Marjukka Nuutinen, Jyväskylän ammattikorkeakoulu
Bioenergian teknologian kehittäminen ja tuotteistaminen KOME 2015 Marjukka Nuutinen Sisältöä • Mitä bioenergia tarkoittaa? • Millaisista raaka-aineista bioenergiaa tuotetaan? • Millaisia tuotteita ja millaisilla prosesseilla bioenergiaa tuotetaan? Tavoitteena saada kattava kokonaiskuva bioenergian mahdollisuuksista Bioenergian lähteet • Puuperäiset polttoaineet (teollisuuden jäteliemet ja puutähteet, kuten mustalipeä, kuori, puru, puuperäiset prosessitähteet, metsähakkeet ja murskeet, pilke, pelletit, briketit, kanto- ja juuripuu, puuhiili, puukaasu, energiapajut, kierrätyspuu) • Peltobiomassat (ruokohelpi, öljykasvit, oljet, pajut) • Biopolttonesteet (bioetanoli, biodiesel) • Biokaasut (kaatopaikoilta, jätevedenpuhdistamoilta, maatiloilta) • Turve (jyrsinturve, palaturve) Vakiintuneita energiantuotantotekniikoita • CHP Combined Heat and Power Production = Lämmön ja sähkön yhteistuotanto Suomi on yhteistuotannon johtava maa. Kolmannes sähköstä ja lähes 80% kaukolämmöstä tehdään yhteistuotannolla Yhteistuotanto on EU:ssa valittu yhdeksi tärkeimmistä keinoista kasvihuonekaasujen vähentämiseksi. • Suomessa kaikissa kaupungeissa yhteistuotantovoimalaitokset, pienemmissä taajamissa ja kiinteistökokoluokassa vielä kasvupotentiaalia bioenergiaan perustuvalle yhteistuotannolle ja lämpökeskustekniikalle • Bioenergiaa käyttävissä voimalaitoksissa vakiintunut tekniikka on leijupetitekniikka, jossa vaihtelevalaatuiset biopolttoaineet saadaan tehokkaasti poltettua leijuvassa hiekkapedissä • Pienehköissä lämmityskattiloissa polttoaineen laadunhallinta on keskeinen haaste: arinatekniikoita kehitetään nimenomaan polttoaineen laatuvaihteluiden ja palamisen hallinnan näkökulmasta: Kiinteä tasoarina, kiinteä tai liikkuva viistoarina Pyörivä arina Lämmön ja sähkön yhteistuotanto Yhteistuotanto ja kaukolämpö Aritermin Multijet-poltin liikkuvalla arinalla vaihtelevanlaatuisille biopolttoaineille EU:n energiapolitiikan päätavoitteet • • • • Vähäpäästöinen energian tuottaminen ja kuluttaminen Euroopan kilpailukyvyn ylläpitäminen Energian huoltovarmuudesta huolehtiminen Energian sisämarkkinoiden toimivuus Pyrkimyksenä ilmaston lämpenemisen rajoittaminen 2 oC:een. Vuoteen 2050 mennessä kasvihuonekaasuja pitäisi maailmanlaajuisesti vähentää 50 %, EU-tavoite 8095 %. Tärkeitä keinoja em. tavoitteiden saavuttamiseksi: • Energiatehokkuuden parantaminen • Uuden teknologian käyttöönoton edistäminen • Uusiutuvien energialähteiden tehokas hyödyntäminen EU-tavoitteet 20-20-20 • EU:n kasvihuonekaasuja vähennetään 20% vuoteen 2020 mennessä. Vähennystavoite nostetaan 30%:iin jos aikaansaadaan kansainvälinen ilmastosopimus. – Nykyisistä kasvihuonekaasupäästöistä 80 % aiheutuu energiantuotannosta – EU:n päästöjen osuus 10% koko maailman päästöistä ja kasvua eniten EU:n ulkopuolella • Uusiutuvien energialähteiden osuus energian loppukulutuksesta nostetaan EU:ssa 8,5 %:sta 20%:iin vuoteen 2020 mennessä. • Vuoteen 2020 mennessä parannetaan energiatehokkuutta ja vähennetään energiankulutusta 20 % siitä, mitä se olisi ilman uusia toimenpiteitä. • Liikennesektorilla tavoitteena 2020 uusiutuvan energian osuus 