TPS Branschforskningsprogram för Energiverk 2007/08 STUBBAR SOM BRÄNSLE Slutrapport inom området Oberoende FoU Birgitta Strömberg Oktober 2008 TPS-08/06
Titel: Författare: Rapportnummer: Stubbar som bränsle Birgitta Strömberg TPS-08/06 Version: Slutversion Datum: 2008-10-08 Språk: Svenska Antal sidor: 24 Nyckelord: stubbar Spridning: Beställare: TPS Branschforskningsprogram för Energiverk 2007/08 - Oberoende FoU Avsändare: Godkänd av: TPS Termiska Processer AB, Box 624, 611 10 Nyköping Tel 08-53 52 46 00, Fax 0155-26 30 52, e-post tps@tps.se ABSTRACT Stubbar som bränsle har en stor potential om miljökonsekvenserna av storskalig brytning kan lösas. Teknikutveckling av storskalig stubbrytning krävs för att få bränslet prismässigt konkurrenskraftigt. Analyser visar att elementar- och asksammansättning av stubbränsle överensstämmer väl med förädlade trädbränslen som pellets. Askhalten kan beroende på teknik för brytning av stubbar variera och är betydligt högre, oftast även högre än askhalten i GROT. Fukthalten i stubbränsle är som regel lägre än i GROT. Förbränningstest tyder på att bränslet är likvärdigt med andra trädbränslen.
Innehållsförteckning 1 Bakgrund...1 1.1 Målsättning och genomförande... 3 2 Inledning...3 2.1 Styrmedel inom EU... 3 2.2 Styrmedel i Sverige... 4 2.3 Tillgång på skogsbränsle... 4 2.4 Efterfrågan på skogsbränsle... 5 2.5 Prisutveckling... 5 3 Miljökonsekvenser av stubbrytning...6 4 Historisk användning av stubbar...8 5 Ekonomi...8 6 Brytning av stubbar...10 7 Forskning...11 8 Stubbvedens bränsleegenskaper...12 8.1 Bränsleanalyser... 13 8.2 Drifterfarenheter... 15 8.3 Försök med ren stubbflis... 15 8.4 Eldning av stubbränsle i Alingsås... 17 8.4.1 Resultat från provperioderna... 17 8.4.2 Slutsatser från försöken... 19 8.5 Dammexplosioner... 20 9 Sammanfattning...21 10 Referenser...22 Bilaga 1 Analyser av stubbar
1 1 Bakgrund Värmeverkens efterfrågan på biobränsle från skogen beräknas att öka med 13,6 TWh fram till 2015. Biobränsle består av många olika undergrupper (Figur 1). Konkurrensen om råvaran från skogen gör att nya sortiment bränslen behöver tas fram och att gamla sortiment utnyttjas i större utsträckning än i dagsläget. Konkurrensen om råvaran sker dels inom energisektorn, men även mellan massaindustrin och energisektorn. Man kan även se intressekonflikter mellan tillverkning av förädlade bränslen som pellets och briketter och industrin för tillverkning av spånplattor. Sågverksflis används främst av massaindustrin. Spån från sågverken användes tidigare nästan uteslutande inom skivindustrin. 1990 användes drygt hälften av tillgängligt spån i skivindustrin men redan tio år senare var den andelen nere i en femtedel. Bränsleförädlingsindustrin ökade på samma gång sin andel. Energiverken kan betala mer för spån än skivindustrin och den ökande konkurrensen leder till ökade vinster för sågverken. Den ökande omställning till förnybar energi inom stora delar av EU kan också leda till en ökad konkurrens om skogsråvaran med högre priser som följd. Redan idag importerar vi biobränsle till Sverige från bl.a. Ryssland och de baltiska länderna. Vid en ökad efterfrågan inom EU kommer dessa strömmar sannolikt att styras till den som betalar bäst. [1] Figur 1. Olika typer av biobränslen [1] Man beräknar att uttaget av GROT (Grenar Och Toppar) kan utökas med ytterligare 8 TWh. Andra sortiment är klena träd, långa toppar och rötved. En mycket intressant bränslefraktion är stubbar. Den uppskattade potentialen för olika bränslefraktioner fram till år 2015 redovisas i Tabell 1.
