Syntetisk naturgas, inmatning och transport inom gasnätet

Transkript

1 LUNDS TEKNISKA HÖGSKOLA Syntetisk naturgas, inmatning och transport inom gasnätet Energitransporter MVKN10 Luthman, Fredrik ; Tage-Hansen Erik

2 Sammanfattning Sedan människan började utnyttja fossila bränslen har de globala utsläppen av växthusgaser ökat kraftigt, vilket har lett till en omställning till förnybara energikällor. En aktuell förnybar energikälla är biogas, vilken utvinns genom rötning av organiskt material eller genom förgasning. Biogas består, liksom naturgas, främst av metan och koldioxid. Naturgas har i Sverige utnyttjats sedan mitten på 80- talet och ett utbyggt gasnät finns därför redan. För att maximalt utnyttja den tillgängliga mängden biogas kan man, efter uppgradering, mata in den på naturgasnätet. Uppgradering av biogas sker främst med syfte att avskilja koldioxid och därmed höja energivärdet, men också för avskiljning av andra beståndsdelar som kan verka skadligt i gasnätet, som exemepelvis svavelväte och vatten. För själva inmatningen måste speciella tekniska och legala krav uppfyllas med avseende på gasens sammansättning. Olika källor för vilka krav som finns visar sig dock vara motstridiga. Sveriges import av naturgas uppgick 2009 till 12,6 TWh (Energimyndigheten, 2011). Potentialen för biogas, genom rötning av restprodukter i Sverige beräknas vara 15 TWh (Linné, Ekstrandh, Englesson, Persson, Björnsson, & Mikael, 2008). Rent teoretiskt skulle alltså biogas ensamt kunna ersätta naturgas som energikälla. Pratiskt skulle det däremot vara komplicerat eftersom naturgasnätet endast finns i tillgängligt i en liten del av landet samt eftersom användningen av naturgas stadigt ökar medan tillgången på biogas är begränsad. En modern teknik för produktion av gas är förgasning av skogsråvara, vilket i dagsläget beräknas ha en potential på 59 TWh om året. Däremot är framtiden för förgasning är ännu oklar då det än sålänge endast finns pilotanläggningar som utnyttjar tekniken. (Linné, Ekstrandh, Englesson, Persson, Björnsson, & Mikael, 2008) 2

3 Innehållsförteckning 1. Introduktion Bakgrund Mål med studien Gas Naturgas Naturgasens roll i energisystemet Egenskaper Biogas Produktion Egenskaper Potential Uppgradering och rening av biogas Koldioxidavskiljning Tryckvattenabsorption PSA-teknik (Pressure Swing Adsorption) Torkning Rening Svavelväteavskiljning Övrig rening Inmatning av biogas i naturgasnätet Lunds gasnät Tekniska krav Gaskrav Diskussion och slutsats Referenser Frågor om arbetet

4 1. Introduktion 1.1 Bakgrund I takt med ökande klimatförändringar krävs ett ökat ansvar för att maximalt utnyttja de förnybara bränslen som finns tillgängliga. Det finns idag ett globalt naturgasberoende som förvärrar de klimatproblem som existerar. Öresundsverket är ett nybyggt naturgasdrivet kraftvärmeverk som förutom elproduktion, även tillgodoser Malmö stad med 40 % av dess fjärrvärme. Eftersom svensk medel-el är förnybar hade det med hänsyn till klimatet därför varit bättre med ren eluppvärmning. Trots detta påstår flera stora energibolag, i detta fall E-On, att naturgas är en ren energikälla som sänker nettoutsläppen av koldioxid eftersom de är lägre än från kol- och oljeeldade kraftverk. (E-On, 2010) För att förbättra möjligheterna för att fullt ut använda biogas krävs det att den lätt ska kunna omhändertas och utnyttjas. Inmatning av biogas på redan byggda naturgasnät är en metod som möjliggör för ett maximalt omhändertagande av biogas samt underlättar för distribution. 1.2 Mål med studien Målet med denna studie är att undersöka möjligheterna för inmatning av biogas på naturgasnät. Fokus kommer ligga på Sverige och då främst Lund med omnejd. Frågor som ska besvaras i rapporten är: Hur används naturgas och biogas idag? Vad krävs för inmatning av biogas på naturgasnätet? Vilka möjligheter och begränsningar har framtiden? 4

5 2. Gas 2.1 Naturgas Naturgasens roll i energisystemet Historiskt sett har naturgas använts en lång tid till olika energiändamål. Första gången naturgas användes i Amerika var det exempelvis i form av gatbelysning i staden Baltimore, MD (The NEED project, 2011). Naturgas står i dagsläget för hela 25 % av den globala energianvändningen. I Sverige däremot, började naturgas utnyttjas först 1985 och står endast för 2% av den totala energianvändningen. Den största användningen av naturgas sker i industrisektorn och bostadssektorn samt i en mindre del av transportsektorn. Trots en förhållandevis låg naturgasanvändning i Sverige har man sett en ökning de senaste åren till följd av utbyggnaden av naturgasnätet. En fortsatt ökning förväntas på grund av nybyggnation av gaseldad kraftvärme. Öresundsverket i Malmö är ett befintligt exempel som startades hösten 2009 och beräknas använda över 5 TWh per år vid full drift. (Energimyndigheten, 2011) TWh Global naturgaskonsumtion Figur 1. Global naturgaskonsumtion i TWh åren (BP, 2011). Likt den globala konsumtionen ökar även det europeiska naturgasbehovet. Energimyndigheten beräknar att den europeiska naturgasen räcker ytterligare 13 år. Därefter krävs en ökad import från bland annat Ryssland, vilket kan ställa till problem i de europeiska näten eftersom gasernas sammansättning inte är densamma. (Energimyndigheten, 2010) 5

