bioenergian jalostus – hyödynnä paikalliset resurssit - ulf-peter granö 2013 fi

7/27/2019 Bioenergian jalostus hydynn paikalliset resurssit - Ulf-Peter Gran 2013 FI

1/22

1

Bioenergian jalostus hydynn

paikalliset resurssit

Ulf-Peter Gran

2013


2/22

2

Bioenergian jalostus - hydynn

paikalliset resurssit

Tulevaisuudessa on kaikki edellytykset olemassa, ett mys pienet paikalliset ja

hajautetut yksikt suorittavat alustavan jatkojalostuksen Bio-synteesikaasun

. (biomassan kaasutuksesta) tiivistetyksi polttoaine raaka-aineeksi.

Ulf-Peter Gran

Kokkola 2013


3/22


4/22

4

Sivu

Aurinkopaneeleja voidaan yhdist lmplaitokseen 17

Integrointi geoenergiaan 18

Monia mahdollisuuksia on avoinna 18

Biomassan kaasutus polttoaineeksi 19

Kaasumaisia tai nestemisi polttoaineita 19

Kaasumainen polttoaine 19

Nesteminen polttoaine 20

Eri katalyyttisi reittej 20

Erityisi polttoainetuotteita 20

Bio-synteesikaasun fermentointi biopolttoaineraaka-aineiksi 21

Paikallisia jalostajia 22

References 22


5/22

5

Bioenergian jalostus hydynn paikalliset resurssit

Alkusanat

Suuria mri hydyntmtnt biomassan raaka-ainetta lytyy metsist, jota voidaan

tehokkaasti hydynt hajautetulla energiaratkaisulla. Lhitulevaisuudessa on varmaa, ett

merkittv osa energiatuotannosta hoidetaan pienimuotoisilla ratkaisuilla. Korjuu, ksittely ja

jalostus hajautetusti, kytten paikallisia raaka-aineita jatkojalostuksessa. Tuottamalla lmp

ja shk paikallisille ja alueellisille kuluttajille tm on kestv kehityst.

Energiaraaka-aineiden jalostuksen kautta voidaan saada suuria mri erilaisia polttoaineraaka-

aineita. Mys pidemmlle jalostettuja raaka-aineita saadaan, niin kiinten tai nestemisen

polttoaineena sek shkn ja lmpn. Yhdistmll ksittely ja tuotanto energia-terminaalien

kautta, ja integroimalla tuotanto kyttmll paikallisia resursseja, saadaan synergiaetuja. Nin

Kuva 1. Biomassan luonnollinen kiertokulku ja energiantuotanto biomassasta kohti kestv kehityst.


6/22

6

voidaan pienent ymprist-kuormitusta vhentmll jtett sek ei hydynnettyj

sivutuotteitta.

Biomassasta saadulla kaasulla voidaan osittain korvata ja tydentfossiilisen kaasun tai jatkojalostaa sit nestemisiksi polttoaineiksi

Synteettist kaasua biomassasta (Bio-Synteesikaasu) tai oikeanlaisella anaerobisella

kymisprosessilla saatua biokaasua, voidaan oikean puhdistusprosessin avulla lhitulevai-

suudessa korvata ja tydent fossiilisia kaasuja kuten maakaasua (NG). Synteettinen kaasu

lyhennettyn SNG, saadaan oikean kemiallisen prosessin kautta, tai jos haluamme kutsua sit

Bio-SNG..

Puukaasu tai nk. tuotekaasu, saadaan biomassan kaasutuksella, jota puhdistetaan ja

jhdytetn sek suodatetaan. Tm Bio-Synteesikaasu on trke raaka-aine tulevaisuuden

biopolttoaineita varten.

Fossiilisen ja Biomassasta saadun kaasun ero

Kuva 2. Fossiilisten sek biomassasta saatujen kaasujen vertailu.


7/22

7

Yleiskatsaus erityyppisiin kaasuihin joita voidaan kytt polttoaineina tai jatkojalostuksen

raaka-aineina. Muutamien kaaviokuvien avulla osoitetaan erilaisten kaasujen vlisi eroja.

