Ilkka Hannula, VTT: Resurssitehokkaat aurinkobioenergiahybridit

VTT TECHNICAL RESEARCH CENTRE OF FINLAND LTD

Resurssitehokkaat aurinko-bioenergiahybridit

26.1.2017Ilkka Hannula, Eemeli Tsupari, Elina Hakkarainen VTT Technical Research Centre of Finland Ltd.

Presenter

Presentation Notes

You can use cover page with one or two photos or without photos

225/01/2017 2

Vaihtelevan uusiutuvan energian (VRE) nousu

VRE:n tuotantokustannukset saavuttamassa tai paikoin jo alittaneet kannattavuusrajan konventionaalisen tuotannon kanssa. Kustannusten lasku tullee

jatkumaan, johtaen suureen määrään vaihtelevaa tuotantoa tulevaisuuden energiajärjestelmässä.

Source: Lazard’s Levelised Cost of Energy Analysis

325/01/2017 3

VRE:n vaikutukset energiajärjestelmään

Nopea VRE-lisäys asettaa teknisiä ja taloudellisia rasitteita olemassa olevalle tuotannolle, ja voi laukaista olemassa olevan kapasiteetin poistumisen järjestelmästäMiten parhaiten ylläpidetään sellaisen energiajärjestelmän vakaus

ja toimintavarmuus, jossa VRE-tuotanto dominoi?

Fossiilinen ”back-up” strategia on mahdollinen teknisestä ja taloudellisesta, muttei hiilipäästöjen näkökulmasta (vrt. Pariisin sopimus)Selkeä tarve uusille teknologioille ja ratkaisuille jotka ovat

matala-khk, joustavia ja kustannustehokkaita

425/01/2017 4

Uusiutuva energia Suomessa

Lähde: Tilastokeskus

Presenter

Presentation Notes

RES production (2014) 124 TWh; solid biomass 54 TWh + black liquor 39 TWh = 94 TWh Wind power production 1.1 TWh in 2014 and 2.3 TWh in 2015 (1,005 MW); in 2015, 2.8% of the total power consumption Solar energy cannot be found in the statistics yet (PV 2015: 10 MW) Current wood pellet production 250,000-300,000 t/year, but the capacity is 650,000 t/year Domestic pellet use 240,000 t/year: 58,000 t in buildings and 181,000 t in power plants Target to increase wood chip use from current 15 TWh to 25 TWh by 2020 Biogas production and consumption lacks behind the Central Europe FiT system for biogas, forest chips and wood combustion

525/01/2017 5

Bioenergian rooli tulevaisuuden energiajärjestelmässä?

Bioenergia on arvokas säädettävä ja varastoitava uusiutuvan energian muoto, mutta resurssit ovat rajalliset Kilpaileva kysyntä, uudet biotuotteet ja niiden kasvutavoitteet Alueellinen saatavuus Kestävyys- ja hiilineutraaliuskysymykset

Integroidut bioenergiahybriditMääritelmä: “Prosesseja jotka hyödyntävät vähintään kahta energialähdettä, joista toinen on bioenergia”(Rajataan tässä esityksessä aurinko-biomassahybrideihin)

625/01/2017 6

Kotitalous- ja maatilakokoluokan ratkaisut

Hybridit pääasiassa lämmityssektorilla, jossa bioenergia on luonnollinen energialähde Suurin potentiaali kl-verkon ulkopuolella

Öljy- ja sähkölämmityksen korvaaminen Eri lämmönlähteiden joustava integrointi ja

robusti operointi Saksassa jo 60% kaikista pellettikattiloista

yhdistetty aurinkolämpöön Kasvua oletetaan myös Suomeen

Investoinnit markkinaehtoisia Kotitalouden lämmityskäyttäytyminen:

1. Bioenergiaa peruskuormaan2. Bioenergiaa huippukuormille

© Ekolämmöx

© GreenEnergy Finland

Presenter

Presentation Notes

Bioenergiaa hyödynnetään 86%:ssa omakotitaloista Suomessa Nykyisin bioenergia on enää harvoin kotitalouden ainut lämmönlähde Markkinat kasvavat myös kl-verkkoalueilla, esim. lämpöpumput ja aurinkolämpö Suomessa hybridit kattoivat lähes 8% pientalojen lämmitysmarkkinoista (2015) Joustavuutta järjestelmän lämpövaraston (tankki, varaaja) ansiosta Suomessa aurinkolämpö ei ole ”standardi” kotitalous-kokoluokassa kuten Saksassa ja Itävallassa Kannustimet markkinaehtoisiin investointeihin: Omavaraisuus, pienet käyttökustannukset, luotettavuus Peruskuorma: Aurinkolämpö pienentää työmäärää ja polttoaineen (biomassa) kulutusta; sähkölämmitys tai ilma/vesi-lämpöpumppu täydentää Huippukuorma: Pienemmät kustannukset, maalämpö perustuotantoon; aurinkolämpö pienille kuormille, voi parantaa lämpöpumpun käyttöikää Ei suurempia teknisiä haasteita Suurimmat markkinahaasteet: Matala öljyn (ja sähkön) hinta, lämpöpumput kilpaileva teknologia perustuotantoon

