Kiinteää biopolttoainetta käyttävä mikro-CHP-laitos pientalon energiantuotannossa

Abstract

Kiinteistökohtaisella hajautetulla energiantuotannolla voidaan pyrkiä kohti energiaomavaraisuutta, vähentää energian siirrossa aiheutuvia häviöitä ja polttoaineen kuljetuksesta aiheutuvia kustannuksia. Ennusteiden mukaan sähkönhinta tulee nousemaan tulevaisuudessa, jolloin pientalokohtaiset energiantuotantoratkaisut voivat tulla kannattavammaksi.

Opinnäytetyön tilaaja oli Tulevaisuuden tuotantoteknologiat FMT -tutkimusryhmä, joka kuuluu Oulun yliopiston alaisuudessa toimivaan Kerttu Saalasti Instituuttiin. Työ on tehty osana H-CHP-projektia, jonka tarkoituksena on suunnitella ja rakentaa prototyyppi kiinteitä biopolttoaineita käyttävästä mikro-CHP-laitoksesta syrjäisillä seuduilla sijaitsevien kiinteistöjen energiantuotantoon. Opinnäytetyössä käytiin läpi lyhyesti erilaisia mikro-CHP-teknologioita ja perehdyttiin mäntähöyrykonetta käyttävän mikro-CHP-laitoksen komponenttien mitoitukseen ja valintaan. Tämän lisäksi työhön sisältyi laskennallinen osuus, jonka tavoitteena oli selvittää mikro-CHP-laitoksen polttoainekustannukset ja kuinka paljon niitä voidaan vähentää lisäämällä laitoksen rinnalle aurinkosähköjärjestelmä. Polttoainekustannuksia verrattiin myös ostosähkön kustannuksiin. Opinnäytetyö tehtiin laskennallista osuutta lukuun ottamatta kirjallisuusselvityksenä käyttäen ulkomaista ja kotimaista kirjallisuutta ja internet-lähteitä ja -artikkeleita.

Selvityksen perusteella tulitorvi-tuliputkikattila voi olla paras valinta mikro-CHP-laitoksen höyrykattilatyypiksi ja sen suunnittelu tulee pohjautua standardiin SFS-EN 12953. Tämän lisäksi Valtioneuvoston painelaiteasetus 1549/2016 asettaa ylärajan kattilan paineelle ja vesitilavuudelle mikäli kattila halutaan pitää vapaana painelaitteeksi rekisteröinnistä. Työssä selvisi, että vesijohtovettä ei nähtävästi voi käyttää suoraan järjestelmän kiertovetenä. Kirjallisuuden perusteella saatiin selvitettyä laitoksen muiden komponenttien mitoitukseen ja valintaan liittyviä asioita. Mäntähöyrykoneella varustetun mikro-CHP-laitoksen yksi haaste on matala sähköntuotannon hyötysuhde, jolloin varsinkin kesällä tulee ylimäärin lämpöä verrattuna sähköön. Työn laskennallisen osuuden tuloksena kuitenkin selvisi, että mikro-CHP-laitos voi olla noin 40–60 % halvempi suoraan sähkölämmitykseen verrattuna muina aikoina kuin kesällä. Kesällä suora sähkölämmitys tulee noin 30–45 % halvemmaksi. Laskennassa huomattiin myös, että aurinkosähköjärjestelmällä voidaan vuositasolla vähentää mikro-CHP-laitoksen käyttötunteja esimerkkitapauksessa yli 500:lla, mikä voi tarkoittaa 400 € säästöä. Diesel-generaattori voi kuitenkin olla parempi ratkaisu energiantuottamiseen lämpimään aikaan, koska se toimii samalla varavoimalana.

Higher energy self-sufficiency can be obtained by decentralized household-specific energy production, at the same time reducing energy losses in the energy network and costs caused by long distance transportation of fuels. Household-specific energy production may become more attractive in the future as the electricity price is predicted to raise.

The thesis has been made as a part of H-CHP-project in which the aim is to design and build a prototype of a micro-CHP-plant that produce about 20 kW heat and 3–6 kW electricity. The plant is designed to be used in sparsely populated areas where is not necessarily a power network nearby. The plant will be using renewable solid biofuels such as woodchips or pellets. The thesis was assigned by Future Manufacturing Technologies FMT research group that is a part of Kerttu Saalasti Institute in University of Oulu.

The aim of this thesis was to do research on the operating principle of a micro-CHP-plant with steam engine and to define the components it contains. Also things that effect the design of the components are accounted for. The thesis was done mostly as a literature research but also a computational part was included in which the fuel costs and operating time was estimated on yearly and weekly basis and compared to the costs of direct electrical heating. Also the effect of a photovoltaic system on the fuel costs was estimated when used as a hybrid system with the micro-CHP-plant.

It was found out that a firetube boiler could be the best steam boiler type to be used in a micro-CHP-plant to produce steam. The design of firetube boilers is based on the standard SFS-12953. Also the government regulation 1549/2016 set an upper limit for the pressure and water capacity in the boiler and if that is exceeded the boiler has to be registered which raise the costs. According to standards and regulations tap water can’t be used as circulation water in the plant without proper treatment. A challenge in micro-CHP-plant using steam engine is the low efficiency of electricity production which cause that the rate of production and use of energy does not match well. In the computational part it was found out that the fuel costs of micro-CHP-plant could be 40–60 % lower compared to direct electricity heating on winter, spring and autumn. In summer the direct electricity heating could have 30–45 % lower costs. It was also found out that by using a photovoltaic system the operating time of micro-CHP-plant could be decreased by over 500 hours on yearly basis which could mean 400 € decrease on fuel costs. However a diesel generator could be better option for electricity production during warm periods because it can be also used as a backup system.