BioHAT® pienvoimala
BioHAT on uusi pienen kokoluokan lämpövoimakone, joka käyttää kiinteää, nestemäistä tai kaasumaista biopolttoainetta. Polttoaine voi olla puuperäistä tai maatalouden sivutuotetta, esim. riisin olkea. Prosessi on suojattu Eurooppa patentilla EP 09852482.0/ Reijo Alander. Voimala on kehitetty ulkoisen polton kuumakaasuturbiinista, lyhenne HAT. Kuumakaasuturbiinin ongelma on alhainen turbiinin sisääntulolämpötila, mistä johtuen siitä saatavan sähkön osuus kokonaisenergiasta jää tasolle 5 - 15 %.
Jotta turbiiniin voitaisiin syöttää enemmän energiaa, olemme ratkaisseet ongelmaa siten että massavirtaa lisätään vesihöyryllä, jonka haihdutus tapahtuu patentoimassamme haihdutuslauhduttimessa kastepisteen alapuolella.
Energia saadaan poistoilman latentista energiasta kondensoimalla sitä. Prosessia voidaan kutsua sisäiseksi kaskadiksi. Se on tyypiltään kombivoimala, sillä erotuksella että siinä voidaan käyttää kiinteää polttoainetta ja sillä että molemmat väliaineet ajetaan saman turbiinin lävitse. Ainoastaan haihdutuslauhdutin on lisäkomponentti kuumakaasuturbiinin prosessiin.
Kuten tunnettua perinteisen kaasuturbiinin akselitehosta menee lähes puolet kompressorin pyörittämiseen. BioHAT:ssa puolet energiaa siirtävästä massavirrasta tuotetaan kompressorilla ja toinen puoli haihdutus- lauhduttimella. Koelaitoksemme ja sen laskenta on tehty 1960-luvun kaasuturbiinien painesuhteilla ja teorioilla. Ne sopivat myös tähän päivään ja niillä saavutetaan yli 30 % rakennusaste. Kun pääsemme modifioimaan kompressorin tuoton optimiin, tullee sähkön saannon osuus energiasta nousemaan runsaasti.
Komponentit
Voiman tuotanto
Voima tuotetaan fossiilisia polttoaineita käyttävistä kaasuturbiineista modifioiduilla kaasuturbiineilla. Kompressorin ja turbiinin välistä poistetaan polttokammio ja paineistettu ilma johdetaan haihdutuslauhduttimeen, jossa ilma ottaa mukaansa lisää haihtuvaa höyrystyvää vettä. Sen jälkeen kaasuseos johdetaan rekuperaattoriin (lämmönsiirtimeen), jossa turbiinin poistoilman energialla nostetaan sen lämpötilaa. Sieltä kiertokaasu johdetaan lämmönsiirtimeen (tulistimeen) jossa etupesän savukaasuilla lämmitetään kiertokaasu turbiinin työlämpötilaan.
Uuden kaasuturbiinin konstruktio tulee sarjojen suurentuessa ajankohtaiseksi. Niiden pohjana voidaan käyttää vaikkapa suurten dieselkoneiden turboahtimia. Onkin ilmeistä että sopivia yksikköjä on jo markkinoilla valmiina.
Tehoa säädetään tulipesän lämpötilalla sekä haihdutuslauhduttimen ruiskutusvesien määrää varioimalla. Säätö on melko nopeaa.
Prosessin lämmöntuotanto
Polttoaine poltetaan perinteisistä kattilalaitoksista tunnetuissa ”etupesissä”, joissa palaminen tapahtuu hallituissa olosuhteissa kaavalla:
kaasutus ensiöilmalla - poltto toisioilmalla - polton viimeistely kiertokaasulla.
Itämeren alueella on useita laitosvalmistajia joiden etupesät soveltuvat lähes sellaisenaan BioHAT-prosessiin. Etupesästä lähtevien savukaasujen lämpötila on tasoa alle 1000 C. Polttoaine voi olla mikä vain polttoon soveltuva kiinteä polttoaine tai esim. puhdistamaton biokaasu.
