1
2
Nu kommer teknik och lönsamhet för lokal elproduktion från biobränsle Broschyren presenterar en analys av befintliga bio-panncentraler i södra Sverige. Som grund ligger rapporten Elproduktion från biobränsle, producerad av: DESS, delegationen för energiförsörjning i sydsverige ÅF-Processdesign AB Energikontoren Sydost, Skåne och Halland Hela rapporten finns tillgänglig på följande hemsidor: * DESS www.dess.nu * Sparkraft www.sparkraft.nu * Energikontor Sydost www.energikontor-so.com * Energikontor Halland www.energihalland.se 3
Dags att planera och handla Samhällets intentioner på ett miljövänligare och säkrare elförsörjningssystem i Sverige lägger grunden för lokal elproduktion från i synnerhet biobränsleeldade panncentraler. EU:s direktiv om harmonisering av elpriserna inom unionen, borgar också för att priserna kommer att stiga till europeisk nivå. Flera aktörer arbetar med att utveckla teknik för småskalig elproduktion, dels för att använda befintliga anläggningar effektivare, dels för att kunna komplettera nya och gamla pannanläggningar med anpassad elproduktionsutrustning. Det är troligt att några av dem står inför ett både ekonomiskt och tekniskt genombrott tack vare de stigande kostnaderna för både elenergi och skadliga utsläpp till miljön. Vi vill peka på de möjligheter som nu kommer för den enskilde anläggningsägaren att på ett framtidsinriktat vis, utnyttja kylvatten från el-generering till befintlig eller planerad Varberg Falkenberg uppvärmning av lokal eller process och därmed få hög verkningsgrad och bättre ekonomi i hela sin energiproduktion. Genom analys av värmeunderlaget i den enskilde eller sammanslagna anläggningen, kan den mest gynnsamma tekniken för elproduktion väljas. Underliggande, fritt disponerat, material från rapporten Elproduktion från biobränsle kan ligga som grund för vilka avvägande och beslut som bör tas av både den enskilde och av samhället. Rapportens geografiska underlag Halmstad Gislaved Ljungby Värnamo Växjö Vetlanda Nybro Oskarshamn Kalmar Höganäs Ängelhom Hässleholm Karlshamn Ronneby Karlskrona Helsingborg Kristianstad Landskrona Eslöv Malmö Lund Trelleborg Ystad Kartografi T-kartor Sweden AB 1999 www.t-kartor.se 4
Befintliga potentialer Rapporten Elproduktion från biobränsle visar en sammanställning över samtliga befintliga biobränsleeldade anläggningar över 1 MW i södra Sverige. För respektive anläggning har sedan en bedömning gjorts över potentialen för framtida elproduktion. Sammantaget behandlar rapporten 163 st. anläggningar med totalt 224 st. biopannor från 1,0-230 MW. Nedanstående tabell sammanfattar 2001-års värme- och elproduktion från befintliga biobränsleeldade anläggningar i södra Sverige. Värmeunderlaget från bioenergianläggningar (16,1 TWh) ger i nuläget 1,7 TWh el, vilket ger ett elutbyte (α-värde) av ca 10,5 %. Detta motsvarar 1,2 % av all elenergi som produceras i Sverige och 6-7 % av all elenergi i Sydsverige. I allt väsentligt produceras denna bio-elenergi från 4 st. pappers- och massaindustrier och 6-7 st. större fjärrvärmeverk. Andelen bio-elenergi bör kunna öka med tanke på att: Befintlig kraftvärme körs inte el-optimalt Befintliga anläggningar som producerar el kunde ha bättre ångdata (α-värde) Det saknas fortfarande kraftvärme på ett flertal industrier och fjärrvärmeverk Ett stort antal mindre och medelstora värmecentraler saknar helt kraftvärme För befintliga anläggningar i södra Sverige bedömer vi att det är tekniskt möjligt med en ökning