2 Tabell 1. Potential för olika biobränslefraktioner till år 2015. [2] Sammanlagd potential TWh GROT 8,0 Långa toppar 0,8 Klena träd 3,0 Övrig röjning 3,0 Stubbar 5,1 Rötved 0,4 Totalt 20,3 Under många år har stubbar lämnats i skogen både av ekologiska skäl och på grund av att det varit oekonomiskt att utvinna dem. Under senare år med stigande bränslepriser samt utveckling av utrustning för att bryta upp stubbarna har brytning av stubbar ökat. I dagsläget bedöms det att det finns en stor potential för användning av stubbar som biobränsle. Stubbar har relativt högt värmevärden, Tabell 2, vilket gör dem till ett potentiellt bränslealternativ. Tabell 2. Värmevärden och torr- rådensitet [3]. Trädslag Träddel Värmevärden, MJ (kg TS) -1 Torr- rådensitet, (kg TS) m -3 Tall ved 18,71-19,29 410 stubbar 19,20-19,60 450 Gran ved 17,96-19,02 400 stubbar 18,95-19,05 410 Björk ved 17,41-19,13 490 stubbar 510 Det är i första hand stubbar av gran som bryts och man bryter stubbar med diameter mellan 20-50 cm. Granstubbar är lättare att bryta och rengöra än tallstubbar. Figur 2. Stubbe av gran. Stubbarna är ca 40 cm djupa. [Från 4] Figur 3. Tallstubbe. Stubbarna är ca 70 cm djupa. [Från 4]
3 Olika undersökningar visar på en avkastning vid stubbrytning på mellan 100 till omkring 280 MWh/ha. Om man beräknar att bryta 4-500 stubbar/ha och att varje stubbe motsvarar 0,4-0,5 MWh, innebär detta att man får ca 200 MWh/ha vilket motsvarar ungefär 20 000 liter olja. I Finland har stubbrytning kommit längre och man arbetar mycket med logistik och att trimma systemen från stubbe till panna. Den tekniska potentialen för stubbränsle i Finland beräknas till samma storleksordning som i Sverige och i dagsläget används ca 2 TWh/år. Stubbränsle har några viktiga frågetecken som måste lösas innan bränslet kan anses vara färdigt för användning i värmeverk. Ett av de viktigaste är att miljökonsekvenserna av stubbrytning måste utredas för att en storskalig drift ska bli möjlig. Andra viktiga frågor är vilken teknik för brytning som är mest lönsam och ger minst påverkan på skogsmiljön. Hur bränslet ska lagras, transporteras och sönderdelas påverkar också lämpligheten som bränsle liksom den kemiska sammansättningen och då främst andelen föroreningar (askhalten). Priset är inte minst viktigt, frågan är om det går att få fram bränslet till ett pris som är attraktivt både för skogsägare och energibolag. Det råder stor oenighet mellan olika intressenter om hur skogsråvaran ska användas på bästa sätt. Skogsindustrierna vill öka uttaget genom att ta till vara stubbar, långa toppar mm. Man poängterar att uttaget ska ske så att miljön inte utarmas. Pappersbruken och trävaruindustrin anser att bioenergi från skogen ska leva på egna meriter och inte subventioneras eftersom detta snedvrider konkurrensen om råvaran och konsekvenserna kan då bli att man börjar elda upp massaveden. Man antar att det är en bristfällig konsekvensanalys som ligger bakom eller så är politiker beredda att offra delar av den svenska skogsindustrin till förmån för ökad biobränsleproduktion.[5] 1.1 Målsättning och genomförande Projektets målsättning har varit att genom litteraturstudie och laboratorieanalyser sammanställa data som behövs för uppdatering av Bränslehandboken [6]. Aspekter som hantering av bränsle, förbränningstekniker, emissioner, askornas mängd och kvalitet samt möjligheter och begränsningar vid förbränning av stubbar ska utvärderas. Försök med förbränning av ren stubbflis planerades inom projektet. Bränsleleverantören kunde först inte leverera stubbflis i tillräcklig mängd till utvald anläggning. Då innevarande eldningssäsong varit ovanligt varm gick inte försöken att genomföra när stubbränsle av rätt kvalitet och mängd lokaliserats dels på grund av värmen och dels på grund av att bränsleförråden var fyllda. 2 Inledning Den totala användningen av biobränslen i Sverige uppgick 2006 till 116 TWh [7] Huvuddelen av bioenergin kommer från skogen i form av trädbränslen, förädlade bränslen och returlutar. För att kunna uppfylla åtaganden i Kyotoprotokollet kommer andelen biobränslen att öka både inom Sverige och EU. 2.1 Styrmedel inom EU Det finns ett antal direktiv som syftar till att öka användningen av biomassa inom EU för att göra energipolitiken konkurrenskraftig och långsiktigt hållbar.
