Sähkön ja lämmön yhteistuotanto haasteellisilla polttoaineilla

Maailman energian kulutuksen lisääntymisen ja ilmastonmuutoksen myötä energiantuotannossa joudutaan jatkuvasti sopeutumaan muuttuviin tilanteisiin ja haasteisiin. Polttoteknillisiä haasteita aiheuttavat pelto- ja kierrätyspolttoaineet ovat lisäämässä osuuttaan uusiutuvien polttoaineiden joukossa. Jotta kyseisiä haasteellisia polttoaineita pystytään hyödyntämään, täytyy niiden aiheuttamat ongelmat tuntea ja laitevalmistajien kehittää niiden hyödyntämiseen sopivaa tekniikkaa. Tässä diplomityössä käydään läpi tulevaisuudessa käytettävät polttoaineet, nykyiset päästörajat, kiinteiden polttoaineiden poltto- ja kaasutustekniikat sekä likaantumis-, kuonaantumis- ja korroosiomekanismit voimalaitoskattiloissa. Työssä tutkitaan, onko haasteellisten polttoaineiden käyttöön investoiminen järkevää ja mikä nykypäivän tekniikoista on kannattavin. Myös välitulistuksen, lauhdeperän ja apujäähdyttimen kannattavuuksia vertaillaan sähkön ja lämmön yhteistuotannossa. Tuloksiksi saatiin, että edullisten peltobiomassojen ja kierrätyspolttoaineiden käyttäminen, joko perinteisten polttoaineiden seassa tai pääpolttoaineena, on nykyhinnoilla perinteisiin polttoaineisiin verrattuna kannattavaa. Investoiminen kierrätyspolttoaineiden valmistuslaitteisiin maksimoi kierrätyspolttoaineista saatavaa hyötyä. Välitulistuksen todettiin soveltuvan huonosti vastapaineprosessiin, sillä siitä saatava sähköntuotannon lisäys on hyvin pieni. Lauhdeperän ja apujäähdyttimen vertailuissa huomattiin, että lauhdeperä on kannattava investointi, jos sähkön ja lämmön hintaero pysyy tarpeeksi suurena. Haasteellisilla polttoaineilla pystytään pienentämään kasvihuonepäästöjä ja korvaamaan fossiilisten polttoaineiden käyttöä.

Sähkön ja lämmön yhteistuotanto biopolttoaineilla, alueellinen selvitys - Tutkimusraportti

