4. Tulosten tarkastelu
4.3 Voimalaitosinvestointien herkkyystarkastelu
4.3.2 ORC –voimalaitosinvestoinnin herkkyysanalyysi
Vaikka kappaleessa 3.2.2 esitetyn takaisinmaksuajan perusteella ORC -voimalaitosinvestointi näyttää kannattamattomalta esitettyjen lähtötietojen perusteella, on hyödyllistä selvittää kannattamattomuuteen vaikuttavien tekijöiden vaikutusta investointiin. Kuten vastapainevoimalaitosinvestoinnissa, myös ORC -voimalaitosinvestoinnissa kannattavuuden kannalta herkät muuttujat ovat laitteiston investointikustannus ja tuotetun sähkön hinta. Kuvassa 39. on tarkasteltu investoinnin takaisinmaksuajan muutosta ORC -voimalaitoslaitteiston hinnan muutoksen funktiona.
Voimalaitoslaitteiston investointikustannusta on alennettu 6M€:sta kuvaajan osoittaman prosentin mukaisesti.
Kuva 39. Takaisinmaksuajan muutos investointikustannuksen muutoksen funktiona.
Jos muut investoinnin kannattavuuteen vaikuttavat tekijät pysyvät entisellään, niin investointikustannusten olisi pudottava reilusti, jotta sähkön tuotannosta tulisi houkutteleva investointi. Esimerkiksi, jos takaisinmaksuaika asetetaan 8 vuoteen, tulisi investoinnin pudota noin 35 %. Tällöin investointi olisi 4 M€:a, joka edelleen on noin kaksinkertainen investointi verrattuna vaihtoehtoiseen kuumavesikattilaan.
0
81
Toinen investoinnin kannalta erittäin merkittävä tekijä on tuotetun sähkön hinta, jota kannattavuuden arvioinnissa pidetään markkinoilta ostetun sähkön arvoisena. Koska sähkön markkinahinta vaihtelee suuresti eri puolilla maailmaa, on mielenkiintoista tarkastella sähkön hinnan vaikutusta investoinnin kannattavuuteen. Lisäksi useissa EU -maissa tuetaan uusiutuvalla energialla toteutettua sähköntuotantoa, mikä luonnollisesti vaikuttaa positiivisesti investoinnin kannattavuuteen. Kuvassa 40. on esitetty investoinnin takaisinmaksuajan muutos sähkön hinnan funktiona. Kuvan perusteella voidaan todeta, että alle 8 vuoden takaisinmaksuajan saavuttamiseksi tuotetun sähkön hinnan tulisi olla yli 110 €/MWh.
Kuva 40. Sähkön hinnan vaikutus ORC -voimalaitosinvestoinnin kannattavuuteen.
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18
70 80 100 120 140
82
5 Johtopäätökset
Vaneriteollisuudessa syntyvien sivutuotteiden määrä suhteessa tuotettuun vaneriin on todella suuri, joten tässä työssä käsitellyssä kokoluokassa sivutuotteet muodostavat merkittävän materiaalivirran. Vaikka tyypillisesti sivutuotteita hyödynnetään prosessia palvelevan lämpölaitoksen polttoaineena, on polttoaineen tarve vain noin 40 % syntyvästä sivutuotteesta. Tämän johdosta vaneritehtaalla on edellytyksiä kasvattaa voimalaitoskokoluokkaa yli prosessin lämmöntarpeen ja myydä energiaa ulkopuolisille, ollen yhä omavarainen voimalaitospolttoaineen suhteen. Tämän johdosta myös sähkön ja lämmön yhteistuotantoon soveltuva voimalaitos on vaneritehtaan yhteydessä mahdollinen.
Ratkaisuja, joilla sähkön ja lämmön yhteistuotantoa vaneritehtaan yhteydessä voidaan toteuttaa on useita, mutta toteutuskelpoisimmat menetelmät ovat teollisuuden vastapainevoimalaitos ja ORC –voimalaitos. Nämä tekniikat ovat tunnettuja ja kaupallistettuja, joten teknologioita voidaan luotettavasti käyttää vaneritehtaan yhteydessä. Lisäksi todella mielenkiintoinen puuperäisillä polttoaineilla toteutettu sähkön tuotantomenetelmä on kiinteän puun kaasutukseen perustuva moottorivoimalaitos. Teknologia on kuitenkin vasta demonstraatio asteella, joten esitetyssä kokoluokassa ei kiinteän puun kaasutukseen perustuvaa voimalaitosratkaisua ole kaupallistettu.