4 RES-E-direktivet (electricity from renewable energy sources) (2001/77/EG) syftar till att öka elproduktionen från förnyelsebara energikällor. Målet inom EU är att andelen ska öka från 13,9 % (1999) till 22 % år 2010. Sveriges mål är att öka vår andel till 60 % år 2010 från 49,1 % 1997. Kraftvärmedirektivet (2004/8/EG) har som syfte att öka energieffektiviteten. På kort sikt syftar direktivet till att stödja existerande kraftvärme. Biodrivmedelsdirektivet (2003/30/EG) sätter upp riktlinjer för ett ökat användande av alternativa bränslen för biodrivmedelstillverkning. Målet är att andelen förnyelsebara drivmedel ska vara 5,75 % (energiinnehåll) senast 2010. Direktivet om energibeskattning (2003/96/EG)gör det möjligt att tillämpa differentierad beskattning för förnyelsebara drivmedel. Direktivet för handel med utsläppsrätter för växthusgaser (2003/87/EG). Syftet är att minska EUs utsläpp av växthusgaser. Utsläppshandeln förväntas höja elpriset och gynna el från förnybara källor. 2.2 Styrmedel i Sverige Det finns ett antal styrmedel för att öka andelen förnyelsebar energi. Förutom handeln med utsläppsrätter finns även energibeskattning och elcertifikatsystem. Energibeskattning De två viktigaste energiskatterna är den allmänna energiskatten som betalas för alla bränslen utom biobränslen och torv samt koldioxidskatten. Dessutom finns skatt för svavelhaltiga bränslen och NO x -avgiften. Elcertifikat Systemet innebär att producenter av förnyelsebar el tilldelas ett elcertifikat för varje producerad MWh. Genom att sälja certifikaten fås en extra intäkt som gör det lönsamt att investera i förnybar el. Målet för certifikatsystemet är att andelen förnybar el ska öka med 17 TWh från år 2002 till 2016. 2.3 Tillgång på skogsbränsle Tillgången på spån, flis och bark styrs av efterfrågan på sågverkens huvudprodukter och köparna har små möjligheter att påverka utbudet (Figur 4). Även avverkningsrester styrs av efterfrågan på sågtimmer och massaved fast även andra faktorer spelar in. Uttaget begränsas också av tekniska och ekonomiska faktorer. Bedömning av vilken potential som finns för uttag av biobränsle från skogen skiljer sig ofta kraftigt mellan olika bedömare. Skogsindustrierna uppskattar tillväxten till 220-240 TWh/år [1] Den tekniska och ekologiska potentialen för uttag ur skogen är dock betydligt lägre och bedömningar pekar på knappt halva mängden kan bli tillgänglig för energiproduktion.
5 Figur 4. Användning av skogsråvara inom olika branscher. 2.4 Efterfrågan på skogsbränsle Skogsråvaran används idag inom sågverks- och massaindustri samt inom energisektorn. Till detta kommer bränsleförädlings- och skivindustrin som använder de biprodukter som faller från sågverken. Energisektorn använde 116 TWh (år 2006) och man beräknar med en ökning på 18 TWh fram till 2015. 2.5 Prisutveckling I Figur 5 redovisas prisutvecklingen för skogsråvara under den senaste 10-års-perioden. Som framgår av figuren börjar priset för skogsflis och massaved att närma sig varandra. Detta kan innebära en hårdnande konkurrens om råvaran om prisutvecklingen fortsätter.