6 2.1.2 Egenskaper Naturgas är en blandning av fossila, gasformiga kolväten. Sammansättningen varierar beroende på från vilket gasfält som gasen kommer ifrån. Huvuddelen i gasen är metan, vilket framgår av figur 2. Naturgas, sammansättning 4% 2% 2% 8% Metan Etan Butan 85% Propan och högre kolväten Figur 2. Typexempel av sammansättning i naturgas (Energimyndigheten, 2006). Vid förbränning sker inga utsläpp av svavel eller tungmetaller och utsläppen av koldioxid är 40 % lägre än vid förbränning av kol. Utsläpp av kväveoxider är cirka hälften så låga som vid förbränning av olja, kol eller biobränslen. (Energimyndigheten, 2006) Värmevärdet för naturgas är vanligtvis knappt 11 kwh/nm 3. Detta innebär att det krävs ungefär 1000 m 3 naturgas för att uppnå samma energimängd som 1 m 3 eldningsolja. (SGC, 2009) Därav förvaras och transporteras naturgas i ledningar med upp till 80 bars tryck för att minska volymen avsevärt. (Lantz, Ekman, & Börjesson, 2009) 2.2 Biogas Produktion Biogas kan produceras idag på två sätt. Det ena sättet är genom att mikroorganismer i en syrefri miljö sönderdelar organiskt material. Denna process kallas även för rötning. Det finns många typer av organsikt material som kan användas, såsom slam från reningsverk, sopor, gödsel och energigrödor. Olika material (även kallat substrat) har olika gasutbytesfaktorer och genererar vissa skillnader i sammansättning på den producerade gasen. I figur 3 nedan visas en schematisk bild över rötningsprocessen. 6

7 Figur 3. Schematisk bild över produktionsprocessen av biogas. (Svensk biogas, 2011) Det andra sättet att framställa boigas är genom termisk förgasning, vilket idag inte är alls lika vanligt som rötning. Förgasning innebär att man under kontrollerade former värmer upp trädbränslen eller kolhaltiga avfallsprodukter och på så sätt utvinner energin i form av metangas Egenskaper Sammansättningen av biogas kan variera väldigt mycket. Nedan följer en tabell över hur beståndsdelarna i biogas kan variera och vilken effekt respektive beståndsdel har. Tabell 1. Sammansättningen av biogas och beståndsdelarnas egenskaper/effekter. (Prassl, 2008) Komponent Andel Effekt CH4 50 till 75 Vol.% Förbrännbar del av biogasen CO 2 25 till 50 Vol.% Reducerar värmevärdet; ökar antiknackningsegenskaperna i motorer; bidrar till korrosion (svag kolsyra); om gasen är fuktig skadar den alkaliska bränsleceller H 2 S 0,005 till 0,5 mg S/m³ Orsakar korrosion i ledningarna (stresskorrosion); SO2- utsläpp efter förbränning eller H2S-utsläpp om förbränningen är ofullständig; kan leda till katalysatorförgiftning NH 3 0 till 1 Vol.% NOx-utsläpp efter förebränning; skadlig för bränsleceller; ökar anti-knackningsegenskaperna. Vattenånga 1 till 5 Vol.% Bidrar till korrosion och aggregering i ledningarna; kondensat skadar instrument och aggregerar; risk för isläggning i ledningar och igenisning av ventiler Damm > 5 μm Täpper till ventiler och skadar bränsleceller N 2 0 till 5 Vol.% Reducerar värmevärdet; ökar antiknackningsegenskaperna i motorer Siloxan 0 till 50 mg/m 3 Bildas endast i avlopp o i deponigas från exempelvis kosmetika, tvättmedel och bläcktryck; sliter på motorer 7

