FI107183B - Optimitoiminen aluelämpövoiman tuotantomenetelmä yhdistettyä sähkön ja lämmön tuotantoa varten ja optimitoiminen aluelämpövoimalaitos - Google Patents

Description

107183

Optimitoiminen aluelämpövoiman tuotantomenetelmä yhdistettyä sähkön ja lämmön tuotantoa varten ja optimitoiminen aluelämpövoimalaitos - Optimalt verkande omradeskraft-verkmetoden för samproduktion av kraft och värme samt optimalt verkande omrädesvärme-kraftverk 5

Keksintö koskee optimitoimista aluelämpövoiman tuotantomenetelmää yhdistettyä sähkön ja lämmön tuotantoa varten kaukolämpötehon jakoon osa-alueisiin pohjautuvalla sähköntuotannon optimointiin tähtäävällä sovellutuksella sekä optimitoimista aluelämpövoi-malaa.

10 Tämän keksinnön tarkoituksena on saada aikaan eri menetelmin toiminnoiltaan te hostettu investoinneiltaan perinteistä kaukolämpövoimalaa halvempi, polttoainekulutukseltaan perinteistä kaukolämpövoimalaa pienempi ja säätötavoiltaan perinteistä kaukolämpö-voimalaa laaja-alaisempi, nopeampi sekä helppohoitoisempi, sähkön ja lämmön yhteistuo-tantoperiaatteella toimiva aluelämpövoimala, joka hyödyntää aluelämpövoimalan mukana 15 tulevaa poistohöyryn anergiaa oivallisena energialähteenä lämpöpumppuperiaatteella toimivalle aluelämpötoiminnalle korkealla lämpökertoimella. (Anergia on se osa energiasta joka muodostaa ympäristön kanssa tasapainon ja joka alhaisen lämpötilatasonsa takia ei ole suoraan hyödynnettävissä sähkönä tai lämpönä. Kts. tarkemmin s. 13.)

Optimitoiminen aluelämpövoimala poikkeaa perinteisestä kaukolämpövoimalasta höy-20 ryvoimalaosaltaan eniten siinä suhteessa, että sen kaukolämmitykseen hyödynnettävä mas-savirta paisutetaan pidemmälle kuin kaukolämpöturbiinissa, jolloin turbiini toimii lauhdu-tusturbiinin säätöominaisuuksilla antaen samalla käytettyä polttoaineyksikköä kohti enemmän sähköä, eli sitä tuotetta jota varten lämmitysinvestointeja noin 15 kertaa kalliimmat voimalainvestoinnit on perusteltava. Milloin höyryvoimalaosan jäähdytykselle taijoutuu 25 sijoituspaikkakohteen alueelta tarpeeksi runsaasti jäähdytysvettä, laitoksen jäähdytystä voidaan tässä suhteessa suunnitella perinteisillä sovellutuksilla, jolloin se voi uutena voimalai-tostyyppinä kilpailla hyvin aikaisempien voimalaratkaisujen kanssa. Se on silloin kuitenkin, kuten perinteiset lauhdevoimalat, riippuvainen jäähdytysvedestä, eikä näin ollen ole vapaasti sijoitettavissa mihin tahansa maaseudulle. Alueilla, joissa vedensaanti on turvattu, optimi-30 toiminen aluelämpövoimala tulee varmaan kilpailemaan tällaisenakin erikoisratkaisuna.

. · · Vapaasti mihin tahansa sijoitettavana ratkaisuna optimitoimista aluelämpövoimalaa tullaan suunnittelemaan patenttivaatimuksen 2 mukaisena, j ossa poistohöyryn j äähdytys tapahtuu kaasulla, joka ainakin alkuvaiheessa useimmiten on ulkoilma. Koska tämä sovellutus ori tässä kehitysvaiheessa ehdottomasti eniten lupaava, on seuraavassa esitetyt optimitoimiselle 35 aluelämpövoimalalle luetellut edut tarkasteltu juuri sen pohjalta. Mikäli ilmajäähdytyksen 2 107183 sijasta olisi käytetty vesij äähdytysratkaisua, paremmuus aikaisempiin ratkaisuihin nähden olisi säilynyt miltei samansuuruisena.

Paremmuus aikaisempiin sähkön ja lämmön yhteistuotantomenetelmiin nähden koostuu lähinnä seuraavista pääosatekijöistä: 5 1. Aluelämmitystarpeen tehon jaosta osa-alueisiin ( kuvio 1): - investointikustannuksiltaan kalliimpaan (n. 6500 mk/kW), jatkuvasti käyvään höyry-voimalaosaan perussähkön ja säätösähkön aikaansaamiseksi ja - investointikustannuksiltaan halvempaan (n. 1000 mk/kW), jaksottaisesti käyvääni tähän tarkoitukseen soveltuvaan latvavoimakoneistoon lähinnä talviaikaisen keskienergiain ja 10 latvaenergian aikaansaamiseksi.

2. Höyryvoimalaosan poistohöyryn lauhdutusjäähdytyksessä useimmiten käytetystä miltei massattomasta, avoimesta ulkoilmajäähdytysjäijestelmästä, joka tajjoaa mm. seuraavat edut: - Mahdollistaa pakkaskaudella suuremman sähkötehon tuottamisen massavirrasta jja polttoaineyksiköstä kuin vesijäähdytetyllä turbiinilla, koska käytetyn jäähdytysilman tuto- 15 lämpötila on alhaisempi kuin esimerkiksi meriveden.

- Mahdollistaa lauhduttimen lämpöpinnan muuttamisen perinteisestä vesijäähdytysjj är-jestelmästä siten, että jäähdyttävä aine (ulkoilma) on lämpöpinnan ulkopuolella ja jäähtyvä aine (lauhtuva poistohöyry), sen sisäpuolella, joka mahdollistaa kaasulämmönsiirrossa käytetyn tekniikan (ripalämpöpinnan) käytön ja ilmajäähdytyksen kannalta tärkeän ekvivalient- 20 tisen lämpöpinnan pysymisen kohtuullisena.

- Mahdollistaa lauhduttimen lämpöpinnan materiaalin valinnassa perinteisiä erikois-messinkejä huomattavasti halvemman materiaalin käytön, koska puhdas ilma ja voimalaitoksen vedenkäsittelyllä inhibitoidut höyryt ja lauhteet eivät ole syövyttäviä. Vesijäähdytys-jäijestelmien lietteen aiheuttamia pistesyöpymiäkään ei tarvitse pelätä.

25 - Vesij äähdytysjäijestelmissä välttämättömiä lauhdutintuubipuhdistuslaitteistoja ei tar vita.

- Vesij äähdytysjäijestelmille tyypillisiä puhdistustoimenpiteitä (iso työ) ei tarvita laitoksen seisokkien yhteydessä.

- Koska jäähdyttävä aine on lämpöpinnan ulkopuolella, se voidaan asentaa sellaiseen 30 asentoon, että se valuu tyhjäksi ja kuivuu itsestään kun laitos poistetaan käytöstä, jolloin ”· korroosioriski eliminoituu.

« - Ilmaj äähdytysj ärj estelmä mahdollistaa nopeita sähkötehon säätötoimenpiteitä, mikä ei perinteisessä kaukolämpövoimalassa ole mahdollista. Varsinkin toiminnan alkuvaihees$a, kaukolämmön liitäntätehon ollessa pieni, sähkötehon säätöalue on huomattavasti laajempi 35 kuin kaukolämpövoimalassa. Uuden voimalan säätökarakteristikat määräytyvät, kuten lauh- 3 107183 devoimalassakin, turbiinin termisestä kuormitettavuudesta, joten tehon muutosnopeudet ovat samat kuin lauhdevoimalan.

- Ilmaj äähdyty sj äq estelmä yhdessä lämpöpumpputoimisen aluelämpötuotannon kanssa mahdollistaa sähkön lisäsaannin polttoaineyksikköä kohti tarkasteltuna kuvion 2 esityksen 5 mukaisesti verrattuna perinteisen kaukolämpöturbiinin sähköntuotantoon. Nuoli 1 osoittaa sähkön lisäsaannin toiminnan loppuvaiheessa kun aluelämpöteho on kokonaisuudessaan toteutunut. Nuoli 2 saman asian toiminnan alkuvaiheessa, kun vain osa aluelämpötehosta on toteutunut ja nuoli 3 eron sähkönsaannissa pakkaskauden kylmimpänä aikana tilanteessa, jossa perinteisen kaukolämpöturbiinin menovesilämpötila on nostettu ääriarvoonsa.

10 3. Aluelämpölaitoksen investoinnit ajoitettavissa aluelämmitystarpeen kasvun mukaan: - Esitetyn uuden voimalan hyötysuhde siltä osin, kuin se tuottaa yhdistetysti sähköä ja lämpöä, on noin 90 % ja siltä osin, kuin se tuottaa pelkästään sähköä, noin 36 %. Lauhdu-tusturbiinilaitoksena toimivassa suurvoimalassa hyötysuhde on noin 42 %. Polttoaineen käytön hyvyydessä laitokset kilpailevat seuraavasti: 15 90·Χ + (100-Χ)·36 = 100-42 josta X saa arvon 11,1. Tämä tarkoittaa sitä, että esitetty uudentyyppinen voimala on suurvoimalaa polttoaineen käytön kannalta tarkasteltuna järkevämpi vaihtoehto kun sen sähköstä enemmän kuin 11,1 % tuotetaan sähkön ja lämmön yhteistuotannon periaattella. Voimalan toiminta voidaan aloittaa noin 11 % :11a lopullisesta aluelämpötehosta ja jättää siihen kasvu- 20 varaa lähes 90 %. Täten alkuvaiheen kustannusarviota rasittaa lämpöpuolen investoinneista vain noin 11 % ja loput toteutuvat myöhemmin. Tämä seikka nopeuttaa laitoksen kuolettamisen.

4. Lämpöpumppujen omakäyttötehon pienuus: - Koska aluelämpötoiminta aloitetaan vain noin 11 %:n osateholla ja koska talviaikai- . . 25 sen aluelämmön lisäteho tuotetaan tähän vuodenaikaan sähkökäyttöistä lämpöpumppua edullisemmalla dieselkäyttöisellä lämpöpumpulla, on lämpöpumppujen omakäyttösähkön tarve häviävän pieni, joten voimalan nettosähkön kehitys on verrattain suuri. Samansuuntaisesti vaikuttaa myöskin niiden harvinaisen korkea lämpökerroin energialähteen korkean lämpötilatason ansiosta.

30 5. Säätöominaisuudet: - ” - Koska höyryvoimalaosan sähkötehon säädettävyys on yhtä hyvä kuin lauhdevoimalan ja koska latvavoimakoneiston tehon nosto täyteen tehoon on mahdollista noin parissa minuutissa käynnistyshetkestä, on optimitoimisen aluelämpövoimalan kokonaissäädettävyys muihin lämpövoimalaratkaisuihin verrattuna erittäin hyvä.

35 4 107183 6. Kriisinaikainen käyttö: - Koska esitetty voimalaitos pystyy kehittämään koko paikkakunnan sähkön, se on suunniteltavissa siten, että se voi käydä itsenäisenä tuotantoyksikkönä ns. saarikäytössä tilanteissa, jolloin valtakunnan siirtoverkosta ei ole tukea esimerkiksi kriisitilanteissa. HUo- 5 mättävänä etuna pitkäaikaisina sulkuaikoina on polttoaineomavaraisuus ainakin perussähkön ja peruslämmön osalta (noin 90 % vuotuisesta polttoainemäärästä).

7. Paremmuus sähkön tuotannossa: - Ulkoilmajäähdytyksen ansiosta yhdistettynä lämpöpumppulämmityssovellutuksen kanssa optimitoiminen aluelämpövoimala tuottaa samasta polttoainemäärästä samalla para- 10 metrillä toimivaan kaukolämpövoimalaan verrattuna enemmän sähköä seuraavasti: - toiminnan loppuvaiheessa, kun aluelämpölaitoksen lopullinen teho on toteutunut, noin 21 % enemmän, - alkuvaiheessa, kun noin 11 % aluelämpötehosta on toteutunut, noin 42 % enemmän, 15 - pakkaskaudella menovesilämpötilan ääriarvolla (120°C) noin 62 % enemmän.