Globaali ilmaston lämpeneminen ja tunnettujen energiavarojen ehtyminen ovat lisääntyvässä määrin maailmanlaajuisia huolenaiheita. Tietoisuus kulutuksen kasvun ja fossiilisten polttoaineiden käytön aiheuttamasta ympäristönmuutoksesta on merkittävästi kasvanut, ja osana kestävää kehitystä Euroopan Unionin vuoden 2020 välitavoitteena on vähentää kasvihuonepäästöjä 20 prosentilla vuoden 1990 tasosta, parantaa energiatehokkuutta 20 prosentilla, ja lisätä uusiutuvien energialähteiden osuus 20 prosenttiin. Suomen sitovaksi tavoitteeksi EU on määritellyt uusiutuvan energian osuudeksi 38 % kokonaisenergian kulutuksesta vuoteen 2020 mennessä. Suomen tavoitetta voi pitää varsin haasteellisena ja näin ollen tavoitteiden saavuttaminen edellyttää myös, että Suomessa käyttöönotetaan monipuolisia energiatehokkuutta parantavia ja erilaista tuotantoteknologiaa hyödyntäviä ratkaisuja. Biopolttoaineita käyttävä pienen kokoluokan yhdistetty sähkön ja lämmön tuotanto (CHP) voi osaltaan tarjota yhden ratkaisun varmistaa kestävä kehitys. Hajautetusti toimivat kiinteää biopolttoainetta, kuten metsätähdehaketta esimerkiksi maatiloilla, kasvihuoneilla ja pkteollisuudessa käyttävät pien-CHP laitokset lisäävät energiaomavaraisuutta, työllisyyttä ja maaseudun elinvoimaa. Sähkön ja lämmön yhteistuotanto – hankekokonaisuus sisälsi kolme erillistä projektia; (1) Bio-CHP tutkimus- ja opetuslaboratorion kehittäminen, (2) Biovoima Innoverkko, ja (3) Sähkön ja lämmön yhteistuotanto biopolttoaineilla, alueellinen selvitys. Näissä projekteissa on (1) tutkittu, koekäytetty, testattu ja mallinnettu pienen kokoluokan (laitoksen polttoaineteho alle 3 MW) CHP-laitteistoa laboratorio-olosuhteissa, (2) koulutettu ja konsultoitu potentiaalisia asiakkaita, laitevalmistajia ja energiayrityksiä sekä (3) kartoitettu markkinapotentiaalia, potentiaalisia asiakkaita ja alan toimijoita sekä tehty esiselvityksiä käyttökohteiden kannattavuudesta. Hankekokonaisuuden yhteydessä Lappeenrannan teknillisessä yliopistossa laboratoriossa koekäytössä oleva CHPratkaisu perustuu Stirling-moottorin tai vaihtoehtoisesti mikroturbiinin käyttöön hakelämmityskattilalaitoksen yhteydessä. Kaupalliseen vaiheeseen edetessään pienen kokoluokan CHP-tuotanto voidaan arvioida kannattavaksi, koska sen avulla voidaan muun muassa saavuttaa kustannussäästöjä, vähentää päästöjä, ja lisätä sähköntuotannon omavaraisuutta sekä tukea alueellista työllisyyttä. Tässä hankkeessa (3) tutkittiin pienen kokoluokan hajautetun CHP-teknologian markkinapotentiaalia yleisesti Suomessa ja Kaakkois-Suomessa, tarkasteltiin alueellisia primäärienergialähteitä, ja tutkittiin laitetoimittajia, energiayrityksiä sekä niiden liiketoimintaverkostoja. Alueellisen selvityksen tueksi tutkittavia asioita tarkasteltiin osittain myös laajemmin muun muassa vertaisarvioinnin ja riittävän suuren otoskoon varmistamiseksi. Hankkeessa konsultoitiin potentiaalisia CHP-käyttökohteita ja tehtiin esiselvitykset kahdeksan kohteen teknis-taloudellisesta kannattavuudesta. Konsultoinneissa ja esiselvityksissä hyödynnettiin kehitettyä teknis-taloudellista laskentamallia. Hankkeen tulosten pohjalta laadittiin yleisohje soveltuvuusselvitysten tekemiseksi sekä suositus bioenergian alueelliseksi kehittämiseksi hajautetussa CHP-tuotannossa. Vuoden 2011 alussa voimaan tullut laki uusiutuvilla energialähteillä tuotetun sähkön tuotantotuesta on tarkoitettu tukemaan tuulivoimalla, biokaasulla ja puupolttoaineella tuotettua sähkön tuotantoa. Syöttötariffijärjestelmään hyväksytty sähkön tuottaja osallistuisi sähkömarkkinoille, ja tuottajalle maksettaisiin määräajan tukea markkinahinnan ja tuotantokustannusten välisen eron kattamiseksi. Jotta metsähakevoimala yleisten kelpoisuusehtojen täytyttyä voitaisiin hyväksyä syöttötariffin piiriin, pitää lisäksi laitoksen generaattoreiden nimellistehon olla vähintään 100 kW. Nykytekniikalla ja nykyisillä laitosten hyötysuhteilla tämä tarkoittaa sitä, että CHP-laitoksen kokonaistehon tulisi olla suuruusluokaltaan noin 500 kW. Näin ollen syöttötariffijärjestelmä ei kannusta pienimpiä laitoksia bioenergialla tuotetun sähkön myyntiin, ja näissä tapauksissa onkin arvioitava ainoastaan omakäyttösähkön merkitystä. Lämpö- ja CHP-laitosten polttoaineen hankintaketjua tuleva laki pienpuun energiatuesta (Petu) on hyväksytty eduskunnassa ja tulee voimaan asetuksella, mikäli Euroopan komissio hyväksyy uuden valtiontukijärjestelmän. Pienpuun energiatuki korvaa aiemmat Kemera-lain mukaiset korjuu- ja haketustuet. Tukea maksetaan nuoren metsän hoidon tai ensiharvennuksen yhteydessä saatavasta energiapuusta, mutta ei päätehakkuiden energiapuusta. Maa- ja puutarhataloudessa potentiaalisimpia käyttökohteita ovat suurehkot sika- ja siipikarjatilat, joiden lämmön ja sähkön kulutus on jo merkittävää. Kasvihuoneet ovat jo keskikokoisina huomattavia sähkön ja lämmön kuluttajia, ja siten potentiaalisia kohteita. Yleisesti tilojen määrän ennustetaan jo lähivuosien aikana vähenevän ja tilakoon kasvavan merkittävästi. Suurempi yksikkökoko luonnollisesti merkitsee mahdollisesti parantuneesta energiatehokkuudesta huolimatta yleensä suurempaa energian tarvetta ja siten potentiaalista kiinteää biomassaa käyttävää CHP-kohdetta. Pk-teollisuudessa luontevia käyttökohteita ovat esimerkiksi mekaanisen metsäteollisuuden laitokset sekä yleisestikin teollisuuskohteet, joiden energian kulutus on kohtalainen ja suhteellisen tasainen. Niin ikään suurehkot kiinteistöt, kuten esimerkiksi hotellit ja vanhainkodit, ovat potentiaalisia käyttökohteita. Olemassa olevat aluelämpölaitokset voivat ottaa CHP-teknologian käyttöön esimerkiksi laitoksen