Fossiilinen kaasuMaakaasun lisksi synteettist maakaasua (SNG) valmistetaan kivihiilest sek ljyst.

Kivihiilen kaasutus tapahtuu valmistamalla murskatusta kivihiilest liete ja injektoimalla se ns.

Entrained flow kaasuttimeen.

Biomassasta saatava kaasu

Uusiutuvaksi energiaksi luetaan biomassasta valmistettu kaasu. Toisin kuin fossiilisen kaasun

tapauksessa voimme kytt nimityst Vihrekaasu. Yksinkertaisimmin biomassasta saatua

kaasua voidaan kytt polttoon. Kun kaasua kytetn polttoaineena CHP- laitoksen kaasu- tai

turbiinimoottorissa vaaditaan puhdistus. Erityisesti tervaa sisltv kaasu voi aiheuttaa suuria

ongelmia

Ero kaasutuksella ja anaerobisella kymisell

Biomassasta saatavan kaasun valmistus voi tapahtua kahdella periaatteella, kaasutuksella sek

anaerobisella kymisell.

Kuva 3. Kaksi preitti biomassasta saatavalle kaasulle, kaasutus sek anaerobinen kyminen.


8/22

8

Peukalosntn on ollut, ett puukuituun pohjautuvaa biomassaa kytetn etupss

kaasutukseen.

Kaasutus

Kaasutus on biomassan termokemiallista muuntamista kuumentamalla ja rajoitetussa happi-

pitoisuudessa lmptilaan jossa biomassa muuttuu kaasumaiseksi. Kaasutukseen liittyy matala-

sek korkeakaasutusprosessi, joiden vliss on keskikorkea lmptila-alue.

- Kaasutus alhaisessa lmptilassa, 800 - 1000 C

- Kaasutus keskikorkeassa lmptilassa, 1000 - 1200 C

- Kaasutus korkeassa lmptilassa, 1200 - 1400 C

Englanninkielisess kirjallisuudessa alle 1000 C kaasutuksella saatua kaasua tavataan usein

kutsua tuotekaasuksi. Puolestaan yli 1200 C lmptiloissa reaktoreista saatua kaasua kutsutaan

biosynteesikaasuksi. Niss lmptiloissa kaasu koostuu lhes pelkstn H2 (vedyst) ja CO

(hiilimonoksidista), mys CO2 (hiilidioksidista) ja H2O (vedest).

Anaerobinen kyminen

Bakteerien pilkkoessa biomassaa hapettomassa ympristss muodostuu biokaasua. Thn

kytetn erityyppisi bakteereja reaktorin lmptilatasosta riippuen. Bakteerit ovat herkki

lmptilanvaihteluille ja voivat toimia rajatulla lmptila-alueella. Reaktorin kytss tavataan

erotella normaali mesofiilinen ymprist sek korkeampi termofiilinen ymprist.Lmptila-alueet biokaasureaktorissa,

- Psykofiilinen, 15-30 C

- Mesofiilinen, 35-40 C

- Termofiilinen, 55-65 C

Biokaasutuotannon yhteydess kytetn hygienisointia (esim. 70 astetta tunnin ajan) raaka-

aineen steriloimiseksi sek tartuntojen levimisen estmiseksi.


9/22

9

Uusiutuva energia vihre energia

Kiintet ja kaasumaiset polttoaineet

Biomassan jalostuksen ensimmisess vaiheessa saatava biopolttoaine voidaan jakaa kolmeen

ryhmn,- Kiinte polttoaine

- Nesteminen polttoaine

- Kaasumainen polttoaine

Kiintet, nestemiset sek kaasumaiset polttoaineet

o Metsst saatavia kiinteit biopolttoaineita ovat halot, hake, puupelletit, hakkuujte sek

kannot.

o Kaasumaisia biopolttoaineita voidaan saada

- Kaasutuksella, kuumentamalla

- Anaerobisella bakteeriprosessilla

Kuva 4. Katsaus useimpiin reitteihin biomassasta saadun kaasun kyttmiseksi sek jalostamiseksi. Muuntaminen

lmmn vaikutuksesta - Kaasutus sek toisena vaihtoehtona biokemiallinen muuntaminen - Anaerobinen


10/22


11/22

11

o Nestemiset biopolttoaineet ovat monimutkaisia ja niit saadaan eri tavoin esim.

jatkojalostuksella;

- Puun kaasutuksen

- Alkoholikymisen

- Anaerobisen hajoamisen

- Nesteyttmisen (Pyrolyysiljy) jlkeen.