- Välitulistuksella toimivaan suurkaukolämpövoimalaan verrattuna: - toiminnan loppuvaiheessa, kun aluelämpölaitoksen lopullinen teho on toteutunut, saman verran kuin välitulistuksella oleva laitos, - alkuvaiheessa, kun noin 11 % aluelämpötehosta on toteutunut, noin 22 % 20 enemmän, - pakkaskaudella menoveden maksimilämpötilalla (120°C) noin 39 % enemipän.

- Amerikkalaisen patenttijulkaisun US 4006857 (F24D9/00) jäijestelmään verrattupa: - toiminnan loppuvaiheessa, kun aluelämpölaitoksen lopullinen teho on toteutunut, noin 360 % enemmän, 25 - toiminnan alkuvaiheessa, kun noin 11 % aluelämpötehosta on toteutunut, noin 400 % enemmän, - pakkaskaudella menovesilämpötilan ääriarvolla noin 63 % enemmän.

Selityksenä sille, että optimitoimisessa aluelämpövoimalassa turbogeneraattori tuoftaa enemmän sähköä alkuvaiheessa vajaalla kaukolämpöteholla, on että jäähdytysilman lopjpu-30 lämpötila voidaan pitää alhaisempana kuin loppuvaiheessa, koska ilma lämpöpumpputehon •; ollessa pienempi, jäähtyy vähemmän eikä saavuta huurteenmuodostuspistettä, vaikkakin turbiinin vastapaine alennetaan suuremman sähkötehon aikaansaamiseksi.

Tarkempi vertailu optimitoimisen aluelämpövoimalan ja patenttijulkaisun US 4006857 välillä tehdään kuvion 3 avulla. Siinä esitetty suorakaiteen rajoittama pinta-ala kuvaa ver-35 tailun pohjana olevaa höyryvoimalan poistohöyryn anergiaa. Ylempi kaukolämmön pysy- 5 107183 vyyskäyrän viiva kuvaa millä tavoin optimitoimisen aluelämpövoimalan kaukolämpötehon optimimitoitusta noudattavalla periaatteella hyödynnetään noin 60 % höyryvoimalan anergi-asta. Koska patenttijulkaisussa US 4006857 ei tunneta huipun leikkausta, on koko tehon-huippu A, joka on samalla tehoviivalla kuin poistohöyryn teho suorakaiteen vaakasuoralla 5 viivalla, saatava poistohöyryn anergiasta. Alempi pysyvyyskäyrän viiva kuvaa, kuinka suuri osuus (käyrän yhdessä koordinaattiakseliston kanssa rajoittama pinta-ala) pystytään hyödyntämään julkaisun US 4006857 mukaisella menetelmällä, eli noin 30 % poistohöyryn anergiasta. Kuten huomataan, kyseisellä lämmöntuotantoperiaatteella poistohöyryn anergiasta voidaan hyödyntää vain noin puolet siitä mitä optimitoimisen aluelämpövoimalan melo netelmällä. Mikäli julkaisun US 4006857 järjestelmän mukaisesti halutaan tuottaa höyry-voimalassa sama määrä sähköä kuin optimitoimisen aluelämpövoimalan höyryvoimala-osalla, tämän rajattoman säädettävyyden ansiosta, niin se on täydennettävä voimalaitoksella erillisellä apujäähdytysjärjestelmällä, joka poistaa voimaprosessin anergiasta noin 70 %, muutoin sähkön kehitys alenee tuntuvasti alle 30 %:iin siitä, mitä optimitoimisella alueläm-15 pövoimalalla pystytään tuottamaan. Tämäntyyppiseen jäähdytykseen juomaveden valmistukseen kelpaava vesi on liian arvokasta, joten joku muu jäähdytysmedia on sen ehtona. Patentin US 4006857 menetelmä on hyvin harvoin paikkaansa puoltava. Vaikkakin kyseinen apujäähdytys olisi järjestettävissä, olisi laitoksen tehokkuus huomattavasti optimitoimisen aluelämpövoimalan vastaavaa heikompi, koska siinä hukattaisiin höyryvoimalan poistohöy-20 ryn polttoaineesta peräisin olevasta anergiasta noin 1,75-kertainen määrä verrattuna optimi-toimiseen aluelämpövoimalaan.

8. Ero investointitarpeessa: - Optimitoimisen aluelämpövoimalan keskimääräinen investointikustannus sähköteho-25 yksikkövertailuna kilpaileviin järjestelmiin: - noin 58 % perinteisen kaukolämpölaitoksen investointikustannuksista, - noin 45 % julkaisun US 4006857 investointikustannuksista,

Hvötvsuhdevertailui a 30 Energiapolitiikan kaksi pääsektoria ovat voima-ala ja lämpöala. Energia-ala on näitä kahta yhdistävä ala. Energiatoimintaan on yhdistetty voimantuotantoa (sähköntuotantoa) lämmityksen kanssa yhdistetyksi menetelmäksi, jolla näitä kahta pystytään tuottamaan yhteisesti erilliseen tuotantoon verrattuna paremmalla hyötysuhteella. Tässä yhdistelmässä on priorisoitu koko hyöty sähköntuotannolle. Sähköä on tehty todellista halvemmaksi lämmön 35 kustannuksella: * * , * t 6 107183 - Kun polttoainekustannus jaetaan kustannusaiheutusperiaatteella, on sen osuus sähkössä noin kolminkertainen lämmön vastaavaan osuuteen verrattuna.

- Kun pääomakustannukset jaetaan samalla periaatteella, on sähkön osuus 15-kertainen.

- Sähkön ja lämmön yhteistuotannossa palkkakustannuksista vain noin 5 % kuuluisi 5 lämmölle ja loput sähkölle.

Tästä huolimatta maassamme edelleen suositellaan sähkölämmitystä aivopesemällä kansaa vääristetyillä tiedoilla käyttämään sähköä lämmitykseen vaikka maan ominaisläm-mönkulutus on EU-maiden korkein ja Suomen ominaislämmönkulutus keskimäärin lioin 50 % korkeampi kuin Ruotsin, jossa nykyään valtio maksaa kiinteistönomistajille avustusta 10 mikäli luopuvat sähkön käytöstä lämmitykseen.

Sähkön ja lämmön yhteistuotannossa perinteisellä kaukolämpöturbiinilla hyötysuhde vaihtelee 85 ja 50 %:in välillä. Oikein mitoitetussa järjestelmässä sen vuosikeskiarvo on noin 70 %.

Lämmityksen hyötysuhde oli menneinä aikoina kerrostalojen yksittäisessä lämmjtyk-15 sessä noin 90 %. Tällaisessa lämmityksessä on kuitenkin valitettavasti niin, että polttoaineen arvokkaampi osa, työkyky, menetetään. Polttoaineen käyttö pelkän lämmön tuottamiseen oli energia-alan silloinen suurin epäkohta.

Lämmitysvaihtoehdoista polttoaineen käytön kannalta paras tähän saakka tunnettu ratkaisu on nimittäin voimakoneen yhteiskäyttö lämpöpumpun kanssa, jossa yhdistelmässä 20 voidaan hyödyntää polttoainetta siten, että yhdestä kWh:sta polttoainetta voidaan saada noin 1,4-1,6 kWh lämpöä.(viite: Heizen und klimatisieren, s.25).

Pelkkää sähköä tuottavassa ns. lauhdevoiman tuotannossa menetetään polttoaineen lämmityskykyä seurauksena, että polttoainehyötysuhde on parhaimmillaankin vain noin 42 %.

25 Koska maassamme kaukolämpöturbiinikiintiö perinteisin sovellutuksin on jo raken nettu - energiapoliittisesti tarkasteltuna liiankin pitkälle rakennettu - on (kivihiili)lauhdevoima ainoa jäljellä oleva perinteisesti tunnettu keskitetyn voimahuo|lon vaihtoehto, joka meneillään olevalla 10 vuoden ajanjaksolla voi tarjota lisäystä priimämuo-toisena sähkönä. Keskitetyn voimahuollon muut kaavailut tarjoavat ratkaisuja, jotka olisivat 30 tuotannossa aikaisintaan noin 10 vuoden kuluttua.

. · Lauhdevoimasovellutuksessa ja aluelämmitystoiminnassa kattilan käytön pohjaltja on kotimaisen uusiutuvan polttoaineen merkitys häviävän pieni niihin liittyvien suurten häviöiden johdosta. Lauhdevoimaprosessin häviöt ovat melko yleisesti tunnettuja. Alueläipmi-tysjäijestelmän ovat vain ani harvojen asiantuntijoiden tiedossa. Sen jakeluputkiston Häviöt 35 ovat noin 12-20 %, ja ne ovat arvoltaan suurempia kuin käytetyn polttoaineen energijahinta, koska lämpö tuotetaan huonohkolla hyötysuhteella. Aluelämmitysjärjestelmä on perintei- ·*·.»· « 7 107183 sesti ollut väliaikainen tehojen keräysvaihe kaukolämposähkön tuotantoon tähtäävänä muotona ja kaukolämpötoiminta sen lopullisessa muodossa on perusteltu voimantuotannon sivutuotteena olevan lämmön halpuudella, vain noin puolet käytetyn polttoaineen energiahin-nasta. Aluelämmitystoiminta kattilan käyttöön perustuvana toimintana ontuu myöskin katti-5 lahäviöiden osalta. Lämpö tuotetaan yleensä yhdellä kattilalla, jonka teho vastaa alueläm-möntarpeen maksimitehoa. Kattilan säteilyhäviö on vakio ja arvoltaan noin 3,5 % kattilan mitoitustehosta. Aluelämmityksen tehontarve vaihtelee eri vuodenaikoina suuresti ollen kesän lämpimimpinä aikoina vain noin 8 % kattilan maksimitehosta ja sen vuosikeskiarvo on noin 30 %.Täten säteilyhäviö edustaa kesäaikana n. 40 % ja vuosikeskiarvona noin 12 %.

10 Jäijestelmän häviöt nousevat täten helposti vuosikeskiarvona noin 30 %:iin, joten sen ko- konaishyötysuhde on usein vain noin 70 %. Lisäksi kesäkuormat on usein ajettava kalliilla polttoöljyllä kattilan huonon säädettävyyden takia.

Koska alkaneen 10-vuotiskauden ainoaksi keskitetyn voimahuollon priimasähkön lisä-tuotantomuodoksi jää (hiili)lauhdevoima, liittyy lisäsähkökapasiteettiin aina fossiilisen 15 polttoaineen käytön johdosta lisäystä kasvihuoneilmiöön aiheuttavia hiilidioksidipäästöjä. Lisäksi tulevat lämpörasitukset ympäristölle poistohöyryn energiasta jota syntyy noin kaksi yksikköä tuotettua sähköyksikköä kohti. Näin ollen poistohöyryn anergia on haitallista eli arvotonta. Uusiutuvan polttoaineen käyttö ei aiheuta lisäystä kasvihuoneilmiöön ekologisen tasapainotilan vuoksi. Lisäksi hyödynnettäessä pienvoimalassa poistohöyryn anergiaa läm-20 pöpumpun energialähteenä lämpörasitukset ympäristölle jäävät pieniksi, varsinkin ilmajääh-dytystä käytettäessä. Tällaisella tarkastelulla päädytään siihen, että uusiutuvaa polttoainetta hyödyntävä pienvoimala aina tuo paikkakunnalleen mukaansa ilmaisen, lämpötilatasonsa ansiosta oivallisen energialähteen lämpöpumpputoimintaa varten, jonka polttoaineen hyö-dyntämisaste saattaa nousta jopa arvoon 2.

, . 25 Pienvoimala, joka tuottaa energiansa (sähköä ja lämpöä) uusiutuvasta polttoaineesta, ei kuluta (käytä) polttoainevarantojamme kuten fossiilista polttoainetta käyttävät voimalat kos-‘ 4 ka polttoainetta kasvaa samassa tahdissa lisää. Sama koskee myös yhdyskuntajätteen polttoa sillä sitä syntyy sitä mukaa kuin sitä poltetaan niin kauan kuin tällaista kuluttamista sallitaan. Kim tuotetaan lauhdesähköä fossiilisesta polttoaineesta, hyötysuhde on vain noin 35 % 30 eli aiheutetaan 65 % turhaa rasitetta luonnolle. Optimitoimisessa aluelämpövoimalassa tämä "... osuus on sen toiminnan loppuvaiheessa lämpökuorman ollessa rakennettu vain 10 - 20 % ja » · * peräisin uusiutuvasta polttoaineesta. Koska puuta käytetään myöskin muuhun tarkoitukseen, on metsien kasvu aina huomattavasti suurempi kuin polttoaineeksi käytettävä puu, joten voimalassa ei-hyötykäyttöön tulevan anergiapäästön osalle jäävän 10-20 %:n anergiayli-35 jäämärasitteen hiilidioksidi kuluu metsän lisäkasvuun eikä näin ollen vaikuta kasvihuoneilmiöön haitallisesti.

