Oulun ammattikorkeakoulu
ePooki 12/2018

Aurinkoenergian hyödyntäminen hakkeen kuivauksessa

16.3.2018 ::

Metatiedot

Nimeke: Aurinkoenergian hyödyntäminen hakkeen kuivauksessa

Tekijä: Hilli Anu; Posio Mikko

Aihe, asiasanat: aurinkoenergia, ekoenergia, hake, maatilat, polttohake

Tiivistelmä: Merkittävä osa maatalouden käyttämästä energiasta on tuotettu uusiutuvilla energiamuodoilla. Puuta käytetään pääasiassa lämmöntuotantoon hake- ja pellettikattiloissa. Usein uusilla energiaratkaisuilla pyritään lisäämään maatilojen energiaomavaraisuutta. Myös olemassa olevien lämmön- tai sähköntuotannon järjestelmien tehokas hyödyntäminen lisää energiaomavaraisuutta. Tämän julkaisun tarkoitus on selvittää hakkeen kuivauksen mahdollisuutta aurinkoenergiaan perustuvalla käyttöveden lämmitysjärjestelmän lämmöntuotannolla.

Suomessa aurinko paistaa parhaiten huhtikuusta syyskuuhun. Maaliskuulta syyskuulle aurinkokeräimien tuottama lämpöenergia ei kulu kokonaan käyttöveden lämmittämiseen neljän hengen taloudessa. Lämpöenergiaylijäämää muodostui 3 368 kWh. Tällä lämpöenergiaylijäämällä haketta voitaisiin kuivata 36 i-m³, kun lämpöenergian kulutus hakkeen kuivauksessa on keskimäärin 93 kWh/i-m³.

Suurin hyöty hakkeen kuivauksesta saadaan sen energiasisällön nousun myötä. 20–25 %:n kosteuspitoisuuteen kuivatun hakkeen energiasisältö on 1,01 MWh/i-m³, kun tuoreen hakkeen energiasisältö on keskimäärin 0,54 MWh/i-m³. Kuivan hakkeen käyttö nostaa kattilan tehoa ja parantaa sen hyötysuhdetta. Lisäksi kuivan hakkeen käyttöä puoltaa puhtaampi palaminen.

Julkaisija: Oulun ammattikorkeakoulu, Oamk

Aikamääre: Julkaistu 2018-03-16

Pysyvä osoite: http://urn.fi/urn:nbn:fi-fe201803063764

Kieli: suomi

Suhde: http://urn.fi/URN:ISSN:1798-2022, ePooki - Oulun ammattikorkeakoulun tutkimus- ja kehitystyön julkaisut

Oikeudet: Julkaisu on tekijänoikeussäännösten alainen. Teosta voi lukea ja tulostaa henkilökohtaista käyttöä varten. Käyttö kaupallisiin tarkoituksiin on kielletty.

Näin viittaat tähän julkaisuun

Hilli, A. & Posio, M. 2018. Aurinkoenergian hyödyntäminen hakkeen kuivauksessa. ePooki. Oulun ammattikorkeakoulun tutkimus- ja kehitystyön julkaisut 12. Hakupäivä 13.12.2018. http://urn.fi/urn:nbn:fi-fe201803063764.

Maatiloilla käytetään huomattava määrä energiaa sekä sähkön- että lämmöntuotannossa.  Puupohjaiset lämmitysjärjestelmät ovat maatiloilla yleisiä ja energiaratkaisuina ne ovat ympäristöystävällisiä ja raaka-aine on uusiutuvaa. Maatilojen keskikoko on kasvanut, joten tehokkaat energiaratkaisut ovat osa maataloustuotannon toimintaedellytyksiä ja kilpailukyvyn kehittämistä. Tämän julkaisun tarkoitus on selvittää hakkeen kuivauksen mahdollisuutta aurinkoenergiaan perustuvan käyttöveden lämmitysjärjestelmän lämmöntuotannolla.