peruskorjauksen tai uusimisen yhteydessä. Kaiken kaikkiaan Kaakkois-Suomessa voidaan arvioida olevan maatiloilla, kasvihuoneissa, pk-teollisuudessa ja lämpölaitoksissa yhteensä useita kymmeniä potentiaalisia käyttökohteita. Arvioitaessa Kaakkois-Suomen kiinteitä bioenergiapotentiaaleja, keskeisin on metsäenergia, jonka teknistaloudellinen potentiaali on arvioitu olevan alle 2000 GWh, mitä voidaan pitää varsin konservatiivisena arviona. Peltoenergiapotentiaaliksi on arvioitu noin 400 GWh. Metsätähdehaketta kuljetetaan myös maakuntien välillä, vaikka kuljetusmatkat tulisi rajoittaa enintään 50–100 km etäisyydelle käyttöpaikasta kannattavuuden turvaamiseksi. Energiapuun voidaan arvioida riittävän pienen kokoluokan CHPteknologian lisääntyvään tarpeeseen, mutta alueellisesti polttoaineen saatavuuteen ja hintaan vaikuttavat olennaisesti esimerkiksi suurten CHP-laitosten mahdollisesti lisääntyvä metsähakkeen käyttö. Metsäteollisuuden ainespuun käytöllä on keskeinen rooli energiapuun saantoon. Lisäksi metsänomistajien todellinen halukkuus energiapuun myyntiin vaihtelee, ja esimerkiksi kantojen hyödyntäminen biopolttoaineena jakaa mielipiteitä. Hankkeessa tutkittiin ja haastateltiin 26 lämpöyritystä ja 26 lämpölaitostoimittajaa eri puolella Suomea sekä 19 potentiaalista CHP-laitevalmistajaa Kaakkois-Suomessa. Lämpöyrittäjyys on varsin paikallista toimintaa, joka on voimakkaasti kasvamassa. Lämpöyrittäjien hoitamia kohteita on Suomessa tällä hetkellä noin 450. Lämpölaitoksen ja lämpöverkon omistaa usein esimerkiksi kunta, ja lämpöyrittäjä hankkii polttoaineen, huolehtii laitoksen toiminnasta ja saa tuoton myydystä energiasta. Tyypillisesti lämpöyrityksellä ja –yrittäjällä on yhteistyötä paitsi polttoainetoimittajien ja asiakkaidensa kanssa, niin myös erilaisia huolto- ja muita palveluita tarjoavien tahojen, lämpölaitoksen kokonais- ja komponenttitoimittajien, ja muiden lämpöyrittäjien kanssa. Merkittävimmät laitevalmistajat ovat maantieteellisesti painottuneet Länsi- ja Etelä- Suomeen. Valmistajat ovat pääosin pk-yrityksiä, joista muutama on osa isompaa konsernia. Yritykset valmistavat tyypillisesti muun muassa lämpökattiloita, poltinteknologiaa, kuljettimia ja automaatiojärjestelmiä. Harva yritys valmistaa kaikki lämpölaitoksen komponentit itse, mutta useat kykenevät suunnittelemaan ja toimittamaan asiakkaille kokonaisia laitoksia avaimet käteen periaatteella liiketoimintaverkostojaan hyödyntäen. Laajimmillaan yritysten liiketoimintaverkostoihin voi kuulua asiakkaita, alihankkijoita, muita laitevalmistajia, kilpailijoita ja muita palveluiden tarjoajia. Kaakkois-Suomessa on huomattava yrityskanta konepaja-, automaatio-, hydrauliikka-, sähkö- ja LVI-yrityksiä, ja osa näistä yrityksistä on toiminut muun muassa metsäteollisuuden alihankkijoina. Metsäteollisuuden rakennemuutoksen myötä yritykset joutuvat osittain suuntaamaan liiketoimintaansa muualle, ja kyseisillä yrityksillä on perusosaamista ja kyvykkyyttä palvella energia-alaa, kuten esimerkiksi toimittaa komponentteja, laitteita tai palveluita CHP-laitostoimituksiin. Liiketoiminnan suuntaaminen uudelle toimialalle ja mahdollisten omien tuotteiden suunnittelu, valmistus ja markkinointi edellyttää kuitenkin merkittäviä panostuksia ja riskinsietokykyä. Kaiken kaikkiaan tutkitut lämpöyritykset, laitostoimittajat ja potentiaaliset laitetoimittajat suhtautuivat varovaisen positiivisesti pien-CHP:n tarjoamiin mahdollisuuksiin. Pien-CHP teknologian todettiin vielä vaativan kuitenkin kehittämistä, ja toisaalta yhteiskunnan tukitoimenpiteet nähtiin välttämättöminä, jotta bioenergiaa hyödyntävät pien-CHP ratkaisut voisivat yleistyä. Hankkeessa tutkittiin syvällisemmin erityyppisiä potentiaalisia bio-CHP kohteita, joista tehtiin esiselvitystasoiset soveltuvuus- ja kannattavuusarviot. Halukkuutta esiselvitysten tekemiseen olisi potentiaalisilta asiakkailta todennäköisesti löytynyt enemmän, mikäli bioenergiaa hyödyntävät pienen kokoluokan CHP-ratkaisut olisivat olleet lähempänä kaupallista sovellusta ja yhteiskunnan tukijärjestelmät bioenergialle valmiimpia sekä kattaneet paremmin myös pienen kokoluokan laitokset. Käyttökohteet olivat hyvin yksilöllisiä eikä niiden perusteella ollut mahdollista muodostaa yleispätevää mallia soveltuvuuden ja kannattavuuden arvioimiseksi. Teknologisten ratkaisujen vielä kehittyessä tarkkoja arvioita laitekustannuksista ei niin ikään ollut mahdollista esittää. Voidaan kuitenkin arvioida, että laitehinnat tulevat merkittävästi alenemaan kaupallisten ratkaisujen yleistyessä. Käyttökohteen kannattavuutta eivät itsestään selvästi turvaa myöskään yhteiskunnan tukijärjestelmät, vaikka laitos kuuluisikin kyseisten tukien piiriin. Olennaista investoinnin kannattavuuden kannalta on riittävän iso ja tasainen sähkön ja lämmön kulutus käyttökohteessa sekä polttoaineen ja energiahintojen tuleva kehitys. Kiinteitä biopolttoaineita kuten metsähaketta käyttävä pienen kokoluokan hajautettu CHP-teknologia on vielä kehittymässä, ja mennee vielä muutama vuosi ennen kuin kaupalliset ratkaisut yleistyvät merkittävästi. Yhteiskunnan tukimuodot kuten esimerkiksi syöttötariffijärjestelmä eivät niin ikään parhaalla mahdollisella tavalla tue kaikkein pienimmän kokoluokan CHP-investointeja. Pien-CHP ratkaisujen kaupallistumisen myötä Kaakkois-Suomella on yhtäläiset mahdollisuudet yhdessä muun Suomen kanssa kehittyä hajautetun bioenergian entistä kokonaisvaltaisemmaksi hyödyntäjäksi Avainsanat: sähkön ja lämmön yhteistuotanto, combined heat and power (CHP), mikroturbiini, stirling, syöttötariffi, biopolttoaine, metsähake, lämpöyrittäjä, lämpölaitosvalmistaja, maatila