• · * «.

8 107183

Pienvoimalan vaikutus on tästä syystä sellainen, että se sähkötehonsa osuudella jaina vähentää fossiilisen polttoaineen kasvihuoneilmiötä 65 %:lla samoin kuin fossiilisen polttoaineen varannon käyttöä ei-hyödyllisiin lauhdevoimalahäviöihin samalla 65 %:lla. Kjoska lauhdesähköä tuotettaessa ei synny lainkaan hyötylämpöä, on pienvoimalan hyötylänjipönä 5 saatava osuus yhdyskunnan kokonaistarpeen peittämiseksi tuotettava erikseen alueläjnmi-tysjäijestelmän kattiloissa joiden prosessihyötysuhde on 60 - 70 %. Tämä järjestelmä! aiheuttaa edellämainitun tapaista rasitetta noin 35 %. Täten pienvoimalan paremmuus lauhjlevoi-malan ja aluelämmitysjäijestelmän kombinaatioon verrattuna on 65 + 35 = 100 % edjilli-sempi ratkaisu. Tästä seuraa, että on perusteltua tarkastella optimitoimisen aluelämppvoi-10 malan anergiaosuutta ei-polttoaineperäisenä jolla tarkoitetaan sitä että se koko osuudellaan vähentää polttoaineen käyttöä muualla omalla aiheutusmäärällään ja samanaikaisesti vähentää kasvihuoneilmiörasitetta lauhdesähkötuotannon koko teho-osuuden verran sekä hyö-tysähkön että häviöpäästöjenkin osuudelta.

Tämän patenttihakemuksen yhtenä uutuutena on, että latvavoimakoneen toimiessa yh-15 teiskäytössä lämpöpumpun kanssa, joka hyödyntää rakennettavan höyryvoimalan arvottoman poistohöyryn anergiaa energialähteenä, voidaan keksinnön luomissa kokonaispu|tteissa aina tuottaa energiaosuudeltaan pienimuotoinen, teholtaan suhteellisen suuri latvasähjcö-määrä siten, että kyseinen latvasähkö tuotetaan rinnan lämmöntuotannon kanssa, ja sijten, että sen aikaansaamiseksi kuluu polttoainetta vain noin 0,5 kWh tuotettua sähkö-ja l^m- i 20 pöyksikköä kohti. Suomalainen patenttihakemus n:o 972458 ’’Tehokas energianhyödyntä-misjärjestelmä” luo puitteet latvasähkön tuottamiselle ympäristöanergiaa hyödyntämäjllä suurinpiirtein yhtä hyvällä polttoaineen hyödyntämisasteella paikassa, josta löytyy sopiva anergialähde. Tätä sovellutusta kuitenkaan ei yleisesti voi yhdistää voimalan toimintaan siitä syystä, että ainoa ulkoinen joka paikasta löytyvä energialähde on maaperä, mutta aluejäm-; 25 pövoimalan tehontarvetta tyydyttävänkokoista maa-aluetta harvoin löytyy ja sen varustami nen lämpökertoimen kohottamisjärjestelmillä, kuten eristyskerroksilla, on tässä sovellutuksessa vaikeata. Optimitoimisen aluelämpövoimalan "keinotekoinen” energialähde, poistohöyryn anergia, on sitävastoin voimalasovellutuksen kannalta aina ihanneratkaisu niin sijoitukseltaan, laadultaan kuin myös toteutusajankohdaltaankin.

30 Optimitoimisen aluelämpövoimalan latvavoimakoneiston yhteiskäyttö höyryvoimalan I # poistohöyryn anergiaa energialähteenään käyttävän lämpöpumpun kanssa poikkeaa patentti hakemuksen n:o 972458 sovellutuksesta mm. siinä suhteessa, että se voi käyttää hyväksi höyryvoimalan osia, kuten syöttovesisäiliötä, lauhdevesisäiliötä sekä lisävesisäiliötä, korvaamaan joko osittain tai täysin patenttihakemuksen n:o 972458 puskurijärjestelmän tar-35 kohusta varten erikseen rakennettuja säiliöitä. Täten puskurointia voi aloittaa nostamalla syöttövesisäiliön pintaa lisäveden avulla maksimirajaansa, jonka jälkeen lauhdevesisäjliön 9 107183 pintaa voidaan nostaa ja tämän lisäksi voidaan eristetyn lisävesisäiliön lämpötilaa kohottaa kierrättämällä lisävettä lämmönsiirtimen kautta. Koska poistohöyryn anergian lämpötilataso on huomattavasti korkeampi kuin minkään ympäristöanergian vastaava, saavutetaan opti-mitoimisen aluelämpövoimalan latvavoimaosan lämpöpumppuyhteiskäytöllä korkeampi 5 lämpöpumpun lämpökerroin kuin patenttihakemuksen n:o 972458 jäijestelyssä lämpöker-toimen kohotusmenetelmineen. Koska optimitoiminen aluelämpövoimala käy alkuvaiheessa vajaalla aluelämpöteholla, voidaan latvavoimaosan puskurisäiliötilaa vähentää myöskin korvaamalla sitä polttoaineen kuivausteholla sähkön huippukulutustuntien aikoina. Tällöin säi-liötilavuutta voidaan lisätä myöhemmin tarpeen niin vaatiessa. Nämä seikat keventävät al-10 kuvaiheen investointitarvetta.

Voimalatoiminnassa tullaan latvavoimaosuus usein jakamaan optimitoimisen aluelämpövoimalan oman latvavoimaosan ja ympäristöanergioita hyödyntävän lämpökertoimen ko-hotusmenetelmiä käyttävän patenttihakemuksen n:o 972458 tehokkaan energianhyödyntä-misjäijestelmän kesken siten, että aikaisempi tuottaa pidempijaksoisia latvoja ja jälkimmäi-15 nen lyhyemmät.

Optimitoimisen aluelämpövoimalan höyryvoimalaosan hyötysuhde on toiminnan alkuvaiheessa, kun aluelämpöteho on vain 11 % lopullisesta, sama kuin suurlauhdevoimalan eli noin 42 %, jolloin se tuottaa 21 % enemmän sähköä polttoaineyksikköä kohti kuin välitu-listuksella oleva suurkaukolämpövoimala ja noin 68 % enemmän toiminnan loppuvaiheessa, 20 kun koko aluelämpöteho on toteutunut, jolloin se tuottaa polttoaineyksikköä kohti saman verran sähköä kuin välitulistuksella varustettu suurkaukolämpövoimala.

On tunnettua, että kaukolämpöturbiinin taloudellinen mitoitustapa edellyttää että kau- kolämpöteho leikataan noin 50 %:n teho-osuuden kohdalta ja että tämän rajan yläpuolelle nouseva teho-osuus suositellaan tuotettavaksi normaalisti öljykäyttöisellä vesikattilalla.

- . φ 25 Tällaiset ohjeet löytyvät mm. Tekniikan käsikirjasta. Tällainen mitoitus edellyttää, että kau- kolämpömenoveden lämpötila, joka kesällä alimmillaan on noin 70 °C, nostetaan turbiinin lämmönsiirtimien avulla enintään 90 °C:een ja sen ylitse nouseva lämpötilan kohottamis- tarve hoidetaan vesikattilalla. Tällä periaatteella toimien kaukolämpövoimalan talous on paras mahdollinen, mutta se kehittää vain keskienergiaa ja perussähköä muttei lainkaan 30 usein tavoiteltavaa latvasähköä. Tässä esitetyssä optimitoimisessa aluelämpövoimalassa " · ♦ * lämpötehon latvaosuuden kehittäminen vesikattilalla korvataan yhdistettyä latvasähköä ja • · latvalämpöä pakokaasuilla kehittävällä latvavoimakoneella, joka yhteiskäytössä höyryvoimalaosan poistohöyryn anergiaa hyötylämmöksi jalostavan lämpöpumpun kanssa luo järjestelmän, jonka latvaenergia on aikaisempiin latvaenergian tuotantomenetelmiin verrattuna 35 huomattavasti halvempi.

,0 107183

Kaukolämpöalaa tunteville asiantuntijoille on myöskin tunnettua, että kaukolämpövoi-mala on säätöominaisuuksiltaan jäykkä ja useimmiten kallis ratkaisu, jonka säädettä\yys on lisäksi säätöalueeltaan suppeimmillaan talvikuukausina, jolloin vuorokausisäätövoirria on kalleimmillaan. Tämä seikka löytää selityksensä seuraavasta.

5 Vesikaukolämpöjäijestelmien runkoputkistoja mitoitettaessa ei sallita 3 m/s suurempia veden virtausnopeuksia. Runkoputkistojen taloudellisen koon valinnassa joudutaan hjyväk- r symään talviaikaisten maksimilämpötehojen jakelunopeudeksi arvoja, jotka usein lähestyvät raja-arvoa 3 m/s (esimerkiksi 2,8 m/s).Täten suuria virtausmäärämuutoksia ei voida äikaan-saada. Sähkötehon nosto virtausmäärää kasvattamalla on hyvin rajoitettua. Veden virjtausno-10 peuden rajoittamisen pääsyynä on kaukolämpörunkoputkistojen suurten vesimassojeA put kistojen kiintopisteisiin kohdistuvissa rasituksissa. Järjestelmän vesimäärä, joka saattaa olla useiden tavarajunien painoinen, kulkee noin 11 kilometrin tuntinopeudella runkoputkissa, joiden halkaisija saattaa olla puolesta metristä metriin tehden joskus 90 asteen käännöksiäkin kadunkulmissa. On selvää, että kiintopisteisiin kohdistuvat voimat tulevat ylisuuriksi, 15 jos nopeuksia kasvatetaan.

Toisena sähkötehon säätökeinona kaukolämpövoimaloissa käytetty tapa - menoveden lämpötilan muuttaminen sähkötehon säätötarkoitukseen hetkellisen kaukolämpötarpeen tyydyttämisen edellyttämästä asetteluarvosta poikkeavaksi - aiheuttaa myöskin epäkohtia, joita on etukäteen vaikea ennustaa. Menoveden lämpötilan nosto lisäsähkötehon kehittämiseksi 20 aiheuttaa sen, että kaukolämmön paluuvesilämpötila kääntyy nousuun. Tämä paluuvejien lämpötilanousun vaikutus aiheuttaa myöhemmin (monesti usean tunnin viiveellä) sähkötehon alenemisen voimalalle. Kyseinen aikaviive on eri tilanteissa eri suuruinen riippuen useista osatekijöistä kuten vuodenajasta (ulkoilman lämpötilatasosta), säätötoimenpiteen ajankohdasta (minä aikana vuorokaudesta), säätötoimenpiteen kestosta ja muista sellaisista. 25 Tästä syystä on miltei mahdotonta etukäteen tietää säätötoimenpiteen jälkiseurausta, osuuko aikaviiveellä seuraava tehonaleneminen kyseisen vuorokauden sopivaan ajankohtaan vaiko vuorokauden toiselle sähkön huippukulutusjaksolle.

