Puutähteistä ja oljista sähköenergiaa

Puuta ja siitä valmistettuja raaka-aineita käytetään Suomessa ja monissa muissakin maissa, erityisesti kehitysmaissa varsin suuressa määrin lämpöenergian lähteenä, huoneiden lämmitykseen ja ruuan keittämiseen. Puuta ja erilaisten ruokokasvien olkia voidaan kuitenkin käyttää tehokkaasti myös sähkön tuotantoon.

Teknisesti 'yksinkertainen', joskaan hyötysuhteeltaan ei välttämättä niin kovin hyvä keino sähköntuotantoon, on polttaa raaka-aineet, tehdä polttoprosessin lämmönmuodostuksen avulla vedestä höyryä ja käyttää höyryllä höyrykonetta, joka puolestaan pyörittää generaattoria, joka jauhaa sähköä.

Toinen, sähköntuotannossa hyötysuhteeltaan ehkä parempi tapa on kaasuttaa puu tai joku muu palava polttoaine palaviksi kaasuiksi ja laittaa kaasua polttava mäntämoottori tai turbiini pyörittämään sähköä tuottavaa generaattoria. Puusta ja muista puumaisista raaka-aineista voidaan myös valmistaa nestemäisiä tuotteita, ns. 'pyrolyysiöljyjä', jotka palavat suunnilleen samaan tapaan kuin öljyt, ja sopivat myös mäntämoottoreiden ja turbiinien polttoaineiksi.

Erityisesti toisen maailmansodan aikoihin öljypulan vallitessa monissa Euroopan maissa, Amerikassa sekä Australiassa kehitettiin ajoneuvoihin, pienvoimaloihin sekä pieniin polttomoottorivoimaloihin sopivia kaasutinlaitteita, jotka käyttivät kaasun raaka-aineina puuta tai puuhiiltä. Suomessa puuhiilestä tai pilkkeistä tehtyä kaasua nimitettiin käyttäjien keskuudessa 'häkäkaasuksi' tai 'puukaasuksi', insinöörien nimitys kaasulle on 'generaattorikaasu' tai 'imukaasu'. Tekniikkaa on kehitetty edelleen viime vuosikymmeninä. (Varsin kiintoisa tähän tekniikkaan pohjautuva mahdollisuus olisi valmistaa suuressa mittakaavassa mahdollisimman puhdasta puuhiiltä, josta siis olisi erotettu pois kaikki muut ainesosat kuin itse hiili. Puun muita ainesosia kuten tärpättiä ja öljyjä voitaisiin hyödyntää monin muinkin tavoin kuin pelkästään polttoaineina.)

'Puukaasun' eli generaattorikaasun avulla tuotetun energian tekniset perusteet

Generaattorikaasun muodostusprosessia on helpointa tarkastella ensin puhtaasta hiilestä muodostetun kaasun avulla. Kaasun kehitys voidaan kuvata seuraavasti:

a) C + O_{2} = CO_{2} + 97640 kcal (täydellinen palaminen)

b) 2C + O_{2} = 2CO + 58880 kcal (epätäydellinen palaminen)

c) CO_{2} + C = 2CO - 38760 kcal (pelkistysprosessi)

Teknisesti kaavojen 1) prosessi saadaan aikaan polttamalla hiiltä ja johtamalla palamistuote, hiilidioksidi hehkuvien hiilien läpi, jolloin se pelkistyy hiilimonoksidiksi (='häkä'). Hiilimonoksidi on palava kaasu, jota voidaan polttaa moottoreissa.