6 Figur 5. Prisutveckling för skogsråvara. [1] 3 Miljökonsekvenser av stubbrytning Oavsett hur man förvaltar skogslandskapet kommer det att finnas arter som gynnas och andra som missgynnas. Det måste därför bli beslutsfattare som avgör vilken mångfald som ska finnas i framtidens skogslandskap och se till att skogen sköts så att målet uppnås. Död ved är en förutsättning för en stor del av skogens mångfald. 6 000 7 000 av Sveriges drygt 25 000 skogslevande arter är beroende av död ved. Merparten av dessa är insekter och svampar. Även om all död ved brinner och lämpar sig för biobränsle, är det stor skillnad på vilken betydelse olika slags död ved har för olika arter. Miljökonsekvenser GROT Storskaligt uttag av GROT innebär inte några uppenbara naturvårdsproblem i barrskog. Däremot är GROT från ädla lövträd, framförallt ek, värdefullt för många sällsynta insekter och bör lämnas i stor omfattning i framförallt sydöstra Sverige. Av de arter som är knutna till klenved finns ytterst få naturvårdsintressanta, eftersom klen ved aldrig varit någon bristvara. Miljökonsekvenser stubbar Stubbar utgör mer än 70 procent av all grov död ved i brukad skog och i princip är alla rödlistade vedlevande arter beroende av grov död ved. Men stubbar är, precis som hyggesavfall, i huvudsak en människoskapad företeelse och en speciell vedkvalité. Inga vedlevande arter är förstås helt knutna och/eller anpassade till avverkningsstubbar av gran, eftersom denna typ av stubbar är ett onaturligt inslag i våra skogar. Däremot är det troligt att stubbar kan utgöra ett substitut för grov ved som saknas eller är mycket ovanliga som en följd av skogsbruk. Skogsstyrelsen kräver att stubbrytning som sker i nämnvärd omfattning måste föregås av en miljöanalys. Försöksverksamhet i storleken 2000 ha/år omfattas av Skogstyrelsens krav. Miljöanalysen ska bland annat beskriva stubbrytningens inverkan på markens kolbalans och flöden av växthusgaser, inverkan på markens näringsbalans, inverkan på markvegetation, inverkan på mykorrizasvampar, inverkan på faunan, särskilt insektsfaunan och sorkpopulationen och inverkan på rödlistade arter. Som vägledning för miljöanalysen finns en kunskapssammanställning kring stubbrytning som finansierats av Energimyndigheten [8]. Skogsstyrelsens krav betraktas av många skogsbolag som en kalldusch för stubbrytningen i Sverige. Företag som vill bryta i större skala måste avbryta sin försöksverksamhet och utreda, samt skriva en rapport och
7 därefter vänta på Skogsstyrelsens svar. Företag som inte ansökt om tillstånd kan fortsätta brytningen om den sker på mindre ytor. Det finns flera positiva effekter av stubbrytning som att t.ex. rotröta hos träd förväntas minska och att snytbaggar inte kommer att föröka sig lika bra vid skörd av stubbar. Markskador förväntas inte heller bli större än vad som blir vid uttag av rundvirke. Effekt på skogsproduktion Stubbskörd bedöms inte att påverka skogsproduktionen på kort sikt. På längre sikt saknas underlag för en säker bedömning, men sett till stubbvedens låga innehåll av viktiga näringsämnen (framförallt kväve) finns ingen anledning att vänta sig några negativa produktionseffekter. Effekt på markvegetation Bedömningen är att de förändringar i markvegetationen som orsakas av stubbskörd inte är av den storleken eller den arten att detta gör hinder för stubbskörd i relativt stor omfattning. Arter som ljung, björnmossa och kråkris gynnas av stubb- och risskörd. För lingon, linnea och ekorrbär kan ingen skillnad märkas för ytor med eller utan stubbskörd. Blåbär, hallon och skogsstjärna är exempel på växter som tagit skada av stubbskörd. Effekt på biologisk mångfald Underlaget för att bedöma effekten på biologisk mångfald är begränsad. Ett rimligt antagande är att mångfalden kan avvara en del av den grova döda ved som utgörs av lågstubbar på hyggen. Mer forskning behövs. Effekter på skogens kolbalans Den samlade bedömningen är att stubbskörd som skogsskötselåtgärd i skogsmark påverkar kolbalansen i begränsad omfattning under en rotationsperiod. Effekter på mark och vatten Det publicerade materialet från effekt av stubbskörd är för litet för att bedöma effekterna. Anläggning av nya fältförsök är nödvändigt för att belysa på kort- och långsiktiga miljöeffekter av stubbskörd. Inverkan på sociala värden och kulturmiljöer Stubbskörd bör begränsas i kulturminnestäta områden och även tillsvidare i renbetesområden då tillväxt av vissa viktiga lavar riskeras att minska. Inom områden där stubbar skördas bör man: Undvika att skörda stubbar närmare än 15 m från sjöar och vattendrag Undvika att skörda stubbar i lämnade kantzoner mot sjöar och vattendrag Undvika att skörda stubbar nära miljöträd, större stenar och myrstackar Undvika att skörda samtliga stubbar Undvika att skörda stubbar nära diken Skörda så att merparten av finrötterna stannar kvar i marken Endast utföra kompletterande markberedning i samband med stubbskörd.
