Biotalous ja energiamurros – mitä vuonna 2030?Luonnonvarakeskuksen (Luke) ja Teknologian tutkimuskeskus VTT:n seminaari 26.1.2017

1. VTT TECHNICAL RESEARCH CENTRE OF FINLAND LTD
Resurssitehokkaat
aurinko-bioenergiahybridit
26.1.2017
Ilkka Hannula, Eemeli Tsupari,
Elina Hakkarainen
VTT Technical Research Centre of Finland Ltd.

2. 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

3. 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 järjestelmästä
Miten 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

4. 425/01/2017 4
Uusiutuva energia Suomessa
Lähde: Tilastokeskus

5. 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 bioenergiahybridit
Määritelmä: “Prosesseja jotka hyödyntävät vähintään kahta
energialähdettä, joista toinen on bioenergia”
(Rajataan tässä esityksessä aurinko-biomassahybrideihin)

6. 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 peruskuormaan
2. Bioenergiaa huippukuormille
© Ekolämmöx
© GreenEnergy Finland

7. 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

8. 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

9. 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 kesäkuukausille
Puupellettien korvaus ja biomassan säästäminen
myöhempään käyttöön © Kari Vesterinen, Savon Voima Oyj

10. 1025/01/2017 10
Integroidut uusiutuvan energian hybridit

11. 1125/01/2017 11
Integroidut uusiutuvan energian hybridit
Integraatiohyödyt?

12. 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

13. 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 hiili
vety
Polttoaine
Metsätähde

14. 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.

15. 1525/01/2017 15
 Prosessi voidaan suunnitella, joko
 Joustavaksi: varastoidaan ylijäämä sähköä polttonesteisiin
 Jatkuvaksi: maksimoidaan biomassan käytön resurssitehokkuus
 hiilikonversio 30 %  80 %  >95 %*
O2
Polttoaine
Konversio
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.

16. 1625/01/2017 16
Potential of RES hybrids in biofuels supply

17. 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.

18. 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

19. 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!

20. TECHNOLOGY FOR BUSINESS