoilla vuoteen 2020; markkinahintataso voi nousta merkittävästi - nykykäyttö merkitty nuolella - vuoden 2005 hintatasolla 25 23 21 19 /MWh 17 15 13 11 9 7 5 Ruokohelpi (sis. nykytuet maataloudelle, ei energiakasveille) Sivutuotteet Kierrätyspolttoaineista osa edullista, lopulla kustannukset nousevat nopeasti Metsähake (korvaus metsänomistajalle nykytasolla, saatavuuteen vaikuttaa metsäomistajien myyyntihalukkuus) Sahauksen vähenemisen takia vähennys sivutuotteiden määrässä, pieni lisäys mahdollista purun raaka-ainekäytöstä ja kuivauksella Turve 0 5 10 15 20 25 30 35 TWh 8
Bioenergian käytön arvioitu lisäysmahdollisuus polttoaineittain vuoteen 2015 määrä riippuu maksukyvystä Prof. Rintalan biomassan saatavuus työryhmä 6.2.2007 TWh 60 50 40 30 20 10 0 Nykytuet Fossiilisten polttoaineiden nykyhintataso ja päästöoikeus 20 /tonni Kiihdytetyt toimenpiteet ja/tai energian hintatason nousu Turve Teollisuuden puutähteet, energiasisällön nostaminen kuivauksella/savukaasujen lauhdutuksella Peltobiomassat; vilja ja muut viljellyt biomassat liikenten polttoaineiden valmistukseen Peltobiomassat; ruokohelpi, uudet energiakasvit Peltobiomassat; olki, naatit, lanta Kierrätyspolttoaineet Puu kiinteistöjen lämmitykseen; pelletit, hake, pilke Metsähake harvennuksilta Metsähake päätehakkuilta +20 % lisäys +50 % lisäys 9
Bioenergian käyttökohteet vuonna 2015 Prof. Rintalan biomassan saatavuus työryhmä 6.2.2007 60 TWh 50 40 30 20 10 Liikenteen biopolttoaineet Sähkön erillistuotanto: CHPlaitosten lauhdeosat Sähkön erillistuotanto: erilliset lauhdelaitokset Pien-CHP edellisissä Yhdistetty lämmön ja sähkön tuotanto teollisuudessa Yhdistetty lämmön ja sähkön tuotanto yhdyskunnissa (CHP) Lämmitys 0 Nykytuet Fossiilisten polttoaineiden nykyhintataso ja päästöoikeus 20 /tonni Kiihdytetyt toimenpiteet ja/tai energian hintatason nousu 10
Bioenergia: kustannustehokkaat biomassapolttoaineiden hankinta- ja käsittelyketjut, lisäbiomassaa 20-40 TWh (72-144 PJ) vuoteen 2020 Metsäenergia, lisää +12 24 TWh Tuotantoketjut nuoriin metsiin, suometsiin ja kantojen korjuuseen kaikilta hakkuilta; kuivaus aurinkoenergialla, varastointi, logistiikka: myös vesi- ja rautatiekuljetukset Tuotannon integrointi hakkuisiin ja metsänhoitoon Ympäristövaikutusten vähentäminen Peltobiomassat, lisää +2 8 TWh Ruokohelven ja oljen korjuu- ja käyttöketjun tehostaminen, varastointi, logistiikka Uusien energiakasvien tuominen viljelyyn Biokaasu, kierrätyspolttoaineet, lisää +3-5 TWh Konseptit maatalouden, yhdyskuntien ja teollisuuden tähteiden ja jätteiden hyödyntämisestä energiakäyttöön Uudet biomassat: levät, bakteerit, ravinteiden ja hiilidioksidin sidonta, suora vedyntuotanto Polttoaineen kuivaus ja muu laitoskäsittely: kuivaus jätelämpöjä käyttämällä lisää bioenergian määrää jopa 10 %:lla!, lisää 1 3 TWh Vienti voi vähentää käytössä olevaa bioenergiamäärää 1 (nykytaso) 10 TWh Biomassapolttoaineiden jalostaminen kiinteiksi (pelletit, briketit), nestemäisiksi (bioöljyt) ja kaasumaisiksi (biokaasu, synteettinen maakaasu) tuotteiksi 11