Sähkön ja lämmön yhteistuotannon mahdollisuudet vaneritehtaan yhteydessä

Tämän diplomityön tarkoituksena oli tehdä sähkön ja lämmöntuotannon kannattavuustarkastelu erään esimerkkitehtaan näkökulmasta. Tarkoitus oli selvittää onko vaneritehtaalla edellytyksiä investoida sähköä ja lämpöä tuottavaan yhteistuotantolaitokseen, vai onko edullisempaa tuottaa itse ainoastaan valmistusprosessin kannalta välttämätön lämpöenergia ja ostaa tarvittava sähköenergia ulkoiselta toimijalta. Johdantona on tarkasteltu ensin vanerin valmistusprosessia ja prosessissa syntyviä sivutuotteita. Toisena osiona on pyritty hahmottamaan vanerinvalmistuksessa syntyvien sivutuotteiden määriä ja ominaisuuksia niiden polttoainekäyttöä silmällä pitäen. Lopuksi johdannossa on perehdytty mahdollisiin tekniikoihin, joilla sähkön ja lämmön yhteistuotanto vaneritehtaan yhteydessä olisi mahdollista. Johdannossa käsiteltävät asiat perustuvat teorialähteisiin. Aineisto ja menetelmät osiossa on tarkasteltu esimerkkitehdasta voimalaitoksen sijoituskohteena. Osiossa on perehdytty prosessin sivutuotteiden määrään ja energian kulutukseen. Näiden seikkojen perusteella on tehtaan yhteyteen mitoitettu sähköä ja lämpöä tuottavia yhteistuotantolaitosesimerkkejä. Lopuksi tuloksissa on tarkasteltu yhteistuotantolaitoksien kannattavuutta vaneritehtaan yhteydessä ja tutkittu kannattavuuteen vaikuttavia tekijöitä.

Sähkön ja lämmön yhteistuotannon optimointi

Työn tavoitteena oli suunnitella ja toteuttaa sähkön ja lämmön yhteistuotantolaitoksen tuotannon optimointi. Optimoinnin kriteerinä on tuotannon kannattavuus. Pyrittiin luomaan optimointimalli, joka ottaa optimoinnissa huomioon erityisesti kaukolämmön kulutusennusteen muutokset sekä sähkön pörssihinnan vaihtelut. Tuotannon kannalta olennaisin kriteeri on kaukolämmön kulutusennusteen pohjalta arvioidun kaukolämpökuorman tyydyttäminen mahdollisimman tehokkaasti ja taloudellisesti. Sähkön tuotannon merkittävimmiksi kriteereiksi muodostuivat sähkön tuotannon ennustettavuus ja tuotannon maksimointi sähkön pörssihinnan asettamissa puitteissa. Optimointiohjelmaa ei ole tarkoitus kytkeä suoraan voimalaitoksen ajojärjestelmään, vaan siitä on tarkoitus tulla erillinen ajosuunnittelijan työkalu. Itse ajosuunnitteluun vaikuttaa usein monipuolisemmat suunnittelukriteerit kuin pelkästään tuotannon tuottavuus. Näiden eri kriteerien painotuksia ei ohjelmassa huomioida, vaan ne päättää ajosuunnittelija. Tuloksena saatiin aikaan optimointiohjelma, joka laskee valittujen tuotantovaihtoehtojen kokonaistuotot eri kaukolämmön kulutusennusteiden ja sähkön pörssihintaennusteiden pohjalta.