Perinteisen kaukolämpövoimalan kolmas käytetty säätötapa, apujäähdyttimen käyttö, on sekin kytkettynä moneen harmiin. Pakkaskaudella voimalaitoksen turbiinin koko nielu-30 kyky on sidottuna kaukolämpökuormien tehontarpeen tyydyttämiseen, juuri sinä aikanja kun ;; säädöstä saatava hyöty olisi suurimmillaan. Nielukyvyn suurentaminen säätövoiman takia ei ( ole perusteltua, koska se oleellisesti huonontaa voimaprosessin keskimääräistä vuosihyöty-suhdetta; päätekijöinä turbiinin isentrooppisen hyötysuhteen huononemisen kautta aiheutuvan sähkönsaannin pienennyksen muodossa polttoaineyksikköä kohti sekä voimalan kattilan 35 hyötysuhteen huononemisen kautta kattilan vuosikeskitehon alenemisen seurauksena Nuhteessa mitoitustehoon vakiona pysyvän, kattilan mitoitustehosta absoluuttiselta arvoltaian „ 107183 määräytyvän säteilyhäviön osuudesta, joka saattaa nousta teoreettisesta arvostaan noin 3,5 % joskus jopa arvoon suurempi kuin 20 %. Apujäähdyttimen käytöllä perusteltua nielukyvyn suurentamista seuraa muitakin laitoksen tehokkuuteen epäsuotuisasti vaikuttavia tekijöitä, kuten jatkuvassa toiminnassa olevien apulaitteistojen ylimitoituksen seurauksena laitoksen 5 omakäyttösähkön kulutuksen lisääntyminen. Lisäsähkön tuottaminen säätövoimana apu-jäähdyttäjän avulla perinteisessä kaukolämpövoimalassa kilpailee huonosti lauhdevoimala-sähkön kanssa, jossa pääsyinä häviämiseen ovat ym. hyötysuhdeheikkouksien takia apujääh-dyttäjän käyttöön liittyvän lisäsähkön kohtuuttoman korkea ominaislämmönkulutus, josta lämmöstä valtaosa hukataan. Tämän asian voi ilmaista myös niin, että polttoaineyksiköstä 10 saatava sähkömäärä on lauhdevoimaprosessin vastaavaa huomattavasti pienempi.

Tässä esitetyssä optimitoimisessa aluelämpövoimalassa apujäähdytykselle on esitetty erikoissovellutusratkaisuissa olemassaolevien perinteisten voimaloiden parannuskeinoina matalalämpötilalauhdevoiman (kuten esim. freonturbiinitekniikkaan perustuvan) lisäsähkön tuottamista apulauhdutushöyryn hukkalämpövirrasta.

15 Aikaisemmin mainitussa patenttijulkaisussa US 4006857 esitetyssä ratkaisussa pois- tohöyryn jäähdytysprosessi tapahtuu vedellä, jossa vesijäähdytysjäqestelmä on prosessitek-nisesti yhteenkytkettynä toisten prosessien kanssa. On ilmiselvää, ettei tällainen prosessi voi kilpailla säätöteknisesti edes meidän perinteisten kaukolämpövoimaloiden säädettävyyden kanssa. Siinä esitetyn menetelmän puitteissa tuskin voi löytää pohjaa itsenäisen voimalatyy-20 pin kilpailuttamiselle. Mikäli esitettyä menetelmää halutaan soveltaa, siitä tullee hyvin työllistävä erikoisratkaisu, joka voinee toimia ainoastaan muuta liiketaloudellista voimatoimin-taa haqoittavan voimayhtiön täydennysyksikkönä. Tässä esitetty menetelmä, optimitoiminen aluelämpövoimala, pystyy kaikissa esitetyissä muodoissaan kilpailemaan itsenäisesti muiden voimantuotantomuotojen kanssa.

25 Patenttijulkaisu US 4006857 poikkeaa oleellisesti optimitoimisen aluelämpövoimalan toimintaperiaatteista. Kyseisessä menetelmässä voimalan lauhduttimen läpi johdettu talousvedeksi kelpaava raakavesi siirretään jakeluverkoston avulla lämmönkulutuskohteiden kautta juomaveden jakelulaitokselle ja osa prosessijäähdytyskohteeseen. Lämpöpumput sijaitsevat lämmityskohteiden lähettyvillä eli ei voimalaitoksella, kuten optimitoimisessa 30 aluelämpövoimalassa. Viimeksimainitussa koko lämpöpumpuilla tuotettu aluelämpöosuus otetaan voimalan höyryvoimalaosan poistohöyryn anergiasta ja siirretään lämpöpumpuilla lämmöksi jalostetussa muodossa perinteisellä tavalla toimivaan tekniikaltaan tunnettuun suljettuun aluelämpöverkkoon, jossa lämmön jakelu tapahtuu hapenpoistetulla, inhibitoi-dulla vesikierrolla. Tältä osin tässä esitetyssä patenttihakemuksessa uutuutena on energia-35 lähde (poistohöyryn anergia), kaikki muu lämmönjakeluverkoston toimintaa koskeva on ennestään tunnettua ja toimivaksi koettua. Julkaisussa US 4006857 ei oteta kantaa jakelu- 12 107183 verkoston materiaalikysymyksiin eikä siihen, missä kohden prosessia vedenkäsittelyjtapah- j tuu eikä myöskään siihen, miten raakavedestä kerrostuva liete poistetaan järjestelmältä sen enemmän kuin miten jakeluverkoston metalliosat, armatuurit, mahdolliset tasaimet jhe. estetään syöpymiseltä. Mikäli raakavesi käsitellään ja inhibitoidaan jakeluverkostolle kjelpaa-5 vaksi, siitä ei enää saa juomavedeksi kelpaavaa. Mikäli sitä ei käsitellä, jakeluverkosjsa ei saa olla syöpyviä osia. Prosessien jäähdytykseen menevää vettä ei ole jäähdytyksen kannalta tarkasteltuna perusteltua johtaa lauhduttimen kautta. Lisäksi juomavedeksi kelpaava Raakavesi on liian arvokas käytettäväksi jäähdytykseen, koska tämän laatuisen veden alueellinen saanti on yleensä rajoitettu, varsinkin kun kysymykseen tulee pohjavesi. Yhden MW:jn säh-10 kötehon aikaansaaminen lauhdevoimalassa edellyttää noin 72 m3/h j äähdytysvettä, j oten 10 MW:n suuruinen pienvoimala käyttää jäähdytysvettä noin 633000 m3/a. Tämä vastaanoin 21000 talouden talousveden vuosikulutusta. Tällaisen asutuksen sähkötehon tarve on noin 170 MW. Suomen ilmasto-olosuhteissa sen lämpötehon tarve olisi noin 300 MW. Mijkäli koko tämä lämpömäärä tuotettaisiin kaukolämmityksenä, kaukolämpövoimalan sähkötehok-15 si tulisi noin 100 MW. Nämä luvut osoittanevat, missä luokassa julkaisun US 4006857 järjestelmä kilpailee. Jotta idea saataisiin toimivaksi, se edellyttää erittäin paljon kehittämistyötä ja on aina erikoisratkaisu vailla yleissovellutusta. Lisäksi on kyseenalaista, saisiko tällaiselle menetelmälle käyttölupaa. Kyseisen patenttijulkaisun patenttivaatimuksessa l;on nimenomaan määritelty, että lauhduttimen jäähdytys tapahtuu vedellä, joka ei anna sijaa 20 ulkoilmajäähdytykselle. Samoin on määritelty lämpöpumppujen sijoituspaikaksi kululus-pisteiden lähialue, joka sulkee pois mahdollisuuden optimoida lämmöntuotantoa tehohleik-kausperiaatetta noudattaen ja samanaikaisesti latvavoimakoneiston yhteiskäytössä lämpöpumpun kanssa hyödyntää höyryvoimalan poistohöyryn anergiaa energialähteenä. Pääsemiseksi optimitoimisen aluelämpövoimalan kanssa kilpailuasetelmaan, latvateho-osuus tulisi . . 25 tuottaa suomalaista patenttihakemusta n:o 972458 ’’Tehokas energianhyödyntämisjärj<:stel- mä” soveltamalla, jossa optimitoimisen aluelämpövoimalan höyryvoimalaosan poistohöyryn anergian sijasta hyödynnetään latvavoimakoneen pakokaasulämmön ohella ympäristöaner-giaa lämmöksi jalostettima mistä milloinkin löytyvästä energialähteestä.

On tunnettua että perussähköä tuottavan lauhdutusturbiinivoimalaitoksen prosessjhyö-30 tysuhde eli polttoainehyötysuhde on vain 35...42%, koska ’’lauhdelämpö hukataan” (lauhduttimesta poistuvaa anergiaa ei pystytä hyödyntämään).

On myöskin tunnettua, että ns. vastapaineturbiinilaitoksen hyötysuhde on tätä par£mpi eli suunnilleen sama kuin pelkästään lämpöä kehittävän kattilan hyötysuhde eli n. 85 %. Tuotettaessa sähköä vastapaineperiaatteella saavutetaan kuitenkin huomattava etu siinä, että 35 prosessihyötysuhde on myös lauhdesähkön tuottoon nähden katsottu perinteisesti parem- 13 107183 maksi prosessin arvokkaammankin tuotteen eli sähkön osalta. Täten tällä periaatteella toimien voidaan kehittää sähköä seuraavasti: - Teollisuusvastapainevoimalassa noin 85 %:n keskimääräisellä prosessihyötysuhteella, koska se käy miltei koko vuoden täydellä teholla.

5 - Kaukolämpöturbiinilaitoksessa 65...75 %:n keskimääräisellä prosessihyötysuhteella riippuen mitoituksesta. Oikein mitoitetussa kaukolämpöturbiinilaitoksessa prosessihyöty-suhde on parhaimmillaan noin 85% turbiinin käydessä täydellä teholla noin 1500 tuntia vuodessa talven kylmimpänä aikana.

Samoin on tunnettua, että kaukolämpöturbiinilaitoksessa toinen tuote eli lämpö siirre-10 tään kaukolämpöverkkoon lämmönsiirrintekniikalla, jolloin kaukolämpöveden lämpötila nostetaan turbiinista tähän tarkoitukseen otetun höyryn lauhtumisen avulla. Kiertoveden lämpötila nostetaan tavallisesti 45...50 °C:sta. Vesi toisin sanoen palaa voimalaitokselle noin 50-asteisena. Tämä siitä syystä että jakelualueen alakeskusten lämpöpintoja ja lämmön-siirtimien tilakysymystä optimoitaessa samoin kuin lämmitysjärjestelmien toisiopiirin patte-15 riverkostoa suunniteltaessa ei katsota aiheelliseksi alentaa kiertoveden paluulämpötilaa oleellisesti tämän tason alapuolelle. Tästä syystä voima-alalla katsotaan sen energiaosuuden, jonka lämpötilataso on alle 50 °C, olevan arvotonta ns. anergiaa. (Käsite anergia tarkoittaa sitä osuutta energiasta, josta alhaisen lämpötilatasonsa takia ei saa sähköä eikä lämpöä tai jonka hyödyntämiseen ei määrän vähyyden vuoksi kannata investoida.) Mainittakoon että 20 kiertoveden palaaminen suunniteltua lämpimämpänä takaisin voimalaitokselle aiheuttaa voimalaitosprosessille pelkästään haittaa, koska sähköntuotanto pienenee paluuveden lämpötilan nousun seurauksena lauhduttimessa saavutetun huonomman tyhjiön johdosta.

Tunnettua on myöskin että edellisen kohdan esittämää lämpötilatasoa 45...50 °C pidetään liian alhaisena huoneistojen lämmittämiseen normaalia keskuslämmitysjärjestelmää v ' 25 käyttäen. Sen suunnittelulämpötilat ovat normaalisti 90/60 °C tai 80/60 °C. Edellämainitus sa lämpötilatasossa n. 50 °C ja kylmempänä olevan anergian tullessa kysymykseen lämmityksessä, nostetaan lämpötilataso tavallisesti lämpöpumpulla mainitun normaalin käyttö-lämpötilatason tuntumaan. Kyseinen anergia, olkoonkin että se saattaa muodostaa hyvän energialähteen lämpöpumppusovellutukselle, on täten katsottava arvottomaksi ja se saavut-30 taa uuden arvonsa lämpöpumpun käyttövoimasta.

Toisaalta on myöskin tunnettua, varsinkin ulkomailla, että voimalan energiatuotteet ovat eri hintaisia. Täten jalostetuin tuote, sähkö, on kallein, toiseksi kallein on tehdaste-luhöyry, kaukolämpö halvin, ja se osa, joka on niin matalassa lämpötilatasossa ettei sitä voida hyödyntää sähkönä eikä lämpönä, katsotaan arvottomaksi (= anergiaa). Vaikka lauhdut-35 timesta poistuva anergia voimalaitosprosessin kannalta on katsottava arvottomaksi, joka näkyy siinä ettei sillä ole hintaa, niin se on kuitenkin lämmityssektorin kannalta tarkasteltu- 14 107183 na hyvinkin arvokas, kuitenkin aina ilmainen. Tämä siitä syystä, että tällainen suhteellisen lämmin anergia on hyvä energialähde lämpöpumpulle, samalla kun se on haitallinen Sekä voimalan että ympäristön kannalta tarkasteltuna.

