Förbränning och energiutvinning

sommaren eller tidiga hösten skulle kunna vara att rhizomen kan skadas av skördemaskinen, vilket i sin tur leder till en försämrad reproduktion på efterföljande år. Under vintern är näringsinnehållet i biomassan låg, vilket bidrar till en minskad reduktion av näringsämnena i marken (Granéli 1984).

2.5 Förbränning och energiutvinning

Genom användning av koldioxidneutrala biobränslen och förnybara energikällor som exempelvis odling av Salix och bladvass ökar möjligheten att nå Sveriges klimat- och energimål, vilka innefattar att fram till 2020 minska utsläppen av växthusgaser med 40% jämfört med 1990, en användning om minst 50% förnybar energi och en 20% effektivare energianvändning samt öka andelen förnybar energi i transportsektorn till minst 10%. Förutom att användas som bioenergi skulle biomassan kunna användas i pappersmassaindustrin och som olika träprodukter, vilket skulle minska förbrukningen av naturresurser.

Beroende på vilken skördenivå växterna ger och gödslingstyp kan avkastningen bli olika. Kostnaderna för skörd kan reduceras genom en tydlig organisation mellan olika aktörer. Flera odlare skulle exempelvis kunna gå samman och köpa gemensamma maskiner/vagnar eller alternativt ha en överenskommelse om att odlare får köra åt dem som köpt maskinerna. Detta skulle även vara en fördel ur ett hållbarhetsperspektiv.

Kvaliteten på bränslet avgör försäljningspriset och kan generellt delas upp i två delar, primära och sekundära kvalitetskrav. Primära krav styrs av anläggningens fysiska och tekniska förutsättningar som exempelvis bränslestorlek, askhalt och fukthalt. De sekundära kvalitetskraven innefattar yttre föroreningar som oorganiskt material (snö, is, grus, skrot, mm), vilka kan skapa störningar i anläggningen. Innehållet av mögel och damm ingår också som en del av kvalitetskraven (Svensk Fjärrvärme 2005). Detta innebär att kvaliteten på bränslet kan variera både mellan olika leverantörer, men också i olika leveranser från en och samma leverantör, samt i olika delar av förbränningsmaterialet. Vid kvalitetssäkringsstudier kan askhalt, tungmetaller, mögel, svavelhalt, klorider, alkaliinnehåll, kväve och torrhalt/fukthalt samt materialets ursprung undersökas för att säkerställa en god arbetsmiljö och bränslekvalitet (Svensk Fjärrvärme 2005).

22

I Tabell 1 sammanfattas generella värden av avkastning, nyttigt värmevärde, effektivt värmevärde, fukthalt, askhalt, svavelhalt, klorhalt, kvävehalt och bulkdensitet för Salix och bladvass.

Energiinnehållet som anläggningarna betalar för per råton levererat biobränsle kallas värmevärde. Beräkning av värmevärde sker enligt Ekv. 1(Virkesmätningsrådet 1999):

h_net = h_eff∗ (1 −₁₀₀^A ) ∗₁₀₀^T − h_ång∗ (1 −₁₀₀^T ) (1)

h_net = Nyttigt värmevärde per råton bränsle (MWh/ton), bränslets värmevärde efter att hänsyn tagits till bränslets effektiva värmevärde, askhalt och torrsubstans.

h_eff = Effektiva värmevärdet (MWh/t TS), är den totala energimängd som finns i bränslet räknat på torr bas. Värmevärde fastställs med hjälp av bombkalorimeter och arbete samt utrustning skall följa svensk standard SS- ISO 1928.

h_ång = Ångbildningsvärme per ton vatten i bränslet (MWh/ton), fysikalisk konstant som är en funktion av omgivningstryck och vattentemperatur (25 °C ≈ 0,678).

A = Bränslets askhalt (% av torrsubstans). Den fasta restprodukten efter förbränning. T = Torrsubstanshalt (%).

Avkastningen av bränslet som exempelvis en skörd ger beräknas genom energiinnehållet enligt Ekv. 2:

E = h_net∗ m (2)

E = Värmeenergi i levererat bränsle (MWh). m = bränslets vikt (råton).

Askan som bildas efter förbränning av bränslet är ofta starkt basisk, men sammansättningen beror på de ämnen som växten tagit upp (Strömberg & Svärd 2012). Askhalten i Salix och bladvass rör sig ofta om enstaka procent av bränslets torrsubstans, se Tabell 1. Vanligen omhändertas askan och deponeras som farligt avfall, men används även som markfyllnad eller tas om hand av externa entreprenörer (Strömberg & Svärd 2012). Vid återföring av askprodukter till spridning i skogsmark finns rekommenderade maximihalter framtagna av Skogsstyrelsen (2008). Genom

23

sameldning av bränslen med mindre mängd aska kan den totala andelen minska (Svensk Fjärrvärme 2005; Strömberg & Svärd 2012; Blom et al. 2004).