8 4 Historisk användning av stubbar Stubbar och gamla skadade tallar innehåller mycket kåda och hartsämnen som man kan pressa ut med värme och få tjära. Tjärbränningens historia är nästan lika gammal som kolmilans. Det är endast stubbar av tallar som går att använda, granen ruttnar upp. Stubbarna togs hem, tvättades och sågades sönder för att därefter huggas ner i små bitar. Detta för att göra tjärdalen så lufttät som möjligt. (Det var inte ovanligt med tjärdalar på 100 kubikmeter). Detta fick sen ligga och torka över vintern och halva sommaren tills kolarveckan började. Tjära användes förut i stora mängder för att impregnera och skydda träet i båtarna mm. Tjärframställning en viktig inkomstkälla för de som bodde i skogsområden och rester efter så kallade tjärdalar finns överallt i våra skogar. Den mest tunnflytande tjäran togs till vara och användes som myggmedel, den kallades för beckolja. Vill man göra upp eld i skogen även när det regnar och är blött ska man söka upp en gammal murken tallstubbe och med yxa försöka få loss lite tjärved. Tjärved innehåller hartsämnen som är lättantända och brinner bra. Figur 6. Förberedelser för tjärframställning. 5 Ekonomi I Finland har stubbrytningen kommit längre än i Sverige. Under 2005 ökade stubbränslets andel av trädbränslesortimentet med 150 % och utgjorde 14 % av den totala skogsbränsleanvändningen. Skogsägarna i Finland får mellan 50-100 /ha för stubbränsle och dessutom minskade kostnader för markberedningen på 200-300 /ha [9,10]. Med 4-500 stubbar per hektar blir resultatet 1800 planteringshögar per hektar. Det är samma aggregat som plockar upp stubbarna som skapar markberedningen. Priset för skogsbränsle i Finland följer i princip stenkolspriset.
9 Kostnaderna för att ta fram ett stubbränsle till förbrukaren kan delas upp i olika delkostnader: Lyftning, skotning, markberedning, transport till förbrukare, lagringskostnader samt krossning av bränslet. [12] En tidsstudie för stubbrytning som utförts visar på skillnader i kostnad för att bryta stubbar av gran, tall och björk samt även på skillnader mellan att bryta stubbar med olika diameter. [12] I Tabell 3 redovisas kostnader från tidsstudien för lyftning, skotning och markberedning. Tabell 3. Kostnader för lyftning, skotning och markberedning av 1 MWh stubbved med 33 cm diameter. Trädslag Lyftning (SEK/MWh) Skotning (SEK/MWh) Totalkostnad (SEK/MWh) Tall 53,97 19,70 73,67 Gran 49,82 19,70 69,52 Björk 68,54 19,70 88,24 I Tabell 4 redovisas kostnader från tidsstudien för brytning av stubbar med olika diameter. Man antar att tekniken kan förbättras inom en snar framtid som gör det möjligt att bryta mer effektivt. Tabell 4. Sammanställning av kostnader för brytning av stubbar av olika diameter. Förutsättningar Lyftning (SEK/MWh) Skotning (SEK/MWh) Totalkostnad (SEK/MWh) Alla stubbar 68,37 19,70 88,07 Ej under 15 cm 63,67 19,70 83,37 Ej under 20 cm 53,92 19,70 73,62 Ej under 15 cm + 20% bättre teknik 50,93 19,70 70,63 En uppskattning av kostnaden för att ta fram stubbved till bilväg är ca 85 SEK/MWh. Enligt undersökningar utgör kostnaderna för framtagning av stubbved ca 45 % av totalkostnaden för bränslet. Detta ger en kostnad för leverans av krossat bränsle på ca 270 SEK/MWh. Om man antar att tekniken kan förbättras och att endast stubbar större än 15 cm bryts blir kostnaden i stället 240 SEK/MWh. Enligt finska tidsstudier blir priset för stubbved vid bilväg 57 SEK/MWh, vilket är betydligt lägre än för svenska förhållanden. Med samma antaganden om kostnader för transport, lagring och krossning ger detta ett pris för stubbved på 184 SEK/MWh. Skillnaderna i pris kan ha fler förklaringar som t ex att stubbarna är grövre och växer mer på torvmarker som är mer lättbrutna än de svenska moränmarkerna. Finland har också längre erfarenhet av att bryta stubbar och arbetsmetoderna har sannolikt utvecklats under åren. Det finns i dagsläget ingen marknad för stubbråvara. Priset i Sverige är i storleksordningen som övriga skogsbränslen. Jämförelsepris för GROT är 154 kr/mwh (kvartal 1 2008). Bränsleleverantörerna önskar ett högre pris på grund av högre kostnader för framtagning av bränslet. För att brytning av stubbar ska bli lönsam krävs att man kan bryta stubbar motsvarande minst 150-200 MWh/ha.