On kuitenkin tunnettua sekin, että anergia on jalostettavissa lämmöksi ja tämänpjäivän 5 tekniikalla osittain jopa sähköksikin. Jalostus lämmöksi voi tapahtua esimerkiksi lämjpö- pumppua käyttäen ja sähköksi matalalämpötilavoimakoneella, kuten esimerkiksi orgaanisen nesteen Rankine-kiertoon (ORC-cycle = organic fluid Rankine cycle) perustuvalla Böost Energy Converter-tekniikalla (toimittaja: High Speed Tech Oy, Tampere).

Viimeaikaisista höyrykattilasovellutuksista on lisäksi tunnettua, että kattilan palajmisil-10 maa voidaan lämmittää lämpöpumppua käyttäen, jolloin savukaasujen anergia jalostekaan tähän käyttöön soveltuvaksi kaasuvirtaa jäähdyttämällä. Näin kattilahyötysuhde paranee.

Vielä on tunnettua, että ns. prosessilauhdevoiman kehityksessä valtaosa investointikustannuksista liittyy itse teollisuusprosessiin ja lisäinvestoinnin tarve sähkön tuottamjiseksi on hyvin vähäinen, josta seuraa että prosessilauhdevoima on halvin tapa tuottaa sähköä. Li-15 säksi on tunnettua, että prosessilauhdevoiman sähkön kehitys ei aiheuta ympäristösaasteita, koska ne liittyvät itse teollisuusprosessiin. Sähkön kehityksessä muunnetaan ainoastaan prosessin jäähdytyksessä muodostuneen höyryn energiaa sähköksi.

On myöskin tunnettua, että lämpimämmissä maissa merivesi) äähdytyksellä aikaansaadaan huomattavasti huonompi tyhjiö lauhdeturbiinin lauhduttimessa kuin Suomessa jo$sa 20 meriveden vuotuinen keskilämpötila on alhainen n. 6...6,5 °C. Esimerkiksi Keski-

Euroopassa merivesi on lämpötilansa puolesta uintikelpoista vuoden kylmimpinäkin aijkoina ulkoilman alhaisimman lämpötilan ollessa n. +20 °C. Samasta polttoainemäärästä saadjaan täten Suomessa lauhdevoimankehityksessä merivesijäähdytyksellä enemmän sähköä kuin Keski-Euroopassa.

25 Lisäksi on tunnettua, että yhdyskuntasuunnittelussa paikanvalinnat monesti määräytyvät mm. voimaloiden jäähdytysveden saannin mukaan. Keskitetyn voimahuollon sijoitusnäjkö-kohdissa polttoaineen kuljetuksilla on myöskin merkityksensä. Näistä syistä keskitetyn ivoi-mahuollon suurvoimaloiden pääsijoituspaikat ovat useimmiten satamakaupunkeja. Sen Imukaan myöskin teollisuus hakeutuu samoihin paikkoihin. Nämä ilmiöt aikaansaavat sen, jettä 30 kaikki työpaikat keskittyvät näille alueille seurauksena se että maaseudun kehittäminen jvai-•' " keutuu ja maaseutu autioituu. Harvaanasutulle maalle, jonka huomattavat luonnonvarat kui- ’ " tenkin sijaitsevat maaseudulla, on tästä erittäin suuri haitta.

Optimitoimisen aluelämpövoimalan lauhduttimen jäähdyttäminen on vaihtoehtoinen ja vapautettu aikaisemmista merivesisaantinäkökohdista. Tällöin kyseisiä pienvoimaloita voi-35 daan sijoittaa mille alueelle hyvänsä hajautetun energiantuotantomallin mukaisesti, joka) seikka antaa mahdollisuuksia erityisesti maaseudun työllisyyden parantamiseen ja elinkeino- 15 107183 elämän kehittämiselle. Samalla maan kauppatase paranee ja velkaisuus pienenee, sillä yhden hyötyenergiayksikön kehittäminen keksinnön mukaisesti kotimaisesta polttoaineesta vähentää energian tuontia noin viidellä yksiköllä.

Käytettäessä ulkoilmaa turbiinin lauhduttimen jäähdyttämiseen ulkoilman lämpötila 5 vaihtelee alueella noin +25...-30 °C. Yleisin ulkoilman mitoituslämpötila tullee olemaan noin -10...±0 °C, riippuen alueen kokonaislämmitysratkaisuvalinnoista. Tällöin turbiinin poistoanergia jalostetaan aluelämmitysjäijestelmälle sopivaksi ilmalämpöpumppua käyttäen. Turbiinista lauhduttimeen poistuvan höyryn lämpötila on noin 36 °C ja ilmamäärä valitaan niin että lauhduttimesta ulostulevan ilman lämpötila ennen lämpöpumppua on noin +10 °C 10 ulkoilman lämpötilan ollessa esimerkiksi -10 °C. Tällöin lämpöpumpulla voidaan -10 °C :n ulkolämpötilalla jäähdyttää lauhduttimesta tulevaa ilmaa melkein 10°C. Ulkoilman ollessa lämpimämpi noin 7000' h/v, on kyseinen lämpötilaero huomattavasti suurempi. Lämpö-pumppu tulee täten toimimaan suurella lämpökertoimella. Tästä johtuen lämmitysratkaisu on erittäin kilpailukykyinen ja tätä seikkaa lisää vielä yhteiskäyttö voimakoneen (esim. die-15 sei) kanssa: Ulkolämpötila-alueella +10...-30 °C lämmitysjärjestelmää ja energiantuotanto-järjestelmää täydennetään yleisimmin latvadieselsähkön tuotannon ja lämpöpumpun yhteiskäytöllä ja dieselmoottorin kuumien pakokaasulämpöjen talteenottoa soveltaen.

Alueella, jossa lämmitystarve on pieni suhteessa pienvoimalan energiamäärään, voidaan turbiinin lauhduttimen jäähdyttämisessä soveltaa aikaisemmasta tunnettu jäähdytystor-20 nisovellutuskin. Tämän sovellutuksen vaikutus kasvihuoneilmiöön on häviävän pieni suhteessa harjoitetun väärän energiapolitiikan aiheuttamaan ylisuureen hiilidioksidipäästön vaikutukseen, kun sähköä on suosittu yksipuolisesti lämmitystarkoitukseen, joka nostaa hiilidioksidipäästöä noin kuusinkertaiseksi tarvittavaan verrattuna, so. keksinnön tarjoamaan parempaan menetelmään verrattuna. Suomen oloissa jäähdytystomisovellutuskin antaa poltto-v , 25 aineyksiköstä enemmän sähköä kuin merivesijäähdytys Keski-Euroopassa.

Koska turbiini ajetaan kaukolämpöturbiinia suuremmalla vuosituotannolla, paranee vuosiprosessihyötysuhde kaukolämpöturbiinin arvosta 65...75 % suunnilleen samaksi kuin teollisuusvastapaineturbiinin eli 85 %:iin. Koska lämmön sijasta tuotetaan anergiaa ja koska tämä jalostetaan lämmöksi lämpöpumpun korkealla lämpökertoimella, nousee polttoaine-30 hyötysuhteen vuosikeskiarvo tästäkin tuntuvasti.

Optimitoimisen aluelämpövoimalan erikoisratkaisuja

Kyseisen voimalan höyryvoimalaosan kaasujäähdytysjärjestelmän perusratkaisu pohjautuu tämänpäivän valossa sovellutukseen, jossa ulkoilma on jäähdyttävänä aineena ja 35 jäähdytys tapahtuu lämmönsiirrintekniikalla. Tällä saattaa kuitenkin tulevaisuudessa olla vaihtoehtojakin, koska on muitakin kaasuja, jotka teknisesti, ehkäpä tulevaisuudessa myös 16 107183 taloudellisestikin voivat kilpailla ulkoilman kanssa. Tämäntyyppisen jäähdytyksen Hinnalla voi tulla kysymykseen myöskin perinteiset jäähdytystomiratkaisut kuitenkin eräin rajoituksin, sekä vaihtoehtoja niille eräänlaisina muunnelmina, joissa mm. haihtuvan veden lämpö-pumppukäytölle aiheutuvat rajoitukset on eliminoitu tai vähennetty, joko veden jäätyjmiso-5 minaisuutta muuttamalla tai sitä vaihtamalla toiseksi, tarkoitukseen paremmin soveltuvaksi. Yhdistävänä etuna kaikille kaasujäähdytyssovellutuksille on kuitenkin avoimesta massatto-masta jäijestelmästä aiheutuvat hyvät säätöominaisuudet. Optimitoimisen aluelämpöVoima-lan latvavoimakoneosan tarjoamat säätötekniset ominaisuudet ovat kuitenkin niin ratkaisevasti paremmat kuin aikaisempien kaukolämpövoimaloiden, samoin kuin sen alentavia vai-10 kutus voimalaitoksen investointikustannuksiin, että paitsi olemassa olevien laitosten Saneerauksissa, tässä esitettyjen ideoiden pohjalta myöskin uusien toteutuksessa saattaa tulla kysymykseen höyryvoimalaosan jäähdyttäminen muilla keinoin, jopa vedelläkin, varsinkin silloin kun joku erikoisolosuhde sitä puoltaa.

15 Erikoissovellutuksia optimitoimisesta aluelämpövoimalasta: 1. Optimitoiminen aluelämpövoimala, jonka höyryvoimalaosa toimii ns. keskienprgia-prosessilauhdevoimalana, joka luo hyvät edellytykset aluelämmitystoiminnalle käyttäen hyväksi lämpöpumppuja jotka hyödyntävät anergiaa lauhduttimen jäähdytysilmavirrasta.

EU-direktiivien asettama velvoite kunnille jätteen käsittelystä antaa oivallisen tiläisuu-20 den hyödyntää lajiteltua palavaa jätettä jätteenpolttoprosessilauhdevoiman tuotannon jnuo-dossa. Parhaiten kyseinen laitos puoltaa paikkaansa, jos sitä käytetään ainoastaan talvikuukausina ns. talvikeskienergian tuottajana silloin kun sähkön hinta on korkeimmillaan. Tällöin laitos sijoitettuna maaseudulle toimii samalla työttömyyden tasaajana, koska työttömyys maaseudulla on suurempi talvikuukausina.

, , , 25 Prosessilauhdevoimalan anergiaa voidaan tällöin käyttää lämpöpumpun energialähteenä aluelämmitystoiminnassa. Prosessilauhdevoiman varapolttoaineena sekä tukipolttoaineena voidaan tällöin käyttää kotimaista uusiutuvaa polttoainetta kuten haketta tai rypsiöljyä, 2. Perinteinen kaukolämpöturbiini muutettuna siten, että se varustetaan optimitoimi-selle aluelämpövoimalalle ominaisella latvavoimalaosalla ja jonka höyryvoimalaosa tuottaa 30 apuj äähdyttimen käytön lisäyksellä perussähköä ja keskienergiaa sekä vuorokausisäätöjvoi-maa teollisuuden tarpeisiin nykyisen lämmityssähkön tuottamisen sijasta. Tällöin apujääh-dytetyn lämmön arvo on kuitenkin sen verran korkea, että siitä muodostuu pieni kustarjnus n. 1,5 p/kWh laitoksessa jonka polttoaine on kivihiili tai turve. Mikäli kaukolämpöturtiirbii-nin koko sähköteho priimataan tällä tavoin apulauhdutuksen avulla, edustaa apujäähdyjyk-35 sen määrä oikein mitoitetussa kaukolämpölaitoksessa n. 40 % lämmitysenergian perusiuor-maosuudesta. Tällöin lisätulot sähköstä ovat huomattavasti suuremmat kuin apujäähdytyk- 17 107183 sen aiheuttama polttoaineen lisämeno. Lisäparannuskeinoina voidaan talvikuukausina, pak-kashuipun aikana, tuottaa lämpöä lämmöntarpeen peruskuorman yläosaan lämpöpumpulla, jonka energialähteenä on tähän vuodenaikaan usein liian kuuma (n. 60 °C) kaukolämmön paluuvesi sekä toisena parannuskeinona johtamalla voimaprosessin vähiten tuottavat massa-5 virrat (syöttöveden esilämmityshöyryt) uudelleen pienturbiinin kautta samaan lämmitystar-koitukseen kuin ym. lämpöpumpulla tuotetutkin lämmöt. Jälkimmäinen saneeraustoimenpi-de on luonnollinen kattilalaitoksen mahdollisen modernisoinnin yhteydessä.