10 % Suomen tavoitteet • Uusiutuvan energian osuus 38 % v. 2020 Energiatehokkuuden lisääminen 20%:lla ja energiankulutuksen pienentäminen 20%:lla • Liikenteen biopolttoaineiden osuus 20% • Kasvihuonekaasupäästöjen vähentämisen lisäksi muutenkin tärkeitä kansallisesti tavoiteltavia: – Bioenergian ja muun kotimaisen energian käytön edistäminen energiaomavaraisuuden parantuminen ja työllisyys – Tutkimukseen ja tuotekehitykseen panostaminen – Energiasektorin huoltovarmuuden ylläpitäminen 19 Mitä on uusiutuva energia • Uusiutuva energia (renewable energy) tarkoittaa energiantuotantotapaa, jossa primäärienergianlähde uusiutuu luonnollisten prosessien kautta. • Uusiutuvan energian tuotantomuodoissa hyödynnetään jatkuvia luonnollisia prosesseja, kuten auringonpaiste, tuuli, virtaava vesi, ilman ja maan lämpö – tai käytetään vuosittain biologisesti syntyviä varantoja, kuten biomassaa. • Uusiutumattomia energialähteitä ei nykyoloissa synny lisää, joten ne loppuvat ennusteiden mukaan alle sadan tai muutaman sadan vuoden kuluessa – Fossiilisten polttoaineiden, kuten öljyn, maakaasun ja kivihiilen polttaminen lisää ilmakehän hiilidioksidin määrää ja vaikuttaa maapallon energiatasapainoon, jolloin maapallon keskilämpötila nousee. – Ydinenergian tuotannon seurauksena syntyvän ydinjätteen hajoaminen ja häviäminen luonnosta kestää pitkään – loppusijoituspaikat suunnitellaan 100 000 vuoden ajalle Uusiutuvaa vai uusiutumatonta energiaa Uusiutuvia • Bioenergia • Vesivoima • Tuulivoima • Aurinkoenergia • Maalämpö • Geoterminen energia • Aaltoenergia • Vuorovesienergia Ei uusiutuvia • Turve • Kierrätys- ja jätepolttoaineet • Öljyt • Hiilet • Maakaasu • Uraani Bioenergia ja uusiutuvuus • Bioenergia on uusiutuvaa energiaa, jota saadaan biomassoista • Bioenergia on hiilidioksidineutraalia eli se ei lisää ilmakehän hiilidioksidipäästöjä. Biomassojen poltossa vapautuva hiili sitoutuu uudelleen kasvavaan biomassaan. • Toisaalta poltossa vapautuu saman verran hiilidioksidia, kuin vapautuisi saman biomassan lahotessa metsässä • Turve on hitaasti uusiutuva biomassapolttoaine, jonka uusiutuminen kestää 2000-3000v. Sitä käsitellään ilmastopolitiikassa kuten fossiilista polttoainetta eli sen polttaminen lisää ilmakehän hiilidioksidipitoisuutta. Puupolttoaineet energiantuotannossa • Puun energiakäyttö kulkee käsi kädessä metsäteollisuuden puunjalostuksen kanssa – Puunjalostusteollisuuden sivuvirrat, kuten kuori, sahanpuru ja selluloosantuotannossa syntyvä mustalipeä. • Suoraan metsästä korjattavaa energiapuuta eli metsäpolttoainetta metsähaketta – Metsähake on merkityksellisin ja kasvavin puupolttoaine – Jatkossa muodostaa merkittävimmän osan Suomen uusiutuvan energian lisäysmahdollisuuksista • Metsästä energiantuotantoon teollisuuden käyttöön kelpaamatonta ainespuuta, kuten karsimaton kokopuu, karsittuja rankoja, raivauspuuta ja päätehakkuiden latvus- ja oksamassoja sekä hakkuualueilta ja tienrakennustyömailta nostettavia kantoja. • Metsähake on koneellisesti haketettua puuta, joka tulee suoraan metsästä energiakäyttöön Metsäteollisuuden sivutuotteet • Mustalipeä on kemiallisen massanvalmistusprosessin sivutuote, joka sisältää pääasiassa puusta