Tungmetaller i biobränslet kan öka utsläppen av rökgaser. Metallerna återfinns i störst del som askpartiklar med undantag för kvicksilver som delvis går till rökgaserna. Avskiljning av tungmetaller vid förbränning sker via bottenaskan eller stoftpartiklar som fastnar i kolfilter, ”tvättas” ur lösning eller ansamlas i rökgaskondensorer. Salix har som tidigare nämnts en förmåga att ackumulera tungmetaller och emissioner av dem i anläggningar kan därför förväntas (Blom et al. 2004; Strömberg & Svärd 2012; Energiforsk 2015; Naturvårdsverket 2005).

Med hjälp av olika utlakningsmetoder har tungmetaller kunnat extraheras ur förbränningsaska (Avfall Sverige 2013). En annan metod med elektrodialytisk sanering har påvisat en reduktion av tungmetaller från flygaska. Metoden innebär att metaller extraheras genom elektrokemiska processer. Genom implementering har bland annat halten kadmium minskat med över 70% (Pedersen & Villumsen 2003). Eftersom många av metallerna gärna binder som partiklar finns det möjlighet att separera dem med hjälp av en jonbytarlösning. Denna teknik är relativt kostnadseffektiv, men bör undersökas vidare för att utvärdera effektiviteten på de föroreningar som önskas reduceras (Pedersen & Villumsen 2003).

Svavel och klor förekommer generellt i små mängder i de biobränslen som undersöks i denna studie och utgör därför inte några större problem. För bladvass har ingen statistik över innehåll av klor hittats i litteraturen, men kan troligtvis jämföras med värden från rörflen (Phalaris arundinacea) (Strömberg & Svärd 2012) som också är ett högväxt gräs. Klorhaltiga biobränslen kan ställa till problem för värmeanläggningen och förekommer framförallt i samband med växter med hög biomassaproduktion (Svensk Fjärrvärme 2005; Strömberg & Svärd 2012). Höga alkalivärden förekommer generellt i Salix och höarter. Genom reaktioner med klor ökar korrosionsrisken och mängden slagg, samt beläggningar, vilket i sin tur orsakar problem i anläggningen (Svensk Fjärrvärme 2005).

Genom skörd av växtmaterial kan en signifikant del av kvävet föras bort från området. Kvävehalten är generellt lägre i Salix än i bladvass (Strömberg & Svärd 2012; Blidberg et al. 2012). Från förbränning av biobränslen sker utsläpp av kväve till luft och vatten i form av kväveoxider, lustgas och ammoniak (Naturvårdsverket 2005). I

24

anläggningarna kan kväveoxider reduceras med ammoniak och därför kan kväveoxidemissioner minska genom ökad användning av bränslen med hög andel trä, eftersom bränslet frigör kväve i form av ammoniak (Strömberg & Svärd 2012).

Eftersom ”fukthalt” ingår som en del i formeln för beräkning av nyttigt värmevärde och kan resultatet påverka avkastningen ordentligt, se Tabell 1. Direktflisad Salix har en hög fukthalt, vilket gynnar bakterie- och mögeltillväxt och är därför inte aktuell för lagring. Skillnaden i nyttigt värmevärde mellan direktflisad Salix (50%) och torkad (20%) är från 2,2-3,9 MWh/ton (SP 2012). Fukthalten i bladvass förändras markant under året (9-50%) där halten är lägst under vårmånaderna och högst under hösten (Kask et al. 2007; Angel & Råberg 1983). Beroende på hur biobränslet skördas och hur det lagras efter skörd kan energiinnehållet bli olika. En längre lagringstid bidrar till ett större värmevärde, men genom biologisk aktivitet minskar även till viss del mängden torrsubstans (Baky et al. 2009). Bulkdensiteten är också beroende av fukthalten och är generellt större i Salix än bladvass (Strömberg & Svärd 2012; Kronbergs et al. 2012).

Då energiinnehållet bestäms av det nyttiga värmevärdet och mängden biobränsle (råton) är växtdensiteten viktig. Vid ett tätare bestånd kan en större mängd skördas och därmed öka avkastningen. Värmevärdena varierar som tidigare nämnts beroende på fukthalt, askhalt, effektivt värmevärde och ångbildningsvärme. Det är dessutom olika i olika delar av ett träd och mellan trädarter, vilket gör att resultatet får ett brett spektrum. Med hjälp av en bombkalorimeter kan det effektiva värmevärdet för ett bränsle bestämmas. För askfri Salix och bladvass ligger de effektiva värmevärdena mellan 4,4-5,6 MWh/ton TS och 4,7-5,0 MWh/ton TS vardera (Jordbruksverket 2013; Strömberg & Svärd 2012; Kask et al. 2007; Granéli 1984). Energiinnehållet per hektar kan beräknas med hjälp av avkastningen multiplicerat med effektiva värmevärdet, vilket för Salix blir 88-154 MWh/ha om avkastningen är 20-35 ton TS/ha (Jordbruksverket 2013) och 47-50 MWh/ha för bladvass om avkastningen är 10 ton TS/ha (Berglund 2010).