Biomassan jalostus kuumentamalla

Kuumennuksella tapahtuvan jalostuksen (pyrolyysin) pmrt ovat vaihdelleet vuosien

mittaan, ja usein sen kytt on kytkeytynyt fossiilisten polttoaineiden saatavuuteen. Kolme

pyrolyysireitti;

o Kaasutus (puukaasutus kehitettiin ensimmisen sodan aikana puukaasukyttn)

o Jalostus tuottaa pyrolyysiljy

o Pyrolyysihiiletys, kytetn puuhiilen tuotantoon

Kuva 7. Biomassan jalostus kuumentamalla, puukaasutus, nesteyttminen ja hiiletys.


12/22

12

Vihre kemia

Synteesikaasun tai tuotekaasun jalostuksen kautta voidaan tuoda esille monia erilaisia raaka-

aineita sek tuotteita. Suurimmat odotukset liittyvt liikennepolttoaineisiin fossiilisten

polttoaineiden korvaajina. Kun raaka-aineena on metsst saatava biomassa, ei se kilpaile

ravinnontuotantoon soveltuvan peltoviljan kanssa.

Vihren kemian kehittymisen kautta voidaan vhent riippuvuutta fossiilisista ljytuotteista,

paikallisia bioenergiaresursseja voidaan hydynt paremmin, mik voi list tyllisyytt sek

omavaraisuutta alueella.

BiojalostamoMielenkiinto uusiutuvien raaka-aineiden, kuten biomassan, jalostukseen on saanut osakseen

valtavaa mielenkiintoa fossiilisten polttoaineiden nopean hinnannousun jlkeen. Mutta puu-

kaasussa oleva terva on yksi suurimmista ongelmista ja useimmat yritykset kamppailevatkin

sen puhdistamiseksi kaasusta. Tuotekaasun puhdistaminen tervasta on ollut monimutkaista ja

vaikeaa. Tervattomia reaktoreita on kehitteill.

Kuva 8. Tulevaisuuden synteettisten polttoaineiden jalostuslaitoksissa voidaan kytt sek bio-

synteesikaasua ett biokaasua.


13/22

13

Puukaasusta nestemiseksi polttoaineeksi

Puuraaka-aineista saatava tuotekaasu voidaan nykyisin muutamalla prosessilla saada raaka-

aineeksi nestemisen polttoaineen valmistukseen. Tunnetuin prosessi on FT eli Fischer-

Tropsch. FT kehitettiin jo sodan aikana Saksassa. Nykyisin tekniikka on jalostunut ja

puhutaankin toisen tai kolmannen sukupolven prosesseista.

Pienempi yksikit jalostukseen

Hyv vaihtoehto on se, ett kaasutus sek jalostus sijoitetaan CHP-laitoksen lheisyyteen,

tllin voidaan tehokkaasti hydynt kaasutusprosessista saatavaa lmp sek tuotekaasun

jakelua. Tten voidaan varmistaa, ett laitoksessa tuotettu heikkolaatuinen kaasu sek lmp

voidaan hydynt CHP-laitoksessa sek kaukolmpverkossa.

Pienemmt biomassaa kaasuttavat laitokset soveltuvat parhaiten shkntuotantoon paikallisiin

CHP-laitoksiin yhdistettyn. Erityisesti mikli saatavilla on tulevaisuuden kaasutusreaktoreja

joissa voidaan kytt kosteaa tai kuivaa biopolttoainetta ja samalla valmistaa puukaasua ilman

tervapartikkeleita. Biomassan kaasutukseen tarkoitettujen CHP- yksikiden, joissa vaaditaan

polttoaineen kuivaus sek joissa tulee olla tehokas puhdistus tervasta, tytyy olla riittvn

suuria laitoksia jotta kaasun tuotanto olisi taloudellisesti kannattavaa.