Polttoaineessa oleva ja ilman mukana johdettu vesi joutuu myös kosketuksiin hehkuvan hiilen kanssa, prosessi sitoo lämpöä ja prosessissa syntyy lisää hiilimonoksidia ja vetyä, jotka ovat molemmat palavia kaasuja:

d) H_{2}O + C = CO + H_{2} - 27920 kcal

Kaavojen a) ja b) prosessit ovat lämpöä luovuttavia, eksotermisiä c) ja d) ovat lämpöä sitovia, endotermisiä. Kun lasketaan yhteen b) ja 2 x d) saadaan:

e) 4C + O_{2} + 2H_{2}O = 4CO + 2H_{2} + 3040 kcal

Kaavoissa a) - e) kuvattu prosessi vastaa generaattorikaasun ihanneprosessia, jossa hyötysuhde olisi 100%. Käytännössä prosesseissa c) ja d) tarvitaan varsin korkeita lämpötiloja (> 1000 C), ja tällöin osa lämmöstä pääsee (polttokammion seinämien läpi) karkaamaan, eikä kaavassa e) näkyvä 3040 kcal lämpöenergia pysty yleensä pitämään prosessia yllä vaan osa polttoaineesta pitää polttaa kaavojen a) ja b) mukaisesti. Hyötysuhde kaasun muodostamiseen voidaan kuitenkin pitää varsin korkeana, 75% - 90%. (Tekniikan käsikirja 1946, s. 1270.)

Käytännössä generaattorikaasu sisältää jonkin verran hiilidioksidia,
koska prosessia ei saada täydelliseksi ja myös typpeä koska kaasuttamisprosessissa käytetään yleensä ilmaa. Kun kaasu usein tehdään puhtaan hiilen sijasta muista epäpuhtaammista raaka-aineista, on syntyvä kaasu usein aika monimutkainen seos. Kaasumuodostuksen ja siihen tarvittavan kaasugeneraattorilaitteen tekniikka aiheuttaa lisäksi rajoituksia. On hankala järjestää sopiva veden syöttö hehkuvien hiilien joukkoon mahdollisimman suuren vetymäärän muodostamiseksi. Toinen vaikeasti järjestettävä asia on puusta valmistetun kaasun puhdistus terva-aineista. (Martin 1984, p. 14; Grimwade 1991, p. 24; Pero 1955, s. 15-20, s. 95-97, Tekniikan käsikirja 1946, s. 1240- 1247, s. 1286-1287).

Suomalainen Tekniikan käsikirja vuodelta 1946 antaa seuraavat arvot
eri aineista generoiduille kaasuille:

+--------------------+-------+----+-------+-------+--------+--------+------------+--------------------+
| Kaasun raaka-aine | H_{2} | CO | N_{2} | O_{2} | CO_{2} | CH_{4} | C_{2}H_{4} | \frac{kcal}{m^{3}} |
+--------------------+-------+----+-------+-------+--------+--------+------------+--------------------+
| Antrasiitti | 24 | 17 | 46 | - | 11 | 2 | - | 1317 |
+--------------------+-------+----+-------+-------+--------+--------+------------+--------------------+
| Koksi | 17 | 28 | 58 | - | 5 | 2 | - | 1201 |
+--------------------+-------+----+-------+-------+--------+--------+------------+--------------------+
| Turve | 14 | 15 | 53 | 1 | 14 | 3 | - | 1080 |
+--------------------+-------+----+-------+-------+--------+--------+------------+--------------------+
| Puu | 17,5 | 14 | 55 | - | 10 | 3 | 0,5 | 1212 |
+--------------------+-------+----+-------+-------+--------+--------+------------+--------------------+
| Puuhiili | 6,5 | 26 | 62 | - | 4 | 1,5 | - | 1093 |
+--------------------+-------+----+-------+-------+--------+--------+------------+--------------------+

Taulukon viimeinen sarake kuvaa seoskaasun lämpöarvoa, joka luonnollisesti riippuu aika suuressa määrin siitä, miten paljon seoksessa on vetyä (H_{2}).

Hyvän generaattorikaasun valmistus on teknisesti haastavaa ja käytännön erot ideaalitapaukseen verrattuna ovat siksi joskus suuret. Sopivan vesimäärän annostelu vedyn kehittämiseksi on ehkä suurin tekninen haaste. Puusta tuotetun generaattorikaasun puhdistuskaan polttomoottorikäyttöön ei ole aivan helppoa erityisesti prosessissa syntyvän tervan vuoksi, mutta käyttämällä riittävän korkeita lämpötiloja (>1000^{o}C) tervanmuodostuksen vähentämiseksi ja erilaisia suodattimia sekä mekaanisia keskipakopuhdistimia kaasun puhdistukseen on havaittu generaattorikaasun sopivan olemassa olevaan ja erityisesti erilaisten kaasujen käyttöön kehitettyyn polttomoottoritekniikkaan varsin hyvin. Kaasun laatua ja kaasulla käyviä moottoreita on ehkä järkevää aluksi tarkastella suoraan aiemmasta käytännöstä saatujen kokemusten varassa (Martin s. 13; Tekniikan käsikirja 1946; s. 1286-1287; Bremer, 1974/5, s. 48; Pero 1955, s. 15-20, s. 95-97).

