Pienen mittakaavan lämmön ja

sähkön yhteistuotantolaitokset

- Terminen kaasutus

- Muut puu -CHP tekniikat

- Sterling

- ORC

- Mikroturbiini

- Biokaasu

Syöttötariffi Suomessa

Puukaasu ja biokaasu

-kaasuseoksia joiden tuotantotekniikka ja koostumus on erilainen

• Puukaasu, häkäkaasu

– N2 ~ 50 %

– CO ~ 20 %

– H2 ~ 20 %

– CO2 ~ 7 %

– CH4 ~ 3 %

• Lämpöarvo ~5 MJ/m3

• Biokaasu, mädätyskaasu

– CH4 ~ 65 %

– CO2 ~ 33 %

– N2,O2,H2S, H2 ~ 2 %

– o

• Lämpöarvo ~ 20 MJ/m3

Termisessä kaasutuksessa; kaksi pääperiaatetta:

Vastavirta - Myötävirta

Stratified Downdraft

System Imbert

Kaasun epäpuhtaudet

Kaasussa ei saa olla tervaa – Terva pilaa moottorin, jumittaa

venttiilit ja syövyttää laakerit rikki

– Terva tukkii kaasun suodatussysteemin

– Terva ei ole ongelma jos tietää mitä tekee, tervaa ei ole pakko tuottaa

Kaasussa on nokea ja tuhkaa – Noki likaa moottorin ja tuhka myös

kuluttaa sitä

– Noen ja tuhkan pitää poistaa kaasusta ennen moottoria

– Poistossa voidaan käyttää useita eri menetelmiä, sekä kuivia että märkiä suodatusjärjestelmiä

Polttoaineeksi käy puu tai turve eri

muodoissa, mutta kaasuttimen pitää olla

oikein säädetty käytettävälle polttoaineelle

Tulipesän säätäminen eri polttoaineilla toimivaksi tehdään tutkimalla sen sisältöä

Esimerkkejä puukaasu -CHP laitteista

ProAgria/ SLF, Fredrik Ek

Keskusten Liitto/Maarit Kari ProAgria/ SLF, Fredrik Ek

Rakensin Eerin Rosenströmin kanssa

puukaasukäyttöisen pienvoimalan

syksyllä 2006

Spanner re2

Spanner GMbH Saksa 30 – 50 kWel

Spanner re2

• Marraskuussa 2012, 170 laitosta

rakennettu

• Kaksi kokoa mutta yksi moottori

5,7 l GM V8

– 30 kWe (136 000 €)

– 50 kWe (180 000 €)

• Valmistajan antamien tietojen

mukaan 5000 – 7000 käyttötuntia

vuodessa per laitos

• Perinteinen myötävirtakaasutin

kuivalla suodatusjärjestelmällä

• Laitos käyttää hyvänlaatuista

haketta (15 % kosteus)

• Hakekulutus (30 kWe) : ~4 im3 /vrk

• Hakkeesta sähköä hs. ~0,23

Georg Hofer Velden Saksa:

Spannerin rakentaman

puukaasulaitoksen avulla tuotetaan

30 kW sähköä valtakunnan verkkoon

ja noin 100 kW lämpöä sahan ja

parkettitehtaan puutavaran

kuivatustarpeisiin.

Hake kuivataan laitteiston hukka-

lämmöllä kuivaksi ennen käyttöä

”Alles was naβ ist, heiβt Teer”

Laitos on ollut käytössä vuodesta 2009 lähtien. Ei tervaongelmia ensimmäisten kahden

kuukauden jälkeen. Laitos käy vuorokauden ympäri.

Moottoriöljy vaihdetaan 600 tunnin välein, vaikka valmistajan suositusvaihtoväli on 300

tuntia

Moottorina amerikkalainen 5,7 litran V8, 1500 rpm. Korotetut puristuspaineet.

Laitoksen omistaja on hyvin tyytyväinen laitokseensa.

Christof group Krammer

Franz Krammer, Christof group Itävalta: 13 kWe ja 22 kWe kaasuttamalla. Prosessin kuvaus:

Jousipurkain ja sulkupellit hakkeen ilmatiiviseen syöttöön

Imbert-tyyppinen kaksivaippainen kaasutin hyvin eristetty

Sykloni karkean lentotuhkan poistoon

Jäähdytin (noin 80 °C) jäähdytyslämmön talteenotto

Hakkeella täytetty suodatin (tuhkan ja noen poistoon)

Rapsiöljysuodatin (tervan ja hienon noen poistoon)

Kipinäsytytteinen kaasumoottori + generaattori, lämmön talteenotto

Tuotekaasun lämpöä palautetaan sekä ensiöilmaan että hakkeeseen, tämä auttaa

siinä, että voidaan käyttää jonkin verran kosteata haketta

Kuvan laitos käy noin 2000 h vuodessa ja toimii maatilahotellin lämmitysjärjestelmänä

Kuntschar

Kuntscharin myötävirtakaasuttimessa ei ole kuristusta, arina on lieriön muotoinen

ja kiinteä. Suuttimet ovat halkaisijaltaan isot, ei ulkonemaa.