mellan: 1,0-1,2 TWh el / år. Elutbytet (αvärdet) skulle därmed kunna öka från 10,5 % till ca 17 % av befintligt värmeunderlag. Län Inventerade bioenergianläggningar 1 MW -Driftåret 2001 Fjärrvärme Närvärme Industri Papper & Massa Totalt antal Installerad Bio-energi år 2001 (GWh) Producerad Bio-energi år 2001 (GWh) Producerad Bio-elenergi år 2001 (GWh el ) Blekinge 4 5 5 2 16 473 2 940 258 Halland 3 4 7 2 16 557 2 717 289 Jönköping* 3 3 14 2 22 109 393 5 Kalmar 4 3 19 1 27 787 4 240 560 Kronoberg 6 15 16 1 38 409 1 287 139 Skåne 15 12 14 2 43 1 007 4 506 455 Västra Götaland** 1 1 12 35 0 Totalt 36 42 75 10 163 2 963 16 118 1 706 * Jönköpings län, endast fem kommuner. ** Västra Götalands län, endast en kommun. 5
Nedanstående tabell visar 2001-års värme- och elproduktion från befintliga biobränsleeldade anläggningar samt den tekniskt möjliga potentiella ökningen. Anläggning Befintlig och framtida bioenergipotential för elproduktion i södra Sverige Totalt antal Producerad Bio-energi år 2001 (GWh) Producerad Bio-elenergi år 2001 (GWh el ) Framtida Potentiell ökning (GWh el ) Framtida* Potentiell Bio-elenergi (GWh el ) Fjärrvärme 33 4 038 354 736 1 090 Närvärme 41 407 0 26 26 Industri 74 1 489 64 102 166 Pappers & massa 12 10 183 1 288 312 1 600 Totalt 163 16 118 1 706 1 176 2 882 * Befintlig + framtida elenergi (1706 + 1176 = 2882 GWh) Möjlig framtida eleffekt vid höglast bedöms till ca: 300-500 MW. 6
Den potentiellt ökade elproduktionen (1,1 TWh) baseras på att alla inventerade anläggningar producerar el, vilket skulle ge en ökning på 69 %. Om anläggningar vilka har låg potential för att producera el borttas från beräkningen blir ökningen 1102 i stället för 1176 GWh. Detta skulle ge en ökning av elproduktionen av 65 %. För att tydliggöra de inventerade pannornas installerade effekt visas i nedanstående diagram effektfördelningen av 224 st. biopannor på 163 anläggningar i södra Sverige. Fördelning av installerad panneffekt Antal biopannor 50 45 40 35 30 25 20 15 10 5 0 0-1 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10-15 Installerad panneffekt (MW) 15-20 20-30 30-40 40-50 50-60 60-70 70-80 80-90 90-100 > 100 Totalt 224 st biopannor Närvärme Fjärrvärme Industri Papper & massa 7
Utifrån insamlade drifts- och anläggningsdata från de 163 anläggningarna samt telefonkontakt med respektive anläggningsägare har ett antal kriterium (värdepoäng) angivits för respektive anläggning. Kriterierna har framförallt varit ur ett tekniskt perspektiv men även anläggningsägarnas intresse för elproduktion har vägts in tillsammans med ekonomiska aspekter. Ju fler poäng en befintlig anläggning har desto bättre förutsättningar bör finnas för etablering av kraftvärme. Fördelning av värdepoäng utföll enligt följande: Antal bioanläggningar Fördelning av kraftvärmepotentialen 35 30 25 20 15 10 5 0 1 2 3 4 5 6 7 8 Kraftvärmepotential (värdepoäng) Totalt 163 st anläggningar Närvärme Fjärrvärme Industri Papper & massa 8
De 94 st. anläggningar som har bedömts i kategori 1-4 på sid 8 har ringa inverkan på den totala elproduktionen. Av dessa är det ingen som har producerat elenergi under år 2001. Anläggningar i kategori 5 och 6 har en god potential, men det är framförallt anläggningar i kategori 7 och 8 som verkligen kan ge ett rejält tillskott i elproduktionen. Elenergipotential Elenergi (GWh) 1600 1400 1200 1000 800 600 400 200 0 Kraftvärmepotential (värdepoäng) * Antal anläggningar Potentiell ökning av elproduktionen 24 st* 19 st* 21 st* 31 st* 22 st* 20 st* 1 2 3 4 5 6 7 8 Befintlig elproduktion 13 st* 9 st* 9
