Möjligheter för termisk energiproduktion på Åland en bit i miljö-, energi- och näringslivspusslet:

Transkript

1 Möjligheter för termisk energiproduktion på Åland en bit i miljö-, energi- och näringslivspusslet:

2 1 Innehållsförteckning Förord... 3 Sammandrag Bakgrund och syfte Åland som energimarknad Möjligheter för termisk energiproduktion Avverkningsmöjligheter på Åland Potentiell utveckling av avverkningsvolymerna Utmaningar och möjligheter Trädets sammansättning och energipotential Potentialen för biomassa och potentialen för energi Övriga källor för termisk energiproduktion Oljeavfall Pappers- och pappavfall, gummi och plast Träavfall Animaliskt avfall, blandat matavfall och vegetabiliskt avfall Brännbart hushållsavfall Vanligt slam Termiska processer Förbränning och förgasning Om förgasning Bakgrund Förgasning i teorin Gassammansättning Olika typer av förgasare Användning av produktgas i olika förbränningsmotorer Val av lämpad teknologi Förbehandling Energipotential på Åland Energipotential i skogsbaserade bränslen Årlig energipotential mellan 1991 och Framtida energipotential i skogsbaserade bränslen Energipotential i åländska avfallsmängder Ekonomisk analys Investeringskostnader Driftkostnader... 50

3 Inkomster Lönsamhetskalkyler Känslighetsanalyser Slutsatser Valda källor Figurförteckning Tabellförteckning... 59

4 3 Förord Ålands Teknologicentrum (ÅTC) är en utvecklingsenhet för innovation och tillväxt vid Ålands landskapsregerings näringsavdelning. ÅTC har tillsammans med CleanGas International Ab sammanställt en översikt om potentialen för termisk energiproduktion på Åland baserad på bioenergi och/eller avfall och några teknologiska alternativ. Vi hoppas materialet blir användbart som basunderlag för planering och fortsatta analyser och kan bidra till att hitta hållbara och konkurrenskraftiga energilösningar för Åland. Mariehamn, Maj 2015 Ralf Häggblom Affärsutvecklare Ålands Teknologicentrum Florian Haug PhD, CleanGas International Ltd. Ab (numera Högskolan på Åland)

5 4 Sammandrag Åland, med sitt insulära läge, utgör en egen energimarknad. Detaljerad statistik över energiförbrukning finns inte tillgänglig, men denna rapport ger en del indikatorer på utveckling och karakteristik av marknaden. Trendmässigt visar försäljningsstatistiken att totalt har energiförbrukningen på Åland vuxit fram till Förbrukningen är ännu starkt betonad av importerad energi i form av fossila bränslen och elektricitet. För elektricitet är hushållen den största förbrukargruppen. Den landbaserade förbrukningen visar en trend av gradvis förändringen från fossila bränslen till en högre grad av elektricitet. Även biobränslen har under de senaste åren blivit viktigare. Det kan noteras att de åländska rederiernas passagerarfärjor har en uppskattad energiförbrukning som är dubbelt så stor som den totala landbaserade energiförsäljningen, vilket markerar ekonomins beroende av fossila bränslen. För termisk energiproduktion har man analyserat skogsbaserad bioenergi och avfall. Den åländska skogen har förutsättningar för en hållbar avverkningsvolym som är betydligt högre än idag. Skogssektorns utveckling för förädling och biobränsleproduktion ger en förutsättning att utveckla en miljömässigt god energiproduktion med ökad självförsörjningsgrad för landskapet, tillsammans med den tillväxtpotential som vindenergin har. De avfallsmängder som tillkommer på Åland är anspråkslösa, jämfört med de mängder som används i energiproduktionsanläggningar som finns och tas i bruk i omkringliggande regioner. Samtidigt finns det flera avfallsfraktioner som tillsammans med biobränsle kunde användas som insatsmaterial för energiproduktion och kunna skapa en potentiellt lönsam helhetslösning. De huvudsakliga termiska teknologierna förbränning och förgasning presenteras kort. Båda alternativ är användbara i olika scenarier på Åland, men valet beror på tillgängliga insatsmaterial samt anläggningens produktion av värme och/eller el. Att hitta den bästa lösningen sker lämpligen genom att iterera olika målsättningar och antaganden; tekniska lösningar, deras ekonomiska- och miljö-effekter. Med de framtagna kalkylmodellerna kan analysen fortsätta, för att beakta formulering av övergripande och specifika målsättningar för affärsområden på energimarknaden och för miljömål. Tillgång till information om energiområdet kräver insatser för att förbättra beslutsunderlaget för en bredare energiplanering och identifiering av nya affärsmöjligheter på området. Den bästa tidpunkten för att börja planera framtiden är nu.

6 5 Bakgrund och syfte Tillgång och användning av energi är centrala frågor globalt energianvändning är kopplad till levnadsstandard, utvecklingsmöjligheter och miljö. Ålands Teknologicentrum har i sitt projekt ÅTC Tillväxt arbetat med att identifiera nya affärsmöjligheter med fokus på tillämpningar inom miljöteknologi på Åland. Kontinuerlig tillgång till energi i olika former är något man nuförtiden tar mer eller mindre för givet. El till hushåll och företag samt behövlig värme och drivmedel är förutsättningar för den livsstil och affärsverksamhet som bedrivs och de tjänster man vant sig vid. Krav på att användning skall ha liten miljöpåverkan eller vara miljöneural ökar. För Ålands landskapsregerings mål om ett hållbart Åland år 2051som antagits av lagtinget, är frågor om hur man lokalt använder och producerar energi en central fråga. Samtidigt är en konkurrenskraftig och tillförlitlig energimarknad en viktig fråga för näringslivet. Åland är ett litet och avgränsat ö-samhälle, där energin idag till största del importeras. Möjligheterna att uppnå hållbara energilösningar och en högre grad av energisjälvförsörjande på Åland beror på både de lokala produktionsmöjligheterna och olika användningsalternativ för den producerade energin. För att vara ett attraktivt samhälle är helhetslösningar av energifrågor en del av att skapa långsiktig tillväxtpotential. Den här rapporten ger en kort översikt av marknaden och en analys av produktionsmöjligheterna genom användandet av termiska processer för potentiella bränslen: skogen och det avfall som uppstår eller kan samlas upp på Åland. 1.1 Åland som energimarknad För den totala energianvändningen på Åland finns inte helt entydigt statistiskt material eller tidsserier tillgängliga. Det följande materialet är sammansatt från olika källor och torde ge en representativ bild av utvecklingstrender och storleksordning av marknaden och dess segment. Energiförbrukningen globalt har vuxit kraftigt och förväntas växa med 50 % från nuvarande nivå till år Man kan notera att i Finland har energiförbrukningen i takt med ekonomisk tillväxt nästan fördubblats sedan 1970 (1). I Sverige har förbrukningen under samma period vuxit med runt 30 %. I Finland har industrins andel av energiförbrukningen vuxit från 43 % till 46 % mellan åren 1970 och 2012, medan Sveriges industri andel av energiförbrukningen under samma period har sjunkit från 34 % till 24 %. (2) Även på Åland har energiförbrukningen ökat stadigt, även om landbaserad energiintensiv industri saknas. Den uppskattade energiförsäljningen har vuxit med ca 40 % från nivån i början på talet och ligger idag på en nivå runt 3000 Tera joule (3), Figur 1.

7 6 Trenden för den totala energin ur sålda fossila bränslen har mellan 1982 och 2012 varit relativt jämn, men uppvisar mellan åren en klart sjunkande trend. Eftersom marknaden är öppen förbrukas t.ex. en del fordonsbränslen som säljs på Åland även utanför Åland, och en del bränslen kommer in för användning på Åland utan att synas i statistiken. Det har ändå ingen inverkan på den strukturella bild som presenteras. För fossila bränslen har försäljning av eldningsoljan minskat, medan diesel vuxit och bensin ligger på rätt samma nivå. Förbrukningen av elektricitet har ökat. Fördelningen mellan de andelar som olika energikällor står för har under åren förändrats. De energimängder som förbrukats i forma av förnybara bränslen, som ved i hushåll och mindre produktionsenheter, samt det som genereras med solenergi i olika former, är inte inkluderade i siffrorna. Det kan noteras att mängderna av dessa är relativt små, jämfört med de huvudkällor som visas nedan. T.ex. den totala småskalig flisbaserad närvärmen i andra kommuner än Mariehamn, ligger på en nivå som uppskattas vara ca 5 % av den mängd fjärrvärme som levereras i Mariehamn. (4) (5). Den vedeldning som veterligen förekommer saknas i översikten, eftersom data inte finns även siffrorna för energivedsavverkning borde antagligen vid en taxering uppdateras. Figur 1 Utvecklingen av energiförsäljning för valda produkter *Tidsserien innehåller enbart fjärrvärmen för Mariehamn Det kan noteras att den åländska rederibranschen inte syns i den åländska energistatistiken. Jämfört med den totala energi som säljs på Åland, förbrukar de åländska rederiernas passagerarfärjor ungefär dubbelt så mycket energi Figur 2 (6; 7). Passagerarfärjornas energianvändning visar en svagt nedåtgående trend. Den övriga åländska handelsflottan höjer det åländska näringslivets och samhällets energiförbrukning ytterligare.