Johdanto

Aurinko säteilee maapallolle 174 petawatin teholla. Ilmakehän rajalla yhden neliömetrin kokoiselle pinnalle säteilevän auringon teho on 1,35–1,39 kW, tätä arvoa kutsutaan aurinkovakioksi. Välittömäksi aurinkovakioksi kutsutaan puolestaan säteilyn tehoa, joka kohtaa maanpinnan. Päiväntasaajalla välitön aurinkovakio on päivällä noin 0,8–1,0 kW/m². Suomessa aurinko paistaa parhaiten huhtikuusta syyskuuhun ja vaakatasoon saatava vuosittainen energiamäärä on Etelä-Suomessa noin 1000 kWh/m² ja Keski- ja Pohjois-Suomessa noin 800–900 kWh/m². (Kuva 1.) Ilmatieteen laitos. 2018. Auringon säteily ja kirkkausvaihtelut. Hakupäivä 26.1.2018. http://ilmatieteenlaitos.fi/sateily-ja-kirkkausvaihtelut Erat, B., Erkkilä, V., Nyman, C., Peippo, K., Peltola, S. & Suokivi, H. 2008.  Aurinko-opas aurinkoenergiaa rakennuksiin. Hakupäivä 9.1.2018. http://docplayer.fi/2523956-Aurinko-opas-aurinkoenergiaa-rakennuksiin.html Heinonen, I. 2012. Aurinko-opas. Aurinkolämmön ja -sähkön energiatuotannon laskennan opas. Hakupäivä 24.1.2018. http://www.ym.fi/download/noname/%7BF4F73E83-56AF-4112-AD7B-0E1F1804D38B%7D/30750

KUVA 1. Auringosta saapuvan säteilyn tehon keskiarvo maapallolle on 340 w/m², josta 51 % saavuttaa maapallon pinnan. Loput säteilystä heijastuu takaisin avaruuteen (kuva avautuu suuremmaksi klikkaamalla) KUVA 1. Auringosta saapuvan säteilyn tehon keskiarvo maapallolle on 340 w/m², josta 51 % saavuttaa maapallon pinnan. Loput säteilystä heijastuu takaisin avaruuteen. Teoksessa National Aeronautics and Space Administration. Earth's Energy Budget. Hakupäivä 14.2.2018. https://science-edu.larc.nasa.gov/energy_budget/pdf/ERB-poster-combined-update-3.2014.pdf

Yleisimmin auringon lämpöenergiaa hyödynnetään Suomessa käyttöveden ja rakennusten lämmittämiseen. Auringosta saatavaa lämpöä käytetään aina yhdessä muun lämmitysjärjestelmän kanssa, koska olosuhderiippuvaisena energiamuotona aurinkolämpö ei yksistään riitä ympärivuotisessa asuinkäytössä olevan rakennuksen lämmön lähteeksi. Aurinkolämpöjärjestelmän mitoituksessa otetaan huomioon kohteen kokonaisenergiantarve vaihteluineen, asukasmäärä, tekniset yksityiskohdat ja mahdolliset olemassa olevat lämmitysjärjestelmät ja varaajat. Motiva. 2018.  Uusiutuva energia. Hakupäivä 31.1.2018. https://www.motiva.fi/ratkaisut/uusiutuva_energia/aurinkolampo/hankinta_ja_asennus/aurinkolampojarjestelman_mitoitus

