Biobränslen

I dokument El från nya anläggningar (sidor 46-53)

4. Nya tekniker

4.2 Biobränslen

Biobränsle är ett begrepp som innefattar en mängd ganska olika bränslen. En uppdel-ning av dessa kan till exempel göras efter ursprung i trädbränsle, halmbränsle och ener-gigrödor. De förstnämnda kan vidare delas upp i skogsbränslen, återvunnet trädbränsle och energiskogsbränsle [27].

Ovan nämnda biobränslen kan användas i sin ursprungliga form (oförädlade) för pro-duktion av el och värme. Ett exempel är flisade hyggesrester med relativt hög fukthalt som direkteldas i pannor för värme- eller kraftvärmeproduktion.

Ett alternativ till detta är att förädla biobränslet, till exempel för att förbättra förbrän-nings- och lagringsegenskaperna. Vanliga exempel på detta är mekanisk sönderdelning och torkning för att producera ett mer homogent bränsle i form av pulver, pellets eller briketter. Dessa produkter eldas vanligen i något mindre pannor.

Biobränsle kan även förädlas/omvandlas till flytande och gasformiga produkter. Däri-genom kan biobränsle användas även i omvandlingstekniker vilka ursprungligen ut-vecklats för flytande eller gasformiga bränslen. Exempel är gasturbiner och förbrän-ningsmotorer där alternativet, att utveckla tekniken för att klara ett fast bränsle, kan vara svårt.

Nedan kommer ett antal omvandlingstekniker för produktion av el från biobränslen att behandlas. Vissa av dessa baseras på förbränning av ett fast bränsle medan andra inklu-derar en integrerad process där bränslet omvandlas till gasfas för att lättare kunna användas. I motorer och gasturbiner (liksom i pannor) kan även biobränsle i flytande form användas och de modifieringar som krävs för detta är relativt små. Då flytande bränslen också kan transporteras och lagras är det möjligt att separera produktion och användning av bränslet, varför bränsleförädlingen inte måste integreras med själva kraftvärmeproduktionen2. Därför begränsas framställningen här till en kortfattad

be-2 Bränslefabriken kan emellertid utformas som ett kombinat där överskottsvärme från processen ut-nyttjas för att producera värme och el.

skrivning av tekniken för att producera metanol, etanol och pyrolysolja från trädbräns-le, avsnitt 4.2.6.

4.2.1 IGCC – kombicykel med integrerad förgasning

Genom att termiskt förgasa biobränslen och använda den producerade gasen i en kom-bicykel kan elverkningsgraden höjas jämfört med konventionell teknik. Olika process-varianter är möjliga och två tekniker som utvecklas är förgasning i fluidiserande bädd vid atmosfärstryck respektive vid förhöjt tryck. Ett exempel på den förra är TPS tek-nik och figur 4.1 visar principen för denna.

Bränslet matas in i förgasaren och förgasningsreaktioner äger rum vid ca 900°C. Den producerade lågvärdesgasen innehåller en del tyngre kolväten, tjäror. För att undvika problem med kondenserande tjäror i gaskylare och reningsutrustning, leds gasen därför till en andra fluidiserande bädd med dolomit, där huvuddelen av gasens tjärinnehåll bryts sönder till lättare beståndsdelar. Gasen kyls därefter, bland annat genom värme-återvinning till ångcykeln, och renas i en våt skrubber innan den komprimeras och levereras till gasturbinen. Gasturbinens bränslesystem och brännkammare måste nor-malt modifieras för att klara det större volymflödet jämfört med designbränslet natur-gas. I övrigt är kombicykeln av konventionell typ med undantag för den extra ångpro-duktionen från gaskylaren.

Figur 4.1. Principskiss, kombicykel med integrerad atmosfärisk förgasning.(Med tillstånd från TPS.)