Bioenergia: sähkön ja lämmön tuotannon teknologiat Uusien biomassapolttoaineiden käyttö korkearakennusasteisessa seospoltossa leiju- ja arinakattiloissa ja kaasuttimissa metsähake, peltobiomassat, kierrätyspolttoaineet Uusien soodakattiloiden sähköntuotannon lisääminen Korkeat höyryn arvot, erillinen tulistus Uudet jätteiden korkeahyötysuhteiset materiaali- ja energiahyötykäyttökonseptit Uudet pien-chp-konseptit kiinteille biomassapolttoaineile Kaasutus+polttomoottori Stirling, ORC, polttokennot Rakennusten lämmitys Päälämmitysmuotoina: hake-, pelletti- ja bioöljylämmitys Täydentäviä: sähkölämmityksen huipun leikkaus varaavilla tulisijoilla ja pellettitakoilla Tarvetta erityisesti uusille palvelukonsepteille, päästöjen vähennys 12
Liikenteen biopolttoaineiden tilanne Suomessa Joustava käyttövelvoitelaki voimaan 2008, jolloin 2 % velvoite (merkitsee lisähintaa 20-40 cent/loe), 4% vuonna 2009 ja 2010-5,75 % KTM:n 9 M erillismääräraha 2. sukupolven biopolttoaineiden kehitystyöhön Neste Oil on aloittanut 2. sukupolven biodieselin valmistuksen v. 2007 vuonna 2009 tuotanto vastaa ~ 9 %:a liikennepolttoainekulutuksesta pääkaupunkiseudun bussikokeilu NExBTL:llä käynnistynyt ST1Biofuels aloittanut etanolituotannon teollisuuden jätteistä Lappeenrannassa Tekesin Biorefine-ohjelma käynnistynyt, 1. haku päättyi syyskuussa 2007: 2.sukupolven liikenteen biopolttoaineiden kehitystyö käynnissä: metsätähteistä, turpeesta, teollisuusjätteistä (terminen kaasutus, biotekninen etanolin valmistus) Biokaasun syöttöä maakaasuverkkoon ja käyttöä kaasuautoissa selvitetään Käynnissä järjestelmävertailuja: kustannustehokkuus, ympäristöhyödyt Viljaa käyttäviä etanolitehtaita tai suuria rypsidieseltehtaita ei ole rakenteilla 13
Relative Impact of Different Biofuels on Greenhouse Gas Emissions - WTW results in Finnish conditions Emission reduction costs for F-T diesel 30-100 /t CO2-eq. Target < 50 / t CO 2 1st generation biofuels 2nd generation Heat and Power generation Source: Soimakallio, Mäkinen, Pahkala et.al 14
15
Aurinkoenergia, aaltoenergia ja lämpöpumput Suomi aurinkoenergian soveltaja aurinkosähkössä ja aurinkolämmössä, perustutkimusta ja niche-sovellutusten kehittäjä Aaltoenergia myös suomalaisia innovaatioita, soveltamismahdollisuudet Suomessa vaatimattomat muihin rantavaltioihin verrattuna Lämpöpumpputekniikka (potentiaali noin 5 TWh uusiutuvaa energiaa): kaupallista, mutta suuren kokoluokan sovelluksista tarvitaan mallilaitoksia Kiinteistökohtaiset lämpöpumput: Omakotitalot ja muut kaukolämpöverkon ulkopuolella sijaitsevat kiinteistöt (lähteenä pohjavesi, vesistöt, maaperä, poistoilma, ulkoilma) Suuritehoiset lämpöpumput (lähteenä pohjavesi, jäte- jäähdytysvedet, kuivausilma) Öljyn käytön vähennys: kaukolämpö kesällä ja huippujen aikoina talvella Jäähdytyssovellutukset, esim Helsingissä kaukokylmä Teollisuussovellutukset 16