Lhilmp ja CHP

Pienen mittakaavan ratkaisut lhialueen biomassan jalostamiseksi lhiympristn kuluttajille ei ole

saanut toivottavia kehitysresursseja. Suomessa valitettavasti usein suuret toimijat ovat nkyvill, ja

tmn vuoksi usein mys kansallinen sek EU- tuki kohdistuu nille. Viranomaisilla sek pttjill

ei ole ollut kiinnostusta tai kapasiteettia nhd sit merkittv potentiaalia mik pienen

mittakaavan ratkaisuissa, esim. lmpvoimatuotannossa on, (CHP).

Lhilmp biomassasta

Ns. lhilmmll eli paikallislmmll tarkoitetaan useille kiinteistille, asunnoille tai

yrityksille tulevaa lmp joka jaetaan yhteisest lmpyksikst. Kunnassa tai taajamassa voi

mys olla suurempi kuluttaja kuten koulu, terveyskeskus, vanhainkoti, kirkko, joka toimii

lhilmpverkon loppukyttjn.

Suomessa on monia kunnallisia energiaosuuskuntia, jotka vastaavat lmmntuotannosta


14/22

14

putkiin kyseisess lhilmpverkossa.

.

Kuva 9. Paikalliset energiaurakoitsijat ja energiayrittjt, yhteistyss energiaosuuskuntien kanssa, kehittvt

mahdollisuuksia paikallisen bioenergian jalostamiseen sek lmmn tai lmpvoimaan tuotantoon.

Suomesta lytyy monia hyvi energiaosuuskuntia, energiayhtiit, urakoitsijoita ja pienyrittji, jotka

hoitavat korjuun ja jalostavat biomassaa.

Kuva 10. Kaasutuksen ja polton yhteensovittaminen tai integrointi lhilmplaitokseen voi vhent

hiukkaspstt lmpyksikst.


15/22

15

Alennetut hiukkaspstt

Monille nykyisille pienille lmplaitoksille tulevaisuuden tiukentuvat hiukkaspstt tulevat

merkitsemn suuria liskustannuksia savu-kaasujen puhdistuksessa. Tm tulee mys olemaan

ers syy miksi biomassan kaasutus tulee olemaan mielenkiintoinen vaihtoehto pieniss

paikallisissa CHP- yksikiss.

Pienemmt hiukkaspstt

Monilla pienill lmpyksikill ei ole ollut tarvetta tai resursseja savu-kaasujen tehokkaaseen

puhdistusjrjestelmn. Uusi vaihtoehto pienelle, polttoaineena puuhaketta kyttvlle lmp-

yksiklle voi olla ensin biomassan kaasutus ja sitten puukaasun poltto lmmitys-kattilassa.

Oikealla kaasutustekniikalla poistetaan puukaasun (tuotekaasun) hiukkaspstt primaarisenkaasunpuhdistuksen yhteydess.

CHP- yksikt (CHP=Combined Heat and Power)

Pienet lmpvoimayksikt, ns. CHP- yksikt, tuottavat lmmn lisksi mys shk.

Monia eri vaihtoehtoja ja periaatteita on olemassa miten pienimuotoinen shkntuotanto

Kuva 11. Puhdistuksella ja jhdytyksell voidaan tuotekaasu hydynt kaasu-polttoaineena CHP- yksikn

mnt- tai turbiinimoottorissa.


16/22

16

voidaan jrjest lhilmpyksikn yhteyteen. Kaksi tavallisinta pryhm voivat olla;

o muuntaminen lmpenergiasta shkksi ja lmmksi

o kaasutuksen kautta

Integroitu yksikk

Jotta puukaasua eli ns. tuotekaasua voitaisiin kytt moottorissa, tulee kaasusta poistaa

vhintnkin tervat sek tervapartikkelit. Pieniss kaasuttimissa voidaan lmptilaa ohjata

helpommin sek pit se stabiilina kaasutusprosessissa. Lmptilassa 1.000 C ja tmn

ylpuolella tapahtuu mys tervan pilkkoutumista. Raakakaasu, eli tuotekaasu, tulee puhdistaa

sek jhdytt. Puhdistus tapahtuu vesi- tai/ja ljypuhdistusyksikill, ns. kaasunpuhdis-

timilla. Puhdistettu kaasu on biosynteesikaasua, biomassasta saatua synteesikaasua.

