Kan lägre metanhalt göra biogasen mer lönsam? Projekt Energi- och kostnadseffektiv reningsgrad för biogas vid användning i traktorer finansierat av Stiftelsen lantbruksforskning 2013-2015 Gunnar Larsson, forskare, SLU
Varför lägre metanhalt? Biogas är ett miljövänligt bränsle hur kan vi göra det mer intressant att producera och använda inom jordbruket? Ekonomiskt tufft - Vad går att göra åt det? Ingen serietillverkning MEKA-projektet Gas dyrt Billigare med lägre kvalitet Dålig tillgång Bättre tillgång med gårdsproduktion
Nuvarande uppgraderingskrav Råbiogas CH 4 : 55-70 % CO 2 : 30-45 % H 2 S, NH 3,..? Uppgradering Kvalitetskrav på fordonsgas CH 4 : 97 % CO 2 : 3 % H 2 S: 23 mg/nm 3, NH 3 20 mg/nm 3,
System
Antaganden (urval) Biogas används till tar slut under dagen, därefter Diesel, långsamtankning över natt Inga modifieringar av traktorn (varken hårdvara eller mjukvara) Relativt stort antal traktor (15) annars blir avsättning mycket liten, används främst sommartid Utgick från att fanns existerande biogasproduktion, studerade nettoeffekten av ny uppgradering
Antaganden/studerade intervall Parameter Standard Value Studied interval Production, m biogas,prod 19 19-45 CH 4 -purity (in), f CHΤbiogas,in 65 50-70 No. of tractors, T 15 1-15 Storage, volume, V tank 170 150-500 Interest 8 3-15 Biogas, prize selling (incl. distribution), c biogas,sold 0.60 0-0.6 Diesel, cost buying,c D 1.30 0.8-3.0 Summer months 4 1-7 Winter day length 4 1-7 Penalty 40 % 0-200 % Emissions (map) 50-300 % of map Emissions, CO 2, other use 200 0-1000 Emissions, CO 2, electricity production 40 0-1000
Resultat Variable Range in which it is advantageous to upgrade With no engine efficiency penalty Economy Emissions Economy Emissions Engine penalty, % (h)/%(ch 4 ) Never Always - - Production volume, Nm3/h Never Always Never Always Number of tractors, # Never >7(.2) Never >5 Raw gas quality, % Never Always Never Always Raw biogas value, SEK/kWh <0 Always <0.11 Always diesel value, SEK/kWh >1.44 Always >1.35 Always Fuel tank size, l >266 Always >207 Always Rent, % <1.77 % Always <3.63 % Always CO 2 from replaced fuel, g/kwh Never <335 Never <335 CO 2 from electricity, g/kwh Never Always Never Always Optimal fuel quality at standard conditions 92 % 96 % 84 % 95 %
Vad händer vid uppgradering metanhalten minskar? Begrepp Renhet halt metan i använda gasen Slip halt metan i gasen som inte används (efter behandling) Metananvändning ( recovery ) andel av metanet i rågas som är kvar i biogasen Produktivitet/flödeshastigheter Biogas CH 4 CH 4 CH 4 CO 2 Rågas CO 2 CO 2 CO 2 CH 4
Ekonomi Ekonomiskt optimal gaskvalitet kring eller något lägre än nuvarande Med nuvarande teknik svårt att förbättra ekonomin för användning av biogas I allmänhet var de förhållanden för vilket det blev fördelaktigt med en låg metanhalt också de förhållanden vid vilken de allmänna ekonomiska var sämre (uppgraderingen skulle orsaka en ekonomisk förlust), t.ex. vid lågt utnyttjande av biogas eller ett lågt pris på Diesel En viktig faktor är påverkan på verkningsgraden. Om lägre metanhalt inte medför någon försämrad verkningsgrad blir lägre metanhalter mer intressant. Större tankkapacitet (volym eller tryck) förbättrar ekonomin, men påverkar inte optimal renhet nämnvärt Ekonomiska nyttan med biogas för jordbrukaren är att det ersätter dyr Diesel. Priset på Diesel därför viktigt
Klimat Klimatmässigt optimalt med nuvarande halt - Stor klimatnytta med att ersätta Diesel med metanet i biogasen (~700 g/kwh), vill ersätta så mycket det bara går. Klimatnyttan med att låta rågasen ersätta energi som vanligen redan är förnybar är liten. Om rågasen ersätter fossilt bränsle försvinner klimatnyttan med uppgradering Miljöpåverkan kopplad till elanvändning (vid uppgradering) liten, har liten påverkan.