8 7 Figur 2 Ålands energiförsäljning jämförd med passagerarfärjornas energiförbrukning * Den totala energiförsäljningen på Åland enligt sammanställd statistik. Passagerarfärjornas energiförbrukning enligt uppgifter av bunkerförbrukning från rederiernas årsberättelser (6) (7) (8) Beroendet av fossila energikällor (förutom för sjöfarten), framgår från Figur 3. Ungefär 65 % av den på Åland sålda årliga energin mellan åren var oljebaserad. Figur 3 Fördelning av totala energin såld på Åland *fjärrvärme för Mariehamn Trenden för försäljningen av eldningsolja visar på minskande användning, medan elektriciteten har ökat så att dessa två källor energimässigt nu är ungefär lika stora. På driftmedelssidan har mängden diesel och bensin som säljs blivit ungefär lika stora. Energimässigt är den bioenergi-baserade fjärrvärmen ungefär lika stor som energin för den sålda mängden bensin eller diesel, Figur 4. (Vid produktionen av fjärrvärme används även en del tung brännolja och diesel under energibehovstoppar (5)).

9 8 Figur 4 Utvecklingstrender för olika energiformer Sedan 1982 har andelen av fossila bränslen minskat, närmast för att försäljning av eldningsolja har avtagit. Försäljningen av bensin och diesel har hållits på en relativt oförändrad nivå. Figur 5 Fördelning av såld energi per ursprung Bensin och diesel, som mestadels används för transporter, står för 26 % av den totala energiförsäljningen på Åland. Jämförelsevis är transporternas andel av den totala energianvändningen i Finland 16 % och i Sverige ca 25 % av totalförbrukningen. Åland är en biltät region, där antalet bilar per capita har ökat relativt snabbt Figur 6. Försäljningen av bensin per person på Åland är 498 liter, medan i riket förbrukningen ligger på en nivå om 212 liter per person. Det som inte framgår ur den åländska statistiken är de mängder som upphandlas av besökare med bil eller båt under sommar säsongen, då antalet personer på Åland tillfälligt växer kraftigt. Den tillgängliga äldre statistiken över Ålands bruttonationalprodukt pekar på att andelen av de disponibla inkomsterna som används för fordonsbränsle på Åland är högre än i Finland generellt.

10 9 Figur 6 Utveckling av biltätheten på Åland och i Finland och Sverige På Åland är avstånden relativt korta, men bebyggelsen och tjänsterna är ändå rätt spridda, vilket föranleder behov av privata fordon, eftersom kollektivtrafiken är relativt begränsad. Elförbrukningen på Åland har vuxit stadigt från 87 GWh år 1980, med i snitt 6 GWh per år, och ligger nu på en nivå runt 260 GWh (Figur 9). Elförbrukningen fördelad på Ålands befolkning var 9,4 MWh/person år Jämförelsevis var förbrukningen i Sverige 14,3 MWh/person och i Finland 15,8 MWh/person. Det kan noteras att bägge länder har mycket elintensiv industri, vilket höjer siffrorna för dem. T.ex. i Danmark ligger förbrukningen på 6,1 MWh och i Tyskland på 7,1 MWh per capita (9). Som jämförelse med Åland visas utvecklingen av elförbrukningen i Norden 1 och länder runt Östersjön i Figur 7. 1 Island har lämnats bort från bilden, då den nuvarande nivån där är över dubbelt så hög som i Norge och därför skulle göra jämförelser mellan länderna i bilden svårare

11 10 Figur 7 Utveckling av elförbrukning per capita i valda länder * Förutom Island Den relativa tillväxten av elförbrukningen per capita från år på Åland har varit kraftigare än i Sverige och Finland, Figur 8. Figur 8 Relativ utveckling av elförbrukningen på Åland, i Finland och Sverige På Åland utgör i dagsläge hushållens förbrukning nästan 46 % av den totala elförbrukningen, från 41 % år Följande största är service och den offentliga sektorn. Den offentliga sektorns förbrukning har vuxit snabbast, Figur 9. Som jämförelse kan noteras att i Finland har hushållens andel av den totala elförbrukningen uppskattats till runt 12 % år 1980, för att sedan ha ökat till över 15 % under perioden Delvis har förändringen berott på att den finska industrin, som stått för 2 Fördelningen av förbrukningen mellan åren och är uppskattad enligt trend, medan den totala mängden för Åland för dessa år är korrekt (22)

12 11 över 50 % av förbrukningen, minskat sin förbrukning under rådande lågkonjunktur. I Sverige har industrins andel historiskt varit lägre än i Finland, och där har industrins andel minskat från 46 % år 1980 till runt 36 % år Industrins andel av elförbrukningen på Åland har under samma period mer än fördubblats, men andelen ligger på ca 12 % av den totala förbrukningen. Figur 9 Utveckling av elförbrukning på Åland Figur 10 Fördelning av totalförbrukningen per sektor

13 12 78 % av den på Åland förbrukade elektriciteten importeras 71 % från Sverige och 6 % från Finland. Den lokalt producerade vindkraften står för 20 % av eltillförseln medan bioenergi och olja tillsammans står för en knapp procent av produktionen. Utvecklingen av Ålands elförsörjning enligt ursprung visas i Figur 11 och Figur Figur 11 Ålands elförsörjning Figur 12 Fördelning av elförsörjningen per ursprung Den från Sverige importerade elektriciteten är enligt Vattenfalls energifördelning baserad på ca 55 % kärnkraft och 45 % förnybara källor. Under det senaste decenniet har vindkraften och bioenergin delvis ersatt den tidigare använda oljan för lokal elproduktion. Totalt är andelen lokal 3 Siffrorna på Ålands elförbrukning/försäljning och elförsörjning skiljer mellan 14-8% mellan åren 1980 och Detta beror på nätförluster och egenanvändning av distributionsbolagena. Det kan noteras att nätförlusterna i Finland håller en nivå på 3% och i Sverige på 8%.

14 13 produktion ändå lägre än i medlet av 1990-talet. De låga elpriserna och de lägre stödformerna för alternativ energiproduktion de senaste åren har bidragit till att utvecklingen av en höjd självförsörjandegrad har stagnerat. Den nya Finlandskabeln som höjer kapaciteten för elöverföring från riket kommer möjligen att påverka ursprunget av den el som konsumeras på Åland. Tillgång till konkurrenskraftig energi är viktigt för både hushåll, näringsidkare och företag. Samtidigt med en ökad användning har energipriserna stigit kostnaden för att ta sig till arbetet och värma huset har stadigt vuxit. Kostnaden för hushållens el har stigit rätt stadigt, även om energipriset just nu ligger under den trendmässiga utvecklingen. Kostnaderna för nätverksavgifter och skatter har även de en betydelse för slutanvändarens förbrukningskostnader. Variationerna mellan olika europeiska länder och kostnadskomponenter visas i Figur 15, (10) Figur 13 Struktur av hushållens elkostand år 2013 i valda länder Som jämförelse till elkostnaderna ovan, betalar ett hushåll på Åland med 3x25A huvudsäkring och förbrukning på kwh 0,1525 /kwh för sin el och ett hushåll med en 5000 kwh förbrukning 0,1996 /kwh med Ålands Elandelslags normaltariff. En kund hos Mariehamns Elnät betalar med motsvarande anslutning och förbrukning 0,1397 /kwh eller 0,1696 /kwh (11) (12) 4. Utvecklingen av elpriserna för konsumenter i Finland visas i Figur Beräknat enligt prislistorna för respektive distributör med anslutningsavgift och rörliga priser för energi, överföring och skatt

15 14 Figur 14 Utveckling av totalkostnaden för el Prisnivån de senaste åren har avvikit från den stigande långtidstrenden. Den nuvarande prisnivån för el är i riket klart lägre än på Åland. Samtidigt kan man notera att kostnaden för el i Finland ligger på en genomsnittlig nivå jämfört med omkringliggande marknader, Figur 15. Figur 15 utveckling av hushållens elektricitetkostnad Den rådande globala lågkonjunkturen har även påverkat pristrenden för fossila bränslen på kort sikt.

16 15 Figur 16 Konsumentpris för flytande bränslen Den ekonomiska utvecklingen på Åland och den statistikförda försäljningen av energi på 2000-talet följer varandra rätt väl. Frågan är om den här trenden inte kommer att ändras likt den i Sverige, där energieffektivisering har bidragit till att trots ekonomisk tillväxt har energianvändningen en minskande trend (13). Det kräver dock investeringar i infrastrukturen och energimarknaden. Figur 17 Ekonomisk utveckling och energiförsäljning Ca 10 % av de åländska hushållens genomsnittliga konsumtion är direkt relaterad till energikostnader för boende och fordonsdrift. Andelen är något högre än för hushåll i övriga Finland (8). Den åländska energimarknaden är importberoende men den eventuella utvecklingen som kan skönjas för vindkraft och en ökad användning av bioenergi, kan eventuellt medföra en strukturell förändring av marknaden

17 16 där elektricitetet kunde utgöra en större andel av den förbrukade totalenergin. Även andra produktionsformer som solenergi kunde bidra till lokal produktion på Åland, men balanseringen av produktion och förbrukning kräver även att marknadsmekanismer och teknologier utvecklas. Tillgång till mångsidig och detaljerad information om den åländska energimarknaden är en utmaning för att kunna göra bättre helhetsanalyser. Arbetet för att bygga upp ett bättre beslutsunderlag kommer att kräva ett målmedvetet arbete och tid, men är nödvändigt även för att kunna identifiera möjligheter och genomföra satsningar med lägre risker. De följande sektionerna beskriver förutsättningarna för termisk energiproduktion, som kan utgöra en del av det energi-totalsystem som utvecklas på Åland.