Aurinkolämmitysjärjestelmään kuuluvat keskeisimmät järjestelmän osat ovat aurinkokeräimet, pumppuyksikkö, varaaja, putkisto, ohjainyksikkö, paisunta-astia sekä lämmönvaihdin. Pumppuyksikkö kierrättää nestettä keräinten ja varaajaan liitetyn lämmönvaihtimen välillä. Ohjainyksiköllä säädetään pumpun tehoa aurinkokeräinten ja vesivaraajan lämpötilaerojen mukaan. Lisäksi järjestelmään kuuluvat ilma- ja varoventtiilit. Erat, B., Erkkilä, V., Nyman, C., Peippo, K., Peltola, S. & Suokivi, H. 2008.  Aurinko-opas aurinkoenergiaa rakennuksiin. Hakupäivä 9.1.2018. http://docplayer.fi/2523956-Aurinko-opas-aurinkoenergiaa-rakennuksiin.html Motiva. 2018.  Uusiutuva energia. Hakupäivä 31.1.2018. https://www.motiva.fi/ratkaisut/uusiutuva_energia/aurinkolampo/hankinta_ja_asennus/aurinkolampojarjestelman_mitoitus

Aurinkokeräin muuttaa vastaanotetun auringon säteilyn lämmöksi. Lämpö siirretään väliaineen mukana lämpövaraajaan tai otetaan suoraan käyttöön. (Kuva 2.) Lämmönsiirron väliaineena käytetään nestettä tai ilmaa. Tasokeräimissä käytetään yleensä nestettä. Ympäri vuoden käytettävissä keräimissä lämmönsiirtonesteenä voidaan käyttää esimerkiksi vesi-propyleeni-glykoliseosta tai vesi-etyleeni-glykoliseosta. Lämmönsiirtonesteenä voidaan käyttää myös vettä, mutta tällöin jäätymisen tulee olla estetty. Lämmitysvaraajassa auringolla tuotettu lämpö siirretään lämmönvaihtimen kautta varaajan veteen. Jäähtynyt lämmönsiirtoneste puolestaan palautetaan pumpun avulla takaisin aurinkokeräimeen. Erat, B., Erkkilä, V., Nyman, C., Peippo, K., Peltola, S. & Suokivi, H. 2008.  Aurinko-opas aurinkoenergiaa rakennuksiin. Hakupäivä 9.1.2018. http://docplayer.fi/2523956-Aurinko-opas-aurinkoenergiaa-rakennuksiin.html Aurinkoenergiaa.fi. 2017. Aurinkoenergiaa Suomessa. Hakupäivä 24.1.2018.         http://www.aurinkoenergiaa.fi/aurinkoenergiaa.html

Kalle Hoppulan tilalle asennetut aurinkolämpökeräimet

KUVA 2. Kalle Hoppulan tilalle asennetut aurinkolämpökeräimet. Keräinten tuottama lämpö otetaan talteen lämpökeskuksen yhteydessä olevaan varaajaan (kuva: Mikko Posio)

Maatiloilla energiankulutus vaihtelee huomattavasti tuotantosuunnittain. Tuotantosuunnittain suurimmat energiankulutukset ovat puutarha- ja siipikarjataloudessa. Esimerkiksi maitotiloilla energian kokonaiskulutuksen keskiarvo on 135 MWh ja siipikarjataloudessa 587 MWh/tila. Suurin osa energiankulutuksesta maataloudessa kohdistuu työkoneisiin ja tuotantotilojen valaistukseen ja lämmitykseen sekä asuinrakennuksen lämmön- ja sähkönkulutukseen. Keskimäärin 33 % energiankulutuksesta käytetään työkoneiden polttoaineisiin ja 29 % tuotantotiloihin. Käytetystä energiasta kuluu keskimäärin 19 % sekä viljankuivaukseen että asuinrakennuksiin. Työ- ja elinkeinoministeriö. 2011. Maatalouden vuosittainen energiakäytön jakautuminen. Tietosarka. 2013. Tietosarka 2. TIKE - Maa- ja metsätalousministeriön tietopalvelukeskus.