Tuulivoiman kehitys ja käytössä olevien tuulivoimalat Suomessa. 200 Suomi 2006: 86 MW, 96 tuulivoimalaitosta Utsjoki 180 160 Asennettu kapasiteetti (MW) Tuotanto (GWh) 168 153 Tuulipuisto > 5 MW Tuulipuisto 0.6 5 MW Yksittäinen laitos 1...3 MW Yksittäinen laitos < 1 MW Ivalo 140 120 100 80 60 40 20 0 2 1 4 5 120 92 77 70 63 49 82 82 86 24 11 11 17 38 38 39 43 52 7 17 5 6 7 12 1992 1993 1994 1995 1996 1997 1998 1999 2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 13.3 MW Meri-Pori Rovaniemi Kemi Kajaani Vaasa Kuopio Jyväskylä Pori Tampere Lahti Turku Helsinki 7 MW Kuivaniemi 11.5 MW Raahe 8 MW Hanko 17
18
19
20
Tuulivoima-arvio Suomelle 2020 2050 Varovainen 2136 MW (6 TWh) 4300 MW Optimistinen 3250 MW 7100 MW (21 TWh) Kantaverkon investointitarve 8 (2000 MW) 250 (7000 MW) milj. Säätövoimakustannukset 15 milj. /a (10 TWh vuonna 2020) Teknologian kehitystarpeet: 21
Ydinenergia rooli hiilidioksidipäästöjen hillitsijänä Ydinvoiman tuotannossa vähäiset kasvihuonekaasupäästöt ovat peräisin polttoainekierrosta ja ovat samaa luokkaa kuin uusiutuvilla energialähteillä. Nykyisin käytössä olevien neljän reaktorin käyttöönottoa 1970/1980 luvun taitteessa alensi Suomen sähköntuotannon hiilidioksidin ominaispäästöjä tasolta 300 g/kwh noin tasolle 100 g/kwh. EU-maissa ydinvoimalla tuotetun sähkön osuus oli v. 2004 31 % sähkön kokonaiskulutuksesta vastaten noin 850 Mt CO 2 päästöjen välttämistä vuositasolla. Nykyisin käytössä olevien reaktorien käyttöiän kasvattaminen turvallisuustasosta tinkimättä on hyvin kustannustehokas tapa hillitä päästöjä. Myös uusien ydinvoimalaitosten sähköntuotantokustannukset ovat alhaisempia muihin vaihtoehtoihin verrattuna ja CO 2 -päästöjen vähentämisestä ei näin ollen aiheudu lisäkustannuksia. 22
Ydinenergian arvioitu rooli hiilidioksidipäästöjen hillinnän tehostamisessa eri kehitysarvioissa Varovainen arvio: Rakenteilla olevan Olkiluoto 3-laitoksen lisäksi vuoteen 2020 mennessä otetaan käyttöön yksi samaa kokoluokkaa oleva ydinvoimalaitos. Seuraavilla vuosikymmenillä (2030 ja 2040 ) tarvitaan nykyisiä laitoksia (Loviisa 1&2 ja Olkiluoto 1&2) korvaavat laitokset. Optimistinen arvio: Edellisten lisäksi vuoteen 2020 mennessä otetaan käyttöön yksi lisäyksikkö. Nykyisiä laitoksia korvaavien laitosten ohella yksi lisäyksikkö käyttöön ennen vuotta 2040. Ennen vuotta 2050 rakennetaan yhteistuotantoon soveltuva korkealämpötilareaktori. 23
Ydinvoiman merkitys pidemmällä aikavälillä päästöjen hillinnässä kestävän kehityksen mukaisesti Nykyisin käytössä olevan tyyppisiin reaktoreihin uraanin nykyiset tunnetut ja todennäköiset varat riittävät nykykulutuksella lähes 300 vuodeksi. Pidemmällä aikavälillä (noin 2040 ) on tärkeää pystyä käyttämään uraanivaroja nykyistä tehokkaammin, mikä mahdollistaa ydinvoiman osuuden merkittävän kasvattamisen. Käynnissä on useita kansainvälisiä yhteishankkeita, joissa kehitetään suljettuun polttoainekiertoon perustuvia reaktoreita, joissa uraania voidaan käyttää kymmeniä kertoja tehokkaammin. Tällaisia laitoksia tulisi maailmalla käyttöön kasvavassa määrin noin vuodesta 2030 lähtien. Samalla voidaan pienentää geologista loppusijoitusta edellyttävien korkea-aktiivisten jätteiden määrää. Loppusijoituksen käytännön toteutus on konkreettisesti etenemässä Suomessa, Ruotsissa, Ranskassa ja Yhdysvalloissa 24