8 2.2.3 Potential Potentialen av biogas gjord av restprodukter (matavfall, park- och trädgårdsavfall, resprodukter från industri och livsmedelsindustri, restprodukter från lantbruket och gödsel) uppgår till ca 15 TWh i Sverige (Linné, Ekstrandh, Englesson, Persson, Björnsson, & Mikael, 2008). Vill man genom rötning göra mer biogas än så får man ta odlingsmark i anspråk för att skapa substrat att röta (såsom halm eller vallgröda). Potentialen för biogas genom termisk förgasning av trädmassa uppgår till ca 59 TWh, men denna teknologi är idag inte mogen; den första kommersiella anläggningen håller på att byggas i Göteborg med planerad driftstart Uppgradering och rening av biogas Metanhalten i rötgas är ca 65% men den varierar beroende på vilket material det är som rötas. För att gasen senare ska kunna användas som fordonsbränsle krävs det att den uppgraderas till ett högre metantal. Rötgasen kan även innehålla små mängder av andra ämnen, vilka kan förstöra den tekniska utrustningen där gasen används. Därför behövs gasen även renas från dessa skadliga ämnen. (Benjaminsson, 2006) 3.1 Koldioxidavskiljning Genom att reducera mängden koldioxid i rötgasen höjer man metantalet och därmed även energivärdet. Det finns flera metoder tillgängliga för koldioxidavskiljning, men de vanligaste i Sverige är tryckvattenabsorption med skrubberteknik samt PSA-teknik (Pressure Swing Adsorption). För att jämna ut de skillnader som kan uppstå vid uppgraderingsprocessen är en kostnadseffektiv lösning att tillsätta gasol. (SGC, 2009) Mindre vanliga avskiljningstekniker som inte tas upp nedan är exempelvis absorption i selexol, membranseparation samt kemisk absorption med amin Tryckvattenabsorption Tryckvattenabsorption med vatten är den mest använda tekniken för koldioxidavskiljning i Sverige. Tekniken bygger på att koldioxid är mer lösligt i vatten än metan. Framför allt under förhöjt tryck och sänkt temperatur. Även svavelväte och ammoniak har högre löslighet än metan, vilket medför att tryckvattenabsorption även renar gasen från dessa ämnen till viss del. (Wågdahl, 1999) Om gasen innehåller höga halter av svavelväte och ammoniak krävs en grovrening vilket kan läsas om i kap 3.3 Genom att låta biogasen möta en ström av vatten i en så kallad skrubber kan man få koldioxiden att lösas i vattnet så att en uppgraderad gas uppnås. Koldioxiden som löses i vattnet bildar kolsyra samt väte- och vätekarbonatjoner. Vilket jämviktsförhållande som uppnås beror på temperatur och partialtryck över gasen. Jämvikterna beskrivs av reaktionsformeln nedan: (Benjaminsson, 2006) Metanförlusterna i denna process beräknas vara under 2%. Dessa låga förluster erhålles genom att trycket sänks i flera steg. En metanhalt på 97% med metanförluster på cirka 1% utlovas av en leverantör. (Wågdahl, 1999) Förutom metanförlusterna anses trycksättningen vara en nackdel då den är väldigt energikrävande. En av de största fördelarna med denna metod är att man endast använder vatten för avskiljningen och inga andra kemikalier. (Benjaminsson, 2006) 8

9 3.1.2 PSA-teknik (Pressure Swing Adsorption) PSA-teknik uttnyttjar att koldioxid under högt tryck adsorberas på en bädd av aktivt kol. När bärarmaterialet är mättat överförs gasflödet till en ny bädd. Trycket i den första bädden kan då sänkas med hjälp av en vakuumpump ner till mbar så att koldioxiden släpper från bärarmaterialet. Normalt drivs denna process av fyra kolonner som verkar växelvis enligt nedan: (Benjaminsson, 2006) Det är denna växlande trycknivå som gett upphov till namnet på tekniken. Figur 4. Bild av en PSA-anläggning. De fyra kolonnerna kan tydligt urskiljas. (SGC, 2009) Till skillnad från koldioxidrening med tryckvattenabsorption, krävs det oftast en förbehandling av gasen för att avlägsna svavelväte, ammoniak och vatten. Detta eftersom de försämrar adsorptionsförmågan hos aktivt kol. Metoder för detta kan läsas mer om i kap 3.2 och 3.3. En leverantör utlovar, med denna teknik, metanförluster under 2% och en metanhalt över 98%. (Wågdahl, 1999) 3.2 Torkning Biogas från rötning innehåller cirka 5% vatten. Tillsammans med svavelväte och ammoniak kan detta vatten bilda syror som kan orsaka korrosion i tankar och rörsystem. (Benjaminsson, 2006) Som man kan urläsa ur kapitel sänker vatten även adsorptionsförmågan hos det aktiva kolet i en PSAanläggning. Det är därför ofta lämpligt att förtorka biogasen med hjälp av kondensation eller adsorption. Genom förhöjt tryck och sänkt temperatur kan man sänka daggpunkten hos gasen så att vattnet kondenserar och kan avskiljas. För att nå väldigt låga vattenhalter kan man låta vattnet i gasen adsorberas av exempelvis kiselgel, magnesium- eller aluminiumoxid. Adsorptionstorkning sker med hjälp av två tankar som arbetar växelvis. Den ena under högt tryck för att vattnet ska adsorberas och den andra under lågt tryck för regenerering. (Benjaminsson, 2006) 9