I figur 4.1 ses även en bränsletork som utnyttjar lågtemperaturvärme i rökgasen för att torka bränslet, innan det matas in i förgasaren. Anledningen är att ett torrare bränsle ger en gas med högre värmevärde. Torkbehovet varierar med bränslet men typiskt torkas färsk skogsbränsleflis från 50 % fukthalt till 10 – 15 %. Som ett alternativ till rökgaser kan ånga användas som torkmedium.

Cracker

Air

Air

Gas turbine

Gas compressor Gas purification

Gasifier

Dryer Preparation

Fuel

Fuel gas

Flue gas

Steam turbine Heat Recovery and

Steam Generation Stack

G Dolomite

Effluent Fly ash

Gas cooling

G

Electricity to local grid

En annan processvariant är Bioflows koncept med trycksatt förgasning vars princip visas i figur 4.2. Istället för att komprimera den producerade gasen trycksätts istället förgasaren. Luft till förgasaren tas från gasturbinens kompressor, komprimeras ytterli-gare i en booster-kompressor och tillförs förgasaren. Den producerade lågvärdesgasen kyls och renas i ett hetgasfilter vid ca 400°C varefter den förs direkt till gasturbinen.

Den högre temperaturen gör att huvuddelen av tjärorna i gasen förblir i gasfas och kan förbrännas i gasturbinens brännkammare.

Figur 4.2. Principskiss, kombicykel med integrerad trycksatt förgasning.

I figur 4.2 visas bara kombicykeln med integrerad förgasare men även detta koncept kräver att bränslet torkas innan det tillförs förgasaren.

Elverkningsgraden för demonstrationsanläggningar baserade på dessa tekniker har be-räknats till drygt 30 % (LHV). Optimerade anläggningar i kommersiell skala (30 – 100 MWe) bedöms kunna nå verkningsgrader i intervallet 40 – 45 % (LHV).

Kommersiell teknik bedöms kunna finnas på marknaden inom en tioårsperiod.

4.2.2 Småskalig förgasning

Även i mindre skala kan förgasning av biobränslen vara ett intressant alternativ. Det handlar då vanligen om förgasare av typen fast eller rörlig bädd, ofta i kombination med en förbränningsmotor. Förgasaren arbetar vid atmosfärstryck och gasreningen sker vid låg temperatur då en kall gas krävs för hög effekttäthet i motorn. För att kunna ta till vara värme från gaskylning och avgaser krävs koppling till värmekrävande process eller fjärrvärme.

Såväl diesel- som ottomotorer används och elverkningsgrader i samma storleksordning som för flytande bränslen uppnås, det vill säga 30 – 45 %. För anläggningen som helhet minskar dock elverkningsgraden, bland annat till följd av värmeförluster vid förgasning

och gasrening samt ökat internt elbehov, till exempel för gaskompression då en diesel-motor används. Vanliga storlekar för gasdiesel-motorer är 0,1 – 15 MW, vanligen med otto-motorer i nedre delen av effektintervallet och dieselotto-motorer i övre delen.

En enkel principskiss för en kraftvärmeanläggning med förgasning av biobränslen visas i figur 4.3. Förgasaren är här av nedströms fastbäddstyp. Gasen som tas ut från nedre delen av förgasaren har lågt tjärinnehåll och hög temperatur, runt 800°C. En begräns-ning för denna typ av förgasare är att den är svår att skala upp. Den övre gränsen för ett motorbaserat kraftvärmesystem verkar ligga kring 500 kWe [28].

För större anläggningar kan då en motströms förgasare vara ett alternativ. Jämfört med nedströmsförgasaren blir gastemperaturen lägre (~250°C) men tjärinnehållet blir samtidigt högre. För att undvika problem i nedströms utrustning (motor, gaskompres-sor) har katalytisk sönderdelning av bildade tjäror föreslagits. Mer utveckling krävs dock på detta område.

Figur 4.3. Princip för gasmotor med biobränsleförgasare.

Vilken typ av gasrening som krävs beror på typ av förgasare samt vilka krav som ställs på gaskvaliteten. En vanlig konfiguration består av en befuktare som kyler gasen ytter-ligare och mättar den med vattenånga, följd av en skrubber som avskiljer partiklar och kondenserade tjäror. Även vattenlösliga gaser som ammoniak avlägsnas.