Sulkusyöttimenä käytetään hydraulista mäntää joka painaa hakkeen

kaasuttimeen, lisävarmistuksena on liukuva sulkupelti.

Kulutus noin 15 irtokuutiota hyvänlaatuista haketta vuorokaudessa.

Hyötysuhde hake-sähkö ~0,23

Kuntcharin laitoksen sähköntuotannon tehoksi ilmoitetaan 100 – 150 kW, laitos

missä vierailtiin tuotti mittarin mukaan 130 kW:n tehoa verkkoon.

Lämpöä talteen: Moottorin vaipasta 150 kW, pakokaasuista 80 kW. kaasun

jäähdytyksestä 40 kW.

Moottorin iskutilavuus 21 litraa (MAN V 12) 1500 rpm, vapaasti hengittävä kone.

Keraamiset suodatinsukat, suodatus 500 asteen lämmössä, sukkien kestoikä

Kuntscharin mukaan noin vuosi, mutta märällä hakkeella lyhyempi.

Laitoksen hinta ilman hakkeen syöttölaitteita: 475 000 €.

Marraskuu 2011: 10 laitosta rakennettu, tavoite 2012: 20-30 laitosta lisää.

Valmistajan sanojen mukaan päästään laitoksella ~7000 käyttötuntiin vuodessa

Kotimaisia laitoksia

Volter Oy

Kolme laitosta rakennettu 30 kWe

(helmikuu 2012)

Eniten käyttötunteja Kempeleen

ekokylän laitoksella

Säädettävä myötävirtakaasutin

kuivasuodatuksella

Gasek Oy Kolme laitosta rakennettu, mutta kuinka paljon käyvät?

9 kWe Sterlingmottorilla varustettu laitos toimii melko hyvin

100 kWe laitoksen kehitystyö käynissä. Retrofit kaasutin

joka tuottaa kaasua yli 500 kW:n teholla

Kaasu voidaan myös polttaa kattilassa pelkäksi lämmöksi

Siirrytään märkäsuotimesta kuivasuotimelle

Perinteinen myötävirtakaasutin muutamilla hienoilla

lisäyksillä

Mitä kuivempi polttoaine, sen paremmin prosessi toimii,

aikaisemmin esitetty 35 % optimikosteus ei päde

Puukaasu maailmalla • Maailmalla puukaasu- CHP laitoksia käytetään

pääsääntöisesti kehitysmaissa missä ne korvaavat

dieselaggregaatteja

• Kehitysmailla työvoimakustannukset ovat alhaiset, työläs

polttoaineen valmistus

• On esimerkkejä kasvihuonekäytöstä ja teollisista

sovelluksista teollisuusmaissakin

• Puukaasu CHP sekä pelkkä lämpö, öljy tai kaasukattiloiden

”retrofit” sovellutuksia

• Meillä ”uutta” tekniikkaa, luotettavuus avoin kysymys, – kaasun laatu käytännön elämän polttoaineella

– moottorin ja muun laitteiston kestoikä

Pro Agria SLF, Fredrik Ek

Padasjoen Arrakosken

sahalaitos kävi yli 40 vuotta

sahaustoiminnan

sivutuotteilla

kaasutustekniikan ja

polttomoottorin avulla

Puukaasukäytön haasteita

• Tuotekaasun puhtaus, valtaosa puukaasukokeiluista

kaatuneet kaasun tervapitoisuuteen

• Terva ongelma sekä CHP puolella että lämpöpuolella,

tiivistyvä terva, moottorin venttiilinvarret, putkitukot, huoltotyö

• Tervapitoiset lauhteet ovat ympäristöongelma, musta tuhka

sisältää nokea.

• Kriittistä on hallita kaasutusprosessi siten että tervaa ei

muodostu, lämpötilanhallinta kaasuttimessa.