10 3.3 Rening Som nämnts tidigare så krävs i vissa fall en grovrening då högre halter av skadliga ämnen uppmätts. I detta delkapitel beskrivs kortfattat metoder för dessa reningsprocesser Svavelväteavskiljning Svavelväte orsakar både lukt och miljöproblem och behövs därför avskiljas från rötgasen. Eftersom svavelväte verkar korrosivt avskiljs det ofta före koldioxidavskiljningen. (Wågdahl, 1999) Det finns flera metoder för avsvavling varav några nämns nedan Reduktion med järnklorid Genom att tillföra järnklorid i rötkammaren kan man fälla ut svavlet. Med denna metod kan man sänka svavelinnehållet ända ner till 100 ppm. (Benjaminsson, 2006) Denna metod är billig och enkel eftersom ingen speciell utrustning behövs. Nackdelen är att svavelinnehållet i rötgasen kan variera och därför är det vanligt att man överdoserar med järnklorid. (Wågdahl, 1999) Biologisk avsvavling Med hjälp av bakterier från gruppen Thiobacillus kan man rena rötgasen från svavel. Dessa bakterier oxiderar svavel enligt nedan: För att processen ska fungera krävs god syretillgång, varpå man tillför luft eller rentav ren syrgas. (Benjaminsson, 2006) Reaktion med metalloxid Med hjälp av metalloxider som exempelvis järnoxid kan man avskilja svavel i två steg. I det första steget binds svavelväte till järnoxid och vatten bildas: Därefter sker regenerering av järnoxid genom tillförsel av luft så att rent svavel fälls ut: (Benjaminsson, 2006) Övrig rening Utöver avskiljning av koldioxid och svavelväte krävs även rening av andra skadliga ämnen Partiklar Partiklar avlägsnas från biogasen med hjälp av filter. Ofta i kombination med både grovfilter och finfilter. (Benjaminsson, 2006) Ammoniak Normalt är ammoniakhalterna så låga att någon separat avskiljning inte är nödvändig. Den ammoniak som finns i rötgasen avskiljs i koldioxidavskiljningen eller i torkningen genom att den löses i 10

11 kondensvattnet. (Wågdahl, 1999) Skulle höga halter av ammoniak förekomma kan avskiljning med aktivt kol utnyttjas. (Benjaminsson, 2006) Halogenade kolväten Halogenerade kolväten bildar under förbränning saltsyra och vätefluorid, vilka kan verka korrosivt. Därför sker avskiljning av dessa med hjälp av adsoprtion på aktivt kol. Regenerering sker under sänkt tryck och med genomblåsning av en gas med förhöjd temperatur. (Wågdahl, 1999) Odorisering Efter uppgradering erhålles en luktfri gas. Därför tillsätts ett odoriseringsmedel för att man lätt ska kunna upptäcka eventuella läckage av gas. Vanligtvis används THT (tetrahydrotiofen, C 4 H 8 S). (Wågdahl, 1999) 4. Inmatning av biogas i naturgasnätet 4.1 Lunds gasnät Som exempel på hur en stads gasnät kan se ut har Lunds stadsnät valts. Det nationella transmissionsnätet (>= 16 bars (ö) tryck), med ett tryck på 80 bar (ö), ansluter till Lunds stadsnät, som då övergår till ett distributionsnät (<=4 bars (ö) tryck) på 4 bar (ö). Ett potentiellt inmatningsställe för biogas på transmissionsnätet mellan Dalbys och Lunds distributionsnät har också ritats ut. Figur 5. Schematisk bild över en del av Lunds gasnät med trycknivåer (Wågdahl, 1999). 4.2 Tekniska krav Kraven för att biogas ska kunna matas in på naturgasnätet kan delas in i tre kategorier: 1. Gaskrav. Gasens sammansättning. När det gäller inmatning av inblandningsgas så blir det av stor vikt att göra beräkningar på värmevärde, Wobbe-index och CO 2 -halt. (Prassl, 2008) Gaskraven kommer att beskrivas mer ingående i kapitel nedan. 2. Nätkrav. Nätets maximala kapacitet bakom inmatningspunkten. Den maximala kapaciteten bestäms då nätet går för fullt på vintern. Nätkravet avgör också hur snabbt inmatningsgasen kan matas in; det måste finnas ledig kapacitet i nätet för att gas ska kunna matas in, och detta beror dels på nätets dimensioner och på hur mycket gas som redan finns i nätet vid 11