Biokaasun sek puukaasun yhdistminen

Maaseudulla on suunnittelussa syyt ottaa huomioon mahdollisuus puunkaasutusyksikn

yhdistminen biokaasulaitoksen kanssa. Erityisesti mikli kaasuja aiotaan kytt shkn- ja

lmmntuotantoon sek kaukolmp-verkkoon liitettyn. Tulevaisuuden hajautetuissa CHP-

yksikiss tullaan jollakin alueella hydyntmn rinnakkaisia raaka-ainevarastoja biokaasulle

Kuva 12. Tulevaisuuden hajautetuissa CHP- yksikiss tullaan jollakin alueella hydyntmn rinnakkaisia

raaka-ainevarastoja biokaasulle (esim. lannasta) sek metsperiselle biomassalle kaasutettavaksi

puukaasuksi sek biosynteesikaasuksi.


17/22


18/22

18

aurinkopaneeleista saatavalla lmmll lmplaitosta tydent tehokkaasti.

Integrointi geoenergiaan

Kalliopern lmpenergia voi olla oivallinen tydennys joillekin paikallisille lmpyksikille.

Riippuen siit kuinka paljon lmp kallioperst halutaan saada, porataan kallioon tietty

laskettu mr reiki 100 - 200 metrin syvyyteen. Onnistuakseen suunnittelussa, tytyy

aikaisessa vaiheessa ottaa yhteytt niihin yrityksiin ja organisaatioihin, joilla on riittvsti

tietmyst asiasta. Geoenergialla tarkoitetaan kalliolmp, jrvilmp ja maalmp, joita

vaihtoehtoisesti voidaan mys kytt tai kombinoida jhdytykseen.

Monia mahdollisuuksia on avoinna

On olemassa mahdollisuuksia integroida monella eri tavalla. Nyt on yksittisten energia-

osuuskuntien tai urakoitsijoiden vuoro valita kiinnostavimmat osat terminaali- ja jalostus-

palettiinsa olemassa olevan paikallisen biomassan paikalliseen ksittelyyn.

Kuva 14. Tietyt synergiavaikutukset voidaan saavuttaa yhdistmll aurinkopaneeleja lhilmp-laitokseen.Erityisesti keskuukausina pienell lmmntarpeella voivat aurinkopaneelit usein vastata osana

lmmntuotannosta.


19/22


20/22

20

- tuotekaasun - Bio-synteesikaasun suoraan polttoon (lmp/lmp + shk)

- kaasumoottorin tai mikroturbiinin polttoaineeksi (CHP, lmp + shk)

- jalostaminen Bio-SNG:ksi (SNG=synteettinen maakaasu)

o Nesteminen polttoaine,

- jalostus FT-synteesin kautta bensiiniksi tai dieselraaka-aineiksi

- Metanolisynteesin kautta jalostus dieselraaka-aineiksi tai bensiinilisaineiksi

- Seosalkoholisynteesist Etanolia tai Butanolia

o Erityisi polttoainetuotteita,

- esim. vedyn (H) erottaminen Bio-synteesikaasusta (vetykaasuksi H2)

Eri katalyyttisi reittej

Katalyyttiset prosessit tavataan jakaa kolmeen vaihtoehtoiseen reittiin tai synteesityyppiin,o FT-synteesi (Fischer-Tropsch)

o Metanolisynteesi

Kuva 16. Yleissilmys kaasutusprosessista ja jatkojalostuksesta kohti polttoaineita.


21/22

21

o Seosalkoholisynteesi

Eri synteeseihin kytetyt katalyytit ovat avain siihen kuinka tehokkaasti Bio-synteesikaasun

muuntamisprosessi nestemisiksi polttoaineraaka-aineiksi muunnetaan.

