Landvinningar och forskningsbehov inom biobränsleförädling och småskalig bränsleomvandling till värme och el

Transkript

1 Landvinningar och forskningsbehov inom biobränsleförädling och småskalig bränsleomvandling till värme och el Bränsleprogrammet/förädling och omvandling - översikt Uppnådda/förväntade resultat från programperioden Paus frågor Viktiga områden för fortsatta insatser Strategi för snabbare nyttiggörande av FoI resultaten Frågor, kommentarer Björn Kjellström Ordförande programråd Bränslen/omvandling Professor em. Luleå tekniska universitet

2 Kunskapsläget inom bioenergi Många lösa bitar. Flera bitar återstår att hitta om bioenergins fulla potential skall kunna utnyttjas uthålligt och med god ekonomi.

3 Bränsleprogram/omvandling - Omfattning Utvecklingsområden: Verkningsgrad, driftsäkerhet, emissioner, totalekonomi, nya bränslen Två led i bränslekedjor för biobränslen: Förädling (Ingen kapacitetsbegränsning) - Torkning 1 projekt, Totalt 1638 kkr, EM 737 kkr - Densifiering (pelletering, brikettering) 5 projekt, Totalt kkr, EM kkr - Pyrolys (Förvätskning) 2 projekt, Totalt 6880 kkr, EM 5619 kkr Omvandling till värme och el (Effekt under c:a 10 MW bränsle) - Förbränning 18 projekt, Totalt kkr, EM kkr - Förgasning 0 projekt, Totalt 0 kkr, EM 0 kkr - Värme till el 5 projekt, Totalt kkr, EM kkr - Efterbehandling för emissionsbegränsning 1 projekt, Tot. 870 kkr, EM 310 kkr

4 Bränsleprogram/omvandling Avsedda effekter Utvecklingsområden: Verkningsgrad, driftsäkerhet, emissioner, totalekonomi, nya bränslen Undanröja hinder mot ökat biobränsleutnyttjande: Ekonomiska hinder - Minskad bränslekostnad (bättre verkningsgrad, billigare bränslen) - Minskade drift- och underhållskostnader - Minskade investeringsbehov Regelverkshinder - Gällande emissionskrav skall klaras Osäkerhetshinder - Nya lösningar testas med begränsat risktagande Innovationsförmågehinder - Kunskapsuppbyggnad hos forskare, utvecklingsingenjörer, entreprenörer

5 Bränsleprogram/omvandling Resultat: Förädling Förväntade resultat eftersom endast 3 projekt är avslutade. Torkning (avslutat projekt) Prototyp för mobil flistork baserad på containerteknik testad. Torkverkningsgrad 35%. Avsevärda variationer i flisbäddens fukthalt kan kräva vidareutveckling. Koncept, ritningar och specifikationer för produktion av torrflis utan omlastningar från skogen till slutanvändare framtagna. Överskottsvärme från kraftvärmeverk och processindustri skall utnyttjas. Test- och demoanläggning inte realiserad i brist på intresserad kund. Konservering av agrobränslen med additiv (pågår) Laboratorie- och fältförsök för studier av ökad lagringsbarhet för halm genom tillsats av kalciumoxid. Lagringsbarhet förbättras, slaggningsproblem minskas. Brikettering Inga projekt - Inga resultat

6 Bränsleprogram/omvandling Resultat: Förädling Pelletering (pågår) Förväntad produktionskostnadsminskning 5% till år 2020; Breddad råvarubas (lövträ, grot, torv, agroråvaror, stubbar). Laboratorieförsök delvis utförda. Lövträinblandning positivt dock ej med björk. Innovativa beredningsmetoder (reducering av extraktivämnen och aska, spånfraktionsoptimering) testas. Extraktivämnesfri pellets ger mindre CO avgång vid lagring; Flera provade additiv ger bättre pelletskvalitet vid oförändrad eller minskad energiåtgång vid pelletering. Fullskaleförsök bekräftar detta. Termisk förbehandling kan ge minskad smulbildning; Utveckling av grundläggande kunskaper att utnyttjas för ytterligare processförbättringar; Kunskapsgrund för industriell pelletering av torrefierat material utvecklas. Parameterstudie med pellets från singelpellets press gjord.