Biokaasu pienen kokoluokan sähkön ja lämmön yhteistuotannossa

Tässä työssä tarkastellaan mädättämällä saadun biokaasun käyttöä pienen kokoluokan alle 100 kWe sähkön ja lämmön yhteistuotannossa. Työssä esitellään biokaasun tuotanto biokaasureaktorissa anaerobisella käsittelyllä eli mädättämällä sekä nykypäivänä käytössä olevat biokaasua käyttävät pienen kokoluokan energiantuotantotekniikat alle 100 kWe kokoluokassa. Lisäksi tutkitaan maatilakokoluokan biokaasulaitoksen kannattavuutta, sekä esitellään eri toimittajia biokaasulaitokseen liittyen. Työn loppuosassa käsitellään myös tulevaisuudennäkymiä biokaasusektorilla. Hajautettu energiantuotanto on nouseva teknologia-alue ja monet toimenpiteet Euroopan unionin alueella kannustavat hajautettuun sekä kestävään energiantuotantoon. Suomen uusiutuvan energian velvoitepaketissa on tavoitteena lisätä biokaasulla tuotetun kokonaisenergian määrä vuodessa 1 TWh:iin vuoteen 2020 mennessä, kun se vuonna 2009 oli 0,44 TWh. Kiinnostus biokaasuteknologiaa ja biokaasua käyttävien pienen kokoluokan sähkön ja lämmön yhteistuotantoratkaisuja kohtaan onkin lisääntynyt viime vuosien aikana.

Sähköä ja lämpöä tuottavien maakaasukäyttöisten pienvoimalaitosten kannattavuus Turengissa

Diplomityössä tutkitaan sähkön ja lämmön yhteistuotannon kannattavuutta Turengin nykyisen lämmöntuotannon yhteydessä. Tavoitteena on löytää taloudellisesti kilpailukykyiset tuotantovaihtoehdot Turengin energiahuollon kehittämisessä. Ensimmäisenä tarkasteltarkastellaan voimalaitoksen nykyiseen tuotantolaitteistoon kuuluvan vastapainehöyryturbiinin käyttöönoton mahdollisuuksia. Tämän jälkeen suoritetaan kannattavuuslaskelmat neljälle vaihtoehtoiselle investointitapaukselle. Voimalaitosinvestoinnit kohdistuvat kaasumoottori- ja kaasuturbiinivoimalaitoksiin, joilla tuotetaan sähköä, kaukolämpöä ja eräissä tapauksissa myös prosessihöyryä. Voimalaitosten nettosähkötehot ovat neljästä yhdeksään megawattia. Voimalaitosyksiköiden energiantuotanto määritetään Turengin lämpökuormien perusteella. Tuotannon määrityksessä apuna käytetään WinTEHO –ohjelmistoa, johon luodaan tarvittavat energiatiedostot. Kannattavuuslaskelmat suoritetaan vertaamalla investointivaihtoehtojen aiheuttamia vuotuisia kassavirtoja nykyisen tuotannon mukaisiin kassavirtoihin. Kassavirtalaskelmasta saadaan kullekin vaihtoehdolle nettonykyarvo, sisäinen korko ja takaisinmaksuaika. Tarkastelun tuloksena saatiin, että voimalaitosvaihtoehdoista kannattavin on investointi yhteen kaasumoottoriin, jolla tuotetaan sähkön lisäksi vain kaukolämpöä. Alhaisilla sähkön hinnoilla kaasuturbiinivaihtoehdot ovat suunnilleen yhtä kannattavia. Investointien nykyarvo valitulla korkokannalla on positiivinen, kun sähkön markkinahinnan keskiarvo tuotantokaudella ylittää likimain tason 130 mk/MWh. Nykyisillä markkinahinnoilla investoinnit eivät ole kannattavia. Investoiminen uuteen kaasumoottoriin tai -turbiiniin osoittautui kannattavammaksi kuin sähkön tuotannon aloittaminen laitoksen nykyisellä höyryturbiinilla. Merkittävin syy tähän oli höyryturbiinituotannon korkeat henkilöstökustannukset. Tehty selvitys tukee vallitsevaa käsitystä, että nykytekniikalla sähkön ja lämmön yhteistuotanto on taloudellisesti kilpailukykyistä myös pienessä kokoluokassa.

Pienet alle 4MW yhdistetty sähkön- ja lämmöntuotanto mahdollisuudet

Tässä energiatekniikan kandidaatintyössä tarkastellaan pieniä yhdistetyn sähkön- ja lämmön tuotantotekniikoita ja niiden mahdollisuuksia nykypäivänä. Työssä selvitetään millaisia laitosratkaisuja eri valmistajilla on tällä hetkellä. Lisäksi työssä tarkastellaan voimalaitoksen rakennus- ja käyttökustannuksia, kannattavuutta, sekä verkkoon liitäntä mahdollisuuksia, kun polttoaineena käytetään biopolttoainetta.