Katalyytti voi koostua monista aktiivisista osista, jotka kiinnitetn kantajaan. Katalyytill voi

olla yksi tai useampi aktiivista osaa. Ne voivat olla esim. Fe (rauta), Co (koboltti), Ru (ruteeni),

Cu (kupari), mm.

Katalyytin toiminnan kannalta on trke miten katalyytti on valmistettu ja mit aktiivisia osia

siin on mukana. Nyrkkisntn on, ett tavoitellaan aktiivisiin osiin plle maksimaalinen

pinta-ala oikeassa suhteessa toisiinsa. Katalyytin aktiivinen muoto on ratkaiseva halutun

tuloksen suhteen. Lisksi vaaditaan, ett lmptilan ja paineen on pysyttv tiettyjen rajojen

sisll, jotta voidaan saada tietyn tyyppinen lopputuote.

.

Bio-synteesikaasun fermentointi biopolttoaineraaka-aineiksi

Yksi ihan uusi tapa, joka on kehitetty viime vuosien aikana on, ett tuotekaasu tai Bio-

synteesikaasu jalostetaan mikro-organismeilla fermentointi-prosessissa. Etanoli- tai butanoli-

Kuva 17. Yleissilmys yksinkertaistetusta kuvasta, jossa kolme katalyyttist reitti sek vaihtoehtona Bio-

synteesikaasun jalostus fermentoimalla biopolttoainetuotteiksi.


22/22

22

raaka-aineita voidaan saada riippuen siit minklaisia tai mink tyyppisi mikro-organismeja

prosessissa kytetn.

Bio-Synteesikaasun Fermentoinnissa tarvitaan sovellettuja ja tehokkaita mikro-organismeja

Paikallisia jalostajia

Tulevaisuudessa on kaikki edellytykset olemassa, ett mys pienet paikalliset ja hajautetut

yksikt suorittavat alustavan jatkojalostuksen Bio-synteesikaasun (biomassan kaasutuksesta)

tiivistetyksi polttoaine raaka-aineeksi.

Nestemisi raaka-aineita tai polttoaine-tiivisteit voidaan sitten kuljettaa absolutointilaitok-

selle ja jalostamolle, jossa raaka-aineet jatkojalostetaan ja lopullinen polttoaine tuotetaan.

References

Craig K., Mann M., Cost and Performance Analysis of Three Integrated Biomass Combined Cycle Power

Systems, National Renewable Energy Laboratory, Golden, CO, 2002.

Datar Rohit P., Shenkman Rustin M., Fermentation of Biomass-Generated Producer Gas to Ethanol,

Biotechnology and bioengineering 86, 587-594, 2004.

Evans R.J., Milne T.A., Chemistry of Tar Formation and Maturation in the Thermochemical Conversion of

Biomass. Developments in Thermochemical Biomass Conversion, Vol. 2, 1997.

Gran U-P., Hajautettu energiantuotanto, Biomassan kaasutus, Scribd.com 2010.

Gran U-P., CHP - Vihre Kemia, Scribd.com 2010

Gran U-P., Bioenergia metsst, Scribd.com 2008.

H.A.M. Knoef, Handbook on Biomass Gasification, BTG biomass technology group B.V. Enschede, The

Netherlands, 2005

Johansson T. B., Kelly H. , Reddy A. K. N., Williams R. H.. Renewable Energy, Sources for fuels and electricity.

ISBN 1-55963-139-2

Lampinen Ari, Uusiutuva liikenne-energian tiekartta, Pohjois-Karjalan ammattikorkeakoulun julkaisuja B:17,

Joensuu, Finland 2009, 439p

Uil H., Mozafarrian, M., et. al, New and Advanced Processes for Biomass Gasification. Netherlands Energy

Research Foundation (ECN), (2000)

USDOE, Fuel Cell Handbook, 5th edition, 2000.

bioenergian jalostus – hyödynnä paikalliset resurssit - ulf-peter granö 2013 fi

Documents