Vid behov kan anläggningen kompletteras med en katalysator för reduktion av NOx -halten i avgaserna. Denna sitter då vanligen före avgaspannan.

Det är knappast troligt att tekniken blir kommersiellt intressant inom en 10-årsperiod.

4.2.3 Direkteldning

För att slippa integrera en förgasare i processen har direkteldning av fast bränsle, van-ligen träpulver, i gasturbiner och motorer föreslagits.

Ett projekt med denna inriktning drivs vid Luleå Tekniska Universitet. Där planeras att förbränna biobränsle i två steg: I det första steget förgasas träpulver i en cyklon som även avskiljer partiklar av aska och oförbränt. Därefter slutförbränns gasen i en mo-difierad gasturbinbrännkammare [29].

Mantelkylning

G

Gasrening

Motor Luft

Retur fjärrvärme

Laddluftkylning Smörjoljekylning Avgaspanna

Ren gas Bränsle

Gaskylare

Aska Luft

Till fjärrvärme

Ett problem med denna tillämpning är risken för erosion, främst av gasturbinskovlar, om bränsle eller askpartiklar följer med gasen. Alkalimetaller från bränslet kan även orsaka högtemperaturkorrosion.

Direkteldning av träpulver har även föreslagits för dieselmotorer. Forskning pågår till exempel på Chalmers. Beräkningar utförda vid Institutionen för Termo- och Fluiddy-namik visar att en dieselmotor med träpulver som bränsle når 30 % verkningsgrad, att jämföra med 45 % för samma motor vid dieseldrift [30]. Man har även en experi-mentrigg där man under våren 1999 har testat att köra träpulver i en cylinder i en sexcylindrig Volvo Penta dieselmotor. Körningarna som gjorts hittills är inte särskilt omfattande och flera problem kvarstår [55].

För liknande anläggningar med stenkol som bränsle anges elverkningsgraden till 35 – 45 % (LHV) för direkteldad gasturbin och till 35 – 40 % för direkteldad diesel [31].

Tekniken är fortfarande på forskningsstadiet och förväntas ej bli kommersiellt tillgäng-lig före år 2010.

4.2.4 Indirekt eldade gasturbiner

Ytterligare en möjlighet att använda biobränslen eller andra fasta bränslen i kombina-tion med gasturbiner är indirekt förbränning (extern eldning). Detta innebär att bräns-let eldas i en mer eller mindre konventionell fastbränslepanna och värmen överförs till gasturbinens arbetsmedium via en värmeväxlare. I figur 4.4 visas principen för detta, i form av en öppen gasturbincykel med luft som arbetsmedium. Även slutna cykler, med andra arbetsmedier, kan användas i kombination med extern eldning. I figuren visas även möjligheten att utnyttja luften från turbinutloppet som förvärmd förbrän-ningsluft (streckad linje).

För att höja verkningsgraden kan den indirekt eldade gasturbinen ingå som en kompo-nent i en kombicykel eller en HAT-cykel3.

Med extern eldning minskar risken att föroreningar från bränslet skadar turbinen, nå-got som annars är ett problem med fasta bränslen. Vidare kan förbränningen ske vid atmosfärstryck vilket bland annat förenklar inmatning av bränslet.

Figur 4.4. Indirekt eldad gasturbin.

3 Humid Air Turbine, se avsnitt 4.4.2.

Luft

G

Luft Bränsle

För närvarande begränsas teknikens prestanda av värmeväxlaren som överför värme från rökgaserna till arbetsmediet. Jämfört med turbininloppstemperaturen i moderna gasturbiner är den möjliga gastemperaturen ut ur värmeväxlaren relativt låg. Vidare utveckling krävs därför för att höja gastemperaturen och runt om i världen arbetar man med att utveckla såväl metalliska som keramiska material för hetgasvärmeväxlare. Till exempel medverkar Sydkraft, tillsammans med material- och värmeväxlartillverkare, i ett EU-projekt med inriktning mot utveckling av metalliska värmeväxlare som klarar 1100°C.