Generaattorikaasun tuotannosta ja sen käytöstä moottoreissa on olemassa kokemuksia polttomoottoreiden kehityksen alkuajoilta saakka ja erityisesti toisen maailmansodan öljypulan ajalta. Näiden kokemusten ja testien mukaan generaattorikaasulla käyvän bensiinimoottorin teho laskee vastaavan moottorin bensiinikäyttöön verrattuna noin 35% - 40%. Puusta valmistetulla generaattorikaasulla tehdyissä kokeissa on havaittu 1 kg:n kuivaa puuta vastaavan eri kaasugeneraattoreilla tehdyn kaasutuksen jälkeen 0,5 l - 0,75 l bensiiniä. Tulos on varsin hyvä, kun otetaan huomioon puun ja siitä saatavan generaattorikaasun huono lämpöarvo verrattuna bensiiniin (puu 3000 kcal/kg, generaattorikaasu 1200 kcal/m^{3}, bensiini 11000 kcal/kg). Testit osoittavat, että kaasun sisältämä lämpöenergia
voidaan tehokkaasti hyödyntää. Kaasulla käyvien moottoreiden hyötysuhdetta voidaan parantaa nostamalla moottoreiden puristussuhdetta bensiinikäyttöön verrattuna tai käyttämällä etupuristusta, erilaisia ahtimia. Nykyisin käytetään erityisiä kaasun käyttöön kehitettyjä korkeapuristeisia moottoreita. (LaFontaine, Zimmerman 1989; Martin 1984, s. 13; Tekniikan käsikirja 1946; s. 1240- 1247, s. 1286-1287; Bremer, 1974/5, s. 48; Pero 1955, s. 22; Nylund 2000)

Moottoritekniikka aiheuttaa kuitenkin sähköntuotannossa rajoituksia. Mikään moottori ei pysty muuttamaan kaikkea lämpöenergiaa mekaaniseksi työksi. Vaikka 1 kcal lämpöä vastaa 425 kpm mekaanista työtä, moottorissa siitä suuri osa menee akselitehon kannalta 'hukkaan' kitka- ja lämpöhäviöinä.

Ylipäätään aiemmalla konventionaalisella polttomoottoritekniikalla
ei päästy juuri 30%-40% korkeampaan hyötysuhteeseen, jolla lämpöenergia muuttuu mekaaniseksi energiaksi (ja siitä edelleen sähköenergiaksi); loppu energia poistuu pakoputkesta ja moottorin tarvitseman jäähdytyksen mukana lämpönä. Nyt uusimmat kaasumoottorit pääsevät ainakin maakaasulla käytettyinä jo 48,6% hyötysuhteeseen, jolloin sähköinen hyötysuhdekin on parhaimmillaan 47%. Voimalaitoskäytössä suuri lämmöksi jäävä energiaosuus ei kuitenkaan välttämättä ole ongelma, hyvän kokonaisenergiatalouden mahdollistaa se, että voimalaitos voi tuottaa myös kaukolämpöä tai lämpöä voidaan hyödyntää esim. paikallisissa kasvihuoneissa. Jos voimalaitoksessa on tarkoitus tuottaa mahdollisimman paljon sähköä suhteessa lämpöön, generaattorikaasukäyttöisten polttomoottoreiden jo alussa mainittu edullisuus sähköntuotannossa höyryvoimaan verrattuna näkyy jo siinäkin,
että mäntähöyrykone pystyy teoriassakaan, ilman mitään mekaanisia häviöitäkään muuttamaan lämpöenergiasta mekaaniseksi työksi vain 26,2%.