– Kaasuttimen säädöt

– Polttoaineen kosteus

– Polttoaineen palakoko

ProAgria SLF, Fredrik Ek

Puukaasusähkön kannattavuus

• Polttoaineen primäärienergiasta saadaan sähkönä 20-25 %

• Osa lämmöstä hankalasti hyödynnettävissä, tuotekaasun

jäähdytystarve vs. paluuveden lämpötila, hyvät paikat jossa

lämmitetään kasteluvettä tms. ”kylmää”

• Puukaasuvoimalaa pitää katsoa lämmityslaitteena joka

tuottaa lämmön lisäksi myös sähköä

• Syöttötariffin tai ostosähkön hinnoilla: Sähkön arvolla kattaa

suunnilleen polttoaineen kustannukset, muut kulut katettava

lämmön arvolla

Sterlingtekniikka

Sterlingtekniikka

Itävaltalainen KWB

Saksalainen Sunmaschine

Tanskalainen Stirling dk

ORC laitokset

ORC (Organic Rankine Cycle) laitoksia on perinteisesti käytetty muuttamaan osan

jonkun toisen prosessin jätelämpövirrasta sähköksi

Toimintaperiaate muistuttaa höyryturbiinin, mutta veden sijaan käytetään toista

ainetta jolla on vettä matalampi kiehumislämpötila ja joka ei muodosta pisaroita

turbiinin viimeisissä expansiovaiheissa

Kuvassa hollantilainen Triogen laitos on asennettu hyödyntämään

biokaasumoottorin pakokaasulämpöä, yritys on myös rakentanut kolme

hakekäyttöistä laitosta

Italialaisen Turbodenin ORC laitoksia: 1-10 MWe hakkeesta

Kuumailmaturbiini

BrittiläinenTalbotts

Kuumailmaturbiini

Ilmaa paineistetaan kahden turboyksikön avulla, kuumennetaan hakelämpökattilassa

olevassa lämmönvaihtimessa ja paisunnetaan neljän turboyksikön kautta. Ensimmäiset kaksi

pitävät kierron yllä ja kaksi viimeistä pyörittävät generaattoreita

Tuotetun sähkön jännite ja taajuus säädetään invertteritekniikan avulla

Laitoksia on kokoluokassa 25 kWe -100 kWe, turbot ovat kokeiltuja standardikomponenttejä

pitkällä eliniällä, laitos pärjää verrattain vähäisellä ylläpidolla. Tekniikalla on päästy 8000

käyttötuntiin vuodessa.

Biokaasun tuotantotekniikkaa

Kalmari, Laukaa

(Jungerå, Jepua)

Riihimäki, Halsua

Hannula, Tynkä

Koivunen, Taipalsaari

Junttila, Nivala

Virtaala, Haapavesi

Salmela, Orivesi

Tusinan verran tilakohtaisia

biokaasulaitoksia Suomessa

Maaninka MTT

Koivunen Virrat

(Piikkiö)

Juva

Perustietoa biokaasusta

Raaka-aine: lanta, biojäte, viljeltyä biomassaa 1 m3 metaania = 10 kWh energiaa, vastaa 1 litraa polttoöljyä Biokaasukuutiosta saadaan:

noin 6 kWh energiaa noin 2 kWh sähköä

Raaka-aineena biojätettä

BLANDNINGSTANKAR HYGIEN-

ISERINGSTANK

RÖTKAMMARE UPPGRADERINGSANLÄGGNING

BIOGÖDSEL (rötrester)

Organiskt material

Grödor/gödsel

Organiskt avfall

GASPANNA

värme

GASMOTOR_

GENERATOR

el/värme

Hushållningssällskapet

BLANDNINGSTANKAR HYGIEN-

ISERINGSTANK

RÖTKAMMARE UPPGRADERINGSANLÄGGNING

BIOGÖDSEL (rötrester)

Organiskt material

Grödor/gödsel

Organiskt avfall

GASPANNA

värme

GASMOTOR_

GENERATOR

el/värme

Hushållningssällskapet

Biokaasulaitoksen prosessikuvaus

Pinottavien

syötteiden

mädätykseen

Kuiva-ainepitoisuus

30 -35%

Vettä pumpataan

massan päälle

Vaatii pidempää

viipymä-aikaa

Kuivamädätys

Kaasun saanto per kuutio märkämassaa

Saksassa 500 kW sähköä maissista

500 kW x 24 h = 12000 kWh /vrk

~16 senttiä/ kWh→sähkönmyynti 1900 € / vrk

Hinta taattu 20 vuodeksi

Raaka-ainetta per vuorokausi tuottamaan jatkuvaa

500 kW:n tehoa:

7 tonnia sianlietettä

4 tonnia säilöheinää

9 tonnia maissia

3,5 tonnia ruista

Mädätysjäännöksen varastointi samassa

laakasiilossa missä syötekin varastoidaan

Täytyykö biokaasulaitoksen näyttää tältä?