12 varje givet tillfälle. Stora nät har ofta en stor buffertkapacitet och stor last och därmed spelar inte dagliga variationer i gasanvändning särskilt stor roll, vilket betyder att de kan ta emot betydligt större mängden inmatningsgas. (Prassl, 2008) 3. Konsumentkrav. Det minsta flöde av gas som går i nätet. Detta flöde bestäms av den lägsta användningen, som oftast infaller under sommaren. (Prassl, 2008) Konsumentkravet avgör alltså hur snabbt inmatningsgasen kan matas in; gas kan bara matas in i samma takt som konsumenterna använder den och sätter på så sätt upp en övre gräns för inmatningshastighet. (Prassl, 2008) Gaskrav De legala kraven är oklara Om man läser de rapporter som är skrivna angående krav för att mata in biogas på svenska nät idag så kan man konstatera att det finns en rad motstridiga källor. Innan man börjar undersöka hur kraven ser ut kan det vara intressant att veta vilken sammansättning naturgasen på svenska nät har idag. I tabell 2 nedan kan man se vilken matanhalt naturgas från olika källor hade Av den naturgas som kommer i ledningar till Sverige idag är det endast dansk gas som kommer. Dansk gas hade 2008 en metanhalt på 89,8 %. Tabell 2. Sammansättning, naturgas från olika källor (Benjaminsson & Nilsson, 2009). Beståndsdel Enhet Naturgas, Danmark Naturgas, ryssland LNG, Norge Uppgraderad biogas Metan vol % 89,8 98,4 94,4 97 Etan vol % 5,8 0,6 4 0 Propan vol % 2,3 0,2 0,6 0 Tyngre kolväten vol % 1,2 0,1 0,5 0 Kväve vol % 0,3 0,3 0,5 0,7 Koldioxid vol % 0,7 0,7 0 2,3 Undre värmevärde kwh/nm ,4 9,7 Här nedan följer en lista över olika källors tolkningar av vilka krav som finns idag: 1. Enligt (Svensson, 2011) så gäller att: Den svenska standarden SS Motorbränslen - Biogas som bränsle till snabbgående ottomotorer används som en informell, branschaccepterad standard vid inmatning av uppgraderad biogas på det svenska naturgasnätet (Svensson, 2011). I tabell 3 nedan följer de halter som SS sätter upp. 12

13 Tabell 3. Krav för biogas enligt den svenska standarden SS (Svensson, 2011). Beståndsdel Enhet Mängd Metan vol % >= 97 Koldioxid vol % <=3 Syre vol % <=1 Väte vol % <=0,5 Kolmonoxid vol % ingen gräns Totalhalt Svavel Mg/Nm 3 <=23 H2S (+COS i Fr., Be) mg/nm 3 <=10 Merakaptaner mg/nm 3 ingen gräns Halogenföreningar mg/nm 3 ingen gräns Tungmetaller mg/nm 3 ingen gräns Siloxaner mg/nm 3 ingen gräns Ammoniak mg/nm 3 <=20 H2O mg/nm 3 <=32 Tryckvattendaggpunkt grader C <=tmin - 5 Odorant - Krav, före konsumtion Partiklar mikrometer <= 1 Detta tolkas som att kraven som listas i tabell 3 bör efterföljas vid inmatning av biogas på det svenska naturgasnätet, alltså att dessa krav då gäller sammansättningen på den inmatade biogasen. Rimligheten i dessa krav kan dock ifrågasättas, då utspädningseffekter då biogas blandas med naturgas gör att biogas med t.ex. lägre metanandel skulle kunna tillsättas systemet utan att för stora variationer i gaskvalitet uppkommer. Detta kommer att diskuteras närmare i kapitel Enligt (Prassl, 2008) så gäller att: Svenska myndigheter har satt upp gränsvärden för ingående ämnen i den gas som finns på nätet, d.v.s. sammansättningen som den sammansättning blandningen av biogas och naturgas har på nätet. ( )biogas was introduced in the 1990s as a motor vehicle fuel and in September of 1999 prescriptive limits were established that have since then had to be maintained for the use of biogas as a vehicle fuel, as well as for the feed-in into the public gas grid. These quality criteria refer to the quality of gas in the public grid. (Prassl, 2008) 13

14 Denna sammansättning listas i tabell 4 nedan. Tabell 4. Krav på ingående beståndsdelar av gasen i nätet. (Prassl, 2008) Beståndsdel Enhet mängd Syre vol % <= 1 Väte vol % ingen gräns Koldioxid vol % <= 3 Kväve vol % ingen gräns Svavel mg/nm 3 < 23 Metan vol % > 96 Tryckvattendaggpunkt Relativ densitet Inmatningstryck Wobbeindex Värmevärde ingen gräns ingen gräns ingen gräns ingen gräns ingen gräns Prassls tolkning är dock inte heller rimlig, då den danska naturgasen (den enda naturgaskvalitet som når svenska nät idag) innehåller ca 89,8 % metan (jmf Prassls påstådda krav på 96 % metan i nätet) Eventuella variationer i gaskvalitet måste utvärderas och begränsas Enligt (Nelsson, 2009) är parametrar som bör undersökas följande: 1. Typ av variation i. Högre/lägre wobbeindex och/eller värmevärde ii. Förändrad halt av olika föroreningar (N 2, CO 2, O 2, H 2, CO etc). 2. Frekvens hos variationer i. Sker ofta/sällan 3. Hastighet med vilken variationer sker i. Momentant/långsamt 4. Förändringens längd i. Tillfällig/längre/permanent 5. Förändringens effekter i. Ökade utsläpp ii. Minskad livslängd iii. Haveri iv. Inget Nedan har punkt 1 från listan ovan studerats närmare Wobbeindex Om biogas uppgraderas till det teorietisk maximala nivån, 100 % metan, så får biogasen ett Wobbeindex på 53,5 MJ/Nm 3. Detta Wobbeindex är då lägre än det för dansk naturgas (ca 54,8 MJ/Nm 3 ). Det är därmed oundvikligt att en blandning av dansk naturgas och uppgraderad får ett 14