Yleisimmin maatiloilla lämmitysjärjestelmät ovat puupohjaisia tai perustuvat sähköön. Puupohjaisissa lämmitysjärjestelmissä käytetään haketta, pilkkeitä tai pellettiä. Muita yleisesti käytettyjä lämmitysjärjestelmän muotoja ovat öljy ja maalämpö. Uusiutuvista energiamuodoista hyödynnetään puun ohella biokaasua, aurinkoenergiaa ja tuulivoimaa. Viirimäki, J. (toim.) 2008. Maatilan hakelämmitysopas. Metsäkeskukset. Hakupäivä 9.1.2018. http://www.energiatehokaskoti.fi/files/450/Maatilan_hakelammitysopas.pdf Kinnunen, E. 2013. Maatilan kiinteät biopolttoaineet. Hakupäivä 1.2.2018. http://www.ilmase.fi/site/wp-content/uploads/2013/10/Kinnunen_28112013.pdf Julkaisussa selvitetään hakkeen kuivauksen mahdollisuutta maatilalla, jossa tilan päärakennuksessa aurinkokeräinten tuottamaa lämpöä käytetään lämpimän käyttöveden lämmittämiseen.

Laskelman taustatiedot

Työssä mallinnettiin aurinkoenergian hyödyntämistä hakkeen kuivauksessa. Laskelman pohjaksi valittiin maatila, jossa hakkeen kulutus on vuodessa 120 i-m³ Viirimäki, J. (toim.) 2008. Maatilan hakelämmitysopas. Metsäkeskukset. Hakupäivä 9.1.2018. http://www.energiatehokaskoti.fi/files/450/Maatilan_hakelammitysopas.pdf. Aurinkokeräinten tuottamaa lämpöä käytetään asuinrakennuksessa käyttöveden lämmittämiseen. Laskelmassa aurinkolämpökeräimiä oli kahdeksan, yhden keräimen pinta-ala on kaksi neliömetriä, joten keräinten kokonaispinta-alaksi muodostui 16 m². 

Aurinkokeräimet olivat tyypiltään tasokeräimiä. Lämpimän käyttöveden kulutus laskettiin neljän hengen kulutuksen mukaan (taulukko 1). Aurinkokeräimistä saatu lämpö johdetaan tilan lämpökeskuksen varaajaan, samaa varaajaa lämmitetään talviaikaan hakekattilalla. 

Aurinkokeräimen tuottoa laskettaessa aurinkokeräimen säteilyn hyötysuhteena käytettiin 50 %. Aurinkokeräimen hyötysuhde laskee lämmönsiirtonesteen ja ulkolämpötilan välisen eron kasvaessa. Aurinkokeräinten kallistuskulmana käytettiin 45 astetta. Erat, B., Erkkilä, V., Nyman, C., Peippo, K., Peltola, S. & Suokivi, H. 2008.  Aurinko-opas aurinkoenergiaa rakennuksiin. Hakupäivä 9.1.2018. http://docplayer.fi/2523956-Aurinko-opas-aurinkoenergiaa-rakennuksiin.html Laskelmassa kallistuksen korjauskertoimena käytettiin 0,93 ja keräinpiirin häviökerroin oli 0,8 Heinonen, I. 2012. Aurinko-opas. Aurinkolämmön ja -sähkön energiatuotannon laskennan opas. Hakupäivä 24.1.2018. http://www.ym.fi/download/noname/%7BF4F73E83-56AF-4112-AD7B-0E1F1804D38B%7D/30750. Loivaa kallistuskulmaa voidaan käyttää kesäaikaisessa energian tuotossa, mutta 45 asteen kulmalla keräimet tuottavat energiaa läpi vuoden. Tätä jyrkempiäkin kallistuskulmia voidaan käyttää, mutta tällöin kesäaikainen energiantuotto on alhaisempi Motiva. 2018.  Uusiutuva energia. Hakupäivä 31.1.2018. https://www.motiva.fi/ratkaisut/uusiutuva_energia/aurinkolampo/hankinta_ja_asennus/aurinkolampojarjestelman_mitoitus