Kiertokaasun "tulistin"
Rekuperaattorilta tuleva kiertokaasuseos kuumennetaan savukaasuilla työlämpötilaan putkimallisella lämmönsiirtimellä. Siirrin on ”tulistin” jossa ”ideaalikaasun omaista” kaasuseosta lämmitetään. Tulistimen olosuhteet ja konstruktio ovat pääsääntöisesti yhteneviä höyrykattilan tulistimen kanssa, ja suunnittelussa ja olosuhteiden kartoituksessa olemme voineet hyödyntää alan tutkimusta ja toteutuksia.
Haihdutuslauhdutin
Haihdutuslauhdutin on patentin ja prosessin ”sydän” . Sillä saadaan lisättyä kiertokaasun määrää ilman erikseen tarvittavaa akselitehoa, vieläpä siinä määrin että näissä matalissa lämpötiloissa teho ja hyötysuhde reilusti kaksinkertaistuvat. Tästä meillä on sekä teoreettista että käytännön tutkimusta Airia Groupin Taipalsaaren koelaitokseltamme. Kastepisteen alapuolella tapahtuvaa haihdutusta on hyvin vähän hyödynnetty Euroopassa.
Idean prosessiin sain eräästä Yhdysvaltalaisesta prosessista, jossa oli valmis kaava tähän käyttöön, tosin täysin eri tekniikan alalta. Uudella mantereella on yritetty hyödyntää prosessia perinteisiin fossiilipolttoainetta käyttäviin kaasuturbiineihin. Siinä kokeilussa haihdutusvoima oli kuitenkin melko alhainen. Se ei ole saavuttanut tuotteena kaupallista tasoa. Tehon säädössä haihdutuslauhdutin on nopea. Ohjaamalla suihkutusvesien määrää saadaan tehoja sekä nostettua että laskettua lähes yhtä nopeasti kuin fossiilikäyttöisissä kaasuturbiineissa.
Savukaasujen lämmön talteenotto venturipuhdistimella
Venturissa iskeytyvät savukaasujen tuhkapartikkelit ja vesipisarat toisiinsa ja näin poistettavat hiukkaset siirtyvät kiertoveteen. Venturissa savukaasut jäähtyvät adiabaattisesti kastepisteeseen ja ne sieltä ne johdetaan vedenerottimen jälkeen savukaasujen lämmönsiirtimeen, jossa kondensoituva savukaasu luovuttaa latentin energian kaukolämpöveteen.
Kosteaa polttoainetta poltettaessa menee savukaasujen mukana lämpöä taivaalle lähes 50 % laskettuna kattilan tehosta. Riippuen kaukolämmön paluuveden lämpötilasta ja savukaasujen kosteudesta, on mahdollista saada lämpöä talteen jopa yli 30 % kattilan tehosta laskien. Pien CHP:ssä näin voidaan nostaa kaukolämpötehoa jopa 50 %.
Voidaan laskea myös että kun BioHAT:in sähkön tuotanto on yli 30 % kattilan tehosta laskettuna, ja jos investoinnissa samalla lisättävällä lämmön talteenotolla saadaan 30 % hukkalämpöä talteen, niin sähkön tuotannon aloittaminen ei juurikaan lisää lämpölaitoksen energian kulutusta. Meillä on myönnetty patentti FI 104314 Venturi-LTO pesurille. Olemme rakentaneet prosessiteollisuuteen tämän tyyppisiä lämmön talteenottolaitteita (LTO) 1970 luvulta lähtien.
Venturipuhdistin puhdistaa pienhiukkasia (mustaa hiiltä) erittäin tehokkaasti, tuhkan partikkelikoosta halkaisijaltaan 1 mikroni puhdistuu 99 %. Mikäli tarpeen, tätä pienempien partikkeleiden erotus voidaan toteuttaa kuitusuodattimella. Suodattimien takaisinmaksuaika saadaan jätelämmön hyödyntämisestä saaduilla tuloilla.