7 Bränsleprogram/omvandling Resultat: Förädling Mätning av nyckelparametrar och kvalitetssäkring (pågår) Bränsleindex som skall kunna nyttjas av bränsletillverkare, anläggningstillverkare och kunder för att beskriva slaggningsproblematiken samt potentiella emissionsfaktorer vad gäller emissioner av fina askpartiklar i brännare och rostanläggningar utvecklas. Lovande försök med användning av NIR spektrometri för bestämning av bränsledata (värmevärde, huvudkomponenter, aska, flykt och koksrest) Pyrolys för bioljeproduktion (ett avslutat, ett pågående projekt) Systemstudie indikerar uppskattad produktionskostnad, integrerad produktion i kraftvärmeverk eller massabruk c:a 400 kr/mwh(b). Process Metso eller BTG. Produktionspotentialen i Sverige minst 10 TWh(b)/år. Potentiell marknad minst samma nivå; Cyklonreaktor ger pyrolysolja med låga halter aska och metaller. Rent träbränsle, GROT-bränsle, salix och rörflen 1) testade med bra resultat. Utbyte drygt 50%. Bark visat sig olämplig (lågt utbyte, fasseparerad olja och beläggningar i reaktorn) 1) Förbränningsstudier med pyrolysolja från rörflen pågår inom programmet.

8 Bränsleprogram/omvandling Resultat: Omvandling Förväntade resultat eftersom endast 12 projekt är avslutade Billigare/effektivare eldningsutrustning (avslutade) Inledande försök med vibrerande rost för flispannor kw genomförda. Fortsatt produktutveckling erfordras. Försök med integrerad rökgaskondensering i villapanna ger hög verkningsgrad men potentiellt problem med avloppsvatten. Bättre dimensioneringsunderlag för pannor (pågår) Utveckling av förbättrad strålningsmodell Eldning av nya bränslen (avslutade) Rörflen med 8% aska kan eldas utan problem som briketter i dansk Rekapanna 32kW, i schweizisk Schmid UTSW panna 550 kw och i riven form i en dansk Linkapanna 400 kw. Salix fungerar utmärkt som bränsle i pannor 100 kw - 5 MW om bränslet uppfyller pannans krav på fukthalt och fraktionsstorlek. Helst rörligt rost. Undvik undermatade pannor. Mer frekvent sotning motiverar automatsotning. Stallgödsel kan användas i pannor avsedda för träbränsle vid effektbehov under 30% och blandad med minst 70% träbränsle. Inblandning av mandel-och/eller palmfröskal i agropellets ger högre pannverkningsgrad men liknande emissionsdata (partiklar ej mätta); Fortsatt forskning kring hampa som bränsle kan ges låg prioritet;

9 Bränsleprogram/omvandling Resultat: Omvandling Förbränningsteknik för askrika bränslen (pågår) Bränsleindex för slaggning finns, index för emissioner nära förestående. Validering av båda index planeras maj Generella asktransformationsmodeller och processtyralgoritmer för askrika bränslen utvecklas. Demonstrationsprojekt i Kina (BioSteam AB); Ökad grundläggande kunskap om kalium- och fosforreaktioner initialt vid förbränning förväntas. Laboratorieförsök visar stor potential för minskad beläggningsbildning i högtemperaturvärmeväxlare genom val av processparametrar och bränsleadditiv Eldning med acceptabla emissioner (3 avslutade, 1 pågående projekt) Arbetet med EU:s Ecodesign direktiv har följts. Utveckling av gemensam europeisk metod för bestämning av partikelutsläpp från små biobränsleanläggningar pågår. Förstudie av möjligheter att konstruera vedeldade lokaleldstäder med mycket låga utsläpp av partiklar genomförd. Förstudie av möjligheter att hantera skärpta kraven på NO x -emissioner vid användning av biobränslen med högre kväveinnehåll, genomförd.

