ilkka hannula, vtt: resurssitehokkaat aurinkobioenergiahybridit
TRANSCRIPT
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.
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
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
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
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
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
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
Biomassan käytön resurssitehokkuuden parantaminen
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
Biomassan käytön resurssitehokkuuden parantaminen
*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