Hakkeen kuivauksen lämmönkulutus vaihtelee kuivurityyppien ja kuivaustavan mukaan. Lämmönkulutus on keskimäärin 1 kWh/kg vettä, vaihtelua on noin ± 10 prosenttia Niemitalo, V. 2011. Hakkeen kuivaus. Yhteenveto eri koe- ja tutkimustoiminnasta. Ammattiopisto Lappia. Hakupäivä 19.1.2018. http://docplayer.fi/385024-Hakkeen-kuivaus-yhteenvetoa-eri-koe-ja-tutkimustoiminnasta.html Kauppinen, V-P. (toim.) 2014. Puun kuivaaminen. Puupolttoaineen kuivuriopas. Vammalan kirjapaino Oy, Vammala. Hakupäivä 9.1.2018. https://www.metsakeskus.fi/sites/default/files/kuivuriopas-web.pdf. Käytettäessä kylmäilmakuivausta ulkoilman lämpötila ja kosteuspitoisuus vaikuttavat huomattavasti kuivauksen lämpöenergian kulutukseen. Lämpöenergian kulutus hakkeen kuivauksessa on noin 100 kWh/i-m³, kun ulkoilman lämpötila on +15 °C. Mikäli ulkoilman lämpötila on -15 °C, kuluu lämpöenergiaa 160 kWh kuivattavaa hakeirtokuutiometriä kohden. Tässä laskelmassa hakkeen kuivauksen lämpöenergian tarpeena käytettiin 93 kWh irtokuutiometriä kohden. Kauppinen, V-P. (toim.) 2014. Puun kuivaaminen. Puupolttoaineen kuivuriopas. Vammalan kirjapaino Oy, Vammala. Hakupäivä 9.1.2018. https://www.metsakeskus.fi/sites/default/files/kuivuriopas-web.pdf Laskelmassa hakkeen lähtökosteutena käytettiin 45 % ja sen loppukosteutena 20 %.

Tulokset ja tulosten tarkastelu

Laskelman mukaan maaliskuulta syyskuulle aurinkokeräinten tuottama lämpöenergia ei kulu kokonaan lämpimän käyttöveden lämmittämiseen, vaan muodostuu ylijäämää 200–700 kWh kuukautta kohden. Kaiken kaikkiaan maaliskuulta syyskuulle muodostuvalla aurinkoenergian tuottamalla lämpöenergiaylijäämällä voidaan kuivata 36 irtokuutiometriä haketta. Maalis- ja syyskuussa kuivattava määrä ilman lisäenergian käyttöä on vain noin kaksi irtokuutiota. (Taulukko 1.)

TAULUKKO 1. Aurinkokeräimen tuottama lämpöenergia ja sen käyttö hakkeen kuivauksessa

Kuukausi LKV lämmitys Aurinkokeräimen tuotto KWh Aurinkoenergian ylijäämä KWh Kuivattu hake i-m³
Tammi 404,43 65,27 0 0
Helmi 365,29 239,86 0 0
Maalis 404,43 601,60 197,17 2,12
Huhti 391,39 890,37 498,98 5,36
Touko 404,43 1 052,80 648,37 6,97
Kesä 391,39 992,64 601,25 6,47
Heinä 404,43 1 106,94 702,51 7,55
Elo 404,43 860,29 455,88 4,90
Syys 391,39 655,74 264,35 2,84
Loka 404,43 240,64 0 0
Marras 391,39 72,192 0 0
Joulu 404,43 24,064 0 0
Yhteensä 4 762 6 802 3 368 36

Maatilakokoluokan pienet arinakattilat vaativat hyvin toimiakseen laadultaan hyvää haketta. Hake on laadukasta, kun sen kosteuspitoisuus on alle 30 % ja palakokojakauma on tasainen Bioenergianeuvoja.fi. 2018. Bioenergian pikkujättilainen. Biopolttoaineet. Hanke. Laatu. Hakupäivä 19.1.2018. http://www.bioenergianeuvoja.fi/biopolttoaineet/hake/laatu/. Alle 1 MW hakekattiloissa suositellaan käytettäväksi haketta, jonka kosteuspitoisuus on 20–25 % ja maksimikosteus 40 % Säätötuli Oy. 2017. Hakupäivä 19.1.2018. https://www.ariterm.fi/saatotuli/biolammitys/polttoaineet/hake/.

