Pienitehoiset sähkön ja lämmön yhteistuotantolaitokset

Abstract

Ilmastonmuutoksen kannalta on tärkeää löytää energiantuotantomuotoja, joissa pystytään minimoimaan hukkaenergian muodostuminen ja hyödyntämään uusiutuvaa energiaa. Mikroteholuokan lämmön ja sähkön yhteistuotannossa (mCHP) yhdistyvät yhteistuotannon ja hajautetun energiantuotannon hyödyt, mikä tekee siitä potentiaalisen ja ilmastoystävällisemmän energian-tuotantomuodon. Tässä työssä esitellään mCHP-laitosten etuja ja haittoja, käyttökohteita sekä uusiutuvien energianlähteiden tuotantoteknologioita ja soveltuvuutta mCHP-laitoksiin.

Sähkön ja lämmön yhteistuotantolaitoksissa hyötysuhde saadaan nostettua erillistuotantoon verrattuna korkealle, mikäli sekä lämmön- että sähköntuotannolle on tarvetta. Hajautettu tuotanto sen sijaan minimoi energiansiirrosta aiheutuvia häviöitä sekä lämmön- että sähkönsiirrossa. Mikro-CHP-laitoksissa saadaan siis polttoaineesta enemmän tehoa irti, eikä hukata energiaa siirrossa. Tämä säästää polttoainekustannuksia ja vähentää kasvihuonepäästöjä. Ongelmia mCHP-laitoksille tuottaa talvi- ja kesäkauden erilainen lämmön- ja sähköntarve. Tämä aiheuttaa haasteita laitoksen mitoittamiseen, ja laitos onkin mitoitettava kesäkauden tarpeiden mukaan. Tämä tarkoittaa sitä, että talvikaudella mCHP-laitos ei riitä tuottamaan riittävästi sähköä ja lämpöä, jolloin energiaa on lisäksi tuotettava muualla tai ostettava muualta, mikä heikentää mCHP-laitosten alkuperäistä ideaa omavaraisesta energiantuotannosta. Lisäksi mCHP-teknologiat ovat vielä kustannuksiltaan kalliita ja vain harvoissa olosuhteissa taloudellisesti kannattavia.

Mikro-CHP-laitokset soveltuvat hyvin käytettäväksi pienissä omakotitaloyhteisöissä tai pienissä kouluissa. Suomalaisiin omakotitaloihin mCHP-laitokset soveltuvat hyvin, sillä Suomen kylmät olosuhteet vaativat kotien lämmitystä ja pimeät olosuhteet lisäävät sähkön kulutusta. Lisäksi omakotitaloissa hyödynnetään lämmintä käyttövettä. Ilmastonmuutoksen kannalta tärkeää on hyödyntää uusiutuvia energianlähteitä. Mikro-CHP-laitoksiin parhaiten soveltuvat uusiutuvat energianlähteet ovat biomassa ja aurinkoenergia. Aurinkoenergia on haasteellinen Suomessa, sillä talvisin sitä on saatavilla hyvin vähän, eikä sitä näin ollen pysty käyttämään ainoana energianlähteenä. Siksi biomassa on Suomen olosuhteissa otollisin vaihtoehto. Se on myös ainoa uusiutuva energianlähde, jota on saatavilla silloin kun sitä tarvitaan. Biomassalle soveltuvia energiantuotantomuotoja ovat Stirling-moottori, orgaaninen Rankine -prosessi (ORC) ja höyry-prosessi.

Työn tulokseksi saatiin, että biomassaa polttoaineenaan käyttäville mCHP-laitoksille sopivimmat energiantuotantotekniikat ovat Stirling-mottori ja orgaaninen Rankine -prosessi (ORC). Näistä Stirling-moottorin tekniikka on kehittyneempi, mutta ORC edullisempi. Jotta mCHP-laitokset tulisivat vielä taloudellisesti kannattavaksi, vaatisi se lainsäädännön tukea. Tämä tarkoittaa sitä, että fossiilisten polttoaineiden hinnat nousevat ja biomassaa käyttävien mCHP-laitosten rakentamista tuetaan.