peräisin olevaa ligniiniä ja keittolipeää. Veden haihdutuksen jälkeen se on käytettävissä soodakattiloissa. • Kemiallisen ja mekaanisen metsäteollisuuden kiinteitä sivutuotteita eli kuorta, purua, lastuja sekä hiontapölyä • Valtaosa hyödynnetään metsäteollisuuden omissa tuotantolaitoksissa ja loppuosa toimitetaan lähiseutujen energialaitoksiin ja kiinteistöihin Energiapuun tuotanto- ja logistiikkavaihtoehtoja Lähde: Metsäteollisuus ry Puupelletit • Puristamalla valmistettuja sylinterimäisiä rakeita, joiden halkaisija on 8-12 mm ja pituus 10-30 mm • Raaka-aineena pääasiassa sahanpuru ja kutterinlastu • Kotimainen kulutus 178 000 tonnia v. 2011 • Monipuolisia käyttökohteita – Voimalaitokset – Alue- ja kaukolämpölaitokset – Suur- ja pienkiinteistöjen kattilat • Ominaisuuksia – – – – Tasalaatuista ja kuivaa Helppo kuljettaa ja käsitellä Ympäristöystävällinen Hyvä lämpöarvo –tiivistä energiaa: 1 tonni pellettiä - energiaa lähes 5 MWh. Rekallisessa energiaa n. 200 MWh. • Suomelle tärkeä vientituote! Noin puolet Suomessa valmistettavasta pelletistä menee vientiin, josta 73% Ruotsiin ja Tanskaan. Pelletin valmistus • Raaka-aineet – havupuiden kuiva kutteri – sahanpuru tai hiontapöly • Raaka-aineen optimikosteus 10-15%, joten sitä kosteammat raaka-aineet kuivataan höyryllä ennen puristamista (esim. sahapurun kosteus usein yli 50%) • Kuivattu raaka-aine jauhetaan tasalaatuiseksi ja johdetaan puristusprosessiin. Puristuksen jälkeen valmiit pelletit jäähdytetään ja ajetaan täryttimen läpi, jolloin niistä erotellaan raakapuru ja hienoaines • Valmiin pelletin kosteus on n 10% • Lämpö- ja voimalaitoksissa pelletti usein murskataan ennen syöttämistä esim. pölypolttokattilaan Pelletin kysyntä maailmalla • Pelletin kysyntä Euroopassa n. 13 milj.tonnia, tuotanto n. 11 milj.tonnia • Maailmalla suurimmat tuottajat Kanada, USA, Venäjä • Maailmalla suurimmat kuluttajat Ruotsi (2,2 Mtn), Tanska (1,6 Mtv), Saksa (1,2 Mtn), Belgia (0,92 Mtn), Hollanti (0,91 Mtn) Biomassan torrefiointi • Torrefiointi = Biomassan paahtaminen 200 – 300 oC:n lämpötilassa hapettomissa olosuhteissa normaalissa ilmanpaineessa biomassasta poistuu kosteus ja osa haihtuvista aineista • Tyypillisessä torrefioinnissa biomassan alkuperäisestä painosta katoaa 30%, mutta lämpöarvosta vain 10% • Torrefioinnissa biomassan kuiturakenne muuttuu hauraammaksi ja pölyävämmäksi ja sen mekaaninen kestävyys kuljetusten ja varastoinnin aikana heikkenee. Toisaalta torrefioitu biomassa hylkii kosteutta eikä siihen muodostu sieni- tai mikrobikasvustoa. • Pelletöimällä torrefioitua biomassaa sen tiheys kasvaa, pölyäminen vähenee ja mekaaninen kestävyys paranee. Mitä turve on • Turve on muodostunut kuolleista kasvin osista maatumalla hyvin kosteissa olosuhteissa. • Hapen puutteen ja runsaan veden vuoksi kasvit eivät pääse hajoamaan kunnolla ja näin syntyy kasvava turvekerros. • Turpeen koostumus ja rakenne vaihtelevat suuresti kasvilajikoostumuksen ja maatumisasteen mukaan. • Energiantuotannossa käytetään suossa syvemmällä olevaa pitkälle maatunutta turvetta. Suon pintakerrosten lyhyemmän ajan maatuneita turpeita käytetään maataloudessa ja puutarhoissa. Turvemaat Suomessa • 30% Suomen