Ydinenergian soveltamiskohteiden laajentaminen Tähän mennessä ydinenergiaa on käytetty lähes yksinomaan perusvoiman tuotantoon. Kehitteillä olevissa uusissa (neljännen polven) reaktoreissa tähdätään myös sähkön, prosessilämmön ja uusien energiakantajien yhteistuotantoon. Uusina energiakantajina on erityisesti tuotu esille vedyn tuotanto korkealämpötilareaktoreissa suoraan termokemiallisiin prosesseihin perustuen perinteisen elektrolyyttisen tuotannon sijasta. Tällä tavoin tuotettua vetyä ja/tai prosessilämpöä voidaan tulevaisuudessa käyttää esimerkiksi synteettisten liikennepolttoaineiden tuotantoon kiinteistä biopolttoaineista. Kokonaishyötysuhteen merkittävä kasvu tekee tällöin myös yksikkökooltaan pienemmät laitokset taloudellisesti kilpailukykyisiksi. 25
Hiilidioksidin erotus ja varastointi (CCS) - ylimenokauden tärkeä teknologia, jolla saadaan fossiilisten polttoaineiden hiili varastoitua, mutta joka nopeuttaa fossiilisten varojen ehtymistä laskemalla hyötysuhdetta - Useita teknisiä vaihtoehtoja toteuttaa hiilidioksidin erotus - Varastointi: öljy- ja kaasukentät, huokoiset maakerrostumat ( Suomea lähinnä Itä- ja Pohjanmerellä), sitominen mineraaleihin - Hiilidioksidin erottamisen kustannustaso nyt 40-50 / tco2, tavoitteena 15-25 / tco2 taso vuoteen 2020 mennessä - Kuljetus- ja varastointikustannukset riippuvat laitospaikasta, Keski- Eurooppaan suunnitteilla putkiyhteyksiä, jossa kustannukset selvästi vähemmän kuin erotus 26
Hiilidioksidin erotus ja varastointi Suomessa Suomalaista osaamista, laitevalmistajia, kehitystyö käynnistynyt happipoltto leijukattiloissa kaasutustekniikka: IGCCkonseptit mineralisointitutkimusta Mahdolliset soveltamiskohteet Nykyiset suuret hiilikattilat Uudet suuret hiili/kaasuvälikuorma- ja CHP-laitokset Liikenteen FT-diesellaitokset 27
EU:n Vety- ja polttokennoyhteisön skenaario polttokennovoimalaitosten ja polttokennoautojen määrästä ja hinnasta vuoteen 2020: - suomalaisille tuotteille suuret markkinat, mutta vielä marginaalinen Suomen energian tuotannossa EU H 2 / FC units sold per year projection Stationary FCs Combined Heat and Power (CHP) 100,000 to 200,000 per year Road Transport 0.4 million to 1.8 million Suomessa tutkimus- ja kehitystyön painopisteiksi valittu (Tekesin Polttokennoohjelma 2007-2013) Kiinteät polttokennosovellukset energian tuotantoon 2020 EU cumulative sales (2-4 GW e ) 400,000 to 800,000 1-5 million Polttokennot työkoneiden voimanlähteinä projections 2020 until (8-16 GW e ) Kannettavat polttokennosovellukset EU Expected 2020 Growth Mass market Market Status roll-out Average power FC <100 kw (Micro HP) 80 kw system >100 kw (industrial CHP) FC system cost target 2.000 /kw (Micro) < 100 /kw 1.000-1.500 /kw (for 150.000 (industrial CHP) units per year) 28