De effektiva värmevärdena för Salix och bladvass ligger strax under de generella värdena (5-6,1 MWh/t) för trädbränsle (spån, flis, pulver, pellets, briketter) (Svensk Fjärrvärme 2005), men högre än 2-4 MWh/t för skogsflis (grot, grön grot, stubbar) (Energimyndigheten 2007). Från en generell inventering under 2016 över hela landet redovisar Energimyndigheten (2017) ett genomsnittligt pris för förädlade

25

trädbränslen; 270 kronor/MWh, skogsflis; 180 kronor/MWh, biprodukter; 151 kronor/MWh. Priset på förädlade bränslen är högre, men involverar ett ytterligare steg i processen. Beroende på tillgång och efterfrågan kan dock priserna vara olika i landet (Jordbruksverket 2016). Eftersom generella värmevärden för Salix och bladvass är något lägre i jämförelse med trädbränslen bör priset också sättas någonstans mellan 151-180 kronor/MWh.

Tabell 1. Exempel på generella värden som kan användas vid kalkyler för energiutvinning av Salix och Bladvass.

Enhet Bladvass Salix Referens

Vinter Sommar

Avkastning/skörd

Salix: ~ Vart fjärde år Bladvass: Varje år

Ton TS/ha <10 20-25

(Berglund 2010; Jordbruksverket 2013)

Plantor per hektar - 2900 (JTI 2012a)

Nyttigt värmevärde (20% fukthalt) MWh/t 3,94 3,70 3,9 (SP 2012; Cofreen 2013)

Effektivt värmevärde MWh/t TS 4,7-5,0 4,4-5,6 (Kask et al. 2007; Jordbruksverket 2013; Strömberg & Svärd 2012; Granéli 1984) Högre under vintern

och lägre under sommaren Fukthalt Vikt-% 9-50 25-50 (SP 2012; Jordbruksverket 2013; Strömberg & Svärd 2012; Kask et al. 2007; Angel & Råberg 1983) Lägst under våren

och högst under hösten

Askhalt Vikt-% 2,5-7,4 1-5 ^{(Strömberg & Svärd}

2012; ECN 2012)

Svavelhalt Vikt-% 0,01-0,21 0-0,03 (ECN 2012; Strömberg &

Svärd 2012)

Klorhalt Vikt-% 0-0,56 0,01-0,1 (ECN 2012; Strömberg &

Svärd 2012)

Kvävehalt Vikt-% 0,23-1,17 0,21-0,61 (Kask et al. 2007; Berg et

al. 2007; Strömberg 2005)

Bulkdensitet Kg/m3 60-390 200-350 (Strömberg & Svärd

2012; Kronbergs et al. 2012)

26

Bränslekvaliteten kan variera på många sätt och förbränningsanläggningen bör därför informeras varifrån materialet kommer för att ta reda på om potentiella föroreningsspridningar kan undvikas, minimeras eller anrikas för att utvinnas.

2.5.1 Alternativ hantering av Salix och bladvass

Förutom möjligheten att använda Salix och bladvass som biobränslen vid förbränning finns det andra alternativa lösningar på hantering. Biomaterialet skulle potentiellt kunna användas i tillverkning av exempelvis bioetanol, biogas och slam.

Bioetanol

Framställning av etanol görs genom att mala ner biomaterialet till en viss partikelstorlek, vilket varierar beroende på typ av råvara. Partiklarna bör helst vara flisade eller klippta till cirka 5 centimeter (bladvass). Precis som vid förbränning i värmeverk spelar fukthalten i materialet en stor ekonomisk roll vid produktion av bioetanol. Vid fukthalter över 30-40% blir energiåtgången oekonomisk för att reducera vattnet under etanoldestillationen (SLU 2012). Mineraler som tungmetaller, klor, kalcium och magnesium samt förhållanden mellan dem (t.ex. Ca/Mg relation) kan orsaka störningar i jäsningsprocessen (Klinke et al. 2004). Höga halter lignin i biomaterialet kan orsaka en försämrad och dyrare etanolframställning (SLU 2012). Ligninhalten i Salix varierar från olika studier, men ligger generellt omkring 20-30% (McLaughlin et al. 1996; Serapiglia et al. 2008; Waliszewska et al. 2006) med undantag i undersökningen av Szczukowski et al. (2002) där halten låg mellan 12-14%. Ligninhalten i bladvass varierar (~17-26%) med ett större innehåll under senare delen av året (Gregeby 2012). Dessa nivåer kan jämföras med tall där ligninhalten ligger på ungefär 30% (SLU 2012).

Biogas och slam

För framställning av biogas från Salix krävs förbehandling, eftersom nedbrytning av substrat med cellulosa sker långsamt och speciellt för växter innehållande lignin som inte bryts ner (SLU 2012). Genom förbehandling har Salix uppmätts ge en avkastning av biogas på upp till 440 m3/t flyktigt fast material, vilket motsvarar 240 metan m3/t flyktigt fast material (Horn et al. 2011).

Användning av vass vid framställning av biogas har undersökts i flera studier (Blidberg et al. 2012; Berglund 2010; Cofreen 2013; Risén et al. 2012; Risén et al. 2013; Hvitlock & Andersson 2014). Biogas produceras genom anaerob nedbrytning av organiskt material och består huvudsakligen av koldioxid och metan. Vid framställning