Sähkön ja lämmön yhteistuotanto vaneritehtaan yhteydessä on houkuttelevaa, sillä vanerin valmistuksen energian kulutus on hyvin lämpöintensiivistä. Näin ollen sähköä on mahdollista tuottaa lämmöntuotannon ohessa, ikään kuin sivutuotteena.
Yhdistelmätuotantoa vaneritehtaan yhteydessä kuitenkin varjostaa vanerinvalmistuksen lämmönkulutuksen karakteristiikka. Vanerin valmistusprosessissa suurin lämmön kuluttaja on viilun kuivaus, joka tyypillisesti kuluttaa yli 50 % prosessin lämpöenergiasta. Samanaikaisesti kuivauksessa käytetään korkeaa prosessilämpötilaa, joka on epäedullista sähkön tuotantoa ajatellen. Tämän johdosta sähkön ja kuivauksen tarvitseman lämmön samanaikainen tuottaminen on haastavaa, ja joillain tekniikoilla jopa mahdotonta.
83
Vastapainevoimalaitos on käsiteltävistä menetelmistä ainoa, jolla kyetään tuottamaan samanaikaisesti sähköä ja lämpöä koko vanerin valmistusprosessiin. Tämän mahdollistaa väliotolla varustettu turbiini, jossa lämmönkantoaineena käytettävää vesihöyryä kyetään ottamaan prosessiin eri lämpötiloissa. Näin ollen myös kuivaajan ja puristimien lämmittämiseen käytettävää höyryä kyetään käyttämään sähköntuotannossa.
Käsiteltävistä teknologioista vastapainevoimalaitosratkaisussa kyetään tuottamaan eniten sähköä, ja sillä katetaan jopa 75 % prosessin sähkönkulutuksesta.
Laitosratkaisussa saavutetaan noin 0,13 rakennussuhde, mikä on edelleen pieni verrattuna esimerkiksi kaukolämmön tuotantoon perustuviin vastapainevoimalaitoksiin kyseisessä voimalaitoskokoluokassa.
ORC –voimalaitosratkaisussa ei sähkön tuotannosta syntyvällä lauhdelämmöllä kyetä tuottamaan kuivauksen ja puristuksen vaatimia prosessilämpötiloja, joten prosessin lämmöntuotanto tapahtuu kahdessa erillisessä laitoksessa. Sähköä kyetään tuottamaan ainoastaan vaneritehtaan haudontaa ja tehdasrakennusten lämmitystä palvelevassa ORC –voimalaitoksessa. Sähköntuotannon lauhdelämmöllä kyetään lämmittämään nämä osaprosessit, ja sähköntuotannon laskennallinen rakennussuhde on voimalaitoksessa noin 0,18. Vaikka rakennussuhde on hieman vastapainevoimalaitosta parempi, kyetään ORC -sovelluksella tuottamaan huomattavasti vähemmän sähköä laitoksen pienen kokonsa johdosta. Lisäksi voimalaitosta ajetaan vaihtelevan lauhdelämpökuorman mukaisesti ja näin ollen vain alle 25 % kulutetusta sähköenergiasta tuotetaan itse.
Sähkön tuotannon kannattavuus tämän tutkimuksen voimalaitosehdotuksilla on esimerkkitehtaan lähtötietojen perusteella kaksijakoinen. Molemmissa yhteistuotantolaitosvaihtoehdossa saavutetaan vuotuisia säästöjä verrattuna vaihtoehtoiseen lämmön erillistuotantoon, mutta yhteistuotantolaitoksesta aiheutuva investointikustannus on kuitenkin niin merkittävä, että takaisinmaksuaika investoinnille on pitkä. Kun investoinnille asetetaan tämän tutkimuksen mukainen 5 %:n laskentakorko, ei ORC- voimalaitokselle saada takaisinmaksuaikaa suunnitellun käyttöiän aikana, joten investointi on tämän tutkimuksen lähtötietojen valossa kannattamaton. Tilanne on kuitenkin parempi vastapainevoimalaitoksen näkökulmasta.