Nykyiset höyryturbiinit kykenevät 30% - 40% hyötysuhteeseen, mutta höyryturbiiniteknologia varsin kallista. Kaasuttamisen suurena etuna on, että polttoaineen kosteus pystytään tehokkaasti hyödyntämään vedyn muodostukseen sensijaan, että se heikentäisi palamisprosessia. (Nylund 2000; Pero 1955, s. 24; Tekniikan käsikirja 1946, s. 1320)

Tekniset edellytykset hyötysuhteeltaan hyvään sähköntuotantoon puupolttoaineista ovat olemassa. Puukaasuttimien tekniikka kehitettiin varsin hyväksi jo toisen maailmansodan aikoihin, ja nykyinen kaasumoottoritekniikka on nostanut kaasukäyttöisten polttomoottoreiden hyötysuhteen varsin korkeaksi.

Entimos voimalaitoksessa tehdään suomalaisella tekniikalla puutähteistä energiaa

Entimos voimalaitoksessa tuotetaan puuhakkeesta ja erilaisista muista puutähteistä ja lajitelluista yhdyskuntajätteistä generaattorikaasua. Osa kaasusta poltetaan kaasumoottorissa sähköntuotantoon, osa tuottaa lämpöä kaukolämpöverkon tai kasvihuoneiden tarpeisiin.

Suomalainen Entimos Oy on aloittanut 90-luvulla generaattorikaasun käyttöön perustuvan voimalaitoskonseptin kehittelyn. Entimos voimalaitosten monet tekniset ratkaisut perustuvat kehittäjien jo vuosikymmeniä kokeilemiin ideoihin, ja ensimmäinen pienimittakaavainen koelaitos rakennettiin 1980-luvulla. Entimos-voimalaitos on CHP-laitos (yhdistettyä lämmön ja sähkön tuotantoa), jolloin polttoprosessissa sähkön ohella syntyvää lämpöä käytetään hyväksi myös esim. kaukolämpöverkoissa taikasvihuoneissa. (Kaukonen 2001; http://www.entimos.fi)

Ensimmäinen täysikokoinen voimalaitos on koekäytössä vuodesta 2001 Tervolan kunnassa Lapin läänissä. Entimoksen tekniikka perustuu kehittäjiensä Kustaa Saareksen (k. 1999) ja Timo Saareksen vuosikymmenten ajan kokeilemiin ideoihin kaasun tuotannon optimoimiseksi. Uudentyyppisen kaasutuksen ja teknisesti edistyksellisen kaasumoottorin ansiosta Entimos voimala tuottaa suunnitelmien mukaan kokonaistehostaan jopa 30% - 40% sähkönä.

Kokonaisuudessaan Tervolan voimalan on tarkoitus tuottaa koeajojen jälkeen kaukolämpöä ja sähköä yhteensä noin 2 megawattia. Voimalaitos tuottaa noin 90% kunnan tarvitsemasta kaukolämmöstä ja noin 10% kunnan sähkönhankinnasta. Voimalaitoksen polttoaineena käytetään metsähaketta ja sahojen puutähteitä (kuorta, sahanpurua). (Kaukonen 2001; http://www.entimos.fi)

Entimos voimalaitos on suunniteltu modulaariseksi, jolloin laitoksia
voidaan rakentaa erikokoisiksi, optimikoko on 2Mw - 15Mw. Tällä tavalla laitos voidaan rakentaa sopivaksi raaka-aineen keräämiseksi pieneltä alalta, sekä sopivan kokoiseksi lämmön tarvettakin ajatellen. (Kaukonen 2001; http://www.entimos.fi).

Voimalaitosten kokonaistaloudellisuuden arvioiminen verrattuna muihin mahdollisiin ratkaisuihin on aina vaikeaa. Erilaisissa energiaratkaisuissa esimerkiksi energiantuotannon työllistävä vaikutus jakaantuu eri tavalla alueittain esimerkiksi sen mukaan, mistä energian raaka-aine saadaan.
Entimos voimalaitoksissa energian raaka-aineet voidaan saada voimalaitoksen lähialueilta. Voimalaitoksen perustekniikka kaasumoottoria lukuunottamatta voidaan rakentaa paikallista työvoimaa hyödyntäen, jolloin voimalaitoksilla on työllistävää vaikutusta myös tässä suhteessa.

