4. Nya tekniker
4.4 Naturgas
4.4.1 Bränsleceller
Bränsleceller producerar el (och värme) med låga emissioner genom en elektrokemisk process där väte och syre reagerar utan förbränning. Principen visas i figur 4.7.
I en bränslecell tillförs gasformigt bränsle till anoden och en oxidant, till exempel syre från luften, till katoden. De elektrokemiska reaktionerna äger sedan rum vid dessa elektroder. I figuren visas att jontransporten i elektrolyten kan gå i båda riktningarna, beroende på celltyp. I praktiken består varje cell av fyra plattor, två elektrodplattor med en elektrolyt platta emellan och en separatorplatta mot nästa cell. Ett antal såda-na celler kopplas samman till en stack. Det finns både låg- (<200ºC) och
högtempera-8 LHV, 15°C, 0,02 bar kondensortryck.
turbränsleceller. Högtemperaturbränslecellerna har högre verkningsgrad och de har i vissa fall möjlighet att kopplas samman med turbiner i kraftprocesser.
Bränsleceller använder vätgas och syre som bränsle. Syret tas i regel ur luften och vätgasen från naturgas via en reformer, alternativt genom direkt reformering av natur-gas i högtemperaturbränsleceller. Vätnatur-gas kan även framställas ur metanol och etanol, eller genom elektrolys av vatten.
Figur 4.7. Bränslecell, principiell uppbyggnad.
De bränsleceller som bedöms kunna komma i fråga för stationär elproduktion i större eller mindre skala är polymer bränslecell (PEFC), fosforsyra bränslecell (PAFC), smältkarbonat bränslecell (MCFC) och fastoxid bränslecell (SOFC). Dessa presente-ras i tabell 4.5 nedan.
Celltyp PEFC PAFC MCFC SOFC
Elektrolyt Polymer Fosforsyra Karbonatsmälta i Fastoxid, ZrO2 matris av LiAlO2
Arbetstemperatur (°C) 70-90 150-220 600-700 800-1000
Laddningsbärare H+ H+ CO32- O
2-Reformering av CH4 Extern Extern Extern eller Intern Intern
Elverkningsgrad9 (%) 35-40 37-42 45-65* 50-70*
Tillverkare Ballard, ONSI, Fuji, ERC, M-C Power Siemens/Wes-Siemens m fl Mitsubishi IHI, Hitachi tinghouse,
Sulzer, Rolls Royce, m fl
* System med gasturbin
Tabell 4.5. Prestanda och tillverkare [38], [39].
9 LHV, naturgas.
2e Last
Bränsle
H O2 H O2
H2 O2
Positiv
eller negativ
Produkter och över-skott av oxidant ut Produkter och
restbränsle ut
Anod Elektrolyt Katod
Oxidant
Av dessa är PAFC i nuläget den vanligaste för kraftgenerering. 1998 fanns 132 st 200 kWe-anläggningar från ONSI i USA i drift runt om i världen. Två av dessa finns i Sverige och levererar såväl el som värme. Ett problem med denna typ är degradering-en, det vill säga försämring av prestanda vid längre drifttid.
Generellt verkar de olika celltyperna utvecklas mot olika applikationer. För PEFC är det bilindustrin som är drivande, ofta med målet att konstruera en hybridbil med bränslecell som kraftkälla. Därmed kan förutsättningar skapas för stora tillverknings-volymer, något som i sin tur pressar priset. Sådana enheter kan även komma att använ-das för småskalig el- eller kraftvärmeproduktion.
PAFC kommer troligen även i fortsättningen att användas främst för kraftvärmepro-duktion i storlekar upp till ca 1 MWe. Den relativt låga verkningsgraden, jämfört med högtemperaturcellerna, tillsammans med problem med degradering av stacken gör framtiden för denna celltyp osäker. På kortare sikt verkar den emellertid vara det enda kommersiellt tillgängliga alternativet. Fuji Electric i Japan har visat lovande resultat från demonstrationsanläggningar. Även för denna celltyp är emellertid produktionska-paciteten ännu är starkt begränsad. Till exempel är ONSI’s produktionskapacitet be-gränsad till 200 st 200 kWe-anläggningar per år.
För MCFC förutspåddes tidigare anläggningsstorlekar upp till stora kraftverk kunna bli kommersiella. Numera har potentialen reviderats till att gälla anläggningar från 200 kWe upp till några MWe. För större anläggningar handlar det då om kombicykler där värme från bränslecellen används för att producera ånga till en ångcykel. Elverknings-graden bör då kunna konkurrera med den konventionella gaskombin. Innan detta kan realiseras återstår en hel del materialutveckling, främst för att klara den starkt korrosi-va elektrolyten och den höga temperaturen.
SOFC avses främst användas i kraft- och kraftvärmeverk upp till storleksordningen 10 MW. En trycksatt SOFC i kombination med en gasturbin och/eller en ångturbin bör kunna ge en elverkningsgrad kring 70 %. Den höga temperaturen, i kombination med trycksättning, ställer stora krav på materialen. En utveckling mot lägre arbetstempera-tur skulle minska dessa problem och forskning med denna inriktning drivs bl.a. vid Risö i Danmark [Ridell, 1999].
Gemensamt för samtliga tekniker är att mycket arbete återstår för att sänka kostna-derna till en konkurrenskraftig nivå. För detta krävs produktutveckling och industriell tillverkning i stor skala.