Vaihtoehdossa sähkön tuotannosta aiheutuvilla säästöillä kyetään kattamaan lisäinvestointi huomattavasti nopeammin. Laitoksen takaisinmaksuajaksi laskentakorko
84
huomioiden saadaan 10,5 vuotta, joka on hieman suurempi, kuin tyypillinen voimalaitosinvestoinnille asetettu takaisinmaksuaika.
Kuten edellä todettiin, vaikuttaa yhteistuotantolaitoksen suurempi investointikustannus merkittävästi sähkön ja lämmön yhteistuotannon kannattavuuteen. ORC –ratkaisussa laitteiston investointi on tässä tutkimuksessa kolme kertaa suurempi, kuin vaihtoehtoisen kuumavesikattilan investointikustannus. Myös vastapainevoimalaitoksessa investointikustannus on kaksinkertainen verrattuna vaihtoehtoiseen lämpölaitokseen. Tämän johdosta sähkön tuotannosta aiheutuvilla säästöillä on investoinnin takaisinmaksuaika pitkä tutkimuksessa käytetyllä sähkön markkinahinnalla. Tutkimuksessa ei ole otettu huomioon investointitukia, joita saatetaan aluekohtaisesti myöntää uusiutuvalla energialla toteutetulle sähkön ja lämmön yhteistuotantolaitoksille.
Toinen merkittävä tekijä sähkön ja lämmön yhteistuotannon kannattavuudelle tutkimuksen kohdeympäristössä on sähkön markkinahinta, joka tämän tutkimuksen lähtötiedoissa on 60 €/MWh. Koska sähkön hinta on erittäin herkkä muuttuja investoinnin kannattavuutta ajatellen, vaikuttaa pienikin sähkön hinnan nousu positiivisesti investoinnin kannattavuuteen. Lisäksi sähkön hinta on hyvin aluekohtaista, ja hintojen vaihtelu voi olla hyvin voimakasta. Esimerkiksi euroalueella vain harvassa maassa teollisuuden sähkönhinta on alle 80€/MWh. Mikä parantaa tutkielman tyyppisen investoinnin houkuttelevuutta huomattavasti. Lisäksi euroalueella on yleisesti käytössä syöttötariffijärjestelmä, jossa uusiutuvilla luonnonvaroilla tuotettua sähköenergiaa tuetaan.
Vaikka tämän tutkimuksen lähtötietojen perusteella ei yhteistuotantolaitos ole kovin houkutteleva investointi vaneritehtaan näkökulmasta, ei tuloksia tule tarkastella yleisellä tasolla, sillä aluekohtaiset erot muuttujissa saattavat olla todella merkittäviä.
Edellytyksenä investoinnin kannattavuuden parantumiselle on korkeampi sähkön hinta tai vaihtoehtoisesti yhteistuotantolaitoksen pienemmät investointikustannukset.
Tulevaisuutta ajatellen nämä seikat saattavat olla positiivisia investoinnin kannalta, sillä sähkön hinnan on yleisesti ennustettu nousevan. Lisäksi voimalaitoksien investointikustannuksia voi tulevaisuudessa pienentää teknologian yleistyminen ja siitä
85
johtuva kilpailun kiristyminen laitevalmistajien keskuudessa. Näiden seikkojen lisäksi sivutuotteen hinnan tulee pysyä kohtuullisella tasolla polttoainekäyttöä ajatellen, eli sivutuotteella ei saisi olla vaihtoehtoisia sijoituskohteita, jotka kykenisivät maksamaan sivutuotteesta paremman hinnan. Tällaisia sivutuotteen käyttökohteita voivat olla esimerkiksi sellu- tai levyteollisuus, jotka kykenevät käyttämän vanerin valmistuksen sivutuotetta raaka-aineenaan.
86
LÄHTEET
Alakangas, E. 2000. Suomessa käytettävien polttoaineiden ominaisuuksia. Otamedia Oy, Espoo 2000. VTT tiedotteita 2045. 172 s.