Kraftvärmealternativ/tekniker Kraftvärmealternativ / tekniker För att kunna göra en bedömning måste ett teknikval göras. Detta val utgår från den nuvarande anläggningens data och den årliga värmeproduktionen. Den valda tekniken tillsammans med anläggningens värmeunderlag ger ett uppskattat värde på den årliga elproduktionen. Nedanstående bild symbolisera de bränslen, medium samt teknikval som varje enskild anläggningsägare ställs inför beroende på en mängd lokala och yttre förutsättningar. Ett flertal tekniska kraftvärmealternativ finns att tillgå, vilket rent tekniskt kan studeras mer ingående i exempelvis; Värmeforskning Rapport 715. I rapporten är valt fem teknikalternativ: ÅNGTURBIN - ÅNGMOTOR - FLASHBOX - OILBOX - ORC TYP AV VERKSAMHET INDUSTRI ENERGIVERK VAL AV MEDIUM ÅNGA HETVATTEN VÄTSKA TYP AV BRÄNSLE BARK LUTAR PELLETS AVFALL SKOGSFLIS VAL AV TEKNISK LÖSNING ÅNGTURBIN ÅNGMOTOR FLASHBOX OILBOX ORC BIO- KRAFTVÄRME 10
Nedan behandlas kortfattat, fem valda kraftvärmealternativ samt vilka förväntade investeringskostnader, verkningsgrader mm. som kan uppnås med respektive teknik. Beskrivningen är endast övergripande varför mer ingående beskrivningar kan studeras i andra publikationer samt på respektive leverantörs hemsidor. Det är här på sin plats med några definitioner och tekniska begreppsförklaringar till nedanstående beskrivningar: Flashbox Typ av ånggenerator Alfavärde (α-värde) Ett mått på turbinens, ångcykelns verkningsgrad. (Förhållandet mellan producerad elkraft i procent av hur mycket värme som kondensorn avger) Isentropisk verkningsgrad Ett mått på turbinens verkningsgrad Rankine-cykeln Ångcykel ORC Organisk Rankine Cykel Ångturbin, ångmotor, flashbox, oilbox och ORC- Organisk Rankine Cykel. De olika teknikerna lämpar sig vid olika förutsättningar. Nedanstående två figurer visar hur teknikerna lämpar sig med avseende på ångtryck och effekt på en anläggning. ORC Oilbox ORC Oilbox Ångmotor Ångmotor Flashbox Flashbox Ett steg Fler stegs Ångturbin Ett steg Fler stegs Ångturbin 1 6 10 16 32 64 100 Tryck panna (bar) 1 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 Effekt pannan (MW) Ovanstående visar med all tydlighet varför ångturbinen är både väl utvecklad och mest gångbar eftersom den har ett stort användningsområde. De fyra andra alternativen är betydligt ovanligare för elproduktion och kräver viss teknikutveckling, men framförallt att anläggningar börjar byggas så att kostnaden kan reduceras. 11
Hur mycket el som en anläggning kan producera i förhållande till andelen värme (α-värde) är kraftigt varierande. Ju högre tryck och temperatur systemet har desto större möjlighet till stor andel el (högt α-värde). För att illustrera olika teknikers α-värde visas en figur där det framgår hur α-värdet varierar beroende på pannans tilllåtna tryck. 60 50 α-värde % α-värde är angivna som typvärden för anläggningarna Område för konventionell ångcykel Växjö Energi x 40 30 20 10 Småskalig kraftvärme x x Öresundskraft x C4 Energi x x Lunds Energi Myresjö Energi x x Kährs Nybro x ORC Flashbox Ljungby Energi 1 6 10 16 25 32 64 100 160 Tryck panna (bar) Systemets α-värde är också beroende på turbinens isentropiska verkningsgrad. Verkningsgraden kan variera mellan 50 85 %. Störst inverkan på verknings-graden har antalet steg som turbinen är uppbyggd av. Ju fler steg tubinen har desto bättre blir verkningsgraden. Verkningsgraden påverkas även av hur turbinens skovlar är utformade, inloppsdysor, last samt in och utloppstryck till turbinen. Det finns mindre ångturbiner som endast har ett steg, en sk Curtis-turbin. Figuren till höger visar schematiskt hur en ångturbin är uppbyggd. I detta exempel består turbinen av tre steg. Ånga in Turbin { { 1:a 2:a { 3:a steget Ånga ut 12