18 17 Möjligheter för termisk energiproduktion 2.1 Avverkningsmöjligheter på Åland För termiska processer är tänkbara lokala energikällor trä och olika sorters avfall som uppstår. De följande avsnitten presenterar den lokala tillgången av identifierat insatsmaterial för termisk energiproduktion. Energin som på ett hållbart sätt kan utvinnas från skogarna på Åland är beroende av den årliga tillväxten och dess fördelning av trädarter och sortiment på produktiv skogsmark. Åland har enligt riksskogstaxeringen 11 (RST11) hektar skogsbruksmark, av vilket ha är i virkesproduktion. Virkesförrådets volym på Åland uppskattas för närvarande vara totalt 11.7 miljoner kubikmeter. Av den här volymen är 52 % tall, 20 % gran och ungefär 28 % lövträd. Som man ser av Figur 18, har virkesförrådet för alla trädslag under det senaste halvseklet vuxit, med undantag av granbeståndet som hållits på samma nivå. Det bör noteras att taxeringsmetoder och definitioner under perioden har utvecklats, och att volymerna från olika inventeringar inte är helt jämförbara. De huvudsakliga utvecklingstrenderna och variationerna kan avläsas. Figur 18 Virkesförrådets volymutveckling Mellan åren 1991 och 2012 har avverkningsvolymen på Åland i snitt varit m 3. Volymerna har som minst varit m 3 och som mest m 3. Av den totala avverknings-volymen har i medeltal 61 % varit massaved och 26 % stock och resten energived, Figur 19.

19 18 Figur 19 Skogsavverkning på Åland Under perioden har avverkningen bestått av 51 % tall, 28 % gran och 21 % lövträd. Avverkningsvolymen per trädslag och år ses i Figur 20. Figur 20 Avverkning per trädslag

20 19 Volymen stock som har avverkats har varierat mellan och m 3 (Figur 21), andelen stock som avverkats har varierat mellan 20 % och 32 % av den totala avverkningsvolymen. Figur 21 Avverkning av stock Volymen massaved har varierat mellan m 3 och m 3 och andelen av den totala avverkningen har varierat mellan 54 % och 74 % (Figur 22). Figur 22 Avverkning av massaved

21 20 Avverkningen av energived har fördubblats de senaste 20 åren och ligger på en nivå på ca m 3. Volymen är en relativt svårmätt del av avverkningen och det egentliga uttaget går inte att fastställa exakt utan någon form av marknadsundersökning. 200 Avverkning av energived på Åland m Lövträd Gran Tall Figur 23 Avverkning av energived på Åland Under perioden har skillnaden mellan den totala avgången (inkluderar skogsskador och naturlig avgång) och avverkningsvolymen vuxit. Skillnaden förklaras delvis med förbättrade taxeringsuppgifter som tagits fram under hela tidsperioden för det åländska skogsbeståndet, men är även ett resultat av att speciellt lövträd inte avverkas utan det blir s.k. naturlig avgång då träden dör. Utvecklingstrenden visas i Figur 24. Figur 24 Utvecklingen av totalavgång och avverkningar

22 Potentiell utveckling av avverkningsvolymerna Det totala virkesförrådet på Åland vuxit under en länge tidsperiod. På basen av beståndinformation från den senaste riksskogstaxeringen RST11, har Skogsforskningsinstitutet framarbetat alternativa modeller för hur avverkningen för perioden kunde utvecklas, baserat på olika antaganden gällande målsättning och styrning av skogsskötseln och användning av avverkningspotentialen (avkastningskrav, sortimentinriktning etc.). Det bör nämnas att dessa modeller enbart ger ett grövre makro-perspektiv och att styrnings-mekanismerna i modellerna bör bearbetas och anpassas när ytterligare detaljerad information gällande de åländska skogsresurserna tas fram genom kommande taxering. Skogsforskningsinstitutet samt kommersiella aktörer erbjuder tjänster för att modifiera modellerna och antaganden för att få mer detaljerad information gällande avverkning och tillväxtmöjligheterna som finns. Den befintliga information ger som sådant ett gott underlag för att analysera potential och alternativ för skogs/energi-program. Det som framgår är att avverkningsvolymerna klart kan ökas från nuvarande nivå oberoende av vilken huvudmodell man väljer som utgångspunkt. Under de följande årtionden kunde avverkningen ligga på en nivå mellan och kubikmeter, vilket är avsevärt högre än de nuvarande uttagen. Figur 25 Avverkningspotential enligt MELA simulering En ökning av avverkningen från nuvarande nivå, enligt MELA påverkningsmodellerna från Skogsforskningsinstitutet, skulle något minska den totala volymen träd i skogarna - Figur 26. Skillnaden på volymutveckling på basen av optimeringsinriktning är rätt små, medan en trendmässig avverkning skulle resultera i en betydligt större volym.

23 Tillväxt 1000 m3/år 22 Figur 26 Utveckling av skogens virkesvolym enligt MELA behandlingsmodeller Samtidigt kan man notera, att de olika avverkningsalternativen och optimeringen av dessa kräver mycket vidare analys för att säkerställa en kvalitetsmässig och avkastningsoptimerad utveckling av skogen. Den trendmässiga avverkningen skulle resultera i den totalt största tillväxten, men samtidigt är avverkningsvolymen för detta alternativ mellan m 3 lägre per år än för de två andra alternativen, vilket är en betydande volym med tanke på en jämn energiproduktion. Årlig skogstillväxt för olika avverkningsalternativ Period Största rundved och energived Trendmässig avverkning Maximal rundved Figur 27 Den årliga tillväxten för olika avverkningsalternativ

24 Utmaningar och möjligheter På makronivå ser användningsmöjligheterna för den skogsresurs som finns på Åland bra ut men man bör poängtera att utmaningarna samtidigt är många allt från förädlingsmöjligheter till biologisk mångfald och finansiell och tekniska stödsystem. En större utmaning ligger specifikt i marknaden: småskaligheten för skogsbruket; en fragmenterad ägarstruktur, små arealer och skiften med en stor variation i skogskarakteristik- trädslag, åldersfördelning och skötsel mm. För att virkesmarknaden skall fungera är en avgörande faktor betalningsförmågan för virket, en annan är benägenheten att sälja skog. Eventuellt kunde samarbete skogsägare emellan utvecklas genom samägda/kontrollerade bestånd etc. för att minska de negativa effekterna av fragmenteringen av skogsägandet. Den omstrukturering som håller på och ske inom skogsförädlingen kan på sikt medföra möjligheter att höja förädlingsgraden/vidareutveckla produktportföljen och uppnå förbättrad effektivitet i avverkning, produktion och försäljning. Ett handlingsprogram för skogsnäringen baserat på bättre taxeringsuppgifter och modelleringsverktyg skulle säkert vara ett steg i att samtidigt kunna förbättra den ekonomiska nyttan med positiva miljöeffekter Trädets sammansättning och energipotential När man talar om trädets energivärde bör man komma ihåg att träd inte är ett homogent material. Energin som kan utvinnas varierar mellan olika trädarter, beroende på den fysiska och kemiska sammansättning, med skillnader för de olika delarna av trädet samt variationer i sammansättnigen beroende på trädets ålder etc. Fördelningen stam, bark grenar och löv och barr varierar beroende på art och ålder. En faktor som är avgörande för trädets användbarhet som bränsle är även trädmaterialets fukthalt som är viktig med tanke på behandlingskedjan. Grundämnessammansättning av olika trädarter avviker relativt lite. I huvudsak består trädet av kol, väte och syre deras andel är ca 99 % av torrsubstansen Tabell 1. Största delen av trädet består av vatten, Tabell 2. Tabell 1 Grundämnessammansättningen av träd och bark Grundämnes sammansättning vikt-% av torrsubstansen Material C H N O S Cl Helträdsflis 51,8 6,1 0,3 41,9 0,01 0,0042 av tall GROT 51,3 6,1 0,4 40,85 0,02 0,0076 Sågspån 51 5,99 0,08 42,82 0 <0,005 barkad tall Bark av tall 52,5 5,7 0,4 39,65 0,03 0,0085 Bark av gran 49,9 5,9 0,4 41,43 0,03 0,0279 Förutom dessa grundämnen innehåller trädet även en mängd andra mineraler och metaller, men de halterna är avsevärt lägre Tabell 2 Trädets fukthalt

25 24 Fukthalten, viktprocent (%) Trädets del Tall Gran Stammen Grenar Toppen Barken Trädets torrsubstanshalt varierar för olika trädslag och mellan trädets olika delar. I snitt kan man använda följande värden: Tabell 3 Torrsubstansen för olika trädslag Trädslag Hela Stammen Grenarna Stubben Barken trädet kg/m 3 (kg torrsubstans per färsk volym) Tall Gran Björk Al På grund av den olika sammansättningen av trädets olika delar är även energi innehållet olika. Exempel på energivärden för olika trädarter och delar av trädet ses i tabellen nedan: Tabell 4 Energi innehållet för olika delar av trädet (MJ/kg torrsubstans) (14) Trädslag Stammen Stammbark Hela stammen Tall -småträd 19,31 19,53 19,33 -stora träd 19,55 Gran -småträd -stora träd Glasbjörk småträd -stora träd Vårtbjörk småträd -stora träd 19,05 18,80 19,02 19,16 18,62 22,75 19,19 19,06 18,61 22,53 19,15 18,96 Toppen Barr/löv Helträd Stubbar 20,23 20,09 19,77 19,41 19,94 19,33 19,53 19,61 21,0 21,04 19,22 19,19 19,77 19,36 19,72 19,76 19,53 19,63 22,63 19,29 19,24 19,18 19,30 19,09 18,61 19,21 19,05 18,50 Användning av exaktare siffrorna kan vara intressant när man erhåller den mer detaljerade taxeringsinformationen för Åland och vill köra mer detaljerade analysmodeller. För att konvertera avverkningsvolymernas trädmaterial till energi har man i bearbetnings-kalkylerna använt faktorerna i tabellen nedan. Det torde ge en tillräcklig noggrannhet för analysen i detta skede senare kan mer detaljerade beräkningar uppgöras för att analysera sortiment och volymer man skall eller kan ta ut ur skogen.