I [32] presenteras verkningsgrader för kombicykler med externeldade gasturbiner.

Tabell 4.2 återger en del av denna information och det framgår tydligt att gasturbinens inloppstemperatur har stor inverkan.

Konfiguration Termisk verkningsgrad (%) Turbininloppstemperatur (°C)

Metallisk VVX 41 840

Keramisk VVX 44 1 149

Tabell 4.2. Verkningsgrad för externeldade kombicykler med olika hetgasvärmeväxlare [32].

Tekniken kan eventuellt vara kommersiellt tillgänglig år 2010, främst för småskaliga applikationer. Detta förutsätter dock framgångsrik utveckling av hetgasvärmeväxlare.

4.2.5 Stirlingmotorer

En annan teknik som utnyttjar indirekt förbränning och en sluten gascykel är stirling-motorn. Stirlingmotorn är en kolvmotor med ett arbetsmedium, till exempel helium eller väte, som omväxlande värms och kyls. Genom att tillföra respektive bortföra värme vid konstanta temperaturer åstadkommer man en arbetsprocess som delvis ef-terliknar Carnotcykeln. Därmed finns också (teoretiska) förutsättningar för hög verk-ningsgrad. Därför har Stirlingmotorn studerats, utvecklats och testats för ett antal oli-ka applioli-kationer, från personbilar och u-båtar till små kraftvärmeanläggningar.

Eftersom värmetillförseln sker från en extern källa kan, förutom högvärdiga flytande och gasformiga bränslen, även fasta bränslen och till och med koncentrerat solljus ut-nyttjas. Två utvecklingslinjer är små gaseldade kraftvärmeenheter samt småskalig el-produktion med hjälp av soldrivna stirlingmotorer.

Dagens motorer arbetar typiskt vid 150 bar och med arbetstemperaturen 650 – 700°C. För motorer i storleken 10 – 30 kWe blir då den maximala verkningsgraden 32 – 40 %4 [33], [34]. Ytterligare ökning av arbetsmediets högsta temperatur skulle kun-na höja verkningsgraden men i nuläget verkar temperaturen begränsas av tillgängliga konstruktionsmaterial.

Stirlingmotorn används idag i olika applikationer, till exempel i ubåtar. Andra intres-santa applikationer är hybridfordon och elgenerering med koncentrerande solfångare.

Mot denna bakgrund bedöms stirlingmotorn vara kommersiellt tillgänglig, om ej klart

4 Avser motorns verkningsgrad med naturgas som bränsle. Netto elverkningsgrad med biobränsle är lägre på grund av ökat hjälpkraftbehov.

konkurrenskraftig, för energimarknaden år 2010, för bättre bränslen som naturgas.

Om även biobränsleeldade applikationer kommer att finnas är mer osäkert. Utveckling pågår emellertid även på detta område i bland annat USA och Danmark.

4.2.6 Flytande bränslen

Som nämndes i inledningen av detta kapitel kan biobränslen även förädlas till flytande form för att underlätta användning och för att förenkla lagring och transport. Exempel på flytande bränslen som kan produceras från trädbränsle är metanol, etanol och pyro-lysolja. Tillverkningsprocesser och egenskaper för dessa beskrivs kortfattat nedan.

Metanol

Det första steget i framställning av metanol från biobränsle är ett förgasningsförfaran-de liknanförgasningsförfaran-de förgasningsförfaran-det som beskrivits för IGCC ovan. I förgasningsförfaran-detta fall är förgasningen trycksatt och sker vid ca 1000°C. För att undvika en stor mängd kväve i den producerade gasen används rent syre som oxidationsmedel. Produkterna från förgasningen blir huvudsak-ligen CO, CO2, H2 och CH4. Efter värmeåtervinning och gasrening kan bildad CH4 sönderdelas katalytiskt eller termiskt innan förhållandet mellan CO och H2 justeras i en shift-reaktor. Gasblandningen komprimeras därefter ytterligare och med hjälp av en katalysator syntetiseras metanol ur kolmonoxid och väte.