Ångturbin Den vanligaste tekniken att producera el med biobränsle som energikälla är genom en konventionell ångturbincykel. Denna process bygger på de s.k. Rankine-cykeln med en eller flera turbinsteg. Processen lämpar sig att användas för 10 bar och uppåt. Se vidare hemsidor för: Alstom (Stal) http://www.se.alstom.com Nadrowski http://www.weckman.se För lägre tryck rekommenderas metoden för oilbox, ångmotor eller ORC. Teknik Tekniken bygger på att vattnet förångas och överhettas i pannan. Ångan leds sedan till inloppet på turbinen. Q Biobränsle Panna Investering Turbin Investering Gen. P el ut Kondensor 55 C 80 C Q Fjärrvärme Investering Ovanstående installation sker i befintlig eller ny ånganläggning som förutsätts vara dimensionerad för nedanstående data. Generatoreffekten är beroende av anläggningens specifika data, t.ex. fjärrvärmetemperatur (kondensortryck), pannans effekt mm. Investeringen nedan omfattar elgenereringsdelen, ej investering i panna eller byggnad. Ångturbin Termisk effekt 3 MW 6 MW 9 MW Tryck till turbin, bar (a) 16 16 16 25 16 25 Ångtemperatur C mättad mättad mättad mättad 350 380 Kondensortryck, bar (a) 0,5 0,5 0,5 0,5 0,5 0,5 Turbin, Curtishjul st 1 1 1 1 fl ersteg fl ersteg Generatoreffekt kw 340 690 1 030 1 150 1 550 1 730 Alfa-värde, α % 13 13 13 15 21 24 Investering, MSek 4-5 5-6 6-7 7-8 9-10 9-11 Investering, kkr/kw (el) 13 8 7 6,5 6 6 Kondensortrycket 0,5 bar(a), motsvarar ca 75 C fjärrvärmetemperatur. Om Fjv-tempen 95 C respektive 115 C efterfrågas blir elutbytet 10-15% respektive 25 % lägre. 13
Flash-box Denna metod att via en hetvattenpanna producera el med bioenergi är relativt ny men har sedan 1998 tillämpats av Eksjö Energi. Se vidare Vaporel AB s hemsida: http://www.vaporel.se Teknik Hetvattnet leds till en flashbox (ånggenerator) av direkt typ. Trycket sänks och en del av vattnet förångas. Ångan som producerats i flashboxen leds till en enstegs Curtis-turbin. Därefter följer en kondensor, varifrån varmvattnet förs ut till exempelvis ett fjärrvärmenät eller till virkestorkar. Q Biobränsle Panna Värmeväxlare Investering Turbin 55 C 80 C Gen. P el ut Kondensor 55 C 80 C Q Fjärrvärme Investering Ovanstående installation sker i befintlig eller ny ånganläggning som förutsätts vara dimensionerad för nedanstående data. Generatoreffekten är beroende av anläggningens specifika data, t.ex. fjärrvärmetemperatur (kondensortryck), pannans effekt mm. Investeringen nedan omfattar elgenereringsdelen, ej investering i panna eller byggnad. Q Fjärrvärme Flash-box Termisk effekt 3 MW 6 MW 9 MW Panntryck, bar (a) 16 16 16 Tryck till turbin, bar (a) 9,5 9,5 9,5 Ångtemperatur C mättad mättad mättad Kondensor tryck, bar (a) --- --- --- Turbin, Curtishjul st 1 1 1 Generatoreffekt kw 250-320 500-640 750-960 Alfa-värde, α % 8-10 8-10 8-10 Investering, MSek 5,0 6,5 8 Investering, kkr/kw (el) 18 11 9 14