26 25 Tabell 5 Konverteringsfaktorer för beräkning av energimängd av de potentiella avverkningsvolymerna Konverteringsfaktor Kommentar energi MJ/kg torrmaterial Tall stock 19,53 värde för större tall: helträd Tall massaved 19,63 Värde för tall klenträd: helträd Gran Stock 19,24 värde för större gran: helträd Gran Massaved 19,29 värde för gran klenträd: helträd Lövträd stock 19,09 värde för björk större träd: helträd Lövträd massaved 19,30 värde för björk klenträd: helträd Tall övrig avgång 19,63 tall klenträd: helträd Gran övrig avgång 19,29 gran klenträd: helträd Lövträd övrig avgång 19 estimat helträd Det som i praktiken är det avgörande för trädets användbarhet som bränsle är dess fukthalt. Tabell 6 Energivärden för material från första gallring av tallskog (15) Biomassa komponent TALL Avbarkat träd Effektivt energivärde av torrvikten MJ/kg Energivärde vid 40 % fukthalt MWh/m3 Energivärde vid 50 % fukthalt MWh/m3 19,31 1,95 1, % Skillnad i energivärde fukthalt 50 % fukthalt 40 % Bark 19,53 1,32 1,26 4,76 % Obarkat 19,33 1,86 1,78 4,49 % träd Grenar 20,23 1,97 1,89 4,23 % När man talar om trädets fukthalt bör man beakta att de olika delarna av ett träd även har olika fukthalt. Exempel på fuktprocenten för trädmaterial visas nedan: Tabell 7 Trädets fukthalt (14) Trädets del Fukthalt vikt % Tall Gran Stammen Grenar Toppen Bark GROT (exempel) Eftersom trädmaterialet vanligtvis lagras en tid i skogen efter avverkning eller på uppsamlingsplatser är fukthalten på energived i snitt 40 % enligt en studie från Skogsforskningsinstitutet (16). För virke som har lagrats 3-4 månader sjunker fukthalten till runt 30 %. Förändringen av energivärdet vid olika torrhetsgrader visas nedan: Tabell 8 Energivärdet för tall flis vid olika fukthalter

27 26 Trädets fukthalt vid ankomst % Energivärdet vid ankomst MJ/kg Energivärdet vid ankomst Wh/kg 55 7,48 2, ,58 2, ,68 2, ,78 3, ,89 3, ,99 3, ,09 3, ,19 4, ,29 4, ,40 4, ,50 5, ,60 5,44 (1 kwh/kg = 3,6 MJ/kg) Energivärdet 19,6 MJ/kg för torrsubstansen har använts Potentialen för biomassa och potentialen för energi Den teoretiska energipotentialen baserar sig på de hållbara avverkningsmöjligheterna i Ålands skogar. Förutom stammen utgör trädets grenar och rötter en betydande del av totalbiomassan. I ett bestånd för slutavverkning är tilläggsvolymen för grenar, toppar och rötter ytterligare 45 % jämfört med stamvolymen för tall, medan helhetsvolymen för gran är 69 % större än enbart stamvolymen (15)). Förenklat är formeln för beräkningen: den fasta volymen träd * torrsubstanshalten * energivärdet för torrsubstansen Den maximala teoretiska potentialen biomassa från skogen för energibruk (hela årliga tillväxten/avverkningspotentialen för rundvirke och energi) visas nedan: Tabell 9 Den maximala teoretiska potentialen biomassa från skogen för energibruk (hela årliga tillväxten/avverkningspotentialen för rundvirke och energived) Tidsperiod: Trädslag 1000 m3/år Tall Gran Björk Andra lövträd Totalt Energipotentialen är beroende av trädvolymens sammansättning (bark/grenar/stam) och fuktighetsprocenten som materialet har. Genom att använda konverteringskoefficienterna ovan kommer man fram till:

28 27 Torrmaterial för träd från skogen (ton) Tall , , ,8 Gran , , ,2 Björk , , ,5 Övrigt , , ,8 Total , , ,3 Barkvolymerna tillkommer ytterligare. Genom att applicera detta på de avverknings volymer som har tagits fram genom taxeringsprogram kan man beräkna utvecklingen för den tillgängliga energimängden, se Figur 28. Figur 28 Energipotential av skogsavverkningen på Åland (MELA SK scenario) Skogsresursen har en stor energipotential. Energimängden av de importerade oljeprodukterna som säljs på Åland motsvarar 2/3 av energiinnehållet av den avverkningspotential som finns på Åland. Figur 29.

29 28 Figur 29 Jämförelse av energin av eldningsolja och årlig avverkningspotential Den totala avverkningspotentialens energiinnehåll är ca tre gånger större än den sålda eldningsoljans Figur 30. Figur 30 Avverkningspotentialen och eldningsoljans energiinnehåll

30 Övriga källor för termisk energiproduktion Användning av avfall för energiproduktion är ett av de alternativa hanteringssätten som EUs direktiv (2008/98/EG) i sin hierarki för prioriteringsordning för politik och lagstiftning som rör hantering och förebyggande och hantering av avfall. Huvudriktlinjerna att följa är: 1. Förhindra att avfall skapas, avfallsminimering 2. Återanvändning 3. Återvinn material 4. Utvinn energi genom förbränning 5. Deponera När avfallshierarkin tillämpas, skall de åtgärder väljas som ger bäst resultat för miljön som helhet. Detta kan kräva att vissa avfallsflöden avviker från hierarkin, när det är motiverat med hänsyn till livscykelstänkandet vad avser den allmänna påverkan av generering och hantering av sådant avfall. Den helhetsbedömningen av miljöeffekter är inte utförd i denna analys, utan resultaten baseras på en teknisk potential. Som Ålands utrednings- och statistikbyrå konstaterar (17), är lagstiftning klassificering och statistikföring av avfall ett område som kontinuerligt genomgått förändringar de senaste åren., Även om det skett förändringar i statistikföring samt att det förekommer fluktuationer i de mängder avfall som uppkommer, ger det statistiska materialet ändå en fingervisning för trender och nivån på den potential för eventuell energiproduktion som kan förväntas. Statistiken i Tabell 10 visar att avfallsmängderna, av olika orsaker, varierar från år till år. Tabell 10 Tabell Uppkommet avfall på Åland (NI2008) efter bransch och år (8) Bransch/år/mängd 1000 kg Jordbruk, skogsbruk och fiske ,1 655,9 Livsmedels-, dryckesvaru- och tobaksvaruframställning 1776,3 1659, ,1 Textil- och beklädnadsvarutillverkning 0,8 0,1 1 Tillverkning av trä och trävaror 108,9 88,5 69,7 Massa-, och pappersvarutillverkning, förlagsverksamhet 350,4 195,9 167,6 Tillverkning av kemikalier, gummi- och plastvaror ,5 148 Tillverkning av icke-metalliska mineraliska produkter 10,2 9,7 6,2 Metallframställning och metallvarutillverkning 6,4 27,5 69,4 Tillverkning av maskiner, el- och optikprodukter 0,4 2,4 2,7 Övrig tillverkning 56,1 6,4 35,5 El-, gas-, ångförsörjning samt luftkonditionering 369,5 998,8 816,8 Vattenförsörjning, avlopp., avfall. och renhållning 5168,2 4309,5 4317,6 Avfallshantering; återvinning 7,3 185,9 738,2 Byggverksamhet 1268, , ,7 Tjänster (bl.a. parti- och detaljhandel, restaurang) 13060, , ,8 Partihandel med avfallsprodukter och skrot.. 3,2 195,4 Hushåll 6429, , ,6 Totalt 29303, , ,2