10 Bränsleprogram/omvandling Resultat: Omvandling Förgasning Inga projekt inga resultat Småskalig kraftvärme (1 avslutat, 3 pågående projekt) Inventering industriellt värmeunderlag sydöstra Sverige. 80 anläggningar identifierade, totalt värmeunderlag 3,1 TWh/år. 20 förstudier genomförda. Hinder: Elpriser och osäkerhet om teknikprestanda. 4 demoprojekt startas 2015 med EU-medfinansiering. ORC, Gengas, Lysholmsexpander. Tillgänglig potential för externeldad gasturbin för pannor under 10 MW(b) uppskattad till 850 enheter varav 200 med effekt under 100 kw(e) Stöd till svenska innovationsföretag ger bättre gengasrening (Meva), förbränningsstyrning för askrika bränslen (BioSteam) och prototyp för externeldad gasturbin 100 kw(e) (Pomero) Efterbehandling för emissionsbegränsning (avslutat) Rökgasskrubber i villapanna ger hög verkningsgrad och troligen god partikelavskiljning. Kvittblivning av avloppsvatten kan vara hinder.

11 Frågor? Tillägg? Mer detaljerad och kanske aktuellare information i postervisningen!

12 Viktiga områden för fortsatta insatser Strategi för snabbare nyttiggörande av FoI resultat Beror på framtida behov av bioenergi i energisystemet Kärnkraftens framtida roll en avgörande faktor Här antas att målet för 2030 skall vara att nå nivåer för biobränsle motsvarande vad Profu uppskattat i rapport till Svebio.

13 Potential för ökat biobränsleutnyttjande 2030 Användningsområde Biobränsletillförsel TWh/år Grönmarkerade celler enligt Profus rapport till Svebio. Övriga celler egna uppskattningar eller summeringar. Ökad energibärarproduktion TWh/år Ökning El Drivmedel Fjärr- när- eller processvärme El i kraftvärme b) El i industri b) El i kondenssvansdrift c) Småskalig kraftvärme a) f) 6d) e) Värme i fjärr/närvärme Processvärme i industri Lokaluppvärmning Drivmedel g) 25 Summa a) Högt räknat d) Närvärme (se Värmeforskrapport 1237) samt industri g) Antaget utbyte 60% (beror på processval) b) Verkningsgrad 75% e) Antaget elutbyte (alfavärde) 30% c) Verkningsgrad 33% f) Antagen marginalverkningsgrad 66%

14 Sektor Barriärpåverkan av FoI insatser inom storskalig omvandling. Ökad input TWh Densifiering FoI-område Additiv Pyroolja Bränngasproduktion CHP process Processintegration El (storskalig) Fjärrvärme 12 El (storskalig) Industri 3 El(kondens) 18 Fjärrvärme 11 Processvärme 7? Drivmedel 42 Knappast någon betydelse Tämligen låg betydelse Kan få stor betydelse Med säkerhet stor betydelse Totalt bidrag från storskalig användning kanske 93 TWh ökat biobränsleutnyttjande. (C:a 50 TWh icke drivmedelsrelaterat)

15 Sektor Barriärpåverkan av FoI insatser inom småskalig omvandling Ökad input TWh El (småskalig) Närvärme 7? El (småskalig) Industri 2? Närvärme 5? Processvärme 4? Lokal -värme 3 Densifiering FoI-område Additiv Pyroolja Miljöförbränning Bränngasproduktion CHP process Knappast någon betydelse Tämligen låg betydelse Kan få stor betydelse Med säkerhet stor betydelse Totalt bidrag från småskalig användning kanske 21 TWh ökat biobränsleutnyttjande. (C:a 40% av icke drivmedelsrelaterat)

16 FoI-område: Densifiering Nuläge: Omfattande kommersiell produktion av både pellets och briketter. God kunskap om olika processvariablers inverkan på pelletskvalitet på både grundläggande och tillämpad nivå avseende konventionell råvara (barrträspån). God kunskap på grundläggande nivå för andra råvaror. Begränsad potential för sänkta produktionskostnader. Betydelse av FoI för ökat biobränsleutnyttjande Liten betydelse om inte nya bränsleråvaror (lövträ, agrobränslen mm) måste ingå i råvarubasen för att erforderlig total tillförsel av biobränslen skall vara möjlig och om inte nya additiv erfordras för att nå krav på emissionsprestanda FoI-frågor för Hur fungerar forskningsbaserade recept för nya råvaror vid storskalig produktion? (Prioritet beror på behov av nya råvaror) Hur påverkas pelletskvalitet och produktionskostnad av emissionshämmande additiv? (Prioritet beror på om additiven behövs) Hur fungerar studerade innovativa beredningsmetoder vid storskalig produktion? Hur kan skadliga emissioner vid lagring av pellets minimeras?