Oilbox I Sverige finns ingen kommersiell anläggning i drift. Utveckling sker dock av ett företag i Göteborg. Se vidare SEP s hemsida: http://www.sep.se Teknik Tekniken för befintliga biobränsleanläggningar förutsätter att en ny panna installeras. Pannkretsen är fylld av en olja som kan vara trycklös upp till ca 250 oc. Överföringen av energin sker i en sluten loop via en värmeväxlare mellan pannkretsen och ångkretsen. Turbinanläggningen fungerar sedan som en vanlig ångcykel. Olja Panna ÖH Turbin Gen. P el ut Q Biobränsle FÅ Kondensor 55 C 80 C Q Fjärrvärme ÖH=Överhettare FÅ=Förångare Investering Ovanstående installation sker i ny anläggning som förutsätter vara dimensionerad för nedanstående data. Investeringen är inte angiven pga. att ingen anläggning ännu är i varaktig drift i Sverige. Oilbox Termisk effekt 1-10 MW Panntryck, bar (a) 1-16 Oljetemperatur C 200-320 Ångtemperatur C --- Kondensor tryck, bar (a) --- Turbin, Curtishjul st 1 Generatoreffekt kw 100-1 500 Alfa-värde, α % --- Investering, kkr/kw (el) --- 15
ORC-Organisk Rankine Cykel Ursprungligen var tekniken tänkt för att utnyttja spillvärme från industrin i början av 70-talet. Ett 15-tal anläggningar finns på kontinenten. I Sverige finns en mobil demonstrationsanläggning tillverkad av Addpower AB i Ängelholm. Demo-anläggningen är en LTT-process (Låg Temperatur Teknik) där man använder kallt kylvatten. Större anläggningar kan byggas för exempelvis rökgaskondensat, solvärmeanläggningar eller andra lågvärdiga temperaturmedia. Teknik Tekniken för befintliga biobränsleanläggningar förutsätter minst 100 oc och gärna låg returtemperatur på fjärrvärmevattnet för att nå normal verkningsgrad. Överföringen av energin sker i en sluten loop via en värmeväxlare Skillnaden mot en vanlig ångcykel är främst det organiska arbetsmediet i turbin-loopen som har en högre densitet än vattenånga vilket medför att en kompaktare turbin kan användas. Q Biobränsle Panna ÖH FÅ Turbin Gen. P el ut Kondensor 55 C 80 C Investering Ovanstående installation sker i befintlig eller ny hetvattenanläggning som förutsätter vara dimensionerad för nedanstående data. Investeringen omfattar elgenereringsdelen, ej investering i panna eller byggnad. Q Fjärrvärme ÖH=Överhettare FÅ=Förångare ORC-Organisk Rankine Cykel Termisk effekt 1-10 MW Panntryck, bar (a) 4-16 Vattentemperatur C 100-200 Kondensor tryck, bar (a) --- Turbin, Curtishjul st --- Generatoreffekt kw 100-2 000 Alfa-värde, α % 5-10 Investering, kkr/kw (el) 15-25 16
Ångmotor Tekniken är väl känd men verkningsgraden är sämre än för en normal ångturbin. Ångmotorn har däremot en jämnare verkningsgrad (låglaster) och kräver inte så höga tryck och ångdata. I Sverige finns en tysk (Spillingmotor) ångmotor samt två Svensktillverkade trecylindriga motorer i Sävsjö och Vingåker. Samtliga tre maskiner står för närvarande avställda pga. enklare driftstekniska problem. Tekniken kräver således teknikutveckling för att bli driftssatta och gångbara för kommersiell drift. Teknik Panna Ångmotor Gen. P el ut Q Biobränsle Kondensor 55 C 80 C QFjärrvärme Investering Ovanstående installation sker i befintlig eller ny ånganläggning som förutsätter vara dimensionerad för nedanstående data. Investeringen är inte angiven pga. att ingen anläggning ännu är i varaktig drift i Sverige. ORC-Organisk Rankine Cykel Termisk effekt 1-10 MW Panntryck, bar (a) 10-32 Ångtemperatur C 185-250 Kondensor tryck, bar (a) --- Cylindrar, st 1-6 Generatoreffekt, kw 100-1 500 Alfa-värde, α % 8-10 Investering, kkr/kw (el) --- 17