Alakangas, E. 2003. Puupolttoaineen keskimääräisiä ominaisuuksia. Lähteessä:
Knuutila, K. (toim.) et al. Puuenergia. Jyväskylän Teknologiakeskus Oy. Gummerus Kirjapaino Oy, Jyväskylä. 30-34 s.
Baldwin, R. 1995. Plywood and veneer based products. Miller Freeman Inc, San Francisco 1995. 388 s.
Domingo, N. & Ferraris, F. 2005. Renewable Resources in Southeast Asia. University of the Philippines solar laboratory 2005. 6 s.
Filén, H., Jantunen, M. & Salo K.. 1984. Kotimaisten polttoaineiden kaasutus. Osa 1.
Vastavirtakaasutus. Valtion teknillinen tutkimuskeskus. Tutkimuksia 250. Espoo1984.
58 s.
Gard, O. 2008. Biomass Based Small Scale Combined Heat and Power Technologies.
Master’s thesis. Luleå University of Tecnology. 2008. 68 s.
Hakkila, P. 2003. Puu polttoaineena. Lähteessä: Knuutila, K. (toim.). Puuenergia.
Jyväskylän Teknologiakeskus Oy. Gummerus Kirjapaino Oy, Jyväskylä. 24-30 s.
Hannula, I. 2006. Biomassan kaasutukseen perustuvan pienen kokoluokan sähkön ja lämmön kilpailukyky Suomessa. Diplomityö. Teknillinen korkeakoulu. 2006. 106 s.
Heinimö, J. & Malinen, H. 2002. Sähköntuotanto mekaanisessa metsäteollisuudessa.
FINBIO –Suomen Bioenergiayhdistys 2002. 78 s.
Heinimö, J. & Jäppinen, E. 2005. ORC -teknologia hajautetussa sähköntuotannossa.
Lappeenrannan teknillinen yliopisto, Energia- ja ympäristötekniikan osasto, Tutkimusraportti EN B -160. 84 s.
Helynen, S. et al. 1999. Energian käytön ja tuotannon teknologiset näkymät. Lähteessä:
Kara, M. (toim.). Energia Suomessa: tekniikka, talous ja ympäristövaikutukset. Oy Edita Ab, Helsinki. 189-235 s.
Huhtinen, M., Kettunen, A., Nurminen, P. & Pakkanen, H. 2000. Höyrykattilatekniikka.
Oy Edita Ab, Helsinki 2000. 379 s.
Huhtinen, M., Korhonen, R., Pimiä, T. & Urpalainen, S. 2008. Voimalaitostekniikka.
Otavan Kirjapaino Oy, Keuruu 2008. 336 s.
Jalovaara, J., Aho, J., Hietamäki E. & Hyytiä H. 2003. Paras käytettävissä oleva tekniikka (BAT) 5-50MW polttolaitoksissa Suomessa. Suomen ympäristökeskus.
Vammalan kirjapaino Oy, Vammala 2003. 53 s.
87
Juvonen, R. & Kariniemi J. 1984. Mekaaninen metsäteollisuus 1:Vaneriteollisuus.
Valtion painatuskeskus, Helsinki 1985. 289 s.
Kilpeläinen, S. 2003. Sähköntuotannon kannattavuus pienissä biopolttoainekattiloisa.
Diplomityö. Lappeenrannan teknillinen yliopisto. 68 s.
Koponen, H. 2002. Puutuoteteollisuus 4: Puulevytuotanto. Edita Oy, Helsinki 2002.
201 s.
Kurkela, E. 2008. Biomassan leijukerroskaasutukseen perustuvan synteesikaasutekniikan perusteet. BioRefine-ohjelman vuosiseminaari 23.9.2008. Lahti 2008. 19 s.
Lahtinen, O. 2009. Vaneritehtaan kustannustehokkuuden arvioimiseen käytettävän simulaatiojärjestelmän kehittäminen. Diplomityö. Lappeenrannan teknillinen yliopisto.
2009. 62 s.
Mujeebu, M., Jayaraj, S., Ashok, S., Abdullah, M. & Khalil, M. 2009. Feasibility study of cogeneration in a plywood industry with power export to grid. Applied Energy 86.