Energiinnehållet i den producerade metanolen uppgår till ca 55 % av energin i tillfört bränsle. Genom värmeåtervinning till fjärrvärme kan ytterligare knappt 30 % nyttiggö-ras.

Produktionskostnaden för metanol från träbränsle uppskattas till ca 300–500 SEK/

MWh [35], [36].

Till följd av sitt höga oktantal är metanol ett lämpligt bränsle för ottomotorer. Vid ren metanoldrift kan ofta kompressionsförhållandet höjas något för att förbättra verk-ningsgraden. Genom tillsats av tändförbättrare kan metanol användas även i dieselmo-torer. Då metanolen är starkt korrosiv krävs vanligen utbyte av material i bland annat bränsleledningar. Vidare är metanolens giftighet en nackdel vid hantering.

Etanol

Etanol framställs från biobränslen genom ett jäsningsförfarande. I träbränsle är det cellulosainnehållet, och en del av hemicellulosan, som kan sönderdelas, hydrolyseras, till socker och jäsas till etanol. Den tredje stora beståndsdelen, lignin, kan inte sönder-delas utan erhålles som en restprodukt vilken efter avvattning och torkning kan använ-das som bränsle. Utbytet vid etanolframställning är lågt, mindre än 30 % av energiinne-hållet i tillfört bränsle återfinns i den producerade etanolen. En större del, drygt 40 %, återfinns i ligninbränslet som kan användas i någon form av fastbränsleanläggning.

Produktionskostnaden för etanol framställd från träbränsle uppskattas till 550 – 800 SEK/MWh [35], [37].

Precis som metanol har etanol högt oktantal och är därmed ett lämpligt bränsle för Otto-motorer. Likaså kan kompressionsförhållandet höjas för att förbättra verkningsgraden även vid etanoldrift. För användning i dieselmotorer är höjt kompressionsförhållande och inblandning av tändförbättrare nödvändigt. Etanolen är något mindre korrosiv än

meta-nol men kräver ändå utbyte av material i bland annat bränsleledningar. Flera exempel finns där bussar drivs med ren etanol och erfarenheterna är övervägande goda.

Pyrolysolja

Pyrolysolja tillverkas genom att finfördelat träbränsle snabbt upphettas till ca 400 – 500°C. Då pyrolyseras bränslet, det vill säga bränslets flyktiga beståndsdelar avgår, huvudsakligen i form av tyngre kolväten. Dessa kyls sedan och övergår då i en flytande fas som benämns pyrolysolja. Typiskt kan ca 70 % av tillfört biobränsle fås ut i form av pyrolysolja. En del av de flyktiga beståndsdelarna avgår i gasform istället och kan, till-sammans med koksåterstoden, användas för att täcka processens värmebehov för tork-ning och pyrolys.

Den producerade pyrolysoljan innehåller ganska mycket vatten (~20 %), bundet till ingående kolväten. Detta innebär att syreinnehållet blir högt och värmevärdet relativt lågt, i storleksordningen 20 MJ/kg. Oljan har vidare lågt pH-värde, ca 2,5, varför den är korrosiv och därigenom ställer krav på eldningsutrustningen. Lagringsbeständigheten är dålig men kan förbättras genom vätebehandling eller utspädning med alkohol eller vatten.

Produktionskostnaden för pyrolysolja uppskattas till ca 200 – 250 SEK/MWh [56].

Till detta kommer kostnader för att stabilisera oljan om den ska lagras längre tid. Pyro-lysoljans egenskaper, främst det höga vatteninnehållet, gör att problem kan uppstå med antändning och flamstabilitet. Även alkaliinnehållet kan ställa till problem med korrosion av heta delar i pannor och gasturbiner. De kemiska egenskaperna ställer även krav på hanteringen för att undvika arbetsmiljöproblem.

I dokument El från nya anläggningar (sidor 46-53)