pinta-alasta on turvemaita (9,5 Milj.ha). Turpeen vuosikasvu 34-35 milj.m3 on suurempi kuin turpeen vuosittainen energiakäyttö 25-30 milj.m3. Turvetta tuotetaan alle 1%:lla turvemaista. • Uusia turvemaita syntyy jatkuvasti metsämaan soistumana, maan umpeenkasvun seurauksena ja maan kohotessa rannikolla Turve energiantuotannossa • Turve on Suomessa määritelty hitaasti uusiutuvaksi biomassapolttoaineeksi – uusiutumisaika on 2000-3000 vuotta. • Turvetta käsitellään ilmastopolitiikassa fossiilisena polttoaineena, joten sen polton lasketaan lisäävän ilmakehän hiilidioksidipitoisuutta. • Turvetta ei myöskään lueta uusiutuvaksi polttoaineeksi energiapolitiikassa, joten sen käyttöä ei lasketa mukaan Suomen uusiutuvan energian kokonaiskäyttöön • Energiaturpeen tuotantopinta-alaa tarvitaan yli 70 000 hehtaaria, kun energiankäytön tarve on 20 TWh/v • Tuotannosta poistuvat pinta-alat huomioiden uutta tuotantoalaa tarvitaan n. 58 000 hehtaaria vuoteen 2020 mennessä, mikäli turpeen energiankäyttö pysyy nykytasolla Turve energiantuotannossa • Turpeen osuus Suomen kokonaiskulutuksesta 5-7% 20-29 TWh/v – Osuus vaihtelee mm sähkömarkkinatilanteen, lämmitystarpeen ja saatavuuden mukaan – Yhteistuotannossa turpeen osuus 17-20% – Noin puolessa maakunnista turve on kaukolämmön tuotannon merkittävin polttoaine – puun käyttö kasvaa vauhdilla, mikä samalla vähentää turpeen käyttöä • Energiantuotannossa käytetään sekä jyrsin- että palaturvetta. • Energiakäytössä sopii pitkälle maatunut ja siten runsaasti energiaa sisältävä turve, jota saadaan soiden keski- ja alakerroksista Turpeen merkitys ja erityispiirteitä • Tärkeä polttoaine edelleen useissa yhteistuotantolaitoksissa • Puun kanssa yhdessä lyömätön pari – Tasoittavat toistensa laatu- ja saatavuusongelmia – Klooria sisältävää polttoainetta käytettäessä tarvitaan rikkiä sisältävää polttoainetta, kuten turvetta, jottei kattiloiden lämmönsiirtopinnoille synny korroosiota aiheuttavia kerrostumia • Turve estää puun syövyttäviä vaikutuksia kattilassa, koska se sitoo klooria (klooria myös peltoenergiassa) • Puu sitoo turpeen rikkiä – Turve seospolttoaineena vähentää tuhkan ja petimateriaalin paakkuuntumista ja siten mahdollisia käyttöhäiriöitä • Monipuolisuus: Soveltuu käytettäväksi kaikenkokoisissa laitoksissa ja sen tuotanto- ja käyttöteknologiat ovat valmiita ja varmatoimisia, monipuolistaa polttoainekilpailua energiamarkkinoilla ja pitää puun hintoja kurissa • Merkittävä työllistävä ja energiahuollon varmuutta parantava vaikutus – Työpaikkoja turvetuotannossa n. 12 000 kpl • Tuotantomäärät vaihtelevat paljon vuosittain – Turpeenkorjuu ei onnistu märissä olosuhteissa – Pahimmillaan on jääty korjuussa puoleen tavoitteesta • Huonona turvevuonna turpeen sijasta käytetään kivihiiltä, mikä nostaa erityisesti kaukolämmön hintaa (esim. 2013 näin) • Turpeella haitallisia paikallisia vesistövaikutuksia • Turpeen käytöstä luopumista 2030 mennessä on esitetty esim. vihreiden toimesta • Turpeen käyttö energiantuotannossa osaltaan turvaa Metsäteollisuuden toimintaedellytyksiä Lisätietoa bioenergiasta: www.bioenergia.fi www.metsateollisuus.fi www.tem.fi www.energia.fi www.motiva.fi
© Copyright 2024