725/01/2017 7

Suuren kokoluokan esimerkkejä

Ref. Lichtenegger, K. et al. 2016

2-suuntainen kaukolämpö, BiNe2+ projekti, Itävalta

Suuren kokoluokan aurinkolämpöjärjestelmä asuinalueelle, itävalta

© Erneuerbare Energie

Maailmalla demot ja kaupallistuminen pidemmällä, mutta Suomestakin löytyy jo esimerkkejä

Presenter

Presentation Notes

CHP ja suuri vuotuinen vaihtelu lämmöntarpeessa tyypillistä erityisesti Suomelle CHP:n osuus kl:stä Suomessa 74% (2015) Kaukojäähdytysmarkkinat pienet, mutta kasvussa Kl:n tuotannossa: biomassa, biokaasu, aurinkolämpö, geolämpö, lämpöpumput Saksa ja Itävalta: >100 m2 aurinkolämpöasennuksia; Tanska >1,000 m2 asennuksia Esimerkkiä Tanskasta hybridilaitoksiin kl-tuotantoon BiNe2+ projekti: 2-suuntaisen kl-verkon teknistaloudellinen arviointi; prosuumerit; huippukattiloiden korvaaminen, kesätuotanto auringolla kattiloiden sijaan (huono hyötysuhde) Gleisdorf: 6 matala-energia taloa ja yksi toimistorakennus, joissa 213 m2 aurinkolämpöä (50% tuotannosta) + puupellettikattila (50%) + 14 m3 lämpövarasto + pienten hajautettujen lataus öisin

825/01/2017 8

Esimerkkiä Tanskasta: Case Løgumkloster

Aurinkolämpölaitoksia kl-tuotantoon jo yli 60 kpl Tanskassa

Biomassa + aurinkolämpö + lämpöpumppu + kaasu tyypillinen yhdistelmä

Vuotuinen aurinko-osuus tyypillisesti ~25% Savosolarin 15 m2 suurkeräimet!

© SavoSolar

© SavoSolar

© Jouko Lampila

Presenter

Presentation Notes

Huippukuorma 11-12 MW Huippu aurinkotuotanto 13.5 MW Puupellettikattila 3 MW Maakaasu talven huippukuormille ja korkeille sähkönhinnoille; uusi kaasukattila ja kaksi suurta kaasumoottoria: 6 MW sähköä ja 7.6 MW lämpöä Sähköinen lämpöpumppu 1.5 MW, absorptiolämpöpumppu 3 MW Lämpövarasto 400-500 MWh Vuotuinen kokonaistuotanto 30-32 GWh; Aurinko 8 GWh / 15,300 m2 Tyypillinen aurinko-osuus Tanskan kl-hybridilaitoksilla 5-25% Suunnitteilla rakentaa 35,000 m2 aurinkolämpöä lisää ja 150,000 m3 kausivarasto Lähellä kaupunkia (kulutusta), ei päästöjä, ei melua Aurinkolämmön tuotantokustannus n. 30 €/MWh

925/01/2017 9

Savon Voima: Aurinko+biomassa –pilotti

Ensimmäinen aurinko+biomassa –hybridipilotti Suomessa, jolla korvataan öljyä kl:n tuotannossa Puupellettikattila; 500 kWth

Aurinkolämpökeräimet (Savosolar); 8 kW, 12 m2

Sähkökattilan; 70 kW

Ei lämpövarastoa

Aurinkolämpökeräimet esilämmittävät kl-verkon paluuvettä Korkea hyötysuhde aurinkolämmölle

Vuotuinen aurinkoenergia 3-4 MWh, keskittyy kesäkuukausillePuupellettien korvaus ja biomassan säästäminen myöhempään käyttöön © Kari Vesterinen, Savon Voima Oyj

Presenter

Presentation Notes

Otettiin käyttöön keväällä 2016 Aurinkolämpökeräimet esilämmittävät kaukolämmön paluuvettä ennen sen lämmittämistä lopulliseen verkon lämpötilaan pellettikattilalla, tai kesällä sähkökattilalla Kokonaislämmöntarve verkossa 1000 MWh/vuosi Aurinkoenergia kesäkaudella: 2.5-3 MWh → 2.5% aurinko-osuus kesällä Aurinkolämpö voi kattaa jopa 20% kulutushuipusta kesäpäivinä Käytännössä 95% vuotuisesta tuotannosta pelleteillä ja 5% sähköllä Jos aurinkolämpö mitoitettaisiin kesäkauden tarpeen mukaan (n. 40 kW), voitaisiin saavuttaa 2%:n vuotuinen aurinko-osuus

1025/01/2017 10

Integroidut uusiutuvan energian hybridit

1125/01/2017 11

Integroidut uusiutuvan energian hybridit

Integraatiohyödyt?

