Yhdistetty sähkön- ja lämmöntuotanto

Pienen kokoluokan sähkön- ja lämmöntuotannolla (Pien-CHP) tarkoitetaan yleensä pienvoimalaa, jonka sähköntuotantoteho on 1-2 MW (MWe). Lämpöteho on tällöin 3-5 MWh. Joskus pien-CHP-laitoksen ylimmäksi nimellistehoksi katsotaan 10 MW.

Yhdistetyn sähkön- ja lämmöntuotannon etuna on korkea kokonaishyötysuhde, jolloin sähköntuotannon osuus vaihtelee 30 % molemmin puolin käytetystä tekniikasta riippuen.

Pien-CHP tuotetaan pääosin neljällä eri perustekniikalla:

• Polttomoottorit ja kaasuturbiinit
• Höyryturbiinit ja muut höyryvoimalaitteet
• Muut välittäjäaineisiin liittyvät tekniikat
• Polttokennot
  

Näistä tekniikoista yhdessä erilaisten polttoaineiden kanssa syntyy suuri määrä erilaisia ja eri kehitysvaiheessa olevia voimalaitosratkaisuja. Jotkut niistä ovat hyvin toimivia ja toiset pitkän kehitystyön jälkeen juuri kaupallistamisvaiheen saavuttamassa. Lisäksi on lupaavia tekniikoita, jotka tarvitsevat vielä suuria kehityspanoksia ja uusia materiaaliratkaisuja.

Seuraavassa esitellään joitakin uusiutuvaan energiaan perustuvia toimivia tai lupaavia pien-CHP-ratkaisuja.

Polttomoottorit ja kaasuturbiinit

Sähkön ja lämmön tuottaminen biokaasulla polttomoottorissa tai kaasuturbiinissa on tällä hetkellä toimivin pien-CHP-ratkaisu. Anaerobisessa biokaasureaktorissa tuotettu kaasu on helppo puhdistaa polttomoottori- tai kaasuturbiinikelpoiseksi.

Näin toimivia erikokoisia biokaasuvoimalaitoksia on kauan ollut käytössä jätevedenpuhdistamojen lietebiokaasureaktorien yhteydessä. Suurimmissa jätevedenpuhdistamoissa ja kaatopaikoilla biokaasun tuotanto on tasaista, joten sähkön ja lämmön kaupallinen, tai oma hyödyntäminen on helppo ratkaista.

Maatilojen karjanlannalla ja peltobiomassoilla tuotettu kaasuenergia on melko yksinkertaisilla ratkaisuilla muunnettavissa sähköksi ja lämmöksi. Kaasun käyttö kesäkaudella on ongelma. Maatilan sesonkiluonteinen suuri sähkön ja lämmön kulutuksen vaihtelu vaikeuttaa biokaasulaitoksen järkevää suunnittelua.

Maatilan CHP-laitoksen ongelma on lämmön hyödyntäminen. Etäisyys taajaman lämpöverkkoon on liian pitkä ja oma käyttö vähäistä. Yksi mahdollisuus voisi olla kaasun johtaminen lähitaajaman CHP-laitokseen, joka syöttäisi biokaasulla tuotetun sähkön ja lämmön omiin paikallisiin verkkoihinsa.

Kaasuturbiinilaitos mikroturbiineilla on uutta Suomessa kehitettyä teknologiaa, joka on tällä hetkellä laajemmassa käytössä Keski-Euroopassa.

Vastavirtakaasutukseen, kaasun tehokkaaseen puhdistamiseen ja sen moottorikäyttöön perustuu suuri 2-20 MW polttoainetehon Novel-CHP-laitos Kokemäellä. Uuden laitoksen koeajovaihe on päättymässä vuonna 2007.

Myötävirtakaasutukseen (häkäpönttö) perustuvia pieniä sähkön ja lämmön tuotantoyksiköitä on Suomessa kehitystyön alla useampia.

Höyryvoimalaitokset

Höyryvoimalaitokset ovat yleisesti käytössä suuren kokoluokan energiantuotannossa. Pieniä höyryturbiini-, höyrykone- ja -moottorivoimaloita, n. 1 MWe, on otettu käyttöön viime vuosina. Uudenaikaisten höyrymoottorien kanssa on ollut teknisiä ongelmia. Tavallisesti näissä pien-CHP-laitoksissa lämpöenergia tuotetaan hakekattilalla.

Välittäjäaineisiin liittyvät tekniikat

Höyryn ohella muita keinoja lämpöenergian muuttamiseksi sähköksi ja lämmöksi välittäjäaineen avulla ovat Stirling-moottori ja orc-teknologia. Stirling-moottori on vanha keksintö, mutta sen käyttöä CHP-laitoksissa tutkitaan ja kokeillaan vasta nyt. Tehdyt laitokset ovat kokoluokaltaan 10 - 100 kWe. Lämmittämiseen voidaan käyttää kaikkia tarjolla olevia biopolttoaineita mutta myös auringon lämpöä.

ORC-laitoksessa hyödynnetään orgaanisen välitysaineen muutosta nesteolomuodon ja kaasun välillä. Keski- ja Etelä-Euroopassa on rakennettu joitakin kokeilu- ja esimerkkikohteita. Laitoskoko vaihtelee välillä 500-1 500 kWe.

Polttokennot

Polttokennot ovat edelleen intensiivisen tutkimuksen ja kehittämisen kohteena varsinkin autojen energialähteeksi. Paikallisen sähkön ja lämmön tuottamiseen on olemassa laitoksia, joiden käyttöaineena on vety. Maa- ja biokaasun käyttöön kehitetään laitoksia, joilla voidaan päästä jopa kiinteistökohtaisiin energiantuotantoyksiköihin. Polttokennoratkaisujen ongelmana on vielä laitosten korkea hinta.

Häkäkaasun pienimuotoiseen (hiilimonoksidi-CHP) tuottamiseen perustuvia sähkön ja lämmön tuotantoyksikköjä kehitetään myös. Mallina ovat häkäpönttöautoissa käytettävät myötävirtakaasuttimet. Myötävirtakaasutinta ei voida rakentaa suureksi tuotantoyksiköksi.