Bioenergikluster Småland. En rapport inom Energimyndighetens Euforiprojekt:

Transkript

1 Bioenergikluster Småland En rapport inom Energimyndighetens Euforiprojekt: Kommersiella förutsättningar för att implementera gassensorer i biobränsleeldade närvärmeanläggningar David Eskilsson & Claes Tullin SP Sveriges Provnings- & Forskningsinstitut

2 Förord Dagens biobränslepannor i storleken 0,5-5 MW TH är i regel utrustade med en enkel syremätare (lambdasond) och styrning från denna. Flertalet pannor i denna storlek saknar emellertid kontinuerlig mätning av utsläpp som kolmonoxid (CO), totalkolväten (THC) och kväveoxider (NOx). De senaste åren har nya och relativt billiga gassensorer som mäter halten oförbränt (CO+THC) direkt i rökgasen introducerats på marknaden. Dessa sensorer har följaktligen en potential att användas för övervakning och uppsamling av driftdata, men också för att förbättra styrningen på dagens biobränslepannor. Syftet med projektet var att utreda de kommersiella förutsättningarna och hindren för att introducera sensorer för oförbränt dels som driftövervakning, dels i kombination med ett styrsystem. Projektet har bedrivits parallellt med ett projekt finansierat från Energimyndigheten där de tekniska förutsättningarna utretts mer i detalj [1]. Projektdeltagare Projektet har haft följande projektdeltagare: SP Sveriges Provnings- & Forskningsinstitut (David Eskilsson och Claes Tullin), projektledare. Järnforsen Energisystem AB (Håkan Abrahamsson), tillverkare av värmeanläggningar. Hotab AB (Christer Andersson), tillverkare av värmeanläggningar. SBS Janfire AB (Rober Ingvarsson), tillverkare av värmeanläggningar. Scantronic (Hans-Peter Hansen), tillverkare av sensorbaserade mätsystem. Kastrup & Genberg AB (Karl-Henrik Enérus), svensk leverantör av Scantronics mätsystem. 2

3 Sammanfattning Dagens biobränslepannor i storleken 0,5-5 MW TH är i regel utrustade med en enkel syremätare (lambdasond) och styrning från denna. Flertalet pannor i denna storlek saknar emellertid kontinuerlig mätning av utsläpp som kolmonoxid (CO), totalkolväten (THC) och kväveoxider (NOx). De senaste åren har nya och relativt billiga gassensorer som mäter halten oförbränt (CO+THC) direkt i rökgasen introducerats på marknaden. Dessa sensorer har följaktligen en potential att användas för övervakning och insamling av driftdata, men också för att förbättra styrningen på dagens biobränslepannor. Syftet med projektet var att utreda de kommersiella förutsättningarna och hindren för att introducera sensorer för oförbränt dels som driftövervakning, dels i kombination med ett styrsystem. Projektet har bedrivits inom ramarna för Energimyndighetens Euforiprojekt och genomförts parallellt med ett projekt finansierat från Energimyndigheten där de tekniska förutsättningarna utreds. Den övergripande målsättningen med projektet har varit att implementera nya gassensorer för oförbränt med tillhörande styrsystem i biobränsleeldade mindre fjärrvärmeanläggningar för introduktion på marknaden inom två år. I rapporten presenteras en marknadsanalys över sensorerernas olika applikationer samt en benchmarking över olika sensorleverantörer. Marknadsanalysen visar att det finns två applikationer för ett sensorbaserat mätsystem. Dels kan det användas som ett miljömätsystem för mätning av CO, dels för styrningsändamål i ett lambdaoptimerande styrsystem (rörligt börvärde på O2). Lambdaoptimering optimerar börvärdet på O2 genom att utnyttja informationen från en lambdasensor samt en sensor för oförbränt (CO + THC). Lambdaoptimering syftar till att sänka luftöverskottet och därigenom höja rökgastemperaturen så att en högre pannverkningsgrad kan åstadkommas samtidigt som emissionerna av oförbränt hålls på ett minimum. De teoretiska beräkningarna visar att om O2 i rökgasen sänks från 5 till 4 % O2 som ett medelvärde över eldningssäsongen kan bränslekostnaderna minska med 8-15 kkr/år (12-15 GWh i värmeproduktion) p g a bättre verkningsgrad. Detta motsvarar ungefär de rörliga kostnaderna för mätsystemet. En större anläggning på 25 GWh kan spara in kkr/år i bränslekostnader vilket betyder att mätsystemet kan betala tillbaks på 2-3 år pga minskade bränslekostnader. Den övergripande slutsatsen blir att ett sensorbaserat mätsystem har störst ekonomisk potential att användas som ett miljömätsystem då de kan ersätta dyra IR-baserade mätsystem vilket kan ge en besparing på ca 100 kkr. Som bonus kan de användas för lambdaoptimering vilket gör att besparingarna i minskade bränslekostnader kan betala tillbaks mätsystemet på ett par år. För att det ska vara ekonomiskt fördelaktigt att använda sensorbaserade mätsystem enbart för lambdaoptimering bör anläggningen ha en hög värmeproduktion över GWh. Det bör påpekas att nyttan samt besparingarna med ett lambaoptimerande system varierar individuellt mellan olika pannor. Enklare sensorsystem kan vara attraktivt för mindre anläggningar som endast vill utnyttja lambdaoptimering. I benchmarkingen identifierades sex potentiella sensorleverantörer. De flesta av dessa sensormätsystem är dock anpassade för större kraftvärmeverk. Studien visar att Scantronics sensormätsystem har störst potential att motsvara tillverkarnas krav på pris och funktion (kalibreringsrutiner samt signalomvandling). För att Scantronics mätsystem ska vara intressant måste kalibreringstillfällena hållas på ett minimum och sensorn vara stabil. Även Lamtecs mätsystem kan vara intressant om sensorn kan fås att fungera i biobränsleeldade anläggningar. 3