För PEFC har intresset ökat kraftigt på senerare år. Det drivs flera utvecklingsprojekt i både Japan och USA med målsättningen att kommersialisera även högtemperaturcel-lerna (MCFC och SOFC) under den aktuella perioden.
4.4.2 Evaporativ gasturbin
Kallas även humid air turbine (HAT). Detta är en teknik med potential för verknings-grad i klass med kombicykeln men med lägre investeringskostnad.
Den grundläggande tanken är att höja gasturbinens verkningsgrad genom att återvinna energi ur de varma rökgaserna. Det finns ett antal processkopplingar som bygger på
detta och som idag betraktas som kommersiella. Exempel är rekuperativa gasturbiner och kombicykler. Den evaporativa gasturbincykeln (EvGT) är en rekuperativ gastur-bincykel där värme från rökgasen återvinns direkt till gasturbinen, istället för i en ång-cykel som i kombiång-cykeln. För att återvinna värme till processen även vid lägre tempe-raturnivåer utnyttjas ett antal värmeväxlare och ett befuktningstorn enligt figur 4.8.
Figur 4.8. Evaporativ gasturbin, principiell uppbyggnad.
I ekonomiser, mellankylare (MK) och efterkylare återvinns värme vid låg temperatur med hjälp av vatten. Det varma vattnet leds sedan till ett befuktningstorn där det möter den komprimerade luften i motström. I befuktningstornet skapas en stor kon-taktyta mellan luft och vatten med hjälp av fyllkroppar och en del av vattenflödet förångas varigenom luftens fukthalt ökar. Det erforderliga förångningsvärmet tas i form av sensibel energi från det varma vattnet och, beroende på lufttemperaturen i inloppet, i vissa fall även från den komprimerade luften. Efter avkylningen i befukt-ningstornet blandas vattnet med spädvatten (för att ersätta den mängd som förångats) och pumpas tillbaka till ekonomiser, mellankylare och efterkylare.
Efter efterkylare och befuktningstorn är luftens temperatur låg och det är därmed möjligt att värma den fuktiga luften i en rekuperator, också vid tryckförhållanden be-tydligt högre än vad som är möjligt i en vanlig rekuperativ gasturbincykel. Vidare har massflödet till brännkammare och turbin ökat betydligt (upp till 25 %) utan att kom-pressorarbetet ökat i motsvarande grad. Resultatet blir att uteffekten ökar. Samtidigt stiger även verkningsgraden eftersom rökgasen kyls till låg temperatur i ekonomisern.
För att återvinna vatten ur rökgasen, i avsikt att minska behovet av färskt spädvatten, krävs ytterligare kylning, till exempel med fjärrvärmevatten.
Förbränning i fuktig luft ger förutsättningar för låga utsläpp av kväveoxider. Vidare tyder utförda processberäkningar på att elverkningsgraden för en EvGT kommer att vara likvärdig med eller högre än elverkningsgraden för motsvarande kombicykel.
Kompressor Turbin
Rekuperator
Ekonomiser
Späd-vatten
MK BK
Luft
Befuknings-torn
Efter-kylare
G
Bränsle
Luft
G
Bränsle
Potentiella fördelar med denna teknik är till exempel:
• Likvärdiga prestanda men lägre investeringskostnad jämfört med en kombicykel.
• Låga NOx-emissioner.
• Hög verkningsgrad även för mindre gasturbiner och därmed lämplig för småskalig elproduktion.
• Goda dellastegenskaper.
Idag finns endast en demonstrationsanläggning (600 kWe) i världen. Intresset för tek-niken är dock stort och det är möjligt att tektek-niken kan bli kommersiellt tillgänglig, åtminstone för småskaliga applikationer, till år 2010.
4.4.3 Mikroturbiner
Detta är en benämning på gasturbiner i effektklassen 30 – 200 kWe, som kan komma att användas för distribuerad elproduktion och småskalig kraftvärme. (Se även avsnitt 3.6.) De flesta gasturbiner i denna effektklass som utvecklas idag är av enaxlig konstruktion med en enstegs radialkompressor och en enstegs radialturbin. Brännkammaren är av silotyp och anpassad för såväl naturgas som flytande bränslen. För att öka verkningsgra-den används normalt en rekuperator eller regenerator. Principen visas i figur 4.9.
Figur 4.9. Mikroturbin med rekuperator.
En av de få mikroturbiner som byggts och körts i kraftvärmedrift någon längre tid finns i en demonstrationsanläggning i Göteborg. Gasturbinen är tillverkad av Volvo Aero Turbines och är utrustad med en rekuperator och en höghastighetsgenerator (90 000 rpm). Konceptet har tagits fram i samverkan mellan VAT och Vattenfall. Följande data har mätts upp i anläggningen:
Tryckförhållande 4,1
Gastemp ut ur turbinen (°C) 625
Eleffekt (kWe) 38
Värmeeffekt (kW) 70
Elverkningsgrad (%) 28
Bränsleutnyttjande (%) 80 Fjärrvärmetemperaturer (°C) 55/70
Tabell 4.6. Data för demonstrationsanläggning [40].
Då bilindustrin visar stort intresse för mikroturbiner bedöms det sannolikt att tekni-ken utvecklas så att den kan vara kommersiellt tillgänglig även för småskaliga kraft-värmeapplikationer år 2010.