3. Ylimitoitettu kaukolämpöturbiinilaitos muutettuna siten, että se varustetaan optimi-toimiselle aluelämpövoimalalle ominaisella latvavoimaosalla ja talouden parannuskeinona 10 matalalämpötilaprosessilauhdevoiman kehityssovellutuksella kuten esimerkiksi orgaanisen nesteen Rankine-kiertoon perustuvalla Boost Energy Converter-tekniikalla. Tällöin voidaan joko lisätä kaukolämpömassavirtoja muuntamalla niiden osalta höyryn kaukolämmöntuo-tantoa sähköntuotannoksi esimerkiksi Boost Energy Converterilla tai muuttaa kaukolämpö-laitos siten, että se jatkossa tuottaa ainoastaan perussähköä siten, että turbiinia muuttamalla 15 matalapainepesä korvataan paisunnaltaan pidemmällä lauhdevoiman tuotantoon soveltuvalla, jonka jälkeen kaukolämpö kehitetään lämpöpumpuilla osittain voimalan anergiastaja osittain latvavoimakoneiston pakokaasuista. Tällöin voidaan lisätehostamiskeinona suorittaa myöskin edellisessä kohdassa esitetty vähiten tuottavien massavirtojen johtamista uudelleen pienturbiinin kautta - tässä tapauksessa turbiinin lauhduttimeen.

20 4. Lauhdevoimalan muuttaminen siten, että se toimii optimitoimiselle aluelämpövoi malalle ominaisilla periaatteilla varustettuna lähialueen lämmitystarpeen pohjalta tarkasteltuna teholtaan sopivansuuruisella latvavoimakoneistolla yhdistettynä lauhdutusturbiinin poistohöyryn anergian hyödyntämiseen lämpöpumppujen energialähteenä. Mikäli lauhdetur-biinin lauhduttimesta poistuva n. 17...18 °C:sen anergian lämpötilataso nostetaan lämpö-- - ; 25 pumpulla takaisin lämmitykselle soveltuvalle lämpötilatasolle, voidaan se käyttää hyödyksi.

Tällöin myös jäähdytysveden laskemisesta vesistöön ympäristölle aiheutuva haitta joko pienenee tai häviää kokonaan. Voimalaitoksen anergian lämpötilataso on aina tuntuvasti korkeampi kuin muut Suomessa tarjolla olevat luonnolliset anergialähteet kuten maaperä ja vesistöt. Maalämpöpumppusovellutuksissa maan lämpötilataso alenee usein -3 °C:een ja ve-30 sistöjen ollessa anergian lähteenä lämpötilataso alenee noin +1 °C:een lämpökertoimen ollessa keskimäärin 2,4 (lähde: Sundell, Kauhanen, Kansikas: Energiavaihtoehdot IP-tietokirjat 1981, s.118).

Voimalaitossovellutuksissa anergian lämpötilatason ollessa alimmillaan merivesij ääh-dytyksellä meriveden vuosikeskilämpötilan ollessa noin +6,5 °C ja poistohöyryn lämpötilan 35 ollessa 18...20 °C, on jäähdytysveden poistolämpötila lauhduttimesta noin 15...17 °C. Tä mäkin jäähdytysveden poistoanergiavuo tarjoaa mahdollisuuden lämpöpumpun käytölle 18 107183 harvinaisen hyvällä lämpökertoimella, mikäli kyseinen lämpöpumppu suunnitellaan lämpö-järjestelmän juuriosan peittämiseksi, jolloin kiertoveden lämpötila nostetaan noin 55...60 °C:een. Kiertoveden jatkonostossa voidaan latvavoimakoneiston pakokaasulämmön lisäksi käyttää esimerkiksi voimalaitosprosessin saneeraustoimenpiteiden kautta käytöstä poijsjäävi-5 en voimaprosessin vähiten tuottavien, syöttöveden esilämmityshöyryjen, massavirrat aluelämmitystarpeen juuriosan ja latvaosan välialueen peittämiseksi. Tämän päivän kattila-suunnittelussa savukaasujen loppulämpösisältö hyödynnetään aikaisempaa tarkemminj, jonka seurauksena vanhemmissa voimaloissa käytetty syöttöveden esilämmitysjäijestelmä ns. korkeapaineväliottohöyryjärjestelmänä ei enää puolla paikkaansa taloudellisesti.

10

Edellä esitettyjen tarkoitusperien saavuttamiseksi keksinnön mukaiselle optimitoijmi-selle aluelämpövoiman tuotantomenetelmälle yhdistettyä sähkön ja lämmön tuotantoa varten on tunnusomaista se, mitä on esitetty patenttivaatimuksessa 1. Patenttivaatimuksissa 2 -14 esitetään menetelmän eri suoritusmuotoja. Keksinnön mukaiselle optimitoimiselle alueläm-15 pövoimalalle on tunnusomaista se, mitä on esitetty patenttivaatimuksessa 15. Patenttivaatimuksissa 16 ja 17 esitetään optimitoimisen aluelämpövoimalan eri suoritusmuotoja.

Keksintöä selostetaan seuraavassa lähemmin oheisten kuvioiden avulla.

Kuviossa 1 on pysyvyyskäyrän D avulla esitetty kaukolämpökuorman optimimitojtuk-sen tehonleikkausperiaatetta, jossa perinteisesti 50 %:n latvateho-osuus H on tavallisipimin 20 tuotettu öljykäyttöisella vesikattilalla ja alempi teho-osuus (peruskuorma) L on tuotettiji kau- kolämpöturbiinilla tuottaen samanaikaisesti myös sähköä ns. keskienergian ja perussäljkön muodossa. Optimitoimisessa aluelämpövoimalassa lämmöntarpeen peruskuorma ja latva-teho tuotetaan kuten kuvion 12 yhteydessä on esitetty.

Kuviossa 2 on IS-piirroksen avulla esitetty, kuinka paljon enemmän sähköä optimjitoi-25 minen aluelämpövoimala tuottaa massavirtayksikköä (ja myöskin käytettyä polttoaineyk-sikköä) kohti kuin samalla höyryn parametrilla toimiva kaukolämpövoimala. Nuoli El; osoittaa eron toiminnan loppuvaiheessa kun koko aluelämmön tarve on toteutunut, nucjli E2 vastaavan toiminnan alkuvaiheessa, kun noin 11 % aluelämpötehosta on toteutunut ja nuoli E3 eron pakkasen äärilukemilla kaukolämpöturbiinin toimiessa menovesilämpötilan ä^riar-30 volla (120 °C). Kuvion yläosassa nuoli E4 näyttää, mikä sähköteholisäys massavirtayk^ik-köä kohti on saavutettavissa välitulistuksen avulla voimalaitoksen koon kasvaessa.

Kuviossa 3 on esitetty vertailu optimitoimisen aluelämpövoimalan ja patenttijulkajisun US 4006857 mukaisten menetelmien välillä. Koska jälkimmäisessä ei esitetä kaukolänjtpö-tehon leikkausta toiminnan optimointitarkoitukseen, on koko aluelämpöteho (maksimiteho 35 P) saatava höyryvoimalan poistohöyrytehosta (pisteen P läpi kulkeva vaakasuora Cl). Menetelmän puitteessa tyydytettävissä olevan lämmöntarpeen vaihtelu näkyy kuviossa olevasta 19 107183 tähän tarkoitukseen, alalla käytettyä ilmiötä kuvaavasta, ns. pysyvyyskäyrästä. Käyrän D2 koordinaattiakseliston kanssa rajoittama pinta-ala kuvaa kuinka suuren osuuden (noin 30 %) poistohöyrytehoa vastaavasta vuosienergiasta (vaakasuoran Cl yhdessä pystysuoran ja koor-dinaattiaksdiston kanssa rajoittamasta pinta-alasta) laitos pystyy hyödyntämään. Koska op-5 timitoimisessa aluelämpövoimalassa aluelämpöteho toiminnan talouden optimoimiseksi leikataan noin 50 %:n kohdalta ja ylempi aluelämpöosuus tuotetaan pääasiassa latvavoima-koneen pakokaasulämmöllä, noudattaa kyseisen laitoksen puitteessa harjoitettavissa oleva aluelämpötoiminta pysyvyyskäyrää Dl. Kuten näkyy, tämä rajaa poistohöyryn suorakaiteen alasta noin 60 %:n osa-alueen, joka tarkoittaa sitä, että tällä menetelmällä voidaan hyödyn-10 tää noin kaksinkertainen määrä voimalan poistohöyryn anergiasta aluelämmitystoiminnassa kuin kilpailevalla menetelmällä. Koska poistohöyryn anergiasta julkaisun US 4006857 mukaisella menetelmällä noin 70 % jää hyödyntämättä, on edellytyksenä sille, että voimalaitos voi tuottaa saman verran sähköä kuin optimitoiminen aluelämpövoimala samasta käytetystä polttoainemäärästä, että voimalaitos varustetaan erillisellä apujäähdytysjäijestelmällä tämän 15 anergiamäärän poisjohdattamiseksi. Muutoin voimalan sähkönkehitys jää tuntuvasti alle 30 %:iin optimitoimisen aluelämpövoimalan vastaavasta.

Kuviossa 4 on esitetty IS-piirrokseen piirretyn paisuntakäyrän avulla tilanne, kun ylimitoitettu kaukolämpöturbiini joutuu talvella ajamaan osakuormalla. Paisuntakäyrän ylempi loivempi osa kuvaa osasyöstetyn säätöpyörän toimintaa. Normaalisti höyry paisuu pisteeseen 20 P4 asti, mutta ylimitoituksesta johtuen paisunta tapahtuu pisteeseen P2. Kaukolämpö tuotetaan normaalisti kahdessa vaiheessa (kahdella lämmönsiirtimellä), jolloin ensimmäisen vaiheen lämmitys tapahtuu höyryllä, joka otetaan turbiinin paisunnan lopusta (P2), ja toisen vaiheen lämmitys turbiinin välioton (Pl) höyryllä. Näistä ulosotoista viilaavat höyrymassa-virrat ovat tavallisesti jokseenkin yhtäsuuret eli noin puolet kaukolämpömassavirrasta. Las-... 25 kelmiä voidaan tällöin yksinkertaistaa olettamalla, että kaukolämpömassavirta otetaan koh dasta P3, jonka entalpia on kohtien Pl ja P2 entalpioiden keskiarvo. Nähdään, että ko. turbiini antaa massavirtayksiköstä sähköä (3412 - 2638)/3600 · 0,98 = 0,211 yksikköä.

Kuviossa 5 nähdään, kuinka oikein mitoitettu kaukolämpöturbiini ajaa talvella täydellä teholla, mutta ajotapa on väärä. Poistohöyry tulee nimittäin turbiinista ulos 120 °C:na, vaik-30 ka olisi parempi ottaa se ulos 90 °C:na ja nostaa kaukolämpöveden lämpötila 90 °C:sta 120 °C:een esimerkiksi kattilan avulla. Kyseinen turbiini tuottaa sähköä (3412 - 2558)/3600 · 0,98 = 0,232 yksikköä.

Kuviossa 6 oikein mitoitettu kaukolämpöturbiini ajaa osateholla kesäkuormaa, jolloin kaukolämpöveden lämpötila nostetaan 70 °C:een. Lämmitys tapahtuu nyt yhdessä vaiheessa 35 höyryllä, joka otetaan turbiinin paisunnan lopusta (P2). Ko. turbiini tuottaa sähköä (3412 -2458)/3600· 0,98 = 0,260 yksikköä.

20 107183

Kuviossa 7 oikein mitoitettu kaukolämpöturbiini ajaa talvikuormaa oikealla tavalla, jolloin turbiinin poistohöyryn lämpötila on 90 °C. Nähdään, että kyseinen turbiini antaa kuvion 4 yhteydessä selitettyä laskentatapaa käyttäen sähköä (3412 - 2437)/3600 · 0,98 -0,266 yksikköä.