Vetytekniikan mahdollisia kehityspolkuja vuoteen 2050: liikenne, hajautettu energiantuotanto - lähes päästötöntä vetyä ydinvoimalla, uusiutuvalla sähköllä tai biomassoista VEDYN TUOTANTO JA JAKELU Paikallisia vetyasemaryhmittymiä, vedyn kuljetus maanteitse, vedyn tuotanto tankkausasemilla 2000 Vedyn tuotanto maakaasusta (reformointi tai elektrolyysi) FOSSIILISTEN POLTTOAINEIDEN KÄYTTÖ Vedyn tuotanto hiilettömistä vaihtoehdoista: uusiutuvat energianlähteet, ydinvoima, hiilen erotustekniikka (foss. polttoaineet) Laajalle levinnyt vedyn jakeluverkosto (putkisto) Vedyn jakeluverkkojen yhteenliittyminen; uusiutuvan vedyn tuotanto esim. biomassan kaasutuksella Vedyn tuotanto fossiilisista polttoaineista hiilen erotus-tekniikalle Paikallisia vedyn jakeluverkkoja Vedyn tuotanto suoraan uusiutuvista energianlähteistä; vähähiilinen vety-yhteiskunta 2010 JULKISET KANNUSTEET, YKSITYISET VOIMANPONNISTUKSET Perustutkimus, sovellettu tutkimus, polttokennojen demonstraatiot Vedyn tuotanto, kuljetus, jakelu ja käyttö 2000 2020 2010 2040 2030 2040 JULKISET PALKKIOT, YKSITYISET HYÖDYT Vety- polttokennoteknologian laaja-alainen kaupallistuminen H2 tuotanto, kuljetus, varastointi, polttokennot liikenteessä ja voimantuotannossa 2020 2050 VETYTALOUS 2030 Paikalliset matalalämpötila-polttokennot (<300kW) Paikalliset korkealämpötila-polttokennot (MCFC/SOFC) (<500kW) vety-ice kehitys; polttokenno-bussien demonstraatiot T&K, kenttätestaus, kapeat alueet Markkinaosuuden kasvu Paikalliset matalalämpötila-polttokennot (< 50kW) niche markkinoille 2050 Polttokennot vallitsevaa tekniikkaa liikenteessä, hajautetussa energiantuotannossa ja pienimuotoisissa sovellutuksissa Vety ensisijaisena polttoainevaihtoehtona polttokenno-ajoneuvoille Merkittävä kasvu hajautetuissa energiantuotannossa, polttokennoilla huomattava osuus Vedyn varastointi paikan päällä, varastoinnin 2. sukupolvi Edulliset korkean lämpötilan polttokennojärjestelmät, polttokennot kaupallistuvat mikrosovelluksissa Polttokennoajoneuvot kilpailukykyisiä henkilöautoluokassa Ilmanpaineiset ja hybridi SOFC järjestelmät kaupallistuvat (<10 MW) Ensimmäiset vetyjärjestelmät käyttöön (varastoinnin 1. sukupolvi); Polttokenno-ajoneuvojen sarjatuotanto alkaa ja muita liikennesovelluksia (veneet); polttokennot varavoimalähteinä Vety ilmailukäytössä POLTTOKENNO- JA VETY- JÄRJESTELMIEN KEHITYS JA LEVITYS 29
Yhteenveto uusiutuvien ja vähäpäästöisten energialähteiden teknologian kehitystarpeista, investoinnit Suomeen ja suomalaisen teknologian markkinamahdollisuudet vuoteen 2020 Lisäys 2005-2020 TWh 0 Investoinnit,mrd 2005-2020 ja suurimmat vientimahdollisuudet/a FIN EU Polttokennot Hiilidioksidin talteenotto: happipoltto, IGCC 0,0 1-2 6-9 s 4-9 lä Aurinkoenergia, aaltoenergia: sovellukset Vesivoima Tuulivoima: arktinen, merituulivoima, sisämaa Lämpöpumput: mallilaitokset suureen kokoluokkaan 2,5-4 1 Lämpö 26-39s Ydinvoima: tulevaisuuden osaamisen varmistaminen 1980 1990 2000 Nykytila 2010 2020 2030 2040 2050 20-40 pa Hankinta- ja käsittelyketjut, metsähake, peltokasvit, pilke, pelletit, bioöljyt 4-8 8-15 4,5-9 Biosähkö: rakennusasteen nosto, monipolttoainekäyttö,jäte, pien-chp Biolämpö: rakennusten lämmitys, lämpöpalvelut, mini-kl Liikenteen biopolttoaineet:puun ja jätteiden käyttö FT-dieselin, etanolin ja synteettisen maakaasun raaka-aineina. Biojalostamot. 0,4-0,6 1,5-3 2-5 0,7-1,5 Polttoaine Sähkö 30