657-662 s.
Mattila, L. et al. 2003. Energy production technologies. Lähteessä: Kara, M. (toim.) Energy visions 2030 for Finland. Edita Prima Ltd., Helsinki. 67-124 s.
Niilola, A. 2007. Energiankäytön tehostamispotentiaalit UPM-Pelloksen vaneritehtailla.
Diplomityö. Lappeenrannan teknillinen yliopisto. 123 s.
Obernberger, I., Thonhofer, P. & Reisenhofer, E. 2002. Description and evaluation of the new 1000 kWel Orcanic Rangine Cycle process integrated in the biomass CHP plant in Lienz, Austria 2002. 17 s.
Raiko R., Saastamoinen J., Hupa M. & Kurki-Suonio I. 2002. Poltto ja palaminen. Jyväskylä: Gummerus Kirjapaino Oy. 750 s.
Sipilä, K., Pursiheimo, E., Savola, T., Fogelholm, C., Keppo, I. & Ahtila, P. 2005.
Small-Scale Biomass CHP Plant and District Heating. VTT tiedotteita – research notes 2301. 129 s.
SFS -Tiedotus. 2006. Standardisoimisliiton asiantuntijalehti 1/2006. Forssan Kirjapaino Oy. 2006. 39 s.
Siva Kumar, S., Pitshandi, K. & Natarajan, E. 2008. Modeling and Simulation of Down Draft Wood Gasifier. Journal of Applied Sciences 8. Asian Network for Scientific Information 2008. 271-279 s.
88
INTERNET LÄHTEET
Canadian Biomassmagazine. 2010. An update of available biomass combustion boilers.
[verkkodokumentti]. [Viitattu 5.11.2010]
Saatavissa: http://www.canadianbiomassmagazine.ca/
Gekgasifier. 2010. Gasification basics. verkkodokumentti]. [Viitattu 12.10.2010]
Saatavissa: http://www.gekgasifier.com/gasification-basics
Condens Oy - puhdasta energiaa. 2008. [verkkodokumentti]. [Viitattu 9.10.2010]
Saatavissa: http://www.condens.fi/fin/kaasutus.html
Highbio -Interreg pohjoinen 2008-2011. Korkeasti jalostettuja bioenergiatuotteita kaasutuksen kautta. [verkkodokumentti]. [Viitattu 1.10.2010] Saatavissa:
https://ciweb.chydenius.fi/project_files/.../INFO%20HighBio%20F39.pdf
Kohler Engines. 2010. Yrityksen kotisivut. [verkkodokumentti]. [Viitattu 27.10.2010]
Saatavissa: http://www.kohlerengines.com
Puuproffa. 2010. Puujalosteet: Vanerit. [verkkodokumentti]. [Viitattu 9.9.2010]
Saatavissa: http://www.puuproffa.fi/arkisto/vanerit.php
Raute Oyj. 2010. Yrityksen kotisivut. [verkkodokumentti]. [Viitattu 5.9.2010]
Saatavissa: http://www.raute.fi
Roberto, B., Di Prima, M. & Guercio, A. 2010. Organic rankine cycle (ORC) in biomass plants: An overview on different applications. 9 s. [verkkodokumentti].
[viitattu 12.10.2010]. Saatavissa:
http://www.turboden.eu/en/public/downloads/10A02943_paper_marco.pdf
Wärtsilä Biopower Oy. 2007. Biopower voimalaitokset. [verkkodokumentti]. [viitattu
8.10.2010]. Saatavissa:
http://www.wartsila.com/Wartsila/global/docs/en/power/media_publications/brochures/
Biopower/Biopower_2007_FI.pdf
HAASTATTELUT
Peltonen, Ilkka. 2010. Asiantuntijahaastattelu. Raute Oyj:n vanhempi konsultti ja energia-asiantuntija. 7.10.2010, Nastola.
Kylliäinen, Visa. 2010. Asiantuntijahaastattelu. Raute Oyj:n kuivausryhmän asiantuntija. 22.10.2010, Nastola.
89
Liite 1.
Vastapainevoimalaitoksen takaisinmaksuaika.90
Liite 2. ORC –voimalaitoksen takaisinmaksuaika.