Biopolttoaineiden soveltuminen säätötehon tuotantoon

Markku Raiko, Niina Honkasalo

1

Energialähteiden muuttuminen Suomen sähköntuotantonossa

0 %

10 %

20 %

30 %

40 %

50 %

60 %

70 %

80 %

90 %

100 %

2009 2030

Tuulivoima

Aurinkosähkö

Muut uusiutuvat

Vesivoima

Fossiiliset polttoaineet

Ydinvoima

Muut

• Tuulivoiman ja ydinvoiman tuotanto-

kapasiteettien osuudet kasvavat

• Tuulivoimaa 4000 MWe /10 TWh/v

• Tuulivoiman vaikutukset

• Tuulivoima korvaa

käyttökustannuksiltaan kalleinta

käytössä olevaa tuotantomuotoa eli

lämpövoimaa

• Lauhdetuotannon ja CHP -tuotannon

huipun käyttöajat putoavat

• Lämpövoiman tehotarve säilyy

• Säätövoimana

• Varavoimana

Kapasiteetti 16 000 MWe 24 000 MWe

Lähde: Eurelectric

Yhteistuotantosähkön osuus nyt n. 50 %!

0

3000

6000

9000

12000

15000

13 14 15 16 17 18 19

MW

päivä

Ajanjakso 1 13.-19.12.2010

Nettotuonti

Kaasuturbiinit

Vesivoima

Lauhde

Kaukolämpö-CHP

Teollisuus-CHP

Tuulivoima

Ydinvoima

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

3500

13 14 15 16 17 18 19

MW

päivä

Ajanjakso 113.-19.12.2010

Vesivoima

Tuulivoima

Ydinvoima

Kaukolämpö-CHP

Teollisuus-CHP

Lauhde

Kaasuturbiinit

Nettotuonti

Säätökapasiteetti suurelta osin tuonnin varassa (tilanne ennen tuulivoimaa)

3 Lähde: Energiateollisuus ry

Ruotsikin rakentaa tuulivoimaa! Saadaanko

edullista säätövoimaa enää tulevaisuudessa?

Säätöteho n. 3000 MWe!

Kulutuksen vuorokausimuutos.

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

3500

13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26

MW

päivä

Tuulivoimatuotannon toteutunut ja arvioitu vaihtelu tunneittain eri kapasiteeteilla

212 MW, 13-26.2.2012

2400 MW

3600 MW

4000 MW

Tuulivoiman tehovaihtelujen

kompensointikeinoja

4

1. Säätötarve suurelta osin hidasta säätötehokapasiteettia (1 h - 2 vrk)

• Lauhdetuotanto muuttuu säätövoimatyyppiseksi

• Myös CHP –tuotantoon kohdistuu merkittäviä joustotarpeita (mm. lämmön

varastointi)

2. Myös nopeaa säätökapasiteettia (alle 1 h)

• Fingridin arvio 16 % tuulivoimakapasiteetista

• Vesivoimaa ja pumppuvoimaa

• Moottoreita ja kaasuturbiineja

3. Lisäksi kysyntäjoustoja

• Smart Grid/Smart District Heating

• Lämpövarastoja asumisen yhteydessä

• Sähköautojen akkujen latausten ajoitusta

• Teollisuustuotannon seisokkeja

Tuotantotapa Sähkö Lämpö Polttoainetarve

MWe MW MW

Lämpökattila (hyötysuhde=85 %) 0 85 100

Lauhdetuotanto (hyötysuhde =40 %) 42,5 0 106,3

Erillistuotanto 42,5 85 206,3

CHP (rakennusaste=0,5) 42,5 85 150

Yhteistuotantohyöty (polttoainesäästö) -56,3

Lämpöpumppu (COP= 3,5…4,0) -21,3…-24,3 85 0

Lauhdetuotanto+Lämpöpumppu 0 85 53,3…60,8

Lauhdetuotanto+Lämpöpumppu 42,5 85 159,6…167,1

Lämpöpumppuhyöty (polttoainesäästö) -39,2…-46,7

Lämpöpumput lisäävät tehojoustoa yhteistuotannossa

5

Polttoainesäästönä lämpöpumppuhyöty on lähes yhtä suuri kuin yhteistuotantohyöty!

Lämpöpumppu on kestävä ja taloudellinen vaihtoehto lämpökattiloille!