4 Innehållsförteckning Förord... 2 Sammanfattning... 3 Syfte och Målsättning... 5 Introduktion... 6 Bakgrund... 6 Tidigare arbeten angående gassensorer för oförbränt... 7 Teknisk beskrivning över gassensorer samt tillhörande styrsystem... 8 Marknadsanalys över gassensorer och dess applikationer Gassensorer som mätinstrument Gassensorer för styrningsändamål Ekonomisk potential för ett lambdaoptimerande styrsystem Slutsatser marknadsanalys Exempel på anläggningar som använder sensorer Benchmarking över sensorleverantörer Benchmarking över sensorleverantörer Slutsatser från benchmarking Slutsatser och diskussion Referenser

5 Slutsatser och diskussion Marknadsanalysen visar att det finns två applikationer för ett sensorbaserat mätsystem. Dels kan det användas som ett miljömätsystem för mätning av CO, dels för styrningsändamål i ett lambdaoptimerande styrsystem vilket innebär ett rörligt optimalt börvärde på O2. Ett miljömätsystem är främst intressant för nyproducerade anläggningar 15 GWh - 25 GWh då vissa kommuner ställer krav på kontinuerlig mätning av CO. Tillverkarna av större anläggningar anser att ett pris på ca 30 kkr för ett sensorbaserat mätsystem är rimligt samt att underhållskostnaderna bör vara maximalt 5-10 kkr. Tidigare har IR-baserade in situ mätsystem använts som kostar ca 130 kkr med installation vilket visar att det finns en stor ekonomisk potential att använda sensorbaserade mätsystem. Ett sensorbaserat mätsystem kan även användas för att larma om störningar i förbränningsprocessen vilket dock kräver hög mätsäkerhet för att undvika falsk larm. För företag som Janfire, som tillverkar pelletsbrännare upp till 0,5 MW TH, kan det vara attraktivt att sätta in ett sensormätsystem under förutsättning att kostnaden kan maximeras till ett par tusen kronor. Förbränningsutrustningar i mindre skala produceras i stora serier och i detta fall är det troligtvis mest intressant att köpa in de aktiva sensorerna från en sensorleverantör för integration av sensorns kontrollsystem samt signalomvandling i brännarens elektronik. Lambdaoptimering optimerar börvärdet på O2 genom att utnyttja informationen från en lambdasensor (syresensor) samt en CO-sensor. Detta innebär att styrsystemet hela tiden tillsätter rätt mängd sekundärluft beroende på last, bränslekvalité samt anläggningens underhållsstatus. Lambdaoptimering syftar till att sänka luftöverskottet och därigenom höja pannverkningsgraden samtidigt som emissionerna av oförbränt hålls på ett minimum. Potentialen att sänka luftöverskottet för äldre pannor är individuellt för varje anläggning och beroende på ugnens konstruktion. För nyare anläggningar kan man sänka O2-värdet med 1,5-2 % som bäst. Eventuella besparingar i bränslekostnader beror naturligtvis på anläggningens värmeproduktion samt aktuellt bränslepris. De teoretiska beräkningarna visar att om O2 i rökgasen sänks från 5 till 4 % som ett medelvärde över eldningssäsongen kan bränslekostnaderna minska med 8-15 kkr/år (12-15 GWh i värmeproduktion). Detta motsvarar ungefär de rörliga kostnaderna för mätsystemet. En större anläggning på 25 GWh kan spara in kkr/år i bränslekostnader vilket betyder att mätsystemet kan betala tillbaks på 2-3 år p g a minskade bränslekostnader. Ett alternativ för mindre anläggningar som enbart vill utnyttja lambdaoptimering är att utnyttja ett enklare sensormätsystem utan elektronikenheten som omvandlar sensorns signal till CO-ekvivalenter. Ett sådant system kan kosta ca 15 kkr och ha en rörlig kostnad på ca kr per år. Detta skulle då kraftigt sänka pay-off-tiden för ett sådant system och vara attraktivt för mindre anläggningar som vill utnyttja lambdaoptimering. Lambdaoptimering kan också hjälpa till att hålla emissionerna av oförbränt på ett minimum vilket kan vara värdefullt ur ett marknadsföringsperspektiv. Idag finns emellertid inga tillverkare av biobränsleeldade anläggningar (0,5 5MW TH ) som tillämpar lambdaoptimering. Man bör dock betänka att utformningen samt dimensioneringen av ugnen och rosten är avgörande för att erhålla låga emissioner. Ett lambdaoptimerande system kan endast hjälpa till att erhålla låga emissioner samt trimma anläggningen. 20