31 30 Ur dessa huvudklasser kan man bryta ned siffrorna till olika material beståndsdelar som är intressanta för energiutvinning. Termisk behandling av avfall kan vara ekonomisk intressant om man hittar en möjlighet att använda den utvunna energin t.ex. för värme- eller elproduktion, som bränsle eller drivmedel, för kylning osv. Är man däremot endast intresserad av att minska avfallets volym och att undvika långa transportsträckor till Sverige eller till Riket, så är det osannolikt att man kan få ekonomi i avfallsbehandlingen. En annat viktig aspekt som behöver beaktas speciellt med termisk behandling av avfall är processernas miljöpåverkan. Till alla framtida avfallsbehandlings- eller energiproduktionssystem ställs höga krav gällande emissioner till luften vatten och mark. Termisk behandling av avfall kommer mest sannolikt att falla under europeiska avfallsförbränningsdirektiven (och därpå byggande nationell lagstiftning). Lagstiftningen verkar dock ge utrymme för tolkningar: så bedömer ett EU domstolbeslut om att gasen som produceras av Lahti Energia från avfall, och som används för att producera energi, inte längre kan klassas som avfall, dvs. att förgasningen i detta fall inte faller under avfallsförbränningsdirektiven. Överväger man förbränning eller förgasning av avfall eller samförbränning/samförgasning med biomassa, så behövs en närmare utredning om vilka lagar som ska tillämpas och vilka miljökrav som gäller. Tabell 11 visar de totala avfallsmängderna och fördelningen av de olika brännbara fraktionerna på Åland, tagna ur ÅSUB s avfallsstatistik år 2004 till De icke-brännbara fraktionerna såsom glas, metall, bygg- och rivningsavfall osv. lämnas utanför denna sammanställning. Tabell 11: Totala årliga mängder (i ton) av brännbara avfallsfraktioner på Åland Avfallsslag Mängd 2012 Mängd 2010 Mängd 2008 Mängd 2006 Mängd 2004 Oljeavfall Pappers- och pappavfall Gummiavfall Plastavfall Träavfall Animaliskt avfall, blandat matavfall och vegetabilisk av. Hushållsavfall och liknande avfall Vanligt slam *) (38 906) (38 443) (43 026) (29 096) (34 450) TOTALT *) Slammängden redovisas i ton torrsubstans. Våtsubstansvärde anges i parentes. Pappers-, papp-, gummi-, plast- och träavfall behöver på grund av sin renhet och låga fukthalt endast undergå en relativ enkel förbehandling i form av krossning för att lämpa sig för termisk behandling.

32 31 De andra fraktionerna däremot, dvs. blandad hushållavfall, animaliskt och matavfall, vegetabiliskt avfall, vanligt slam och oljeavfall, kräver en mer elaborerad förbehandling som innefattar bland annat sortering, torkning och krossning. Inom denna rapport behandlas inte olika förbehandlings teknologier och - förfaranden i detalj. En möjlighet är dock ett förfarande som använder överhettad ånga för torkning av våta avfallsfraktioner. I detta skede är det inte möjligt att slutgiltig bedöma om en lokal behandling på Åland av dem sistnämna fraktionerna är ekonomisk försvarbar. De flesta kommersiell pannor är dimensionerade för större mängder än 1000 kg insatsmaterial per timme (ca 8700 ton per år), vilket motsvarar omkring 1-2 MW energiinput. På förgasningssidan är de flesta kommersiella anläggningar utvecklad för energiinput större än 5 MW, dock finns det även ett antal mindre förgasare. Fast avfallsmängderna på Åland är relativt små jämfört med mängderna som används i typiska avfallsbehandlingsanläggningar utanför Åland så är det inte uteslutit att termisk behandling skulle vara teknisk och ekonomisk gångbar. Som tidigare nämnd behövs det dock en noggrann analys innan det är möjligt att fatta ett långsiktigt beslut. Inom ramen av denna rapport ska endast några grova uppskattningar gällande de olika avfallsfraktionernas energipotential och behandlingsmöjligheter presenteras Oljeavfall Oljeavfallet består, enligt Ålands Renhållningens vd Robert Nylund, främst av förbrukade oljefilter (18) (dvs. endast en mindre del, 10-20% av totalmassan av detta avfallsslag kan tänkas vara användbart för förbränning eller förgasning). Oljeavfall klassas dock som farligt avfall, och enligt stadsrådets förordning (151/2013) är förbränning av oljeavfall i pannanläggningar under 5 MW förbjudet. På grund av denna osäkerhet och de små mängderna lämnas denna fraktion utanför följande betraktelser Pappers- och pappavfall, gummi och plast Det flesta hushåll på Åland är anslutna till ett avfallssystem där de olika avfallsfraktionerna samlas in sorterad och separat (källsortering). Pappers- och pappavfall, samt gummi- och plastavfall kan antas ha hög sorteringsgrad och vara nästintill sortren. Dessutom är dessa fraktioner nästan torra, dvs. fukthalten ligger typisk mellan 1 och 5 %. Papper har beroende på papperstyp ett så kallat högre värmevärde (HHV) på omkring mellan 16 och 21 MJ/kg, pappmaterial ligger omkring 17 MJ/kg. För efterföljande beräkningar användes ett värde på 18 MJ/kg.

33 32 Plastmaterial har på grund av sitt oljebaserade ursprung ett högt värmevärde mellan 39 och 46 MJ/kg. Blandad plast beräknas här ligga på 42 MJ/kg. De redovisade mängder gummi består till stor del av returdäck. Värmevärdet för däckgummi är ca 34,8 MJ/kg. Naturgummi har endast 23 MJ/kg. Vi utgår i vår undersökning från 34 MJ/kg för gummi. Alla dessa avfallsfraktioner kräver förbehandling i form av krossning. Returdäck innehåller en metallvävnad som kan i vissa förbrännings- eller förgasningsanläggningar leda till korrosion. Det bör därför vid behov utredas på vilket sätt däck behöver förbehandlas Träavfall I träavfallsmängderna ingår även cirka 10 % tryckimpregnerad eller på annat sätt behandlat trä som klassas som farligt avfall. Denna träfraktion samlas dock in separat så att den beroende på behandlingsmetoden kan inkluderas eller inte. Förbehandling sker på samma sätt som med skogsbaserade bränslen, dvs. mest fördelaktig genom flisning. Värmevärdet är jämförbart med skogsmaterial och antas ligga på 19,2 MJ/kg Animaliskt avfall, blandat matavfall och vegetabiliskt avfall Denna fraktion innehåller en stor variation av animaliskt avfall (främst slaktavfall), rå och kokt mat, avfall från privathushåll och restauranger samt vegetabilisk avfall, dvs. kompost. Avfallet kan vara relativ inhomogen och har stora årstidsberoende variationer i sammansättningen och mängden. Det saknas närmare uppgifter gällande den exakta sammansättningen av denna fraktion eller dess kemiska komposition. Det finns inte heller uppgifter gällande torrhetsgraden, men utgående från undersökningar som gjordes på annat håll kan man anta att våtsubstansen, dvs. vatteninnehållet kan vara allt mellan 40 och 70 %. Den högre värmevärde uppskattas till 20 MJ/kg, fukthalten uppskattas ligga på 55 %. Den stora ökningen av animalisk och blandat matavfall år 2012 jämfört med tidigare år beror på ibruktagandet av ÅCA s biogasanläggning. Närmare bestämt handlar det sig om biogasanläggningens rötrester som används till jordförbättring och som därför kan räknas bort från 2012-års totalmängd. På grund av den höga fukthalten och det biologiska ursprunget är animaliskt avfall, matavfall och vegetabiliskt avfall även eftertraktat som insatsmaterial för biogasproduktion. En omfattande energistrategi bör ta hänsyn till detta faktum och avväga de olika insatsmöjligheterna för denna fraktion Brännbart hushållsavfall Fraktionen hushållsavfall kan i stort sätt innehålla alla typer avfall som uppstår i vanliga hushåll och småindustrier. På Åland sorteras

34 33 genomgående metall- och glasförpackningar, så att hushållsavfallet består till övervägande del av brännbart material. Det finns dock i dagsläge inga närmare undersökningar eller statistik gällande åländska hushållsavfallets exakta sammansättning. Man vet därför inte om det behövs ytterligare sortering och vilken typ av sortering som skulle vara mest effektiv för åländska förhållanden. Vi utgår dock ifrån att det finns en stor varians i hushållsavfallets fysikaliska och kemiska egenskaper och att den brännbara andelen av hushållsavfallet utgör omkring 80 vikts- % av den totala mängden och består av främst plastik och papper (cellulosa). Gällande hushållsavfallets energiinnehåll borde åländskt avfall inte nämnvärd skilja sig från svenskt eller finskt avfall, så att en första grov uppskattning kan använda sig av erfarenheterna och mätningarna från Sverige och Riket. Analyser som gjordes ifrån 25 olika provtagningar som samlades runtom i Sverige visade att brännbara fraktionerna i blandat hushållsavfall i olika procentuella och viktandelar består till största delen av: papper, kartong, tetror trä olika sorters plast tygrester, textilier läder, gummi Tabell 12 visar den kemiska sammansättningen av dessa provtagningar och ger en bra bild av typiskt hushållsavfall. Rimligtvis kan man anta att även det åländska hushållsavfallets kemiska sammansättning följer värden i tabellen. Tabell 12: Kemisk sammansättning av svenskt hushållsavfall. Intervall Medeltal Fukthalt ,0 % Aska ,0 % torrsubstans Svavel 0,12-0,48 0,25 % torrsubstans Kol ,0 % torrsubstans Väte 5,2-7,2 6,4 % torrsubstans Kväve 0,4-1,6 1,1 % torrsubstans Klorid 0,5-2,6 1,1 % torrsubstans Energivärde 7,41-15,2 10,8 MJ/kg Tabellen visar en hög fukthalten mellan 26 och 52 %, som innebär att en torkning av avfallet skulle vara oundviklig. Man kan dock konstatera att komposten hamnar i många svenska kommuner i samma fraktion som brännbart avfall. På Åland finns det däremot en separat kompostinsamling så att fukthalten borde vara något lägre på Åland. För den grova energiuppskattningen som presenteras nedan antas därför en fukthalt på 30 %. De i tabellen angivna värmevärden beskriver det fuktiga materialet, dvs. den lägre värmevärde LHV. Detta motsvarar att vattenfritt, torrt avfall skulle ha en högre värmevärde (HHV) mellan ungefär 18 och 22,5 MJ/kg, med ett medelvärde på 21,7 MJ/kg, som används för våra beräkningar.