Lämpövoimalaitosten säätöominaisuuksia

6

Ominaisuudet Höyryturbiini Kombi Kaasuturbiini Moottori

Tyypillinen yksikkökoko 600-900 MWe 60-400 MWe 10-300 MWe 1-20 MWe

Hyötysuhde

•vanha 40 % 50 % 32 % 45 %

•uusi (Max) 47 % 61 % 38 % 48 %

Käynnistysajat

•kylmäkäynnistys 5-10 h 2-3 h 5-15 min 15 min

•lämmin käynnistys (2 vrk) 3-5 h 1-1,5 h 5-15 min 15 min

•kuuma käynnistys (yö) 1,3-2,5 h 0,5-1 h 5-15 min 5 min

Minimiteho 40 % 40-50 % 50 % *) 30 % *)

Tehonmuutosnopeus 3-6 %/min 4-6 %/min 5-20 %/min 25 %/min

*) Typpioksidipäästöjen raja-arvot ylittyvät ajettaessa alempia tehoa. Tekninen minimiteho n. 10 %.

Lämpövoiman säätöominaisuudet riittävät tuulivoiman

tehonmuutosten kompensointiin! (Esim. 1-2 käynnistystä/viikko)

Säätövoiman polttoainekustannus - Hankintahinta ja päästömaksu

7

Polttoainekustannus €/MWh

Päästömaksu €/tonCO2

0 20 40 60 80 100

Kivihiili 13 19,8 26,6 33,5 40,3 47,1

Maakaasu (LNG) 38 42,0 45,9 49,9 53,8 57,8

HFO 50 55,7 61,4 67,0 72,7 78,4

LFO 70 75,3 80,7 86,0 91,4 96,7

Kannattavuusrajat Korvattava polttoaine Päästömaksuraja €/tonCO2

Puuhake 18 Kivihiili 15 ok

Puupelletti 35 Kivihiili 64,5 ?

TOP -pelletti 40 Kivihiili 79 ?

Pyrolyysiöljy 55 HFO/LFO 18/0 ok (IED: HFO => LFO)

Tuulivoiman takuuhinta 83,50 €/MWh = Kivihiililauhteen polttoainekustannus päästömaksulla 60 €/tonCO2!

(kulutussuhde 2,5 x 33,5 €/MWh = 83,5 €/MWh)

Päästökaupan rooli pienentymässä energiapolitiikan ohjauskeinona?

1. Biopolttoainejalosteiden edut

Tuotteet puhtaita (typpi-, rikki- ja hiilipäästöt)

Tuotteet helppoja kuljettaa, käsitellä ja käyttää

2. Käyttötalouden osatekijät

Polttoainekustannukset

Investointi

Käyttöaika

3. Kannattavuutta parantavat osatekijät

Päästömaksun korkea taso => vertailutasona esim. tuulivoiman

takuuhintaa vastaava päästömaksu

Pieni investointitarve => vanhojen laitosten modernisointi (IED -

investointien välttäminen)

Lyhyt käyttöaika => säätövoiman tuotanto

Biopolttoaineiden jalostamisen taloudelliset lähtökohdat

1. Kivihiilenpolton jatko ja puupellettien seospoltto

Puupellettien käyttö ei poista IED investointitarvetta

(rikinpoistopesuri+SCR)

Maksimi teho-osuus 20 % (hiilimyllyt rajoittavat)

2. Paahtopellettien (TOP) poltto

Ei tarvetta IED investoinneille (typpipäästöt ?)

Maksimi teho-osuus 70 % (savukaasukemia rajoittaa)

3. Hakkeen kaasutus

Ei tarvetta IED investoinneille (typpipäästöt ?)

Maksimi teho-osuus 70 % (savukaasukemia rajoittaa)

4. Pyrolyysiöljyn poltto

Ei tarvetta IED investoinneille

Maksimi teho-osuus 100 %

Biopolttoaineiden käytön tekniset vaihtoehdot hiilipölykattiloissa

Voimalaitoksen maksimitehoa voidaan ehkä joutua alentamaan n. 10-15 %

biojalostekäytössä likaantumisen ja typpipäästöjen hallitsemiseksi (vrt. leijukattilat)!

Vanhentuvia lämpövoimalaitoksia (yli 4000 MWe:n kapasiteetti)

Laitos Polttoaine

Sähköteho

(MWe) Valm.(tai rev.) Tuotantotapa

Mussalo1 hiili 75 1966 CHP (ei tuotannossa)

Mussalo 2 kaasu 238 1973 lauhde (ei tuotannossa)

Kristiina 1 öljy 210 1974 lauhde (tehoreservi)

Kristiina 2 hiili 242 1989 lauhde

Tahkoluoto hiili 235 1976 lauhde

Vaskiluoto 2 hiili (+puu) 230 1997 CHP (etukaasutin 2012)

Vaskiluoto 3 öljy 160 1972 CHP (tehoreservi)