Sähköä ja lämpöä tuottavien voimalaitosten kannattavuusanalyysin kehittäminen

Tutkimuksen tavoitteena oli laskea voimalaitoskannattavuudet vuosilta 2007–2009 kohdeyrityksen biovoimalaitokselle sekä kombivoimalaitokselle. Lisäksi laskettiin kohdeyrityksen uuden hyötyvoimalaitoksen käyttöönottovuoden 2009 kannattavuus sekä odotetun käyttöasteen kannattavuus. Tavoitteena oli muodostaa tuotantolaitoskohtaiset tuotekannattavuudet vuodelta 2009 Kotkan Energia Oy:ssä sekä muodostaa kirjatut jakoperusteet kannattavuuksien laskentaa varten ja analysoida saatuja kannattavuuksia. Tutkimusmetodologiana on käytetty soveltavaa tutkimusotetta. Kannattavuusanalyysin kehittäminen vaatii yrityksen kustannusten, tuottojen ja toiminnan sekä toimialan luonteen ymmärtämistä. Haasteena tutkimuksessa oli sähkön, lämmön ja höyryn valmistuksen periaatteiden omaksuminen, joka on kustannusten ja tuottojen oikean kohdistamisen perusta. Tutkimuksen tuloksena todettiin, että kombivoimalaitos on tuotantolaitoksista kannattamattomin. Kohdeyrityksen kannattavuutta voitaisiin parantaa investoimalla kombivoimalaitoksen tilalle halvempaa polttoainetta käyttävä tuotantolaitos. Tuotteista kannattavimmaksi todettiin kaukolämpö. Tutkimuksen tuloksina saatuja kannattavuuksia voidaan hyödyntää Kotkan Energian päätöksenteossa ja niitä hyödyntämällä pystytään kohdeyritykselle laskemaan nopeasti tarpeellisia tulevaisuudenskenaarioita. Kannattavuuslaskelmien tuloksien analyysin jatkoksi pohdittiin Kotkan Energialle jatkotutkimusehdotelmia.

Sellutehtaan sekundäärilämmön käytön tehostaminen

Energia on olennainen osa nykyaikaisen sellutehtaan prosesseja, joissa kuluu suuria määriä lämpöä ja sähköä. Pyrittäessä entistä kustannustehokkaampaan liiketoimintaan nousee energiatehokkuus usein mielenkiinnon kohteeksi. Pitkälle viety sähkön ja lämmön yhteistuotanto yhdistettynä korkeaan biopolttoaineiden osuuteen energian tuotannossa luovat pohjan tälle pyrkimykselle. Sekundäärilämpöä syntyy prosessien sivutuotteena ja sen mahdollisimman suuri hyödyntäminen on yksi keino päästä kohti parempaa energiatehokkuutta. Joissain tapauksissa sillä voidaan korvata jopa primäärienergian käyttöä ja mahdollisesti pienentää ostopolttoaineiden tarvetta. Diplomityössä tutkitaan sellutehtaan sekundäärilämpöjärjestelmän toimintaa, ohjausta ja energiankulutusta. Sekundäärilämpöjärjestelmästä muodostetaan taseet talvitilanteessa ja samalla etsitään mahdollisia uusia talteenotettavia sekundäärilämpövirtoja tai vastaavasti käyttökohteita. Lisäksi päivitetään sekundäärilämpöjärjestelmän raportoinnin ja ohjauksen työkaluja nykytilannetta vastaavaksi. Työn aikana kiinnitetään myös huomiota järjestelmän toimintaan muutostilanteissa, joissa kaikkia vesijakeita ei välttämättä ole saatavilla prosessin tarvitsemia määriä.

Kaukolämpöakun kannattavuus yhdistetyssä sähkön- ja lämmöntuotannossa

Diplomityön tavoitteena oli tutkia Etelä-Savon Energialle soveltuvan kaukolämpöakun käyttömahdollisuuksia, optimaalista kokoa, sopivinta prosessikytkentää ja investoinnin kannattavuutta. Teoriaosassa käsitellään kirjallisuuden perusteella lämmönvarastoinnin teoriaa sekä investoinninkannattavuuslaskentaa. Soveltavassa osassa määritetään testivuoden sekä lyhytaikaissimuloinnin avulla yritykselle parhaiten sopiva akun tilavuus, kytkentä sekä investoinnin kannattavuus. Teorian ja kannattavuuslaskennan perusteella parhaaksi vaihtoehdoksi valittiin paineistamaton kaukolämpöakku, jonka vesitilavuus on 7 000 m3 ja lataus- ja purkuteho 30 MW. Investoinnin sisäiseksi korkokannaksi saatiin 19,6 %. Investointilaskennan ja herkkyystarkastelun perusteella kaukolämpöakku on kannattava.