5 Kuviossa 8 on esitetty perinteinen lauhdevoimala merivesijäähdytyksellä Suomen oloissa. Nähdään, että turbiinin paisuntakäyrä on edellä esitettyjä pidempi. Perinteinen lauhdevoimala antaa sähköä (3412 - 2127)/3600 · 0,98 = 0,350 yksikköä mutta ei anna lainkaan lämpöä.

Kuviossa 9 on esitetty keksinnön mukaisen optimitoimisen aluelämpövoimalan iriitoi-10 tustapa. Nähdään, että keksinnön mukaisella pienvoimalalla parametrilla 60 bar 510 °φ ja isentrooppisella hyötysuhteella 90 % saadaan massavirtayksiköstä sähköä (3412 -2227)/3600 · 0,98 = 0,322 yksikköä eli lähes sama määrä kuin lauhdevoimalasta. Toirfiin-nan alkuvaiheessa aluelämpötehon ollessa vain 11 % lopullisesta tehosta, voidaan ilmäjääh-dytyssovellutuksella ilman alhaisen lämpötilan ansiosta, perinteistä merivesijäähdytettyä 15 lauhdeturbiinia paremman tyhjiön ansiosta, tuottaa sähköä polttoaineyksiköstä noin (3jll2 -2052)/3600 · 0,98 = 0,370 yksikköä eli enemmän kuin perinteisellä lauhdutusturbiinillä (vrt. edellä 0,350).

Kuvio 10 esittää Imatran Voima Oy:n omistuksessa olevan Kokkolan voimalaitoksen vaiheen III vastapainekaukolämpöturbiinin vastaanottotarkastuspöytäkirjoista otetut p^isun-20 takäyrät. Mittaviiva E5 näyttää nykyisen sähkönkehityksen vuosikeskiarvon, mittaviiva E6 ehdotetun sähköntuotannon 52 MW:n teholla ja mittaviiva E7 em. erikoissovelluksen $ (s.

17) avulla saavutetun hyötysuhdeparannuksen. Laitoksen vastaanottoa suoritettiin keinotekoisilla lämpökuormilla sen ylimitoituksen takia. Pienin takuupiste oli valittu tulevia kesäaikaisia tehoja ajatellen, joten se oli ajettavissa käyttöolosuhteissa (eniten oikealla oleva 25 paisuntakäyrä). Kyseinen kesäkuormapaisuntakäyrä jäi turbiinin koko tulevaisuudelle talvi-aikaistakin hyvyyttä osoittavaksi. Tänään sähköteholtaan 52 MW:ksi suunniteltu maksimitehoon 40 MW:iin 19 vuoden jälkeen yltänyt, ”tyhjäkäyntirotodynamo” käy jälleen vuoden 1978 alkulukemilla vuodenvaihteessa 1998/1999 sähköteholla 10 MW Kokkolan kaupungin sanottua lämmön ostosopimuksensa irti liian kalliin lämmön takia.

30 Kuvion 11 käyrä D3 esittää edellämainitun vaiheen III turbiinin saavutetun toimijatason v. 1997 18 vuoden jälkeen käyttöönotosta. Käyrä D4 näyttää oikeaa mitoitustapaa. (Pinta-ala AI vastaa apujäähdytystehoa ja pinta-ala A2 esimerkiksi Boost Energy Converterilla tai vastaavalla saatavaa lisäsähkön tuotantoa.

Periaatteellisessa kuviossa 12 on esitetty optimitoimisen aluelämpövoimalan lämipön-35 tuotantoperiaatetta. Ylempi viivoitettu alue A3 esittää latvavoimakoneen pakokaasuista peräisin olevaa lämpöä. Alempi viivoitettu alue A4 esittää talvikauden kalliimman sähköitarif- 2i 107183 fin aikaisen lämpöpumpun käyttövoimakoneen pakokaasuista saatavaa lämpöä ja viivoitta-mattomat alueet höyryvoimalaosan anergiasta peräisin olevaa lämpöä. Nuoli WT esittää talvitariffiaikaä ja nuoli ST kesätariffiaikaa. Viiva C3 esittää höyryvoimalaosan poistohöy-ryn normaalia optimimitoitustehoa ja viiva C4 osoittaa pääomasijoitusten herkkyysanalyysin 5 alentavaa vaikutusta optimimitoitustehoon.

Optimitoimisessa aluelämpövoimalassa lämmöntarpeen peruskuorma tuotetaan kauko-lämpöturbiinin sijasta paisunnaltaan pidemmän, lauhdeturbiinin tavoin toimivan, höyryturbiinin poistohöyryn anergiasta lämpöpumpputekniikalla, turbiinin tuottaessa päätuotteenaan perussähköä ja säätövoimaa. Latvateho tuotetaan osittain lämpöpumpuilla samasta pois-10 tohöyryn anergiasta ja osittain päätuotteenaan latvasähköä ja talviaikaista säätövoimaa tuottavan latvavoimakoneen pakokaasulämmöstä. Lisäksi osa talviaikaisesta lämmöntarpeesta tuotetaan mahdollisesti dieselkäyttöisen lämpöpumpun pakokaasulämmöllä. Pakokaasuläm-pöjen osuus vaihtelee vuodesta toiseen lähinnä ulkolämpötilasta ja sen kestoajasta johtuvista syistä, jotka vaikuttavat latvavoimakoneiden käyttöaikojen pituuteen latvavoiman kysynnän 15 kautta. Täten kylmänä talvena pakokaasulämmön osuus on suurempi kuin leutona talvena. Koska pakkaspäivät eivät ole aina peräkkäisiä vaan välillä esiintyy leutojakin päiviä, on puskurijärjestelmän varastosäiliöiden avulla saavutettavissa se että pakkaspäivinä varastojen lämpöä purettaessa anergian hyödyntämisteho saattaa nousta höyryvoimalan anergiatehon C4 yläpuolellekin vastaten anergiaosuutta A5.

20 Koska kyseinen voimala aloittaa toimintansa pienellä teho-osuudella lopullisesta aluelämpötehosta (noin 11 %), kaukolämpöpuolen investoinnit kestävät hyvin sen, että läm-pöpumpputehossa varmistetaan toimintaa ylimääräisellä sähkökäyttöisellä varapumppuyksi-köllä, jolloin aikaansaadaan oivallinen lämpöpumppukäyttövoiman kilpailuttamismahdolli-suus. Tästä syystä alemman viivoitetun alueen A4 suuruus saattaa vaihdella hintakilpailuti-. , 25 lanteiden mukaan. Mikäli aluelämpöperuskuorman ylempi tehoalue pakokaasulämpö pois lukien tuotetaan sähkökäyttöisellä varalämpöpumpulla, laitos hyödyntää hieman suuremman osuuden poistohöyryn ilmaisesta anergiasta.

Koska optimitoiminen aluelämpövoimala on pienvoimala, saatetaan hyvällä alueellisella kokonaisvaltaisella yhdyskuntasuunnittelulla löytää sellaisiakin sovellutuksia, joissa 30 polttoaineen käyttö aiheuttaa suurvoimalakäyttöön verrattuna joko tuntuvasti vähemmän tai • · ei ollenkaan hiilidioksidipäästöjä, jos esimerkiksi voimala suunnitellaan teollisuusalueen lähettyville, jonne on mahdollista sijoittaa myös suuresta jäähdytystarpeesta tunnettua elinkeinotoimintaa, kuten esimerkiksi teurastamo, jäätelötehdas ja vastaavaa. Tällöin perinteinen jäähdytys sähkökäyttöisillä jäähdytyskoneilla voidaan korvata hiilidioksidijäähdytyk-35 sellä kun kattilasta tulevat savukaasut jäähdytetään niin alhaiseen lämpötilaan että hiilidiok sidi nesteytyy. Tällöin jäähdytyksessä poissiirretyn anergian avulla voidaan samalla nostaa 22 107183 lämpöpumpulla kattilan palamisilman lämpötilatasoa. Nestemäinen paineenalainen hiilidioksidi voidaan siirtää pumpulla esimerkiksi teurastamon jäähdytyslaitteisiin. Koska hiilidioksidin käyttö jäähdytyksessä syrjäyttää tämänpäiväistä sähkön käyttöön perustuvaa jäähdytystä, vähentää se näin ollen hiilidioksidin kokonaispäästöä olkoonkin että näin käytetty 5 hiilidioksidi jäähdytyksen jälkeen joutuukin ilmakehään. Mikäli alueen lähettyvillä on käy tettävissä virtaava vesistö, johon jäähdytyskohteesta tuleva hiilidioksidi voidaan johtaa sen vapautumisen yhteydessä loppupaineestaan jolloin se taas kaasuuntuu, pienenee kaasupäästö edelleen vedessä tapahtuvan karbonaattimuodostuksen seurauksena. Tämän prosentuaalinen vaikutus on kuitenkin suhteessa niin pieni ettei se ratkaise nestemäisen hiilidioksidin j^äh-10 dytyssovellutuksen oikeutusta.

Kohteessa, jolle jäähdytystä tarvitsevaa elinkeinotoimintaa ei voida aikaansaada, <j>n mahdollista jäähdyttää hiilidioksidikaasu niin alhaiseen lämpötilaan, että se muuttuu hfilidi-oksidijääksi, jota voidaan hyödyllisenä (tarpeellisena) tuotteena markkinoida yleiseen (cul-jetusjäähdytystarkoitukseen. Tällöin jään valmistus yhdistettynä sähköntuotannon kanssa 15 korvaa osaltaan muualla jäähdytystarkoitukseen erikseen suoritettavan hiilidioksidijääyal- mistuksen. Päästöt vähenevät täten sähkönkehityksen osalta koko määrällään niin kauajn kuin täten toteutettu hiilidioksidijään valmistus syrjäyttää erillistä hiilidioksidijään valijnis-tusta. Hiilidioksidijäällä on muitakin käyttösovellutuksia kuin kuljetusten jäähdyttämirjen.

Eräänä erikoisratkaisuna voidaan myöskin jonkin tai joidenkin pienvoimalan alueelle 20 kerätä pilaantuneet palautetut kalkkierät joista voidaan muodostaa kalsiumlipeää. Tähä|i *<· voidaan sitoa voimalan savukaasussa oleva hiilidioksidi muodostaen kalkkikiveä jota myö hemmin voidaan käyttää uudelleen kalkin valmistukseen. Tällaisella toiminnalla voidaan lieventää tämänhetkisen hiilidioksidipäästön kasvihuoneilmiövaikutusta ja siirtää negatiivinen vaikutus pidemmälle ajanjaksolle, jolloin kasvien mahdollisuus hyödyntää päästöä pa-' . f . 25 ranee. Samalla kalkkikiven riittävyys kasvaa, joka on eduksi tuleville polville. Nykyään osa valmistetusta kalkista joutuu hukkaan pilaantumisen seurauksena. Mikäli kalkkikiven tju-delleenkäyttöä ei arvosteta, voidaan se käyttää myös alueellisena täyteaineena, jolloin s|itä ei ole ympäristölle haitallista vaikutusta. Maisemoinnin perustäyttöihin se tällöin soveltuisi hyvin. Tällaista toimintaa ei voida harjoittaa suurvoimaloiden yhteydessä, koska paikallinen 30 päästömäärä on liian suuri.

Myöskin muita lipeitä voidaan käyttää hyväksi absorboimaan pienvoimalan hiilidipksi- »· ·.

dikomponenttia savukaasuista. Täten pienvoimala tarjoaa tutkimuskohteen alueellisten jätteiden ja sivutuotteiden hyödyntämiselle kasvihuoneilmiötä vastaan taistellessamme. Ti ihän ongelmaan tuskin löytyy mitään kokonaisvaltaista ratkaisua, joten kaikki tilannetta para(nta-35 vat osaratkaisut on pyrittävä löytämään. Tätä tietä edeten ei muodostu sanottavia taloudellisia lisärasitteita tällekään sukupolvelle.