Naantali 1 hiili 115 1960 lauhde

Naantali 2 hiili 110 1964 CHP

Naantali 3 hiili 110 1972 CHP

Inkoo 1 hiili 250 1974 lauhde

Inkoo 2 hiili 250 1975 lauhde

Inkoo 3 hiili 250 1976 lauhde (tehoreservi)

Inkoo 4 hiili 250 1978 lauhde (ei tuotannossa)

Meri-Pori hiili 560 1994 lauhde

Haapavesi turve+puu 155 1989 lauhde

Kymijärvi hiili+kaasu 138 1976 CHP

Hanasaari B hiili 228 (2x114) 1974 CHP

Salmisaari B hiili 160 1984 CHP

Martinlaakso 1 kaasu 60 1975 CHP (LCP opt-out)

Martinlaakso hiili 80 1982 CHP

Suomenoja 1 hiili 80 1977 CHP

Haapaniemi 2 turve 60 1982 CHP

Vanhojen voimalaitosten uusinnan investointiarvot

Biopolttoaine Bio-osuus Käyttötapa Retrofit Asset-arvo

% €/kWe €/kWe

Puuhake 70 Kaasutus ja kaasun poltto 520 180

Puupelletti 20 Hiilijärjestelmä 250 180

Paahtopelletti (TOP) 70 Hiilijärjestelmä 100 180

Pyrolyysiöljy 100 Öljyjärjestelmä 40 0

Retrofit- arviot sisältävät IED –investoinnit, säätöajotapamuutokset ja polttoainemuutokset.

Laitoksen jäännösarvo 10 % uusinvestoinnista (pyrolyysiöljymuutoksessa 0 %).

Laitoskohtaiset muutostarpeet vaihtelevat paljon!

IE -direktiivi sallii helpotuksia päästöjen BAT -tasosta, jos laitosten käyttöaikaa rajoitetaan!

Uusien lämpövoimalaitosten investointiarviot

Konsepti Polttoaine Yksikkö Hyötysuhde Investointi

MWe % €/kWe

Kaasuturbiini LFO 10 – 150 34 300

Öljydiesel HFO 1-30 46 600

Kaasumoottori maakaasu 1-30 48 600

Kaasukombi maakaasu 100-300 50 700

Öljykombi LFO 100-300 50 700

Öljylauhde HFO 250-700 43 1400

Bioöljylauhde pyrolyysiöljy 250-700 43 1400

Biolauhde hake 100-400 40 1800

Hiililauhde kivihiili 250-700 40 1800

13

0,0

50,0

100,0

150,0

200,0

250,0

300,0 €/M

Wh

Lauhde 1000 h/v

Muuttuvat €/MWh

Kokonaishinta €/MWh

Uusinvestointijärjestys,

mikä määrittää sähkön

hinnan markkinan

tasapainotilanteessa

Lauhdetuotannon kustannukset säätöajossa (päästömaksu 50 €/tonCO2)

Ajojärjestys

14

0,0

50,0

100,0

150,0

200,0

250,0

300,0

€/M

Wh

CHP 1000 h/v

Muuttuvat €/MWh

Kokonaishinta €/MWh

Yhteistuotannon kustannukset säätöajossa (päästömaksu 50 €/tonCO2)

Lämmöntuotantovaihto-

ehtona on samaa

polttoainetta käyttävä

lämpökattila!

Arvio kohdistuu

yhteistuotannon

hyötyvaikutukseen!

Lämpövoimaan perustuvan säätösähkön ominaispäästöt

15

0,0

100,0

200,0

300,0

400,0

500,0

600,0

700,0

800,0

900,0

kg

CO

2/M

Wh

Lauhdetuotanto

0,0

100,0

200,0

300,0

400,0

500,0

600,0

700,0

800,0

900,0

kg

CO

2/M

Wh

CHP -tuotanto

1. Nykyinen markkinahinta (Nord Poolin Elspot hinta)

2. Markkinahinta muodostuu uusinvestoinneista

yhteistuotantoon (Suomi)

3. Markkinahinta muodostuu uusinvestoinneista

lauhdetuotantoon (Saksa)

Säätösähkön hintaskenaariot

17

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

1600

1 11 21 31 41 51 61 71 81 91 101

€/M

Wh

h

Suomen aluehinta - vuoden 100 kalleinta tuntia

Suomen aluehinta 2010

Suomen aluehinta 2011

0

25

50

75

100

125

150

175

1 2001 4001 6001 8001

€/M

Wh

h

Suomen aluehinta - vuoden 100 kalleinta tuntia poistettu

Suomen aluehinta 2010

Suomen aluehinta 2011

Säätösähkön Suomen aluehinta (Elspot)