Jätteen rinnakkaispolton rooli ja rajaehdot Suomen jätestrategiassa

Suomen jätehuolto on kokemassa murrosta kuluvina aikoina. Pienimuotoinen jätteen rinnakkaispoltto, joka on ollut Suomen jätehuollolle ominaista, uhkaa koitua kannattamattomaksi ja loppua kokonaan. Tässä työssä pyritään selvittämään jätteen rinnakkaispolton rooli ja rajaehdot Suomen jätestrategiassa nytkun jätehuolto on muuttunut uusien direktiivien voimaan astumisen myötä. Työssäkäsitellään rinnakkaispolttoa koskevaa lainsäädäntöä ja sen vaikutusta polton tulevaisuuteen. Rajaehtoja on tarkasteltu savukaasupäästöjen, päästörajojen ja tuhkan ominaisuuksien muuttumisen avulla polttosuhteen muuttuessa. Lisäksi työssä on arvioitu jätteenpolttoasetuksen aiheuttamat lisäkustannukset jätettä polttaville voimalaitoksille ja pohdittu, miten kustannukset on kompensoitavissa. Työn perusteella vaikuttaa siltä, että jätteen rinnakkaispoltolla voi tulevaisuudessakin olla merkittävä rooli Suomen jätehuollossa. Jätteen energiahyödyntämistä joudutaan lisäämään tulevaisuudessa rutkasti, jotta saavutettaisiin vaadittu jätteen hyötykäyttötaso. Rinnakkaispolton alalta on Suomessa huippuosaamista ja laitospotentiaalia on valmiina, joten rinnakkaispoltto tarjoaa helpon mahdollisuuden jätteen hyödyntämisasteen parantamiseen. Kriittiseksi tekijäksimuodostuu se, voiko yhdyskuntajätteistä valmistettua polttoainetta polttaa sähkön ja lämmön yhteistuotantoon tarkoitetuilla laitoksilla. Mikäli se olisi mahdollista, voisi tämän työn perusteella rinnakkaispoltolla olla suuri rooli suomalaisessa jätehuollossa ja sen tulevaisuudessa.

Sähkön omatuotannon kannattavuustarkastelu

Tässä diplomityössä tutkitaan sähkön omatuotannon kannattavuutta M-realin Simpeleen tehtaiden voimalaitoksella. Erityisesti työssä arvioidaan lauhdesähköntuotannon kannattavuutta polttoaine- ja päästökustannuksista muodostuvien marginaalikustannusten osalta. Koska voimalaitoksen rakennusaste on varsin alhainen,sähköntuotannon kannattavuutta on tarkasteltu arvioimalla sähkön ja lämmön yhteistuotannon kustannuksia ja jakamalla syntyneet kustannukset suhdemenetelmän avulla eri tuotteille. Diplomityössä etsitään kustannustehokkain seospolttosuhde annettujen reunaehtojen puitteissa muodostamalla polttoaineista aiheutuvista kustannuksista laskentamalli, jota optimoidaan Microsoft Excelin Solver-toiminnolla. Lauhdesähköntuotannon marginaalikustannuksia verrataan Nord Poolin SPOT-tuntihintaan. Lauhdesähköntuotanto voimalaitoksella on kannattavaa, mikäli SPOT-tuntihinnan vuorokautinen keskiarvo ylittää lauhdesähköntuotannon marginaalikustannukset.

Hybridilämmityksen vaikutus sähkön- ja lämmöntuotantoon

Tämän tutkimuksen tarkoituksena on selvittää kaukolämmityksen rinnalla käytettävän toisen lämmitysmuodon, tässä tapauksessa sähkölämmityksen, vaikutusta sähkön- ja lämmöntuotantoon. Tämä tutkimus liittyy ¿Kehittyvä kaukolämpö -hankkeen pilottiosaan. Hankkeen pilottiosassa tutkitaan hybridilämmityksen kannattavuutta ja vaikutuksia sekä kuluttajan että yhdyskunnan kannalta. Tämätutkimus jatkaa jo aikaisemmin tehtyä tutkimusta 'Hybridilämmityksen kustannusvaikutukset', jossa tutkittiin kaukolämmityksen taloudellisuutta kuluttajan kannalta elinkaarianalyysin avulla. Tämän tutkimuksen tarkoituksena on määrittää hybridilämmityksen niin taloudelliset kuin ympäristölliset vaikutukset yhdyskunnan kannalta. Yhdyskunnan osalta vaikutuksia tarkasteltiin referenssikaupungin avulla. Referenssikaupungin alkuarvot perustuvat jo aiemmin tähän pilottiosaan tehtyyn tutkimukseen 'Hybridilämmityksen kustannusvaikutukset'. Näitä arvoja hyväksi käyttäen referenssikaupungille perustettiin kaksi energian tuotantorakennemallia ja molemmille malleille kaksi eri skenaariota hybridilämmityksen kasvamisesta. Skenaarioissa otettiin huomioon myös päästökaupan vaikutukset. Molemmat skenaariot osoittivat päästökaupan vaikutukset mukaan luettuna, ettei sähkölämmityksen käyttäminen kaukolämmityksen ohella tuo ainoastaan yhdyskunnalle lisää tuotantokustannuksia, vaan se lisää myös päästöjä. Tulevaisuuden epävarmuutta analysoitiin herkkyysanalyysin avulla. Tutkimusta varten laadittiin tuontienergian ja kotimaisten polttoaineiden hinnoille kaksi skenaariota, joilla laskettiin vuositason tuotantokustannukset. Jokainen skenaario toi huomattavan lisän niin tuotantokustannuksiin kuin päästöihin. Eri skenaarioilla oli vaikutus kaukolämmön pysyvyyskäyrän muotoon ja näin myös voimalaitoksien käyttötunteihin. Laitoksien huipun käyttötunnit pienenevät ja tuotantokustannukset tuotettua energiayksikköä kohden kasvavat. Tapauksessa, jossa on edullista käyttää peruskuormalaitoksia mahdollisimman paljonvuoden aikana, hybridilämmityksen käyttäminen siirsi tilannetta päinvastaiseen suuntaan. Tämä suunta tarkoittaa sitä, että halpaa peruskuormatuotantoapitää korvata kalliimmalla ja enemmän päästöjä aiheuttavalla erillistuotannolla. Tämän tutkimuksen tulokset osoittavat, että mikäli sähkölämmityksen yleistyminen kaukolämmityksen rinnalla lisääntyy, aiheuttaa se yhdyskunnalle huomattavia lisäkustannuksia ja päästöjä. Yksi sähkölämmityksen käyttöä lisäävä tekijä on kuluttajien mielikuva. Kuluttajien mielikuva sähkölämmityksestä on, että se on asennuskustannuksiltaan edullinen ja helppo asentaa. Todellisuudessa sähkölämmityksen käyttäminen tuo odottamattomia lisäkustannuksia kuluttajille energiantuotantolaitoksien omien lisääntyvien tuotantokustannusten kautta. Nämä kustannukset voivat realisoitua esimerkiksi kohonneiden sähkön ja kaukolämmön energiamaksujen tai sähkön siirtomaksujen muodossa. Ainoastaan kuluttajien mielikuvien muuttamisella voidaan päästä yhdyskunnan kannalta taloudellisempaan ja ympäristöystävällisempään energiantuotantomalliin.