Suurin hyöty kuivatun hakkeen käytöstä saadaan kovien pakkasten aikana, sillä kuivaa haketta käytettäessä kattilan teho ja hyötysuhde kasvavat. Tuoreen hakkeen energiasisältö on keskimäärin 0,54 MWh/i-m³ ja 35 %:n kosteuspitoisuuteen kuivatun hakkeen energiasisältö on puolestaan 0,85 MWh/i-m³. Mikäli hake kuivataan 20–25 %:n kosteus-pitoisuuteen, sen energiasisältö on 1,01 MWh/i-m³. Energiapalvelu.fi. 2017. Energialaskuri. Hakupäivä 24.1.2018. http://energiapalvelu.fi/fi/energialaskuri

Muutoin maatilalla tarvittavan hakkeen kuivauksessa kannattaa hyödyntää hakkeeksi käytettävän energiapuun kuivausta välivarastossa luonnonolosuhteissa. Hakkeeksi käytettävää energiapuuta kannattaa kuivata vähintään yhden kesän yli aurinkoisella ja tuulisella paikalla. Vuoden verran hyvissä olosuhteissa kuivuneen energiapuun kosteuspitoisuus voi laskea jopa 30–35 %:iin, mutta yleensä kosteuspitoisuus jää tätä korkeammaksi. Lepistö, T. (toim.) 2010. Laatuhakkeen tuotanto-opas. 2. p. Metsäkeskukset. Sastamala: Vammaspaino. Hakupäivä 9.1.2018. https://www.metsakeskus.fi/sites/default/files/laatuhakkeen_tuotanto-opas_2.painos.pdf Raitila, J., Virkkunen, M. & Heiskanen, V-P. 2014. Metsäpolttoaineiden varastoitavuus runkoina ja hakkeena sekä lämmöntuotantoon integroitu metsäpolttoaineen kuivaus. Tutkimusraportti VTT-R-04524-14. VTT. Hakupäivä 24.1.2018. http://www.vtt.fi/inf/julkaisut/muut/2014/VTT-R-04524-14.pdf

Tyhjiöputkikeräimillä voitaisiin nostaa kuivattavan hakkeen määrää, sillä ne hyödyntävät auringon hajasäteilyä paremmin kuin tasokeräimet. Toisin sanoen ne toimivat paremmin pilvisellä säällä. Tyhjiöputkikeräimillä voidaan tuottaa energiaa jopa 30 % enemmän verrattuna tasokeräimiin, niistä olisi hyötyä syksyllä ja kevättalvella. Solartukku aurinkokeräinjärjestelmät. 2017. Esite. Hakupäivä 9.1.2018. http://www.varaaja.com/images/tiedostot/tuotteet/aurinkokeraimet/novasolar/Solar_aurinkokerain_esite.pdf

Uusilla energiaratkaisuilla pyritään lisäämään maatilojen energiaomavaraisuutta. Myös olemassa olevien lämmön- tai sähköntuotannon järjestelmien tehokas hyödyntäminen voi lisätä energiaomavaraisuutta tai -tehokkuutta. 

 


 

Julkaisu on laadittu osana PUUTA-hanketta (Puuraaka-aineen hyödyntäminen Utajärven kunnassa). Hanketta rahoittavat Pohjois-Pohjanmaan liitto, Euroopan aluekehitysrahasto ja alueen yritykset. Hankkeen toteuttavat Utajärven kunta, Oulun yliopiston kauppakorkeakoulu ja Oulun ammattikorkeakoulun luonnonvara-alan ja energia- ja automaation osastot.

                

Lähteet

    Kuvalähteet

      Kommentit

      blog comments powered by Disqus