15 lägre Wobbeindex än den rena naturgasens. Wobbeindexets nivå kan dock vara hanterbart; applikationer såsom gasturbiner kan justeras för ett lägre Wobbeindex. (Wågdahl, 1999) (Kristersson, Pettersson, & Johansson, 2007). Variationer i Wobbeindex har däremot många applikationer fasta begränsningar för. En variation på +/- 5 % i Wobbeindex är vad är angivet i leveransbestämmelserna av den danska naturgasen och är även en variation som vissa gaspannor kan hantera (Wågdahl, 1999), och anses vara gängse praxis (Nelsson, 2009). Enligt Gasreglementet ska dansk naturgas ha ett Wobbeindex på mellan 51,9-55,8 MJ/Nm 3 under normala förhållanden (Nelsson, 2009). Normalt sett så varierar inte kvaliteten på dansk naturgas nämnvärt över korta perioder, men sett över en tioårsperiod så kan man se en förändring beroende på ett avtagande metaninnehåll och en stigande andel mer energitäta kolväten i danska naturgasfält. Scenarier som skulle kunna göra att den gas som kommer in på svenska nät får varierande kvalitet och därmed ofta varierande Wobbeindex är: Att den gas som Sverige importerar kommer från mer än en källa (som i dagsläget) Att LNG från andra källor importeras Att biogas från konventionella anläggningar eller förgasningsanläggningar matas in på nätet. (Nelsson, 2009) Wobbeindex definieras enligt följande: Wobbeindex (W), är Där: H= värmevärdet för gasen, δ = den relativa densiteten för gasen. Definieras enligt δ = ρ / 1,29, där ρ är gasens densitet i kg/nm 3. I ett scenario där man vill mata in biogas i naturgasnätet och ändå begränsa variationer i Wobbeindex till ett maximum av +/- 5 % så blir det alltså en fråga om inblandningsgrad och uppgraderingsnivå på biogasen. Nedan ses ett diagram över maximal inblandningsgrad beroende på uppgraderingsgraden. Figur 1. Max andel biogas i levererad gas beroende på uppgraderingsgrad av biogas. (Wågdahl, 1999) 15

16 Figur 6 är baserad på dansk biogas med ett övre Wobbeindex på 54,8 MJ/Nm 3, vilket gällde kvartal (Wågdahl, 1999) låg det på 55,1 MJ/Nm 3 (Nelsson, 2009). I ett scenario där man vill ersätta all naturgas i nätet med biogas så måste man med andra ord uppgradera biogasen väldigt mycket, 98,5 % för att vara exakt; en nivå som då motsvarar 95 % av naturgasens Wobbe-index. Denna nivå av uppgradering har hittills inneburit att avancerade och kostsamma uppgraderingsprocesser måste användas. I ett scenario där endast 25 % av gasen i nätet ersätts med biogas så behöver dock gasen endast uppgraderas till 90 % metanhalt (Wågdahl, 1999). Naturgasen som produceras inom EU beräknas räcka i 13 år till med nuvarande användningshastighet (Energimyndigheten, 2010), och sedan kommer en eventuell import av naturgas troligen komma från Norge, Ryssland eller från andra länder i form av LNG. Den ryska (och även den norska) gasen har ett lägre Wobbeindex (53,1 MJ/Nm 3 ), och därmed så kommer grafen i figur 6 att förskjutas mot det övre vänstra hörnet av diagrammet; en större andel biogas kan alltså blandas in. Om man vill använda sig av denna metod för att ersätta naturgas med biogas i t.ex. en stads stadsnät så får man dock observera att ofta finns stora säsongsvariationer i uttag från nätet. Andelen biogas som matas in på nätet måste alltså ge den andel biogas som figur 6 tillåter, i nätet, eller om man så vill levererad till användaren, vilket betyder att inmatningen måste styras via återkoppling från uttaget i varje given tidpunkt. För att få detta system att fungera bra och utan onödiga förluster av producerad biogas kan ett biogaslager komma till nytta (Wågdahl, 1999). Resonemanget i Figur 6 bygger på att Wobbeindex endast får avvika 5 % under det Wobbeindex som applikationen är inställd på. Om applikationen ställs om (t.ex. en gasturbin) på ett nytt värde kan en större andel biogas blandas in (Kristersson, Pettersson, & Johansson, 2007). Figur 7 nedan beskriver detta scenario. Figur 2. Maximal variation av Wobbeindex då applikationen justeras får 50 % naturgas och 50 % biogas (Kristersson, Pettersson, & Johansson, 2007). Om applikationen ställs om för ett normalwobbeindex på 50 % naturgas och 50 % biogas kan alltså alla inblandningskvoter av biogas accepteras. Det som dock kan bli ett problem även om alla applikationer är justerade för att kunna hantera variationer i Wobbeindex, är att energiinnehållet i den levererade gasen varierar beroende på säsong så mycket att det blir problem att tillämpa en 16