Tervolan voimalaitoksen markkamääräiset kustannukset ovat seuraavat: Voimalaitoksen kokonaishinta on noin 7 miljoonaa mk, siitä rakennuksen osuus on noin 2 miljoonaa, sähköntuotannon laskennallinen osuus investoinnista on noin 40%. Valtion investointituki Tervolan kunnalle on noin 27 % (2 milj. mk) (Kaukonen 2001; http://www.entimos.fi).

Puun energiakäyttö yhdistettyyn lämmön ja sähkön tuotantoon on monessa suhteessa järkevää

Suomessa on suuret mahdollisuudet lisätä puun ja muun biomassan energiakäyttöä.

Myös Euroopan unioni on esittänyt strategian, jonka nojalla uusiutuvien energialähteiden käyttöä pyritään Euroopassa tuntuvasti lisäämään. Suurin osa suunnitellusta lisäyksestä on bioenergialla tapahtuvaa hajautettua sähkön ja lämmön yhteistuotantoa.

EU:ssa on käynnistetty laaja investointien vauhdittamiskampanja, jossa tavoitteena on mm. lisätä tuntuvasti bioenergiakapasiteettia yhdistetyssä sähkön ja lämmön tuotannossa. Vuonna 1998 julkaistussa Euroopan komission energiatehokkuutta koskevassa tiedonannossa arvioidaan taloudellisesti toteutettavaksi säästöpotentiaaliksi 18% vuoden 2010 energiankulutuksesta vuoteen 1995 verrattuna. Merkittävä osa säästöpotentiaalista on yhdistetyn sähkön ja lämmön (CHP) tuotannon lisäämistä, mikä taas on biopolttoaineiden järkevä käyttökohde. (Kaukonen 2001; http://www.entimos.fi)

Hajautettu energian tuotanto on olennaisimpia uusien energiastrategioiden tavoitteita. Energiastrategioissa biopolttoaineilla on merkittävä osuus. Uusiutuvat biopolttoaineet ovat hajallaan, eikä halpoja biopolttoaineita kannata kuljettaa pitkiä matkoja. Hajautettu energiantuotanto antaa myös muita merkittäviä etuja. Se lisää turvallisuutta, sen kriisinsietokyky ja huoltovarmuus on hyvä. Se on lähienergiaa, jolloin energiaan liittyvät talouspanokset jäävät lähialueelle. Polttoaineen suppeat ja alueen ominaisuuksien mukaan (esim. energiapuun määrä alueella, sahalaitokset alueella, halpojen vesi- ja rautatiekuljetusreittien olemasaolo) määriteltävissä olevat keräilyalueet ovat myös ekologisesti eivätkä ainoastaan ekonomisesti edullisia. (Kaukonen 2001; http://www.entimos.fi)

Suomessa on tuntuva potentiaali ja halukkuuskin lisätä puun ja muun biomassan käyttöä energiantuotannossa. Suuren osan tästä energiapuusta on tarkoitus olla metsähaketta.

Suomen kansallisen metsäohjelman mukaan energiapuun käyttöä tulee lisätä vuoteen 2010 mennessä viisi miljoonaa kuutiometriä. Teknologian kehittämiskeskuksen (Tekes) puuenergian teknologiaohjelman tavoitteena on viisinkertaistaa metsähakkeen energiakäyttö vuodesta 1998 vuoteen 2003 mennessä. Energiana kansallisen puunkäytön lisäämissuunnitelma on 10 terawattituntia tämän vuosikymmenen loppuun mennessä. (Holst, 2000 s . 26; Kaukonen 2001)