6 Sex olika sensormätsystem har identifierats på marknanden. Många av dessa är emellertid anpassade för större kraftvärmepannor. För applikationen som mätinstrument i mindre biobränsleeldade anläggningar är det egentligen bara Scantronics sensormätsystem som motsvarar tillverkarnas (Hotab, Järnforsen) krav på pris (ca 30 kkr) samt funktion (kalibreringsrutiner samt signalomvandling). Lamtecs mätsystem kan också vara intressant. Detta system har dock testats i en biobränslepanna med dåligt resultat [5] men om sensorn skyddas för flygaska är det möjligt att systemet fungerar bättre. För att Scantronics mätsystem ska vara intressant måste sensorn vara stabil så att kalibreringstillfällena kan hållas på ett minimum (jämför referens [1]). Sensorns livslängd måste också klarläggas. Om det sensorbaserade mätsystemet används som ett mätinstrument kan det också användas i ett lambdaoptimerande styrsystem. Om en anläggning endast vill använda sensorer för oförbränt för lambdaoptimering är troligtvis Escubes sensorsystem det mesta attraktiva valet p g a ett lågt pris. Den övergripande slutsatsen är att ett sensorbaserat mätsystem (kostnad ca 30 kkr) har störst ekonomisk potential att användas som ett miljömätsystem då de kan ersätta dyra IR-baserade mätsystem (kostnad ca 130 kkr). Som bonus kan de användas för lambdaoptimering vilket gör att besparingarna i minskade bränslekostnader kan betala tillbaks mätsystemet på ett par år. För att det ska vara ekonomiskt fördelaktigt att använda sensorbaserade mätsystem enbart för lambdaoptimering bör anläggningen ha en hög värmeproduktion över GWh. Det bör påpekas att nyttan samt besparingarna med ett lambdaoptimerande system varierar individuellt mellan olika pannor. Enklare sensorsystem (kostnad ca 15 kkr) kan vara attraktivt för mindre anläggningar som endast vill utnyttja lambdaoptimering. 21

7 Referenser [1] Eskilsson D, Tullin C, Utveckling av ny självoptimerande sensorteknologi till närvärmecentraler, Energimyndighets projekt , 2006, [2] Scantronic ApS, Bavne Allé 4B, DK 8370 Hadsten, [3] ESCUBE GmbH Space Sensor Systems, Nobelstraße 15, Stuttgart, Tyskland, [4] Eskilsson D, Tullin C, Quicklund H, Johansson M, Eliasson T och Österberg S, "Utveckling av ett reglersystem som utnyttjar informationen från gassensorer för att styra tillförseln av förbränningsluft", Energimyndighetsprojekt: P , 2004, [5] Eskilsson D, Rönnbäck M, Värmeforskrapport 892, 2004 [6] Padban N, Ramström E, Larfeldt J, Andersson M, Petersson H, Lloyd Spetz A; Integrerad processtyrning och emissionskontroll baserad på elektroniska sensorer, Energimyndighetsrapport, 2005 [7] Svensson M; Lambdabaserad reglering, Värmeforskrapport 827, 2003 [8] Good J, Nussbaumer Th; Efficiency improvement and emission reduction by advanced combustion control (ACCT) with CO/Lambda control and setpoint optimization, Proceedings:10 th European Conference and Technology exhibition: Biomass for energy and industry, s Wurtzburg, 1998 [9] Kompetenscentrum för bio- och kemisk sensorvetenskap och teknologi S-SENCE, Hemsida, [10] Fleischer, M. och Meixner, H., Gas sensors for pollution Control, Safety and Health, Siemens Magazine Research and Innovations, Issue (1/1997) 22