35 34 Den största utmaningen när det gäller termisk behandling av hushållsavfallet kan vara dess relativ höga halogenidhalt (Br, F, och Cl) samt avfallets inhomogenitet. T.ex. kan kloridhalten i försorterat avfall på grund av PVC och olika slags salter vara högre än 0,5 %, i osorterade avfall även större än 2 % Vanligt slam De redovisade slammängderna består av rötad reningsverkslam och härstammar största dels från Lotsbroverket. I tabellen anges mängderna i ton torrsubstans, de verkliga mängderna, dvs. de mängderna inklusive vatten, redovisas i parentes. Man kan lätt beräkna att slammet så som den förbehandlas idag har en torrsubstanshalt av endast 18 till 23 %, dvs. mellan 77 och 82 % av slammet består av vatten. För att kunna användas som bränsle i en panna eller en förgasare behöver slammet därför avvattnas och torkas upp till en torrhalt på omkring 85 %. Även för slam gjordes lovande torkningsförsök med överhettad ånga. Torkad rötad reningsverkslam har ett högre värmevärde på omkring 13,8 MJ/kg.

36 35 Termiska processer 3.1 Förbränning och förgasning De två vanligaste teknologierna för att producera värme- och elenergi ur torr biomassa och brännbart avfall är förbränning och förgasning. Vid direkt förbränning i en panna sker förbränningsprocessen med syreöverskott. Förbrännings-produkterna som uppstår är gasformiga och består i första hand av koldioxid (CO 2 ), kväve (N 2 ) vattenånga (H 2 O), en del oförbrända ämnen (sot) och värme. Dessa förbränningsprodukter bortförs från pannan i form av heta rökgaser (avgaser). Rökgasens värme kan sen användas för att antingen direkt uppvärma vatten, t.ex. för ett fjärrvärmenät, eller för att producera överhettad vattenånga som i sin tur kan användas för elproduktion genom en ångturbin. Till skillnad från direkt förbränning sker förgasning vid syreunderskott. Istället för heta rökgaser produceras en brännbar gas, som till största del består av kolmonoxid (CO), vätgas (H 2 ) och metan (CH 4 ). Även en del obrännbara komponenter som kväve, koldioxid och vattenånga finns i gasen. Gasen kan i ett efterföljande steg i vissa fall efter en reningsoch uppgraderingsprocess användas till elproduktion genom gasmotorer eller gasturbiner. Restvärmen från förgasningsprocessen och de heta rök-gaserna efter gasmotorn eller gasturbinen används för värmeproduktion. Det även möjlig att öka elproduktionen genom att kombinera en gasmotor eller gasturbin och en ångturbin. Denna process är mera kostnadsintensiv och lönsamheten behöver utredas från fall till fall. Största fördelen med förgasning är att det är möjligt att lagra gasen och producera el och värme vid en senare tidpunkt, en möjlighet som inte finns vid direkt förbränning. Även den totala verkningsgraden och verkningsgraden för elproduktionen är högre för förgasningen än för förbränningen. Tabell 13 visar en översikt över de olika tekniska möjligheterna för energiproduktion via termisk behandling av biomassa och avfall samt ger ungefärliga verkningsgrader för el- och värmeproduktion. Tabell 13: Metoder för termisk behandling av biomassa och avfall Termisk behandling Total verkningsgrad Elproduktion Verkningsgrad el Direkt förbränning % Ingen el 0 % Ångturbin % Förgasning % Ingen el 0 % Gasmotor % Gasturbin % Gasturbin & ångturbin % Jämför man termisk förgasning med direkt förbränning, så visar det sig att förgasningen även tillåter ett bredare spektrum av lågkvalitativa insatsmaterial. Dessutom visar förgasningen generellt en mindre tendens av att restprodukterna och askan samlas och sätter sig fast i utrustningen.

37 36 I ett första mellansteg vid all termokemisk omvandling av biomassa bryts det organiska material ner vid höga temperaturer och det uppstår en blandning av gaser, flytande brännbar vätska och fasta ämnen. Denna steg kallas även för pyrolys. Pyrolysprocessen kan även teknisk utnyttjas för att producera flytande bio-oljor, man pratar i dessa fall ofta om snabb pyrolys eller flash-pyrolys. En utmaning med pyrolys är att det bildas en del föroreningar, främst i form av tjära, som måste avlägsnas. I många fall behöver bränslen därför destilleras, renas och uppgraderas innan den kan lagras eller användas för energi- och kraftproduktion. På grund av de hittills höga kostnaderna för bränsleproduktion spelar (flash)pyrolysen i dagsläge ingen större praktisk roll och lämnas därför utanför i denna undersökning. I nästa steg sker förbränningen (eller oxidationen) av pyrolysprodukterna, dvs. kol oxideras till koldioxid och väte till vattenånga. Tillförs det tillräckligt med syrgas (luft) till processen, så sker förbränningen mer eller mindre fullständigt, och förbränningsvärmen kan användas för att t.ex. generera överhettat ånga. Detta är principen vid direkt förbränning. Tillför man däremot mindre syrgas till processen, så leder detta till syrebrist, och istället för förbränning sker en process som kallas för förgasning. Koldioxid och vattenånga reduceras till kolmonoxid, vätgas och metan. Dessa gaser, som är brännbara, kan ledas bort från förgasningsanläggningen och lagras för senare användning som bränsle. Förgasningen sker ofta vid lägre temperatur (<750 C) än direkt förbränning (>1000 C), som leder till att korrosiva föreningar (t.ex. kaliumklorid) samlas i askan istället för i rökgaserna. Samtidigt samlas vid förgasning mindre mängder zink, koppar och krom i askan än vid förbränning. Detta medför dels mindre korrosion av en boiler, dels ett högre värde av förgasningsaskan som gödsel. Termisk förgasning har dessutom fördelen att den resulterar i mindre mängd kväveoxider (NO x ) och dioxiner än klassisk förbränning. I följande avsnitt presenteras förgasningsteknologin något mer utförlig. Detta betyder dock inte att författarna tar ställning för förgasning och emot förbränning av biomassa. Anledningen är hellre den att förbränningen är den kanske mer kända och vidare spridda teknologin, och information kring förbränningsteorin och teknologin kan enkelt hittas på nätet. Förgasningen däremot är inte lika etablerad och känd för allmänheten, så att det kan vara lämpligt att sammanfatta teknologin i några avsnitt. För att slutligen avväga för- och nackdelarna med förbränning och förgasning och för att kunna fatta ett beslut vilken teknologi skulle vara mest lämplig, krävs en noggrannare utredning. Faktorer som bland annat anläggningens placering, råvarornas art och fukthalt, avsättning för värme- respektive elenergi, investerings- och driftkostnader osv. kräver alla en mer detaljerad analys. 3.2 Om förgasning

38 37 Under andra världskriget spelade förgasning av trä och träkol en viktig roll genom att ersätta konventionella, oljebaserade drivmedel, speciellt i Sverige, Finland och Tyskland. Efter kriget föll dock teknologin på grund av tekniska utmaningar och allt billigare importerade bränslen nästan i glömska. Först oljekrisen under 1970-talet ledde till ett förnyat intresse för förgasningsteknologin, och sedan dess har det drivits intensiv forskning och utveckling inom området. Det har resulterad i ett flertal små- och storskaliga förgasningsanläggningar för biologiskt insatsmaterial Bakgrund Målsättning med förgasning av biologiskt material eller brännbart avfall är att producera en brännbar gas (ofta kallad produktgas eller syngas ) som antingen bränns upp direkt för att producera värme, eller som används som drivmedel för förbränningsmotorer eller -turbiner. I första fall skiljer sig förgasningen inte nämnvärd från förbränningen, eftersom det sker samma processer som i en förbränningspanna. I sistnämnda fall kan då gasen antingen generera mekaniskt arbete (t.ex. för framdrift av fartyg eller fordon), eller producera elektrisk energi med hjälp av en generator som är kopplad till motorn. Förgasning har används i större utsträckning för kol och biomassa, men den kan även användas för andra kolhaltiga material såsom brännbart fast avfall, reningsverkslam, osv. Som tidigare nämnd är en av de stora fördelarna av förgasningen att produktgasen kan transporteras och lagras, dvs. energiproduktionen ur gasen kan både tids- och platsmässigt ske helt frånkopplat från själva förgasningsprocessen. För att kunna användas i förbränningsmotorer behöver gasen vanligtvis renas och kylas för att säkerställa problemfri drift av utrustningen och för att klara alla utsläppskrav. Figur 31 visar ett schematiskt flödesschema för hur ett komplett förgasningssystem kan se ut. Figur 31: Schematisk flödesschema av en förgasningsanläggning. (anpassad)