17 rättvis debitering. En lösning på detta är att endast låta inblandningen ske i transmissionsnätet och inte i distributionsnätet. (Kristersson, Pettersson, & Johansson, 2007) Debiteringsproblem är dock inte ett problem som endast uppstår på grund av biogasen, utan kommer inom en snar framtid vara ett problem Sverige står inför då norsk, rysk eller annan naturgasgas ska matas in på nätet. (Kristersson, Pettersson, & Johansson, 2007) Formellt sett finns inga lagliga krav för inom vilket intervall Wobbeindexet måste hålla sig i svenska nät, men i praktiken så måste det alltså hållas inom ovan nämnda gränser (Prassl, 2008) Halt av metan Halten av metan måste överskrida 96 % i svenska nät (Prassl, 2008). Detta krav sätter därmed en maxgräns för övriga komponenter (listas nedan) på 4 % inblandning totalt sett. Enligt den svenska standarden SS Motorbränslen - Biogas som bränsle till snabbgående ottomotorer så är det dock % som gäller (Svensson, 2011) Halt av vätgas Vätgas har en mycket högre flamhastighet än metan har, och av den anledningen ökar risken för framlyft 1 om halten av vätgas blir för hög (Prassl, 2008). Formellt sett finns inga krav för maximal andel vätgas i gasnät i svenska nät (Prassl, 2008) Halt av kolmonoxid Kolmonoxid har ett lägre värmevärde än metan och drar därför ned Wobbeindex. Kolmonoxid finns knappt alls i naturgas, men då biogas produceras bildas även små mängder av kolmonoxid. Kolmonoxiden är dessutom giftig, varför halten av ämnet bör begränsas om gasen ska användas på ett stadsnät (Nelsson, 2009). Formellt sett finns inga krav för maximal andel kolmonoxid i gasnät i svenska nät (Prassl, 2008) Halt av andra kolväten än metan Etan, propan och butan finns i varierande mängder i naturgas. Dessa komponenter påverkar gasens Wobbeindex och luftbehov. En högre andel tunga kolväten än referensfallet ger ett högre Wobbeindex och ett högre luftbehov, och vice versa. Tyngre kolväten, såsom hexan och pentan, förekommer endast i mycket små mängder (tiondels volymprocent). Formellt sett finns inga krav för maximal andel av andra kolväten än metan i svenska nät (Prassl, 2008) Halt av inerta komponenter (N 2, CO 2 och H 2O) De inerta komponenter som finns i naturgas/biogas är kväve, koldioxid och vatten. Naturgas innehåller oftast inte mer än 1 % inerta komponenter. Däremot innehåller ouppgradaderad biogas höga halter av framförallt koldioxid, men även högre halter av kvävgas. 1 Framlyft sker när gasens uttömningshastighet är högre än flamhastigheten (den hastighet med vilken flamman (reaktionszonen) möter den omgivande gasen). 17

18 Andelen koldioxid får ej överskrida 3 % i svenska nät. Förutom att koldioxiden såklart sänker värmevärdet på biogasen så blir den korrosiv då den i närvaro av vatten bildar kolsyra (Svensson, 2011). För vatten och kväve finns formellt inga övre gränser satta. (Prassl, 2008) Halt av partiklar Partiklar påverkar inte förbränningen direkt, men kan påverka indirekt genom att brännare och ventiler sätter igen. Formellt sett finns inga krav för maximal andel av partiklar i svenska nät (Prassl, 2008) Halt av metaller Metaller kan potentiellt skada vissa processer och applikationer, men naturgas är i princip fri från metaller. Gas från termisk förgasning kan däremot innehålla sådana halter att gasen behöver tvättas innan den uppgraderas Halt av syrgas Formellt sett så är halten syrgas i svenska nät begränsad till maximalt 1 % (Prassl, 2008), men faktum är att man gjort Göteborgs stadsnät (ett gammalt nät för stadsgas) till ett naturgas/luft-nät och matat in hela 47 % luft i nätet (Wågdahl, 1999). Undantag verkar alltså kunna göras till denna regel. Vad som dock verkar vara en striktare regel är den gällande halt av syre i fordonsgas, vilken säger att fordonsgas i Sverige inte får innehålla mer än 1 % syrgas (Benjaminsson & Nilsson, 2009) Halt av svavel Formellt sett så är halten svavel i svenska nät begränsad till maximalt 23 mg/m 3. (Prassl, 2008) Av de föroreningar som kan finnas i biogas är det svavelväte som oftast är mest kritiskt (Kristersson, Pettersson, & Johansson, 2007). 5. Diskussion och slutsats Infrastrukturen för gas finns idag tillgänglig i en stor del an sydvästra Sverige, och användningen av naturgas ökar snabbt i Sverige. I många fall ersätter naturgas olja i industri (71 % av all naturgas som används i Sverige) och till viss mån i transporter, men naturgas används på många ställen längs gasnätet även till uppvärmning (24 % av all naturgas som används i Sverige), som till exempel i det E.On-drivna Öresundsverket som startades 2009 i Malmö. I Malmö stad står naturgasen för hälften av all fjärrvärme idag, vilket innebär att de Malmöbor som väljer fjärrvärme istället som elvärme ökar sina utsläpp markant. Samma sak gäller även i Göteborg, där naturgas står för ca 50 % av fjärrvärmen. Det är lönsamt att köpa och sälja naturgas idag, framför allt efter den prissänkning på naturgas som kom i samband med den förra finanskrisen, så det är nog troligt att vi kommer att få se fler gaspannor installeras längs med det svenska gasnätet idag. Naturgasen är dock en återvändsgränd precis som alla andra ändliga fossila bränslen, och att låta naturgasen stå för en allt större andel av Sveriges energianvändning är att köra allt längre in i denna återvändsgränd. Energimyndigheten uppskattar att vi har 13 år kvar av naturgas inom EU, och sedan får vi importera ifrån Norge, Ryssland eller LNG från till exempel Sydamerika. 18