Biokaasua Intiassa

• Methator Oy: Lannan separointi kuivaan ja märkään fraktioon

• Vain nestemäinen ja helposti pumpattava osa lannasta biokaasulaitokseen, nopea

läpimenoaika

• Kuiva-aine kompostointiin, noin 40 % biokaasupotentiaalista jää hyödyntämättä

• Muovisäiliöt; pieni tilavuus ja edullinen hinta

• Perinteiseen tekniikkaan verrattuna heikko kaasunsaanto, laite kompakti ja melko edullinen

Linde Strabag Dranko

Bioferm (Loock) Weltec (Haase)

Suomen syöttötariffi • Suomessa syöttötariffi tuli voimaan vuonna 2011

– Koskee uusia tuulivoimaloita (aikaisintaan vuonna 2009 käyttöön otettuja)

– Uusia biokaasulaitoksia joissa ei ole käytettyjä komponentteja

– Uusia puupolttoainetta käyttäviä CHP laitoksia

– Uusia ja vanhoja metsähaketta käyttäviä voimalaitoksia

• Tuen taso sekä muut ehdot

– Tuulivoimalat: 83,5 €/MWh (105,3 €/MWh vuoden 2015 loppuun saakka)

Tukena maksetaan tavoitehinnan ja markkinahinnan erotus • Generaattoriteho vähintään 500 kVA

– Biokaasulaitokset ja puuta käyttävät CHP laitokset: 83,5 €/MWh plus 50

€/MWh jos lämpö hyödynnetään (kokonaishyötysuhdevaatimus) • Generaattoriteho vähintään 100 kVA

– Metsähaketta käyttävät voimalaitokset: 0 -18 €/MWh CO2

päästöoikeuksien hinnasta riippuen

• Suomessa tuki maksetaan valtion budjetista, siis verorahoista.

Tästä seuraa myös valtiontuen byrokratia ja hallinnolliset

kustannukset

• Suomessa on tällä hetkellä syöttötariffin piirissä:

– 10 tuulivoimahanketta

– 47 ainakin osittain metsähaketta käyttävää voimalaitosta joiden

keskimääräinen generaattoriteho on 70 MW

• Järjestelmässä ei ole ainuttakaan biokaasulaitosta tai puuhaketta

käyttävää laitosta!

Saksan syöttötariffi

• Saksassa sähkön myyjät on laissa (EEG 2000) velvoitettu ostamaan

uusiutuvalla energialla tuotetun sähkön takuuhintaan

• Saksassa sähkön myyjät siirtävät tariffien aiheuttamat kustannukset

asiakkailleen, tariffit maksavat siis loppukädessä melkein kaikki ketkä

sähköä ostavat

• Saksassa tuen taso vaihtelee suuresti tuotantotavan mukaan:

– Aurinkosähkö: noin 200 €/MWh (on ollut aiemmin peräti 600 €/MWh)

– Puupolttoaineesta tuotettu sähkö: noin 160 – 220 €/MWh

– Biokaasulla tuotettu sähkö noin: 160 €/MWh (riippuu mm. syötteistä ja tekniikasta)

– Tuulivoima ~90 €/MWh ensimmäiset 5 vuotta (käytännössä kauemmin) sitten 50

€/MWh

• Saksan tuki maksetaan 20 vuotta. Uusien laitosten tuki laskee

vuosittain tekniikasta riippuen 1 - 10 %

• Ei alarajaa, pieni laitos saa korkeamman tuen kuin iso laitos

• Saksassa 57 % syöttötariffisähköstä on

tuulisähköä, osuus tuesta ~40 %

• Aurinkosähkön osuus tariffisähköstä on 20 %,

osuus tuesta 55%

• Parhaimpina aurinkotunteina yli puolet Saksan

kulutuksesta on katettu aurinkosähköllä!

Miksi Suomessa ei ole sähkön pientuotanto syöttötariffissa mukana?

• Asetettiin korkea alaraja teholle millä rajattiin pientuotannon ja

tietyt tekniikat pois

– puuta käyttävät laitokset ja biokaasulaitokset: 100 kVA.

– tuulivoimalat: 500 kVA

• Luotiin raskas ja kallis hallinnointibyrokratia joka sekin sulkee

pientuotannon pois ”kynnyskustannuksen” kautta.

– Energiamarkkinaviraston hyväksymien todentajien palveluja on käytettävä joka

kerta kuin tariffimaksatusta haetaan. Todentajien päivätaksa on luokkaa 1500 €

ja raportti on laadittava neljä kertaa vuodessa. Energiamarkkinavirastolle jätetty

hakemus maksaa 170 €/ kerta. Taustalla Saksan mallin mukaisen syöttötariffin

perustuslakivastaisuus

• Asetettiin laitoksille ehdoton uutuusvaatimus (laitoksessa ei saa

olla yhtään käytettyä komponenttia)

– Tämä on sulkenut biokaasulaitoksia pois ja nostaa laitosten hintaa

• Järjestelmä tehtiin vain tietyille energiamuodoille (tuuli, biokaasu ja

puu)

Järjestelmä on tarkoituksella luotu isoja energiatoimijoita varten

• Taustalla suurten energiayhtiöiden lobbaus ja byrokraattisen

valtiontukijärjestelmän oheiskustannukset

ProAgria Svenska lantbrukssällskapens förbund

www.slf.fi

fredrik.ek@slf.fi

+358407547182