Kaukolämmön tuotannossa puun ja metsähakkeenkin käyttö on ollut jo pitkään edullista käytössä olleilla teknologioilla. Sähkön ja lämmön yhteistuotannon osuuskin on Suomessa jo korkea, vuonna 1999 noin 32% sähkön 77,9 Twh kokonaishankinnasta. Sähkön tuotanto metsähakkeesta näillä teknologioilla ei kuitenkaan ole ollut esimerkiksi Biowatti Oy:n toimitusjohtajan mukaan kovin mielekästä sähkön tuotannon huonon hyötysuhteen vuoksi. Hakepuun sähköenergiakäyttö on nykyisin vähäistä,
suuren selluteollisuuden yhteydessä käytetyn puuaineksen lisäksi sähkön ja lämmön yhteistuotannossa käytetään nykyisin pääosin sahaustähteitä. (Holst 2000, s. 26, Ritonummi 2000, s. 27-29)

Suomessa syntyy suuria määriä puutähteitä metsäteollisuudessa ja sahateollisuudessa.

Sahaustähteitä voidaan tehokkaasti hyödyntää käytössä olevalla (höyryturbiini)teknologialla sähkön ja lämmön yhteistuotannossa. Metsähakettakin käytetään enenevässä määrin lämmitysenergiaksi. Suuresta osasta siitä voitaisiin voimalaitoskäytössä tehdä myös tehokkaasti sähköä. Pienien hajautetusti sijoitettujen generaattorikaasuun perustuvien voimalaitosten verkosto voisi hyödyntää tämän sähköenergiavaran varsin tehokkaasti.

Keskitetyn, (ydin)suurvoimaloihin perustuvan energiantuotannon korvaaminen suomalaiseen tekniikkaan perustuvulla hajautetulla vesi-, tuuli- ja biovoimalaverkostolla on täysin mahdollista ja järkevää. Hajautetun biopolttoaineiden kaasutukseen perustuvan energiantuotannon etuina ovat saatavan sähköenergian suuri osuus ja mahdollisuudet käyttää tehokkaasti kosteita raaka-aineita.

Hannu Virtanen

Lähteet

1) Painetut

Bremer, Kai L: Hyvästi bensa-asema. Moottori 5/1974. Yhteiskirjapaino Oy. Helsinki 1974.

Bremer, Kai L: Rakennamme puukaasuauton. Moottori 2/1974. Yhteiskirjapaino Oy. Helsinki 1974.

Grimwade, Jerry: Gas Producers - can they make a comeback? Soft Technology. No 36, June 1991, p. 21 - 25. Melbourne 1991.

Holst, Rauni: Puuenergialla on kysyntää. Energia 4-5/2000. s. 26-27. ETY-Lehdet Oy. Helsinki 2000.

LaFontaine, H., Zimmerman, F.P.: Construction of a Simplified Wood Gas Generator for Fueling interna\'{l} Combustion Engines in a Petroleum Emergency. Second edition by BEF PRESS. 1989. For: Federal Emergengy Management Agency. Washington D.C. 20472.

Martin, Chas: Producer Gas Basics. Soft Technology. No 14 Nov/Jan 83-84. p. 13 - 16. Melbourne 1984.

Pero, Paavo: Maatalouspolttomoottorit ja traktorit, niiden käyttö ja hoito. Neljäs uusittu painos. Otavan kirjapaino. Keuruu 1955.

Ritonummi, Timo: Sähkön ja lämmön yhteistuotanto. Energia 4-5/2000.
s. 27-29. ETY-Lehdet Oy. Helsinki 2000.

Tekniikan käsikirja. Osat I ja II. Kuudes painos. Sulo Heino (toim.)
K.J. Gummerus osakeyhtiö. Jyväskylä 1946.

2) Painamattomat

Entimos Oy:n internet-sivut: http://www.entimos.fi

Kaukonen, Kalevi; Entimos Oy: BIOMASSASTA PISTORASIAAN. ENTIMOS KAASUTTAA SÄHKÖMARKKINOILLE. ESITELMÄ BIOENERGIAPÄIVILLÄ HELSINGIN MESSUKESKUKSESSA
14. 11. 2001.

Nylund, Ingemar; Wärtsilä NSD Technology: Dual fuel engine breaks efficiency
records. Power-Gen Europe 2000 Conference. Helsinki June 20-22.