17 FoI-område: Additiv Nuläge: Additiv för bättre pelletskvalitet (hållfasthet) fälttestas nu. Grundläggande kunskaper om effekter på stoftbildning och slaggning finns. Effekt på stoftbildning antingen genom ökad bindning i bottenaska eller större partiklar som är lättare att avskilja. Kaolin mest intressant för detta. Betydelse av FoI för ökat biobränsleutnyttjande: Additiv för stoftemissionsminskning kan vara nödvändigt för vissa bränslen om nya emissionskrav skall klaras. Additiv kan behövas för att undvika beläggningar i högtemperaturvärmeväxlare för externeldad gasturbin. FoI-frågor för : Vilka emissionsminskningar kan åstadkommas vid olika doseringar för given förbränningsutrustning? Är additiv kostnadseffektiva i jämförelse med andra åtgärder för att klara emissionskraven eller undvika beläggningar?

18 FoI-område: Pyroolja - produktion Nuläge: Flera produktionsprocesser på väg att kommersialiseras. Uppskattad produktkostnad vid integrerad produktion c:a 400 kr/mwhb. Lovande försök med svensk pyrolysprocess (cyklonpyrolys) Tänkbart användningsområde: Ersättning av tung eldningsolja eller mellanprodukt för trycksatt förgasning. Betydelse av FoI för ökat biobränsleutnyttjande Om pyrolysolja finns tillgänglig till angivet pris kan detta få stor betydelse för eliminering av eldningsolja i industrin och för spetsvärmeproduktion av fjärrvärme. FoI-frågor för Kan cyklonpyrolys bli attraktivare än mer etablerade processer? Hur stor är potentiell marknad för pyrolysolja för ersättning av eldningsolja och som mellanprodukt till förgasare? Hur påverkas utbyte, produktkvalitet och produktionsekonomi av råvaran?

19 FoI-område: Förgasning till bränngas Nuläge: Väl dokumenterade kunskaper om förgasningsteknik och gasreningsteknik i kapacitetsområde från10 kwth och uppåt. Enstaka anläggningar i Sverige. Dokumenterade drifterfarenheter förefaller saknas. Betydelse av FoI för ökat biobränsleutnyttjande: Bränngas från förgasning av biomassa kan vara tekniskt möjligt alternativ till olja och fossilgas. Kan få stor betydelse för fossilbränsleersättning. FoI-frågor för : Hur stor är teknisk och ekonomisk potential för fossilbränsleersättning med bränngas från biobränsleförgasare? Vilka förgasningsreaktorer är lämpligast för olika industritillämpningar? Hur skall förgasningsteknik anpassas/utvecklas för att ge gaskvalitet som uppfyller speciella industrikrav? Hur skall förgasningsprocess integreras med övrig energiförsörjning i olika typer av industrier?

20 FoI-område: Miljövänlig förbränning Nuläge: Svenska utrustningstillverkare (pannor och kaminer för träbränslen) inom hela effektområdet. Starka utländska konkurrenter. För agrobränslen främst utländska leverantörer. Nya emissionskrav väntas innebära behov av ytterligare utvecklingsarbete. Betydelse av FoI för ökat biobränsleutnyttjande: Konsekvens av nya emissionskrav kan bli övergång till el för lokaluppvärmning och minskat biobränsle för uppvärmning om förbränningsteknik inte utvecklas. FoI-frågor för : Hur stora emissionsminskningar krävs för nuvarande svenska produkter? Kan utvecklad CFD modellering utnyttjas som utvecklingsverktyg (stegad förbränning, brännkammargeometri, rökgasåterföring)? Kan bättre process-styrning ge tillräckliga förbättringar? Kan additiv eller bränsleblandningar ge tillräckliga förbättringar? Kan bränngassystem vara realistiskt alternativ till direktförbränning? Hur skall effektiva miljövänliga brännare för pyrolysolja utformas? Vilka är erfarenheterna från praktiskt utnyttjande av pyrolysolja i olika tillämpningar?