Claims (17)

1. 23 107183
2. 1. Optimitoiminen aluelämpövoiman tuotantomenetelmä yhdistettyä sähkön ja lämmön tuotantoa varten kaukolämpötehon jakoon osa-alueisiin pohjautuvalla sovellutuksella, tun- 5 nettu siitä, että: kaukolämpötehon alempi tehoalue tuotetaan lämpöpumpuilla, jotka käyttävät energialähteenään pääasiassa olennaisesti jatkuvastikäyvän, perussähköä ja säätösähköä tuottavan höyryvoimalaosan lauhdutusturbiinin tavoin toimivan turbiinin poistohöyryn aner-giaa,ja 10 kaukolämmön ylempi tehoalue tuotetaan osittain samaa anergiaa energialäh teenään käyttävillä lämpöpumpuilla ja osittain jaksottaisesti, tarpeen mukaan käyvän latva-ja lähinnä talviaikaista säätösähköä tuottavan, latvavoimakoneiston pakokaasulämmöllä, jolloin sekä sähkö että lämpö tuotetaan huomattavasti korkeammalla polttoaineen hyödyntämisasteella ja sähköä tuotetaan suhteessa lämpöön huomattavasti enemmän 15 kuin kuin perinteisissä lämpövoimaloissa, jolloin aluelämpövoimalan toiminnan alkuvaiheessa kaukolämpökuorman ollessa vajaalla teholla voidaan tuottaa suurempi sähkömäärä polttoaineyksiköstä kuin toiminnan loppuvaiheessa täydellä kaukolämpöteholla ja jolloin latvavoimakoneistolla pystytään aikaisemmin tunnettuja rakaisuja pa-20 remmalla polttoaineen hyödyntämisasteella tuottamaan hyvin lyhyellä varoitusajalla lisälat- vatehoa tarpeen vaatiessa.
3. 2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä yhdistettyä sähkön ja lämmön tuotantoa varten, tunnettu siitä, että höyryvoimalaosan poistohöyry jäähdytetään kaasulla. 25 ‘ ‘ 3. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä yhdistettyä sähkön ja lämmön tuotantoa var ten, tunnettu siitä, että höyryvoimalaosan turbiinin mitoituslähtökohdaksi valitaan sellainen paistuman loppupaine ja poistohöyryn lämpötilataso, jotka ovat pienempiä kuin perinteisen kaukolämpöturbiinin ja suurempia kuin merivesijäähdytteisen kylmissä maissa toimivan 30 lauhdutusturbiinin vastaavat siten valittuina, että lauhduttimeen poistuva anergia on voimalaitosprosessin kannalta tarkasteltuna arvoton (ilmainen), jolloin ympäristölle aiheutuu mah- • · - dollisimman vähän haittaa vesistöön tai mereen joutuvasta lämmöstä.
4. 4. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä yhdistettyä sähkön ja lämmön tuotantoa var-35 ten, tunnettu siitä, että höyryvoimalaosan turbiinin mitoituslähtökohdaksi valitaan sellainen paisunnan loppupaine ja poistohöyryn lämpötilataso, jotka ovat pienempiä kuin perinteisen 107183 kaukolämpöturbiinin ja kohteessa, jossa ulkoilma on merivettä kylmempi, samansuuruisia tai alhaisempia kuin merivesijäähdytteisen lauhdutusturbiinin vastaavat siten valittunja, että j lauhduttimeen poistuva anergia on voimalaitosprosessin kannalta tarkasteltuna arvoton (ilmainen), jolloin ympäristölle aiheutuu mahdollisimman vähän haittaa, koska anergia jou-5 tuu ilmaan.
5. 5. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä yhdistettyä sähkön ja lämmön tuotantoa varten, tunnettu siitä, että höyryvoimalaosa suunnitellaan yhteiskäyttöiseksi suuren jäähdytys-tarpeessa olevan teollisuusyrityksen kanssa (teurastamon, jäätelötehtaan jne.), jonka j^äh- 10 dytyksessä käytetään savukaasuja jäähdyttämällä hiilidioksidikaasusta nestemäiseen muotoon muutettua hiilidioksidia, jolloin vähennetään korvattavan jäähdytyssähkön osalta sen tuottamiseen liittyviä hiilidioksidipäästöjä.
6. 6. Patenttivaatimuksen 5 mukainen menetelmä yhdistettyä sähkön ja lämmön tuotantoja var- 15 ten, tunnettu siitä, että savukaasujen hiilidioksidia muutetaan jäähdyttämällä jäämuotbon, jolloin se korvaa muualla esimerkiksi kuljetusjäähdytystarkoitukseen suoritettua hiilidioksidi ään valmistusta, jolloin laitos ei aiheuta lainkaan lisäystä hiilidioksidipäästöihin ja jjolloin osa jäähdytyksessä kaasusta poistetusta lämmöstä siirretään kattilan palamisilman lämmittämiseen. 20
7. 7. Patenttivaatimuksen 5 mukainen menetelmä yhdistettyä sähkön ja lämmön tuotanto^ varten, tunnettu siitä, että savukaasuissa oleva hiilidioksidi absorboidaan pilaantuneesta ke-räyskalkista kehitettyyn lipeään syntyvän kalkkikiven muotoon, joka voidaan käyttää esimerkiksi uuden kalkin valmistamiseen. 25
8. 8. Jonkin patenttivaatimuksen 1 - 4 mukainen menetelmä yhdistettyä sähkön ja lämmöt tuotantoa varten erikoisratkaisuna palavan yhdyskuntajätteen ja/tai teollisuuden sivutuotteiden hävittämiseen keskienergiaprosessilauhdevoiman tuottamiseksi, tunnettu siitä, että höyryvoimalaosa keskitetään tuottamaan sähkönsä mahdollisimman hyvällä käytettävyydellä 30 talvikuukausina, ns. keskienergian alueella, jolloin sähköntuotannosta saatava kate on hyvä, • · · käyttäen polttoaineena pääasiallisesti tai osittain yhdyskuntajätettä ja sivutuotteita, jollojin muina vuodenaikoina voidaan nojautua ostetun korvaussähkön välitykseen ja jätepolttopn liittyvien normaalia suurempien huolto-ja puhdistustoimenpiteiden suoritukseen seuraahan talvikauden hyvän käytettävyyden varmistamiseksi. ··' 35 107183
9. 9. Jonkin patenttivaatimuksen 1-7 mukainen menetelmä yhdistettyä sähkön ja lämmön tuotantoa varten sovellettuna aikaisempaan kaukolämpövoimalaan, tunnettu siitä, että voimalaitos varustetaan optimitoimiselle aluelämpövoimalalle ominaisella latvavoimakoneis-tolla siihen liittyvine pakokaasulämmön talteenottolaitteistoineen ja lämpöpumppuratkaisui- 5 neen, jolloin lämpöpumppujen lisälämmönlähteenä voi olla kaukolämmön paluuvesi.
10. 10. Patenttivaatimuksen 9 mukainen menetelmä yhdistettyä sähkön ja lämmön tuotantoa varten, tunnettu siitä, että tuotanto aloitetaan suoraan olennaisesti maksimaalisella kauko-lämpöteholla, joka voidaan saada turbiinin poistohöyryn anergiasta. 10
11. 11. Jonkin patenttivaatimuksen 1-7 mukainen menetelmä yhdistettyä sähkön ja lämmön tuotantoa varten sovellettuna alunperin puhtaasti sähköä tuottavaan lauhdevoimalaan, tunnettu siitä, että: lauhdevoimala varustetaan lähialueen lämpöhuoltoa varten sopivantehoisella 15 optimitoimiselle aluelämpövoimalalle ominaisella latvavoimakoneistolla siihen liittyvine pakokaasulämmön talteenottolaitteistoineen ja lämmönlähteenään laitoksen poistohöyryn anergiaa käyttävine lämpöpumppuineen ja kyseisen lähialueen lämmitystarpeen perusteho-osuus tuotetaan lämpöpumpuilla samasta energialähteestä. 20
12. 12. Jonkin patenttivaatimuksen 9-11 mukainen menetelmä yhdistettyä sähkön ja lämmön tuotantoa varten, tunnettu siitä, että voimalan höyrykattila muutetaan ja varustetaan uudella tekniikalla savukaasujen jäähdyttämiseksi, joka tekee syöttöveden esilämmittimet tarpeettomiksi, ja höyry paisuttuaan entisessä turbiinissa kuten aikaisemmin johdetaan syöttöveden . 25 esilämmittimien sijasta uuden pienturbiinin kautta lauhduttimeen, jolloin saatu lisäsähkö parantaa laitoksen taloutta.
13. 13. Jonkin patenttivaatimuksen 1 - 4 mukainen menetelmä yhdistettyä sähkön ja lämmön tuotantoa varten, tunnettu siitä, että entisen kaukolämpövoimalan lisäsähkön tuotantoa 30 varten sovellettu apulauhdutinmenetelmä, joka päästää suhteellisen arvokkaassa muodossa olevaa lämpöä ympäristöön, korvataan Boost Energy Converter - tekniikalla tai muulla Ran- • · V kine-kiertoon perustuvalla laitteistolla, joka ylimääräistä lisäsähköä tuottamalla laskee en-talpiatasoa, jolloin ympäristöön joutuva anergia on jopa kylmempi kuin merivedellä jäähdytetyn lauhdeturbiinin vastaava ja täten lisäsähkön tuotto kilpailukykyisempi kuin aikai-35 sempi apujäähdytinmenetelmään perustuva. • · · c 107183
14. 14. Jonkin patenttivaatimuksen 1-4 mukainen menetelmä yhdistettyä sähkön ja lämmön tuotantoa varten, tunnettu siitä, että aikaisemman ylimitoitetun kaukolämpövoimalan turbiini varustetaan paisunnaltaan pidemmällä matalapainepesällä lauhdevoiman tuottamiseksi aikaisemman kaukolämpövoiman sijasta. 5
15. 15. Optimitoiminen aluelämpövoimalaitos yhdistettyä lämmön ja sähkön tuotantoa varten, tunnettu siitä, että se sisältää: höyryvoimalaosan, jossa on lauhdutusturbiinin tavoin toimiva turbiini, perus-ja säätösähkön tuottamiseksi, 10 lämpöpumppulaitoksen kaukolämpötehon alemman tehoalueen tuottamiseksi käyttäen energialähteenään pääasiallisesti höyryvoimalaosan turbiinin poistohöyryn energiaa, latvavoimakoneiston lähinnä latvasähkön ja talviaikaisen vuorokausihuippu-sähkön tuottamiseksi tarpeen mukaan sekä 15 latvavoimakoneiston pakokaasulämmön talteenottolaitteiston sekä sen kanssa yhteistuotannossa toimivan niinikään höyiyvoimalaosan turbiinin poistohöyryn anergiaa energialähteenään käyttävän lämpöpumppulaitoksen kaukolämpötehon ylemmän tehdalueen tuottamiseksi osittain sanotun anergian avulla ja osittain latvavoimakoneiston pakokaasu-lämmöllä, 20 jolloin sekä sähkö että lämpö tuotetaan huomattavasti korkeammalla polttoai neen hyödyntämisasteella ja sähköä tuotetaan suhteessa lämpöön huomattavasti enemmän kuin kuin perinteisissä lämpövoimaloissa, jolloin aluelämpövoimalan toiminnan alkuvaiheessa kaukolämpökuormän ollessa vajaalla teholla voidaan tuottaa suurempi sähkömäärä polttoaineyksiköstä kuin toimin- 25 nan loppuvaiheessa täydellä kaukolämpöteholla ja jolloin latvavoimakoneistolla pystytään aikaisemmin tunnettuja rakaisuja paremmalla polttoaineen hyödyntämisasteella tuottamaan hyvin lyhyellä varoitusajalla lisälat-vatehoa tarpeen vaatiessa.
16. 16. Patenttivaatimuksen 15 mukainen optimitoiminen aluelämpövoimalaitos yhdistettyä • # .. sähkön ja lämmön tuotantoa varten, tunnettu siitä, että se sisältää välineet höyryvoimala osan poistohöyryn jäähdyttämiseksi kaasulla.
17. 17. Patenttivaatimuksen 15 tai 16 mukainen optimitoiminen aluelämpövoimalaitos yhd|is- 35 tettyä sähkön ja lämmön tuotantoa varten, tunnettu siitä, että sen höyryvoimalaosa sisältää » · t 5 107183 aiemman kaukolämpövoimalan, jonka turbiini on varustettu paisunnaltaan pidemmällä ma-talapainepesällä lauhdevoiman tuottamiseksi aikaisemman kaukolämpövoiman sijasta.