BioHAT-hybridi
Tavallinen lämpövoimalaitos on kehitetty tuottamaan perusvoimaa aikoina jolloin ei ole saatavissa muuta uusiutuvaa energiaa, kuten aurinkoa ja tuulta. Perusvoima tuotetaan edelleenkin vielä nykyisin pääsääntöisesti fossiilisilla polttoaineilla sekä vesi- ja ydinvoimalla. BioHAT antaa eri menetelmien, uusien ja vanhojen yhdistelyihin, hybrideihin suunnattomasti vaihtoehtoja ja asiaa onkin käsitelty tajunnanvirtana kohdassa "Energiateesit".
Voimala tuottaisi pääsääntöisesti energiaa huippukulutuksen aikana CHP-käytössä. Prosessia voidaan ohjata älyverkolla osakuormitusten aikana, optimoimalla sen ajojärjestys. Kohteissa joissa tuotetaan vain sähköä, on mahdollista tuottaa hukkalämmöllä adsorbtioprosessilla jäähdytysenergiaa.
Voimalaitoksen toteutus
Voimalat ovat monella polttoaineella toimivia pienen kokoluokan, 0,1 MW( e)-5 MW,(e) sähkön ja lämmön tuotantoyksiköitä. Kukin kokoluokka on yksi tyyppi ja niiden osakokonaisuudet, 7 kpl voidaan rakentaa standardisoidusti eri valmistavissa tehtaissa kuljetettavaksi erikseen asennuspaikalle. Pääsääntöisesti osakokonaisuus sijoitetaan merikonttiin. Merikontin hyödyntäminen voimalarakennuksena on kustannustehokas useasta eri syystä. Mikäli tarkoituksenmukaista, osakokonaisuudet voidaan asentaa myös paikalla rakennettuun rakennukseen.
Boreaalisella vyöhykkeellä on tarjolla metsäbiomassaa runsaasti. Peltobiomassaa ja muuta maatalouden sivutuotetta voidaan polttaa biokaasuna, pellettinä tai murskeena kattilassa. Biokaasu voidaan toteuttaa esim. kuivamädätyksellä aumoissa, tässä prosessissa sen puhdistuskaan ei ole tarpeen. On ilmeistä että kuivamädätys kehittyy ja sen tuotantokustannukset alenevat. Nykyisellä tekniikalla ja sähkön hintatasolla ei ehkä kuitenkaan kannata sillä tässä prosessissa tuottaa sähköä, sillä puhtaalle kaasulle on muita ympäristöystävällisiä käyttökohteita.
Prosessin monen eri polttoaineen käyttö mahdollistaa hajautetun energiantuotannon polttoaineen kasvupaikan läheisyydessä ja näin polttoaineen kuljetus ei vaadi välttämättä fossiilisia polttoaineita. Myös haketus ja murskaus voidaan tehdä voimalaitoksen omalla sähköllä.
1MW(e) kokoisella voimalalla voidaan tuottaa sähköä vuodessa 8400 MWh. Se voidaan tuottaa esim. 1000 ha:n riisipellon oljilla. Polttoaineen ajomatka on siten noin 1,5 -2 km ja se voidaan ajaa esim. sähkökäyttöisellä sarvitraktorilla.
Tämä laitos korvaa mm. kehitysmaissa dieselaggregaatteja, joilla tuotetun sähkön muuttuvista kustannuksista muodostaa polttoaine jo yli 250 € /MWh osuuden.
Tapauskohtaisesti, korvattaessa dieselkäyttöisiä aggregaatteja, BioHAT:illa saavutetaan 2 -3 v takaisinmaksuaika. Sen lisäksi säästetään valuuttamenoja, saadaan työtä paikalliselle väestölle ja vältetään fossiilisten polttoaineiden tuottama hiilidioksidipäästö. Sen lisäksi tuhka ja kuivamädättämön rejekti voidaan käyttää peltojen lannoitukseen.
Koevoimalaitos Taipalsaarella.
Konttivoimalaitos voidaan tehdä myös tavallisen rakennuksen näköiseksi.
