Modelling of a Combined Heat and Power Production for a Solid Fuel Heating Plant

Lämmön ja sähkön yhteistuotannolla eli CHP-tuotannolla tuotetaan Suomessa noin 30 % käytetystä sähköstä ja 75 % kaukolämmöstä. Yhteistuotannon kokonaishyötysuhde on korkea, ja sen avulla polttoaineen kulutusta voidaan vähentää jopa 35 % lämmön ja sähkön erillistuotantoon verrattuna. Tutkimusten perusteella Suomessa on potentiaalia yhteistuotannon määrän lisäämiselle, mutta suuret muuntamiskelpoiset voimalaitokset on jo muunnettu CHP-laitoksiksi. Siksi yhteistuotantoa voidaan lisätä muun muassa muuntamalla höyryä tuottavia lämpölaitoksia pienen kokoluokan yhteistuotantolaitoksiksi. Tässä diplomityössä mallinnettiin pienen kokoluokan CHP-tuotantoa Adven Oy:n eräällä kiinteää biopolttoainetta käyttävällä lämpölaitoksella, jossa tuotetaan kaukolämpöä eräälle kaupungille ja prosessihöyryä teollisuusasiakkaille. Tuotantomenetelmäksi valittiin kaukolämmönsiirtimeen liitettävä vastapaineturbiini. Työn yhteydessä kehitettiin Microsoft Officen Excelillä staattinen kokonaismalli, joka sisältää kaksi toiminallista osaa. Ensimmäinen osa on prosessimalli, joka on energia- ja massataseisiin perustuva kuvaus lämpölaitoksen prosessista, johon on liitetty mallinnettavaksi valittu vastapaineturbiini. Prosessimallissa käytetään sisäänmenoina kuukausittain vaihtuvia energiankulutusennusteita, joiden perusteella määritetään prosessin kuukauden keskimääräinen tuotantotilanne. Kokonaismallin toinen toiminnallinen osa on talousmalli, jossa lasketaan tarkasteltavan kuukauden ja koko vuoden sähköntuotannon taloudellinen tulos. Vuodelle lasketun nettokassavirran perusteella määritetään sähköntuotantolaitteiston investoinnin annuiteetti, nykyarvo, sisäinen korkokanta ja korollinen takaisinmaksuaika. Kehitetyn mallin avulla arvioitiin sähköntuotannon prosessiteknisiä edellytyksiä lämpölaitoksella sekä tuotannon taloudellista kannattavuutta. Mallilla tarkasteltiin erikseen laitoksen omakäyttösähkön sekä omakäyttö- ja myyntisähkön tuotannon kannattavuutta. Tehtyjen simulaatioiden perusteella pelkän omakäyttösähkön tuottaminen ei ole kannattavaa, sillä mallinnuksessa käytetty kolmen megawatin turbiini on tähän tarkoitukseen ylimitoitettu, ja siksi keskimääräinen sähköntuotanto on mahdollista vain viitenä kuukautena vuodessa. Kun laitoksella tuotetaan sähköä myös myyntiin, kuukauden keskimääräinen turbiiniteho määräytyy kaukolämmön kulutuksen perusteella, ja tällöin laitoksen omakäytön ylittävä osa sähköstä myydään. Näin sähköä voidaan tuottaa seitsemänä kuukautena vuodessa, ja tuotanto on kannattavaa erityisesti, jos myydylle sähkölle maksetaan tuotantotukea ja investointia tuetaan energiatuella. Tuloksille tehdyn herkkyystarkastelun perusteella varsinkin kaukolämmön kulutuksen lisääntyminen parantaa sähköntuotannon kannattavuutta merkittävästi