1225/01/2017 12

Integrointihyödyt

Lämpöintegroinnilla parempi hyötysuhde Esimerkki: prosessisyötteiden (vesi, ilma,…) esilämmitys

aurinkolämmöllä ennen polttoa, kaasutusta, pyrolyysiä jne. Alempi investointi laitteiden yhteiskäytöllä

Esimerkki: yhteinen höyrypiiri Korkeampi resurssitehokkuus (sama tulos vähemmällä määrällä

biomassaa) Esimerkki: Uusiutuvan energian integroidut biojalostamot

1325/01/2017 13

Biomassan käytön resurssitehokkuuden parantaminen

Termiset biojalostamot hyvin energiatehokkaita (>80 % (LHV)) Kaikkea hiiltä ei kuitenkaan saada hyödynnettyä resurssitehokkuudessa vielä parantamisen varaa.

hiili

ylijäämä hiilivety

PolttoaineMetsätähde

1425/01/2017 14

Polttoaine

CO

H2

CO2

Metsätähde

H2


Termiset biojalostamot hyvin energiatehokkaita (>80 % (LHV)) Kaikkea hiiltä ei kuitenkaan saada hyödynnettyä resurssitehokkuudessa vielä parantamisen varaa.

1525/01/2017 15

Prosessi voidaan suunnitella, joko Joustavaksi: varastoidaan ylijäämä sähköä polttonesteisiin Jatkuvaksi: maksimoidaan biomassan käytön resurssitehokkuus hiilikonversio 30 % 80 % >95 %*

O2

PolttoaineK

onversio

CO

H2

CO2

Metsätähde

H2Elektrolyysi

Konversio


*Source: Hannula, I. 2016. Hydrogen enhancement potential of synthetic biofuels manufacture in the European context: A techno-economic assessment, Energy, Volume 104, Pages 199-212, ISSN 0360-5442, http://dx.doi.org/10.1016/j.energy.2016.03.119.

1625/01/2017 16

Potential of RES hybrids in biofuels supply

1725/01/2017 17

Potential of RES hybrids in biofuels supply

With RES integration from 16% 41% of demand*

*I. Hannula, Hydrogen enhancement potential of synthetic biofuels manufacture in the European context: A techno-economic assessment, Energy, Volume 104, 1 June 2016, Pages 199-212, ISSN 0360-5442, http://dx.doi.org/10.1016/j.energy.2016.03.119.

1825/01/2017 18

Biomassan hajautettu aurinkokuivaus

Hajautetun aurinkokuivauksen hyödyt: Kuljetuskustannusten aleneminen / kannattavan

hankinta-alueen kasvu

Aurinkoenergian “varastointi” biomassaan / kestävän bioenergiaresurssin kasvattaminen

Hajautettu varastointi ja parempi laadun hallinta varastoinnin aikana

Polton hyötysuhteen paraneminen

Laadukas syöte uusiin termo-kemiallisiin prosesseihin

Päästöjen väheneminen tuotantoketjussa ja poltossa

VTT:n aurinkolämpökeräimet (12 m2, n 10 kWpeak)

Koekuivurilla voidaan kuivata

aurinkolämpöä hyödyntäen erilaisia

biojakeita n. 1 m3

erissä ja analysoida kannattavuutta

1925/01/2017 19

Havaintoja Integroitujen bioenergiahybridien tekninen potentiaali valtava, ei

merkittäviä rajoitteita. Bioenergiahybridit jo markkinoilla kotitalouskokoluokassa Standardisoitujen rajapintojen puute edellyttää päällekkäisiä

säätöjärjestelmiä jotka lisäävät kustannuksia Biomassan aurinkokuivaus ja VRE-integroidut biojalostamot

potentiaalisia konsepteja energian kausivarastointiin Bioenergiahybridin tärkein etu on mahdollisuus maksimoida kunkin

energialähteen potentiaali (järjestelmätason resurssitehokkuus) Integrointihyödyt tärkeä ajava voima hybrideille:

Taloudellinen: laitteistojen yhteiskäyttö Tekninen: parempi hyötysuhde

Bioenergiahybridien kustannuksia ja hyötyjä vaikea arvioida tasoitetun tuotantokustannuksen (LCOE) kautta. Järjestelmä pitää määritellä erittäin monimutkaista!

TECHNOLOGY FOR BUSINESS

Presenter

Presentation Notes

Final slide is optional in VTT’s internal presentations

Science

Ilkka Hannula, VTT: Resurssitehokkaat aurinkobioenergiahybridit