21 FoI-område: CHP processer (småskaliga) Nuläge: Kommersiell teknik från utländska leverantörer finns för under 100 kwv och över c:a 1 MWv. Enstaka demonstrationsanläggningar i Sverige i drift. Fyra koncept i olika utvecklingsfaser från svenska leverantörer (Meva, Opcon, BioSteam, Pomero, Againity). Betydelse av FoI för ökat biobränsleutnyttjande: Brist på dokumenterade goda drifterfarenheter marknadshinder för de nya svenska koncepten. Demonstrationsprojekt kan göra skillnad. Kapacitetsluckan kwv kan behöva fyllas för att utnyttja total potential. FoI-frågor för : Vilka förutsättningar för småskalig kraftvärme kan väntas för värmeunderlag under 10 MWv (lokaluppvärmning och industri)? Hur kan förbättrad lönsamhet åstadkommas i förhållande till erfarenheter från demonstrationsprojekt (Standardisering och serieproduktion)? Vilken process är mest lovande för kapacitetsluckan 100 kwv 1000 kwv?

22 FoI-område: Efterbehandling för emissionsbegränsning Nuläge: Våtavskiljare, elfilter eller textilt spärrfilter kan krävas för att nå de emissionsnivåer som gäller enligt nya krav om inte förbränningstekniska åtgärder visar sig tillräckliga. Leder till större investering och ev. till högre driftkostnad. Elektrofilter prototyp testad i tidigare program. Lär finnas kommersiellt med kapacitet ner till kaminnivå. Våtavskiljare ger högre verkningsgrad men möjliga problem med kvittblivning av kondensat. Betydelse av FoI för ökat biobränsleutnyttjande: Konsekvens av nya emissionskrav kan bli övergång till el för lokaluppvärmning och minskat biobränsle för uppvärmning om utvecklad förbränningsteknik inte klarar kraven. FoI-frågor för : Kan våtavskiljare (skrubber) utformas för att klara både emissionskrav till luft och avloppsvatten? Vilka drifterfarenheter finns från små elfilter och spärrfilter?

23 Syntes: FoI aktiviteter nästa programperiod Högsta prioritet: Klarlägga konsekvenser för svenska produkter av nya emissionskrav och genomföra erforderligt utvecklingsarbete, i första hand inriktade på förbränningstekniska åtgärder. Sannolikt erfordras utveckling och validering av CFD verktyg. Additiv och efterbehandling reservalternativ. Hög prioritet: Klarlägga lämplig teknik för oljeersättning i industrin (pyrolysolja eller bränngasproduktion) och genomföra demonstrationsprojekt med erfarenhetsåterföring; Genomföra demonstrationsprojekt för småskalig kraftvärme med erfarenhetsåterföring för ökad konkurrensförmåga; Anpassning av förädlings- och omvandlingsprocesser till framförallt salix, agrorestprodukter och ettåriga energigrödor (dock inte hampa) om inte träbränslen räcker för erforderlig biobränsletillförsel (c:a 250 TWh) Lägre prioritet: Grundläggande pelleteringsstudier som inte direkt är kopplade till industriella behov av sådan kunskap.

24 Samlat intryck från pågående program Många väl genomförda projekt som bidrar med ökad kunskap Men. Spretigt och fragmenterat Lång väg till praktisk tillämpning i många projekt Ineffektiv resultatspridning

25 Ny strategi för snabbare nyttiggörande Fokus på tre tillämpningsområden av särskild betydelse Emissionskraven skall klaras för alla bränslen som kan ge betydande bidrag till bränsleförsörjningen i aktuella tillämpningar Ersätta fossila bränslen för industriell processvärme Konkurrenskraftig småskalig kraftvärme Inför beställningsforskning inkluderande praktisk demonstration Programråd med stark användar- och leverantörsrepresentation Identifiera nyckelfrågor för prioriterade bränslekedjor (Programrådets uppgift) Upphandla FoI insatser för att få svar Flexibel finansiering av demonstration med villkorat övertagande av utrustning efter avslutat projekt Se till att alla projektrapporter är sökbara och nedladdningsbara