39 38 Figur 32 visar en jämförelse mellan mängden av bensin som kan ersättas med produktgas om trä eller träkol förgasas. Figur 32: Mängden av förbehandlat trä respektive träkol som behövs för att ersätta 1 liter bensin. (19) Förgasning i teorin Allt organiskt material, som lämpar sig för förgasning, består till allra största del av kol, väte och syre. Även mindre mängder kväve och svavel kan förekomma, men dessa spelar endast en underordnad roll i förgasningsprocessen och lämnas därför utanför. Uppvärmningen i en förgasare sker genom att förbränna en liten del av insatsmaterialet. Förbränningsgaserna blir sen reducerade genom att leda dem genom en bränslebädd med hög temperatur. I själva förbränningsprocessen, som även kallas oxidation, sker huvudsakligen följande kemiska reaktioner: Kol som finns i insatsmaterialet omvandlas till koldioxid, väte bildar tillsammans med syre vatten. Syrebehovet täcks dels av syre som finns bunden i insatsmaterialet, men största delen kommer genom luft som tillförs till förgasaren. Både reaktionerna är exoterma, det vill säga vid omvandling av 1 mol kol (12 g) till koldioxid frigörs 402 kj energi, och vid omvandling av 1 mol vätemolekyler (2 g) till vattenånga frigörs 241 kj. Det avgörande steget i alla förgasare är att reducera koldioxid och vattenånga från första steget så mycket som möjligt, för att få en brännbar gasblandning bestående av kolmonoxid, vätgas och metan. De

40 39 viktigaste kemiska reaktionerna som sker i en förgasarens reduktiva zon är följande: I en förgasare sker huvudsakligen de första två reaktionerna. Den positiva entalpin visar att reaktionen är endoterm, dvs. (värme)energi förbrukas, och detta leder till at gastemperaturen sjunker något under reduktionsprocessen. Den tredje ekvationen, som beskriver den så kallade vatten-gas reaktionen, är temperaturberoende och bestämmer förhållandet mellan koldioxid och vätgas å ena sidan och kolmonoxid och vattenånga å andra sidan. Vid högre temperaturer ligger jämvikten på högra sidan, dvs. mer kolmonoxid och vattenånga genereras Gassammansättning Utgående från reaktionsekvationerna ovan är det möjligt att teoretiskt beräkna gassammansättningen utgående från insatsmaterialets kemiska sammansättning och från ett antal parametrar såsom temperatur, värmeförluster osv. i förgasaren. En viktig faktor som påverkar gassammansättningen är insatsmaterialets fukthalt. Tabell 14 visar en typisk gassammansättning för gas från trä med 20 % fukthalt och för gas från träkol med 7 % fukthalt. Tabell 14: Typiskt sammansättning av gas från kommersiella trä- och träkol-förgasare Komponent Gas, trä (vol. %) Gas, träkol (vol. %) Kväve Kolmonoxid Koldioxid Vätgas Metan Gasens värmevärde kj/m³ Figur 33 ger en indikation hur gassammansättningen för träbaserad gas förändras med fukthalten.

41 40 Figur 33: Sammansättning av träbaserad gas beroende på träets fukthalt - (19) Olika typer av förgasare Genom tiderna har det utvecklats ett flertal olika typer av förgasare. En av de tidigaste och enklaste utformningar, som fortfarande har ett brett användningsområde, är den så kallade motströmsförgasaren. En schematisk bild av en motströmsförgasare visas i Figur 34a. Kännetecken för denna typ av förgasare är att gasen lämnar förgasaren i toppen, och lufttillförseln sker från förgasarens botten. I omgivningen av gallret, som är placerad nära botten, sker förbränningsreaktionerna. Ovanför dessa förbränningsreaktioner sker reduktionsreaktionerna. Genom konvektion och värmeledning stiger värmen upp i förgasaren, så att insatsmaterialet torkas i förgasarens övre del och undergår ett antal pyrolytiska reaktioner. En stor del av tjäran och flyktiga ämnen som bildas i förgasaren lämnar tillsammans med produktgasen förgasaren. Askan samlas i förgasarens botten och behöver avlägsnas i jämna mellanrum. Fördelen med denna typ av förgasare är dess enkla och robusta design, en hög förbränningsgrad och en god intern värmeledning, som leder till

42 41 relativ låga gastemperaturer och hög verkningsgrad. Dessutom kan denna förgasartyp användas för ett flertal olika insatsmaterial. Nackdelen med motströmsförgasare är att det finns en viss risk för syregenombrott som kan leda till explosioner i förgasaren. Denna risk kan minimeras genom att använda rörliga galler. Dessutom behöver gasen från en motströmsförgasare på grund av höga tjärhalter undergå en efterföljande gasrening, ifall gasen ska användas i en förbränningsmotor eller en gasturbin. Vid direkt förbränning av gasen behövs dock ingen gasrening, eftersom tjäror helt enkelt nedbryts vid förbränningen. Figur 34: Schematisk skiss av en motströmsförgasare (vänster) och en medströmsförgasare (höger). Figur 34b visar skissen av en medströmsförgasare. Till skillnad från motströmsförgasaren leds här gasen ut nära förgasarens botten och luften tillsätts ovanför oxideringszonen. Detta medför att bränsle och gas rör sig i samma riktning, i motsats till motströmsförgasaren. I medströmsförgasaren behöver gasen och även tjäran och flyktiga föreningar passera en bädd av glödande kol. Därför bränns tjära och andra organiska föroreningar upp och man får en renare gas. Medströms-förgasare ställer dock betydligt högre krav på insatsmaterialet, och långt ifrån alla råmaterial kan förgasas in denna typ av förgasare. I många fall behöver materialet pressas till pellets eller briketter. Förutom dessa två typer av förgasare finns det ytterligare andra modeller, såsom korsströmsförgasare, flytande bädd förgasare och roterande förgasare. Dessa kommer inte att behandlas Användning av produktgas i olika förbränningsmotorer Ottomotorer, dvs. förbränningsmotorer där tändningen sker via en elektrisk gnista från ett tändstift, kan direkt drivas med endast produktgas. Dieselmotorer, som bygger på självtändning av bränslet, behöver för gasdrift antingen drivas med en lägre kompressionsrat och utrustas med ett tändsystem, eller drivas i dual-fuel-mode, som betyder att minst 10 % dieselbränsle tillsätts för att självtända diesel/gas-

43 42 blandningen. Motorns producerade effekt beror på gaskvaliteten och på motorns design och driftparametrar. De viktigaste parametrarna är: Värmevärde av den brännbara gas luft respektive gas/diesel luft blandningen som används i motorn Mängden av bränsle som tillförs motorn vid varje förbränningstakt. Verkningsgraden med vilken motorn omvandlar termisk till mekanisk energi (motorns axeleffekt) Antal förbränningstakter per tidsenhet (antalet varv per minut). Medan de två sistnämnda faktorerna endast beror på motorns design och driftinställningar, kan gasens värmevärde och tryck påverkas av själva förgasningsprocessen. Därför kommer följande avsnitt att kort belysa hur förgasning fungerar i teorin och presentera några beprövade tekniska lösningar. 3.3 Val av lämpad teknologi Olika sorters biomassa och annat insatsmaterial skiljer sig till dess kemiska, fysikaliska och strukturella sammansättning och ställer därför olika krav på förgasningsteknologin. Det finns ingen universell förgasare, som kan ta hand om alla tänkbara insatsmaterial, och därför behöver förgasningsteknologin med omsorg väljas beroende på de lokala förhållanden och insatsmaterialen. Varje typ av förgasare kommer att fungera tillfredställande med avseende till stabilitet, gaskvalitet, effektivitet och tryckförlust endast inom vissa gränser vad gäller bränslets egenskaper. De viktigaste bränsleegenskaperna eller parametrarna är: Energiinnehåll Fukthalt Lättflyktiga föreningar Askhalt och kemisk sammansättning Kemisk reaktivitet Storlek och storleksfördelning Bulkdensiteten Tjärabildande egenskaper Valet av en förgasare skall ta hänsyn till dessa bränsleegenskaper, eller alternativt behöver bränslets egenskaper genom förbehandling (torkning, krossning, osv.) hållas inom vissa gränser. Speciellt för trä gäller att de flesta träslag har låga askhalter (< 2 %). Därför lämpar sig trä som bränsle för förgasare med fast bädd, som beskrevs ovan. Brännbart avfall kan däremot innehålla upp till 35 % aska, och som konsekvens skulle en förgasare med flytande-bädd-teknologin vara bättre lämpad. Trä har å andra sidan höga halter lättflyktiga ämnen. Motströmsförgasare producerar därför en tjära-rik gas som är mest lämplig för direkt förbränning. Rengöring av gasen, för att göra den lämplig för motorer, är inte trivial och både kapital- och arbetskrävande. Däremot kan medströmssystem utformas så att de levererar en nästintill tjärafri produktgas, om träets fukthalt är tillräckligt låg. Efter passage genom ett