10 Stubbar är mycket voluminösa och lämpar sig inte för långa transporter. En undersökning visar att vid transporter över 200 km kan det löna sig att anlägga en terminal för behandling av stubbar. Så långt transporteras inte stubbar vilket gör att det bästa alternativet är att stubbarna krossas direkt vid värmeverken. 6 Brytning av stubbar Brytning av stubbar sker främst med teknik som rycker upp stubbarna med rötterna, i några fall klyvs stubbarna innan brytning. Stubbarna skakas och läggs sedan på hög för att regn ska skölja ren stubbarna från de största mängderna jord, grus och stenar (Figur 7). 1.) Stubben lyfts upp och klipps i olika delar med ett speciellt aggregat. Större stubbar klyvs först. Rotdelarna kapas. 2.) Stubbdelarna läggs i små högar på avverkningsplatsen för att torka 3) Innan plantering eller sådd sker på avverkningsplatsen skotas stubbarna till ett avlägg vid en bilväg. 4) Det kan ta upp till ett år från det att stubben lyfts ur backen till att den kan eldas. Den tiden behövs för torkning och för att jord och delar ska ramla bort. Figur 7. Vanlig teknik för stubbrytning. En nyutvecklad teknik när man fräser bort stubben har utvecklats av Lennart Nyman i Trångsviken. Den består av en stor järncylinder med 70 cm diameter och en tandad nedre kant. I stället för att bryta upp hela stubben fräser stubbfräsen ut den vedrika kärnan och lyfter upp den. En fördel är att markskadorna då blir mindre än vid konventionell stubbrytning men volymsutbytet blir å andra sidan lägre, eftersom man fräser av och lämnar kvar en del av de grövre sidorötterna i marken (Figur 8).
11 A. 70 cm i diameter med en tandad kant B. Fräsen monterad C. Uppfräst stubbe D. Hålet efter stubben vid användning av stubbfräs Figur 8. Stubbfräs för upptagning av stubbar. [11] 7 Forskning Ett flertal forskningsprojekt pågår i Sverige för att undersöka hur uttag av stubbar påverkar olika miljömål men också om stubbråvarans bränsleegenskaper, olika skördemetoder samt lagring och annan hantering av bränslet. Skogforsk finansierar bland annat ett projekt om Stubbar som bränsle som genomförs på SLU. Man har också genomfört tidsstudier med olika maskiner som används för att ta upp stubbar, där man jämfört stubbfräsen med konventionell teknik. Energimyndigheten, skogsindustrierna samt SLU satsar tillsammans 38 miljoner kronor i ett forskningsprogram, och 2010 ska det finnas ett faktaunderlag för en utvidgad miljöanalys. Studierna syftar till att ta fram rekommendationer om vilka stubbar och miljöer som bör undantas vid miljöanpassad stubbskörd och hur markstörningar bäst ska undvikas. Detta arbete förutsätter en öppen dialog med de myndigheter och företag som är intresserade av stubbrytningens miljökonsekvenser. Hit hör Energimyndigheten, Skogsstyrelsen, Naturvårdsverket och skogsindustrin. Såväl positiva som negativa följder av stubbtäkt ska kunna bedömas. Till de positiva hör att den ökade användningen av biobränsle bidrar till att Sverige når nationella mål om begränsad klimatpåverkan, men också att man blir av med smitthärdar, Från stubbarna sprids både snytbaggar som skadar planteringar och rotticka som ger kvalitetsskador på virke. Den minskade mängden död ved i skogen kan samtidigt leda till förluster av biologisk mångfald,
