Teknologian tutkimuskeskus VTT:n johtamassa COMBO-CFB-projektissa kehitettiin uusi innovatiivinen konsepti lisätä aurinkoenergian tuotantoa energiajärjestelmässä.
Tutkimuksen mukaan parhaassa tapauksessa voidaan ilmastoa rasittavia päästöjä ja polttoaineen kulutusta vähentää jopa yli 33 %. Konsepti perustuu keskittävän aurinkovoimatekniikan (CSP) yhdistämiseen perinteiseen voimalaitosprosessiin hybridilaitokseksi, joka tuottaa sähköä kulutuksen mukaan.
Voimalaitoksen päästöt pienenevät, jos osa sen käyttämästä polttoaineesta korvataan aurinkoenergialla. Tätä päästövähennysstandardit jo edellyttävätkin. COMBO-CFB-projektissa − Combination of concentrated solar power (CSP) with circulating fluidized bed (CFB) power plants − tutkittiin, miten erilaisilla hybridilaitosratkaisuilla voidaan tuottaa sähköä joustavasti kysynnän mukaan ilman energiavarastoa. (CFB = kiertopetikattila.) Projektissa analysoitiin ja verrattiin erilaisia hybridilaitoskonsepteja.
Päästöt ja polttoaineen kulutus vähenivät parhaimmillaan yli 33 % tapauksessa, jossa aurinkokentällä tuotettua höyryä syötettiin suoraan voimalaitoksen korkeapaineturbiiniin. Hybridilaitoksen järkevällä mitoituksella ja prosessin optimoinnilla voidaan saavuttaa myös hyötysuhde-etuja tuotantomuotojen erilliseen käyttöön verrattuna. Edellä mainitussa tapauksessa laitoksen nettohyötysuhde parani 0,8 %. Ilmastovaikutusten lisäksi hyvällä hybridilaitoksen suunnittelulla voidaan saavuttaa myös taloudellisia etuja, kun osa voimalaitoskomponenteista jaetaan kahden tuotantomuodon kesken.
Projektissa hyödynnettiin suomalaisten toimijoiden korkeatasoista osaamista kattilatekniikassa. Hybridilaitoksessa sään mukaan vaihteleva aurinkoenergian tuotanto tasataan höyrykattilan avulla. Projektissa kehitetyt tuotantokonseptit laajentavat CSP-tekniikan hyödyntämismahdollisuuksia.
Hybridiprosessin dynaaminen luonne on haaste tuotantojärjestelmän suunnittelulle ja operoinnille erityisesti silloin, kun aurinkoenergian osuus tuotannossa on suuri. COMBO-CFB-projektissa haasteita tarkasteltiin sekä dynaamiseen mallinnukseen kehitetyllä Apros-ohjelmistolla että polttokokeissa VTT:n pilot-laitteistolla Jyväskylässä. Dynaaminen tarkastelu laitoksen suunnitteluvaiheessa osoittautui erittäin tärkeäksi, jotta esimerkiksi komponenttien käyttöikään vaikuttavat tekijät voidaan ottaa huomioon.
Konsepti, jossa syöttöveden esilämmitystä korvataan aurinkohöyryllä, on toteutettavissa nykyisissä laitoksissa, mutta hyödyt jäävät pienemmän aurinkoenergian osuuden takia huomattavasti vähäisemmiksi kuin edellä mainitussa korkeapaineturbiinikonseptissa. Yleisesti hybridiprosessin toimivuutta voidaan parantaa liittämällä järjestelmään kehittynyt ennustava säätömenetelmä sekä lyhyen aikavälin ennuste auringon säteilystä. Vaisala kehitti projektissa pilvikameran, joka tunnistaa pilvien liikkeet taivaalla ja tarkentaa alueen säteilyennustetta.
CSP-tekniikkaa on järkevää hyödyntää sähköntuotannossa alueilla, joissa on runsaasti auringonvaloa: Euroopassa esimerkiksi Välimeren maissa. Sitä voidaan kuitenkin hyödyntää myös vähäisemmän auringonvalon alueilla hybridilaitoksessa, jossa aurinkosähkön tuotantoa tuetaan toisella energiamuodolla. Suomi ei kuitenkaan kuulu vielä näihin alueisiin, mutta Tanskassa on jo esimerkki CSP-bio-hybridin hyödyntämisestä kaukolämmön tuotannossa.
Suomessa on kansainvälisesti kilpailukykyistä ja ainutlaatuista osaamista tarjottavaksi hybridilaitosten vientimarkkinoille. COMBO-CFB-projektissa syntynyttä toimijoiden verkostoa voidaan hyödyntää hybridilaitosten kaupallistamisessa. Suomalaista vahvaa osaamista ovat esimerkiksi kattila- ja säätötekniikka, prosessimallinnus sekä säämittaukset ja -ennusteet.
Tutkimuspartnerit
Teknologian tutkimuskeskus VTT, Oulun yliopisto, Amec Foster Wheeler, Vaisala, Telog, Pöyry, Energiateollisuus ry ja Teknologiateollisuus ry.
Keskittävä aurinkovoima -teknologia, CSP (Concentrated solar power)
Keskittävä aurinkovoima on uusiutuva energiateknologia, jolla voidaan tuottaa sekä sähköä että lämpöä. Lisäksi tekniikan sovelluskohteisiin kuuluu esimerkiksi puhteen veden valmistus. CSP-tekniikassa peilien avulla keskitetään aurinkosäteiden sisältämää energiaa ja muunnetaan se lämmöksi, jolla ajetaan turbiinia kuten perinteisissäkin voimalaitoksissa. Perinteisistä voimalaitoksista poiketen tuotanto kuitenkin vaihtelee säteilytason mukaan.
CSP-tekniikalla voidaan jo nyt tuottaa sähköä kulutuksen mukaan erottamalla aurinkolämmön keräys ja sähkön tuotanto lämpövarastolla. Varastointiratkaisut ovat kuitenkin edelleen kalliita, ja kaikille CSP-tekniikoille ei vielä ole teknisesti järkevää varastointiratkaisua. Tämän takia hybridit ovat tärkeä kehitysaskel kohti joustavasti säätyvää uusiutuvaa energian tuotantoa.
Loppuraportti: http://www.vtt.fi/inf/pdf/technology/2017/T296.pdf
Apros-simulointityökalu: http://www.apros.fi/en/
Jouko Lampila | Lähde: VTT | Otsikkokuva: Projektissa kartutettiin tietoa CSP-tekniikasta vierailemalla kansainvälisesti tunnetuilla kaupallisilla ja koelaitoksilla sekä esimerkiksi tutkijavaihtojaksolla Saksassa DLR:ssä (Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt). Kuva Puerto Errado -laitokselta Espanjan Calasparrassa.