44 43 relativ enkelt rengöringssystem kan gasen användas i förbränningsmotorer eller gasturbiner. 3.4 Förbehandling Som ovan nämns, kräver vissa insatsmaterial en förbehandling, t.ex. krossning och/eller torkning, innan de kan förgasas. Insatsmaterialet för förgasning behöver ha ett tillräckligt högt värmevärde. Vanliga insatsmaterial som används för förgasning varierar mellan 7,5 och 37,5 MJ/kg. Olika insatsmaterial kan även blandas och samförgasas, t.ex. finns anläggningar där kol blandas ihop med biomassa eller vissa avfallsfraktioner. Förbehandlingen av insatsmaterialet beror huvudsakligen på materialets fukthalt och konsistens och omfattar ofta torkning för att säkerställa ett tillräckligt högt värmevärde och krossning för att skapa en större kontaktyta mellan materialet och värmen i förgasaren. Materialets värmevärde anges antingen som lägre värmevärd (LHV, lower heating value) eller som högre värmevärd (HHV, higher heating value). Det lägre värmevärdet bestäms genom att subtrahera värmen som krävs för at förånga vattnet i materialet, från den högre värmevärde. LHV är därmed beroende på materialets fukthalt, medan HHV är oberoende. Tabell 15 visar några typiska insatsmaterial med deras respektive torrhalt och värmevärden. Tabell 15: Typiska torrhalter och värmevärden för några utvalda bränslen. Material Torrsubstans (%) HHV (MJ/kg) Kol Trä/träflis Biomassa, blandad Avfall, blandad Gödsel (pellets) 90 15,3

45 44 Energipotential på Åland Följande avsnitt analyserar den teoretisk energipotential som finns tillgänglig på Åland. Tyngdpunkten läggs på biomassan som teoretiskt kan utvinnas med en långsiktig och hållbar avverkning av de åländska skogarna. Som jämförelse betraktas även den energipotential som finns i de avfallsmängderna som uppstår årligen på Åland. 4.1 Energipotential i skogsbaserade bränslen Enligt World Energy Council bidrar skogsbaserade bränslen med 6 % till det globala energibehovet. På Åland utgör biomassa idag en potentiellt stor förnybar energiresurs. Direkt vid avverkning har trädet ett fukthalt mellan 40 och 60 %. Genom torkning i 3 till 4 månader kommer fukthalten att sänkas till omkring 30 %. Trämaterial med denna torrhetsgrad lämpar sig utmärkt för förbränning och efterföljande värmeproduktion. Vid förgasningen minskar däremot andelen kolmonoxid i produktgasen stark med ökad fukthalt, och samtidigt ökar andelen koldioxid (se Figur 32). Samtidigt får man en viss energiförlust, eftersom vattnet som hamnar i förgasaren behöver förångas. För att uppnå en tillräckligt hög gaskvalitet för förbränningsmotorer, för att minimera gasens efterbehandling och för att maximera energiutkomsten rekommenderar många tillverkare av förgasningsanläggningar en fukthalt under 20 eller t.o.m. under 15 %. Närmare uppgifter och specifikationer bör diskuteras med potentiella tillverkare eller leverantörer av förgasningsutrustning för att hitta de optimala hanteringsprocesserna för tänkbara insatsmaterial och mängder. En möjlighet att torka trämaterialet är att installera en eller flera externa torkare som använder överhettad ånga för att torka materialet. Ångan med 7 8 bar(a) tryck och C kan produceras med förgasarens värme. Efter torkningen av trämaterialet kan en stor del av värmen återvinnas från det fortfarande 100 C varma vattnet, som har matats in som överhettad ånga och till exempel användas för fjärrvärmeproduktion. Figur 35 visar en exempelräkning av en mass- och energibalans för torkning av ton trä per år (ca 4,4 kg/s) från en fukthalt på 30 % till 15 % fukthalt.

46 45 Figur 35: Mass- och energibalans för torkning av trämaterial med överhettat ånga. En ekonomisk lönsamhetskalkyl genomföras sedan för att bedöma om förfarandet kan vara ekonomiskt lönsamt. Eftersom det handlar om stora mängder trämaterial eller träflis, behöver även jämförelseberäkningar mellan centraliserad torkning och lokal torkning, lagring etc. utföras för helhetsprocessen. Den ekonomiska analysen och val av teknologi blir en iterativ process Årlig energipotential mellan 1991 och 2012 I ett första scenario analyseras energipotentialen som teoretiskt funnits hittills, genom att titta på medeltalet av volymen över bark som avverkades per år mellan 1991 och Enligt uppgifterna från Skogsforskningsinstitutet avverkades under denna period i medeltal m 3 trä per år, som enligt schablonberäkningen motsvarar ton torrsubstans. En analys av de olika träslag och sortiment ger ett genomsnittlig högre värmevärde (HHV) på 19,34 MJ/kg. För att få en uppfattning om den teoretiska energipotential som finns i det tillgängliga trämaterialet, utvecklades ett enkelt Excel-baserat beräkningsprogram som räknar den termiska och elektriska effekten som kan uppnås med olika insatsmaterial och termiska förfaranden. Figur 36 visar ett scenario där den totala per år avverkade trävolymen (medeltalet mellan 1991 och 2012) förbränns i en panna. Med en torrhalt på 70 % (dvs. 30 % våtsubstans) skulle den totala trämassan på ton motsvara en effekt på total 52,50 MW. Elproduktionen sker i detta exempel med en ångturbin. Tar man typiska verkningsgrad för värme och elproduktion via panna och ångturbin, så skulle man uppnå en effektiv termisk effekt på ca 35,7 MW och en elektrisk effekt på 8,9 MW. Omräknad i energi motsvara detta 312 GWh ( GJ) värmeenergi och 78 GWh ( GJ) elektrisk energi per år.

47 46 Alla värden som anges nedanför är generella uppskattningar, men ger ett utgångsläge. De exakta värdena beror på de valda insatsmaterialens kemiska sammansättning, materialets förbehandling, torrhalten och vald teknologi, osv. Figur 36: Mass- och energibalans för förbränning av ton träflis per år. Elproduktion sker med hjälp av en ångturbin. Figur 37 ger en översikt över olika kombinationer av termisk behandling (förbränning och förgasning) samt andel elektrisk och termisk energi som teoretisk kunde utvinnas för samma flismängd på ton per år. Figur 37 Genomsnittligt årlig energipotential för olika avverknings- och användningsscenarier

48 47 Den totala teoretiska energimängden är i stort sätt samma för förgasnings- och förbränningsteknologin, en liten skillnad utgör endast torrhalten av materialet som används för förgasning respektive förbränning. Mängden elenergi som kan produceras beror däremot mycket på vald teknologi. Med stigande elutbyte sjunker givetvis värmeenergimängden som står till förfogande. Den största mängden elenergi ger en kombination av en gasmotor eller en gasturbin och en ångturbin. Å andra sidan är investeringskostnaderna högst för detta alternativ, så en närmare lönsamhetskalkyl krävs Framtida energipotential i skogsbaserade bränslen Det finns olika scenarier för att beräkna vilka skogsmängder som kunde teoretisk avverkas i framtiden, om man tillämpar en långsiktig och hållbar skogsbrukspolitik. I denna rapport utgår man ifrån det så kallade MELA SK scenario, som är en optimering för att få ut största möjliga mängd rundved och energived (se ovan). Enligt detta scenario skulle mellan år 2014 och 2040 avgången årligen vara m 3 trä. Räknar man med 10 % minskning för naturlig avgång så står m 3 till förfogande. Uttryckt i torrsubstans motsvarar detta ton. Det genomsnittliga högre värmevärdet HHV beräknas till 19,33 MJ/kg. Jämför man dessa uppgifter med den mängden som avverkades i genomsnitt under de senaste 30 åren, så ser man att i teorin nästan 50 % mer kunde avverkas än hittills. I motsvarande grad ökar även den teoretiska energipotentialen och mängden av elenergi och värmeenergi som kunde produceras ur skogsbaserat bränsle. En mer detaljerad resursanalys behövs dock för att fastställa en noggrannare potential för produktionsnivån. Figur 38 nedan jämför det totala teoretiska energipotential för olika scenarier. Stapeln längst till vänster visar det genomsnittliga energipotentialen (eller den genomsnittliga effekten) för de totala avverkade volymerna mellan 1991 och De tre staplarna bredvid visar den totala energipotentialen (total effekt) enligt MELA SK scenario-, potentialen, om man lämnar gran-, tall- och lövträd stock utanför, och potentialen om man bortser från stock- och massaved och endast använder övrig avgångspotential. Längst till höger visas den genomsnittliga energipotentialen i åländska brännbara avfallsmängder. En närmare beskrivning av avfallsmängderna och deras energiinnehåll finns i kapitel 2.2. Alla värden i tabellen är beräknad för insatsmaterial med 85 % torrsubstans. Energipotentialen av endast övriga avgångar, dvs. av materialet som inte kan användas som stock- eller massaved skulle motsvara en effekt på knappt 30 MW och därmed utgöra omkring 37 % av den totalt avverkningsbara trämängden. I de åländska avfallsmängderna finns totalt omkring 8,8 MW effekt, dvs. mellan en tredje- och en fjärdedel av energipotentialen av övriga träavgångar. Gällande andelen av elektrisktoch värmeenergi som kan utvinnas ur dessa totala energimängder gäller samma procentuella fördelning för de olika produktionsmetoderna som i Figur 37.

49 48 Figur 38 Energipotential i åländska skogar och avfallsmängder 4.2 Energipotential i åländska avfallsmängder En sammanställning och beskrivning av de olika åländska avfallsfraktionerna och mängderna finns i kapitel 2.2 Tabell 16 sammanfattar de avfallsmängder och parametrar såsom torrsubstanshalt, värmevärde, energipotential och medeleffekt, som togs som grund för de presenterade beräkningarna och simuleringarna. Tabell 16: Inputdata för uppskattningen av avfallets energipotential