12 näringsämnen och kol. Det kan också bli en större utlakning av ämnen som påverkar vattendrag och sjöar. Stubbarnas bränslekvalitet och miljöeffekter i systemperspektiv handlar om att hitta system som ger så små miljöeffekter som möjligt i förhållande till mängden producerad bioenergi. Detta inbegriper hur bränslevärdet påverkas av lagring och hantering och hur man får en fördelaktig energibalans. Effekter på biologisk mångfald handlar om hur många av stubbarna som kan tas bort utan skador på den biologiska mångfalden. Här undersöks stubbarnas fauna och flora i förhållande till vad som finns på andra substrat. Viktiga frågor är vilka stubbkvaliteter och skogsmiljöer som bör undantas från stubbuttag. Likaså var stubbskörd kan bedrivas intensivt med hänsyn till andra skogsbruks- och naturvårdsåtgärder som görs för att förstärka den biologiska mångfalden på landskapsnivå. Kretsloppet av kol och näringsämnen och vattenkvalitet handlar om stubbrytningens inverkan på kol- och näringsbalanser samt på flöden av partiklar, kvicksilver och löst organiskt kol till vattendrag på kort och lång sikt. En viktig fråga är om stubbskörd ger allvarligare effekter på vattensystem än konventionell markberedning ger. Exempel på projekt om stubbrytningens miljöpåverkan: Stubbrytningens långsiktiga påverkan på ekosystem och avrinningsvatten Ger stubbrytning färre snytbaggar och bättre plantöverlevnad? En kvantitativ uppskattning av stubbars betydelse för vedlevande arter och hur denna betydelse varierar i landskapet Stubbrytningens effekter på artdiversiteten av mossor, lavar, svampar och insekter Sambandet mellan stubb diameter och diversiteten av evertebrater (ryggradslösa djur) och svampar Lavar på granstubbar - hur skulle de påverkas av stubbtäkt? Av ovanstående forskning om stubbar framgår tydligt att många intressen kolliderar när stubbränslet ska användas och det kommer sannolikt att dröja några år innan en storskalig produktion av stubbränsle kommer att finnas tillgängligt för energiverken. 8 Stubbvedens bränsleegenskaper Det största problemet med stubbar som bränsle är den höga askhalten. Askan i trädbränslen består av dels vedens naturliga obrännbara delar i form av mineralämnen som tagit upp från marken under växtperioden och dels den andel som består av föroreningar av jord, grus och liknande som följer med vid skörd. För stubbränsle är föroreningsaskan högre än för andra trädbränslen då stora mängder grus och sten kan följa med rötterna upp ur marken. Halten av föroreningsaska varierar kraftigt både beroende på växtplats och teknik för lyftning av stubbar. De bästa leveranserna av stubbränsle kan innehålla 2-3 % aska medan även halter upp till 20 % förekommer. Fukthalten hos rå stubbved är omkring 40-50 % som sjunker till ca 35 % vid några månaders lagring. Efter ett år kan fukthalten vara så låg som 20 %. Fukthalten i stubbråvara ökar inte nämnvärt trots långa lagringstider. All ved angrips av rötsvampar. Viktminskning efter rötangrepp bedöms vara ca 4 % för granoch 1,5 % för tallstubbar efter 16 månaders lagring, vilket är betydligt lägre än för andra typer av skogsbränslen. [12]
13 8.1 Bränsleanalyser I Tabell 5 finns bränsleanalyser av för stubbflis, träpellets och GROT. Som framgår av tabellen är likheterna större än olikheterna mellan de olika bränslekvaliteterna. Askhalten för den analyserade stubbflis är ovanligt låg. Den kvalitet som analyserades inom projektet visade sig komma från ett försök med stubbfräs där mängden medföljande sten och grus blir betydligt lägre än för andra stubbar. Medelvärde för askhalten i stubbränsle för 16 tillgängliga analyser är 8,2 %. Tabell 5. Analys av stubbflis, träpellets och GROT. Prov Stubbflis Träpellets GROT Bränsleinnehåll (vikt-%) Fukt 44,4 9,4 47,9 Aska (% torrt) 1,5 0,6 2,7 Flyktiga ämnen (% torrt, askfritt) 84,4 Värmevärde (MJ/kg) Hkal (torrt askfritt) 20,83 20,41 21,18 Hkal (fuktigt) 11,41 18,38 10,74 Heff (torrt askfritt) 19,50 19,05 19,89 Heff (fuktigt) 9,60 16,93 9,81 