Ekonomi Utöver de tekniska faktorerna för etablering av kraftvärme måste en separat lönsamhetskalkyl utföras. Exempelvis kan ett förenklat kalkylprogram användas (EPK-modellen). Programmet är framtaget 1999 av ELFORSK- och Energimyndigheten. Ett exempel på hur man kan beräkna en anläggnings tekniska förutsättningar till de ekonomiska redovisas nedan. Pay Off, år 20,0 18,0 16,0 14,0 12,0 10,0 8,0 6,0 4,0 2,0 0,0 200 250 Pay Off / Elpris Nordpool, oktober 2002 300 350 400 Spotpris, SEK/MWh Nordpool, 021104 Investering: 5 Mkr/MW 8 Mkr/MW 12 Mkr/MW 15 Mkr/MW 20 Mkr/MW Antaganden: Elcertifikat: 10 öre/kwh Nätavgift: 2 öre/kwh Bränslepris: 130 kr/mwh 5 500 timmars utnyttjning Pay Off, år 20,0 18,0 16,0 14,0 12,0 10,0 8,0 6,0 4,0 2,0 0,0 200 250 Pay Off / Elpris Nordpool, oktober 2002 Spotpris, SEK/MWh Nordpool, 021104 300 350 400 Investering: 5 Mkr/MW 8 Mkr/MW 12 Mkr/MW 15 Mkr/MW 20 Mkr/MW Antaganden: Elcertifikat: 12 öre/kwh Nätavgift: 2 öre/kwh Bränslepris: 100 kr/mwh 6 500 timmars utnyttjning 18
Diskussion kring framtida styrmedel El-certifi kat Förslaget om el-certifikat bör kunna skapa bättre förutsättningar för ny och befintlig kraftvärme och verkar stimulerande för såväl samhällsutvecklingen som för den enskilde anläggningsägaren. Detta kan bli positivt för befintliga anläggningar men framförallt för nya småskaliga kraftvärmeanläggningar. Miljöbalken Befintlig miljölagstiftning kan utövas betydligt tydligare än vad som praktiseras idag. Anmälnings- och tillståndspliktiga anläggningar prövas i dag oftast enbart vad gäller: Placering, emissioner till luft- och vatten samt externt buller. Benämningen: Bästa tillgängliga teknik utnyttjas inte nämnvärt av den prövande myndigheten och kunde utnyttjas tydligare redan i nuläget. En anläggning bör analyseras med hänsyn till följande tekniknivåer: Rökgaskondensor med befuktning av förbränningsluften. (ca 20 % mer energi) Elfilter/slangfilter för rökgasrening. Ger < 35 mg stoft/ normal m3 rökgas Flygaskan i retur till röjnings- och slutavverkning av skogsmark El - Elproduktion för internt/externt behov Högvärdig energi Process - Avtappning för industrins processvärme Medelvärdig energi Värme - Fjärrvärme för uppvärmning s- ändamål Lågvärdig energi Registrering av både NOx- och CO emissioner Lokal samverkan med närliggande industrier, fjärr- och närvärmebehov. Förslag på Miljökrav på biobränsleeldade närvärmeverk kan hämtas från ESS hemsida, http://www.energikontor-so.com/. Fördelar med lokal elproduktion Elpriset förväntas öka Egenprod. grön el och el-certifikat Minskad egen effekt- och nätavgift Kompensera för egen reaktiv effekt Avlasta de yttre elnätet Ökad elsäkerhet med fler lokala aktörer Ökat svenskt kunnande på teknikområdet EU:s direktivförslag om kraftvärme Osäkerhet för lokal elproduktion Nuvarande låga spotpriser (september 2002) Senaste prisökningar på biobränslen Osäkerhet kring följande frågor: Nedsättning av skatt på fossila bränslen Ev.beskattning av biobränslen El-certifikat: Vilka bränslen ingår Slopat avdrag för egen elkonsumtion 19
VISION Framtida utveckling av hög - effektiv kraftvärmeteknik ger ekonomiska förutsättningar för att med bio- eller annat förnybart bränsle tillgodose nödvändiga värmebehov och samtidigt producera el även i småskaliga anläggningar. Koldioxidutsläppen minskar så att balans uppnås i atmosfären. Emissioner Hälsa, miljö & säkerhet En mångfald energieffektiva anläggningar minskar sårbarheten i samhällets försörjningssystem. Rökgaskondensator Processvärme El Fjärrvärme Bränsle Aska Energikontor Sydost P.G. Vejdes väg 15, 351 96 Växjö Tel 0470-72 33 20 Fax 0470-77 89 40 info@energikontor-so.com www.energikontor-so.com www.boggi.se 20