Kaukolämmöntuotannon ja verkon käytön optimointi uudessa ajotilanteessa

Diplomityössä kehitetään Savonlinnan kaupungin kaukolämmöntuotantoa ja kaukolämpöverkon käyttöä muuttuneessa ajotilanteessa. Muuttunut tilanne syntyy, kun Savonlinnaan rakennetaan uusi lämmitysvoimalaitos. Kaukolämpöverkkoa yhdistetään samanaikaisesti viidestä erillisestä verkosta yhdeksi kokonaiseksi verkoksi. Kaukolämmöntuotannon ja verkon käytön optimointi suoritettiin Process Vision Oy: n kehittämällä kaukolämpöverkon laskentaohjelmalla. Optimoinnissa pyrittiin saamaan mahdollisimman aikaisin taloudellisin laitos eli uusi hakelaitos täyteen tehoon ja tarvittava lisäteho otettiin öljylämpökeskuksista. Hakelaitoksen käytettävyyttä lisättiin rakentamalla kaukolämpöverkkoon välipumppaamo ja kaukolämpöveden apujäähdytin. Hakelaitosta voidaan käyttää 0°C ulkolämpötilaan asti, mutta kun käytetään apuna välipumppausta voidaan pumppauksellisesti pelkästään hakelaitokselta syöttää tehoa aina 14 °C lämpötilaan asti. Välipumppauksen avulla vuosittain vähennetään öljyn ja lisätään hakkeen polttoa n. 10,4 GWh. Nykyisillä öljyn ja hakkeen hinnoilla säästö vuodessa on n. 887000 mk. Välipumppauksella vähennetään lisäksi kaukolämpöverkon pumppauskustannuksia.

Pienten biopolttoainevoimalaitosten markkinaselvitys

Tässä diplomityössä kartoitetaan pienten kiinteää biopolttoainetta käyttävien yhteistuotantolaitosten kilpailukykyä kuuden Euroopan maan osalta. Potentiaalisimmiksi arvioidut maat, Alankomaat, Iso-Britannia, Italia, Itävalta, Puola ja Tanska, valittiin aiemmin tehtyjen markkinaselvitysten perusteella. Työ sisältää kootut katsaukset näiden maiden energiamarkkinoihin, energiapolitiikan suuntaviivoihin sekä kussakin maassa käytössä oleviin bioenergian käytön edistämiseen tähtääviin tuki- ja ohjausmuotoihin. Työn yhtenä tavoitteena oli selvittää paljonko kiinteää biopolttoainetta käyttävä 3,5MWth/1MWe -kokoluokan sähkön ja lämmön yhteistuotantolaitos saa asiakkaalle maksaa, kun tarkasteltavan maan energiamarkkinoiden ja asiakkaan energiantarpeen asettamat reunaehdot huomioidaan. Investoinnin kannattavuusrajaa selvitettiin yksinkertaisen takaisinmaksuaikaan perustuvan vertailumallin avulla, jossa asiakkaan energianhankintavaihtoehtona voimalaitoshankinnan lisäksi oli hake- tai maakaasulämpölaitoksen hankinta ja ostosähkö. Selvityksen perusteella otollisimmat markkinat tarkastellulle voimalaitokselle näyttäisivät olevan Itävallassa, Italiassa ja Tanskassa. Pienen kiinteän biopolttoaineen yhteistuotantolaitoksen kannattava maksimi-investointikustannus oli näissä maissa mm. kalliista markkinasähköstä johtuen tasolla, johon jo nykyisillä voimalaitosten rakentamiskustannuksilla on mahdollista päästä. Lisäksi näissä maissa kannustettiin viranomaistoimenpitein kiinteän biopolttoaineen ja yhteistuotannon käyttöön ja energiapolitiikan tavoitteeksi oli asetettu tuotannon merkittävä lisääminen tulevaisuudessa.