18

0

100

200

300

400

500

600

700

800

900

1000

0 500 1000 1500 2000

Sähkön hinta €/MWh

Tuotantoaika, h/v

Sähkön hinnan pysyvyyskäyrä -Lauhdetuotanto

0

100

200

300

400

500

600

700

800

900

1000

0 500 1000 1500 2000

Sähkön hinta €/MWh

Tuotantoaika, h/v

Sähkön hinnan pysyvyyskäyrä -CHP-tuotanto

Markkinatasapainon mukaiset säätösähkön hintaskenaariot

Lauhdetuotannon Retrofit -konseptien kilpailukyky

Käyttöaika Konseptit Sähkön hintaskenaariot

Hiili+Pelletti Hiili+TOP Kaasutus Bioöljy Elspot CHP Lauhde

h/v €/MWh €/MWh €/MWh €/MWh €/MWh €/MWh €/MWh

500 171,1 157,9 192,7 166,9 90 121,1 217,4

1000 124,8 126,0 123,8 153,6 75 87,3 157,3

1500 109,3 115,4 100,8 149,1 70 76 137,3

Päästömaksu 50 €/tonCO2

Yhteistuotannon Retrofit -konseptien kilpailukyky

Käyttöaika Konseptit Sähkön hintaskenaariot

Hiili+Pelletti Hiili+TOP Kaasutus Bioöljy Elspot CHP Lauhde

h/v €/MWh €/MWh €/MWh €/MWh €/MWh €/MWh €/MWh

500 127,1 105,1 162,1 88,4 90 121,1 217,4

1000 80,8 73,3 93,2 75 75 87,3 157,3

1500 65,4 62,7 70,1 70,6 70 76 137,3

Päästömaksu 50 €/tonCO2

Konseptien kilpailukyky käyttöajan funktiona

21

Biopolttoainejalosteiden kilpailukyky vanhoissa kivihiilivoimalaitoksissa

Lauhde CHP

Pyrolyysiöljy alle 400 h/v alle 900 h/v

TOP 400…950 h/v 900…2200 h/v

Hake/kaasutus yli 950 h/v yli 2200 h/v

Konseptivalinnat uusissa säätövoimainvestoinneissa

Lauhde CHP

LNG (kombi/moottori) alle 1800 alle 2700 h/v

Hakeleijukattila yli 1800 h/v yli 2700 h/v

HFO/LFO (kombi/moottori) alle 1000 h/v alle 1900 h/v

Hakeleijukattila yli 1000 h/v yli 1900 h/v

1. Tuulivoima lyhentää lämpövoiman huipun käyttöaikaa

1. Polttoaineiden osuus primäärienergian lähteenä pienenee

2. Bioenergian rooli systeemin päästöttömänä energiavarastona kasvaa

3. Bioenergian käyttö siirtyy perustuotannosta jalosteisiin ja säätösähköön

2. IE -direktiivi

1. Säätövoiman hiilidioksidipäästöt voitaisiin minimoida biopolttoainekäytöllä

2. Biopolttoainejalosteiden käyttö vähentäisi IED -investointitarvetta

3. Siirtymäaikajoustot olisi edullista kohdentaa biopolttoainemuutoksiin

3. Kehitystarpeita

1. Erilaisten biopolttoainemuutosten demonstrointi olisi nyt tärkeää voimalaitoksilla (mm.

polttimet, polton vaiheistus, reburning, SNCR, likaantumisen hallinta)

2. Vielä olisi aikaa kehittää ratkaisuja kaukolämpöjärjestelmien tehokkaampaan

hyödyntämiseen osana joustavaa energiantuotantoa (lämpöakut ja lämpöpumput)

Pohdintoja

1. Tuulivoiman lisärakentaminen nähdään nyt kannattavuusuhkaksi

lämpövoimalaitoksille, josta seuraa riskiskenaario

1. Vanhoja lämpövoimalaitoksia poistuu runsaasti käytöstä

2. Muutaman vuoden päästä rakennettavat tuulivoimalaitokset aiheuttavat suuria

hintaheilahteluja markkinoilla

3. Säätösähkökapasiteetti rakennetaan uudestaan öljyä käyttävien uusinvestointien varaan

2. Säätösähkön määrän ja hinnan voidaan olettaa nousevan merkittävästi

tuulivoiman lisärakentamisen seurauksena

3. Biopolttoainejalosteiden kilpailukyky on parhainta säätövoiman tuotannossa

Vanhoissa yhteistuotannon polttokattiloissa Suomessa

Vanhoissa lauhdetuotannon polttokattiloissa Keski-Euroopassa

Yhteenveto