Lagar och regler Standarder på EU-nivå, som nationella standarder behöver följa. Har naturgasen som grund. Inget stöd för att allmänt tillåta lägre gashalter vid publik handel (t.ex. i gasledningar) Däremot kan lägre gashalter tillåts för icke handlad gas (läs: motorer kan godkännas för lägre halter) Andra lagar (t.ex. utsläpp) behöver följas
Vad händer i traktorn om metanhalten minskar? (ej energi) CO 2 -effekter som inte är knutna till energiinnehåll Kan bilda kolsyra om vatten finns tillgängligt Men, vattennivån behöver oavsett CO2-halt vara så låg att detta inte sker Effekter av andra rågaskomponenter (gård) Renas antingen separat eller kan förväntas renas tillräckligt effektivt även med mindre selektiv rening.
Mätningarna Transienta mätningar Motsvarar verklig körning Stationära mätningar 8 mätpunkter (varvtal/vridmomentskombinationer) Utförande 1. Transienta mätningar, 5 blandningar 2. Transienta+Stationära mätningar, 2 blandningar
Vad händer i traktorn om metanhalten minskar? Mindre energi kan lagras Behöver tanka oftare (Kan motverkas om gasen lagras vid högre tryck) Sprutar in mer inert gas Lägre effekt (om allt annat konstant) Men, kan dissocieras så att mer syrgas blir tillgängligt vilket ökar effekt & verkningsgrad (motsvarande effekt med lustgas, N 2 O i racerbilar)
Vad händer med mer CO2 i biogasen? Mindre energi i gasen Måste kompensera, två alternativ: 1. Mer gas ( samma mängd CH4) Kallare rökgas Kan tränga undan luft 2. Mer diesel Långsammare förbränningshastighet Sämre verkningsgrad Svårare kontrollera (utsläpp)
Torque (Nm) Körbarhet 500 450 400 350 300 250 200 150 100 50 97% 94% 90% 88% 85% 0 1 61 121 181 241 301 361 421 481 541 601 661 721 781 841 901 961 1021108111411201 Time (s)
Engine (rpm) Körbarhet 2500 2000 1500 1000 500 0 1 61 121 181 241 301 361 421 481 541 601 661 721 781 841 901 961 1021108111411201 Time (s) 97% 94% 90% 88% 85% 94% (2)
Power (kw) Körbarhet 90 80 70 60 50 40 30 20 10 97% 94% 90% 88% 85% 94% (2) 0 1 61 121 181 241 301 361 421 481 541 601 661 721 781 841 901 961 1021108111411201 Time (s)
Snitteffekt / Snitteffekt (97,6 % CH4) Körbarhet 105,0% 104,0% 103,0% 102,0% 101,0% 100,0% 99,0% 98,0% 97,0% 96,0% 95,0% 97,6% 96,0% 92,0% 87,6% 86,3%
Power (kw) Körbarhet 80 70 Diesel Methane, 97 % Methane, 85 % 60 50 40 30 20 10 0 Rated speed 100 Rated speed 75 Rated speed 50 Rated speed 10 Intermediate speed 100 Intermediate speed 75 Intermediate speed 50 Low idle 0
Utsläpp/Utsläpp (97 %) Utsläpp 100% 90% 80% 70% 60% 50% 40% 30% 20% 10% 0% 85% 88% 90% 94% 97% Metanhalt CO-L Nox THC Metan PM
CH4 (g/s) Utsläpp 0,14 0,12 0,10 Diesel Methane, 97 % Methane, 85 % 0,08 0,06 0,04 0,02 0,00 Load (% of max)
PM (mg/s) 1,2 1,0 0,8 0,6 0,4 0,2 0,0 Load (% of max)
CO (g/s) CO 0,0018 0,0016 0,0014 0,0012 0,0010 0,0008 0,0006 0,0004 0,0002 0,0000 Load (% of max)
NOX (g/s) NOX 0,20 0,18 0,16 0,14 0,12 0,10 0,08 0,06 0,04 0,02 0,00 Load (% of max)
Verkningsgrad Verkningsgrad (test 1) 105% 104% 103% 102% 101% 100% 99% 98% 97% 96% 95% 97,6% 96,0% 92,0% 87,6% 86,3% CH4 share
Verkningsgrad (%) Verkningsgrad (test 2) 35% 30% 25% 20% 15% 10% 5% 0% Diesel Methane, 97 % Methane, 85 %
Köregenskaper, Utsläpp, Verkningsgrad Effektkurvor lika kan förvänta oss att traktorn ska ha samma köregenskaper med dual fuel som med Diesel Utsläppen visade samma generella trender för alla tester Påverkan av metanhalt på verkninsgrad oklar
Sammanfattning Fungerar bra att köra traktorer på biogas med lägre metanhalt. Låga utsläpp, osäker påverkan på verkningsgrad Löser inte de ekonomiska utmaningarna med småskalig produktion Kan möjliggöra ny teknik