19 Naturgas kan dock användas som en brygga till ett mer utbrett biogasanvändande, men det kräver att användningen inte överskrider potentialen. Biogasen har potential till att ersätta en naturgasanvändning upp till en viss nivå. Importen av naturgas låg 2010 på ca 13 TWh, och ökar med ca 150 GWh om året. Potentialen av biogas gjord av restprodukter (matavfall, park- och trädgårdsavfall, resprodukter från industri och livsmedelsindustri, restprodukter från lantbruket och gödsel) uppgår till ca 15 TWh i Sverige (Linné, Ekstrandh, Englesson, Persson, Björnsson, & Mikael, 2008). Vill man genom rötning göra mer biogas än så får man ta odlingsmark i anspråk för att skapa substrat att röta (såsom halm eller vallgröda), vilket måste anses vara ett icke-alternativ i en värld med stigande matpriser och ökande svält. Potentialen för biogas genom termisk förgasning av trädmassa uppgår till ca 59 TWh, men denna teknologi är idag inte mogen; den första kommersiella anläggningen håller på att byggas i Göteborg med planerad driftstart För att Sverige ska kunna fortsätta att ställa om sina energisystem och minska utsläppen av koldioxid så måste naturgasen fasas ut. Det bästa sättet att göra detta på är inte att anpassa biogasen till naturgasen, utan att så långt som möjligt anpassa Sveriges nuvarande energisystem till att hantera stora mängder biogas. Detta kan göras genom att låta kvaliteten på den levererade gasen variera inom nuvarande acceptabla gränser, eller genom att ställa in applikationer för att ytterligare anpassa energisystemet för biogas. 19

20 6. Referenser Benjaminsson, J. (2006, 04). Retrieved 09 29, 2011, from Benjaminsson, J., & Nilsson, R. (2009, 11). Retrieved 09 28, 2011, from ergigas.se%2fpublikationer%2f~%2fmedia%2ffiles%2fwww_energigas_se%2fpublikationer%2frap porter%2fdist_rapp091113_slutlig_rev ashx&rct=j&q=distributionsformer%20f%c3%b6 BP. (2011). Statistical Review of World Energy Retrieved 09 27, 2011, from atistical_energy_review_2011/staging/local_assets/spreadsheets/statistical_review_of_world_ene rgy_full_report_2011.xls Energimyndigheten. (2010). Retrieved 09 27, 2011, from ermanent/static/ed9bb60f6de5404eab158575fd2c1aee/et_2009_28w.pdf Energimyndigheten. (2011). Retrieved 09 27, 2011 Energimyndigheten. (2006). Europas naturgasberoende. Retrieved 09 28, 2011, from ermanent/static/f2e457464a94429daf03ba7bf6337d48/et2006_06w.pdf E-On. (2010, 06). Retrieved 10 03, 2011, from %20Ett%20av%20v%C3%A4rldens%20effektivaste%20kraftverk.pdf Kristersson, I., Pettersson, A., & Johansson, K. (2007, 06). Retrieved 09 30, 2011, from Lantz, M., Ekman, A., & Börjesson, P. (2009, 06). Systemoptimerad produktion av fordonsgas; En miljö- och energisystemanalys av Söderåsens biogasanläggning. Retrieved 09 28, 2011, from Linné, M., Ekstrandh, A., Englesson, R., Persson, E., Björnsson, L., & Mikael, L. (2008). Retrieved 10 03, 2011, from rgigas.se%2fpublikationer%2f~%2fmedia%2ffiles%2fwww_energigas_se%2fpublikationer%2frapp orter%2fbiogaspotential_slutlig0809.ashx&rct=j&q=biogaspotential%20restprodukter%20i Nelsson, C. (2009, 06). Retrieved 09 27, 2011, from Prassl, H. (2008, 06 23). Retrieved 09 26, 2011, from 20

21 SGC. (2009). Retrieved 09 27, 2011, from Svenskt Gastekniskt Center: SGC. (2009). Naturgas. Retrieved 09 28, 2011, from Svensk biogas. (2011). Retrieved 09 26, 2011, from Svensson, M. (2011, 04). Retrieved 09 29, 2011, from The NEED project. (2011). Project National Energy Education Development. Retrieved 09 26, 2011, from Wågdahl, K. (1999, 07). Retrieved 09 27, 2011, from 7. Frågor om arbetet Nämn några parametrar som är viktiga att undersöka då biogas ska matas in på naturgasnätet. Beskriv i korta drag uppgraderingsprocessen för biogas. 21