Elementaranalys (% torrt askfritt) C (kol) 51,80 50,8 53,13 H (väte) 6,10 6,24 5,96 O (syre) 41,80 42,84 40,55 S (svavel) 0,02 0,01 0,04 N (kväve) 0,18 0,1 0,31 Cl (klor) 0,02 0,01 0,03 Askanalys (mg/kg aska) Al (aluminium) 45866 25985 20000 As (arsenik) 10 <13 3 Ba (barium) 953 1490 2704 Ca (kalcium) 150562 192967 192074 Cd (kadmium) 6 25 0 Co (kobolt) 9 <8 0 Cr (krom) 187 88 111 Cu (koppar) 66 165 111 Fe (järn) 35951 24830 8333 Hg (kvicksilver) <0,5 <2 0 K (kalium) 55177 83015 76259 Mg (magnesium) 17972 30516 20963 Mn (mangan) 6144 11185 15926 Mo (molybden) 29 <6 4 Na (natrium) 6726 4414 8556 Ni (nickel) 38 18 37 P (fosfor) 6778 10211 17148 Pb (bly) 17 67 74 Sb (antimon) 0 - Si (kisel) 161120 115464 113074 Ti (titan) 2557 1139 1074 Tl (tallium) 0 0 V (vanadin) 87 25 - Zn (zink) 1120 1867 2000
14 I Tabell 6 finns beräknade nyckeltal för stubbflis, träpellets och GROT och i Tabell 7 finns beräknade svavelkvoter för samma bränslen. Resultaten från beräkningarna tyder på att stubbflis bör fungera på samma sätt som de mer konventionella bränslena vid förbränning. Tabell 6. Nyckeltal stubbar. Värden beräknade enligt Bilaga A i Bränslehandboken. Värden i fet stil är inom riskområden. Nyckeltal Tolkning Risk Stubbflis Träpellets GROT Risk för alkaliska angrepp på silikatiskt Alkalinitetstal > 0.8 0,91 bäddmaterial 1,54 1,34 Alkaliandel Nivå på smältpunkter i salter och silikater > 0.3 0,14 0,15 0,16 Saltkvot Bildning av lågsmältande saltblandningar 0.2 4 0,71 0,65 0,42 Eutektikum Smältpunktssänkning i salter eller silikater 0.2 0.8 0,17 0,08 0,16 Fältspattal Förglasningstal Förekomst eller bildning av lättmetallaluminosilikater Risk för bildning av lågsmältande sodaglas i askan > 6 3,37 0.2-1 0,20 4,27 0,38 5,43 0,38 Tabell 7. Svavelkvoter för stubbar Värden beräknade enligt Bilaga A i Bränslehandboken (Nyckeltal). Svavelkvot Tolkning Gynsamma värden Ca/S S/Cl Betydelse för möjligheten till egenadsorption av SO 2 i bränslet i en FB-panna Betydelse för påslags/korrosions tendens 1.5-2 9,03 2-4 bra > 4 bättre Stubbflis Träpellets GROT 9,26 10,4 1 1,0 1,67 I Tabell 8 finns asksmältförlopp för försök med förbränning av 100 % stubbflis i Södras regi. Data i tabellen tyder på ett normalt trädbänsle. Tabell 8. Asksmältförlopp för stubbflis. Deformation DT Sfärisk ST Halvsfärisk HT Flytande FT Bark + stubbflis 1160 1170 1280 >1550 Bark + stubbflis 1170 1180 1190 1210 Aska konvetktion 1200 1230 1300 1400 eko stubbflis fm Aska konvetktion eko stubbflis em Bottenaska stubbflis fm Bottenaska stubbflis em 1230 1250 1340 1460 1180 1210 1280 1360 1190 1240 1320 1400
15 8.2 Drifterfarenheter Stubbflis har eldats i flera anläggningar under den senaste driftsäsongen. I alla rapporterade testeldningar eldades endast en mindre andel stubbflis tillsammans med ordinarie bränsle. De problem som rapporterats var att den ökade andelen sand/grus som följde med bränslet ställde till en del problem vid bäddomsättningen i några fluidbäddar och att en del större agglomerat observerades i bäddsanden. För övrigt kunde inga störningar i driften noteras vid försöken. 8.3 Försök med ren stubbflis Södra har utfört test med 100 % stubbflis i drygt 2 dygn. Inga problem med förbränningen rapporterades. I Figur 9 finns emissionsdata för SO 2 och stoft under försöken. Från bränsleanalysen saknas uppgifter om svavel. Emissionen av svavel förefaller vara hög för att komma från ett rent trädbränsle. Figur 9. Emission av SO 2 och stoft vid förbränning av 100 % stubbflis. Ur Figur 10 och Figur 11 framgår att förbränningen var orolig under delar av försöksperioden med CO-spikar på 1000 mg/nm 3 och högre. Samtidigt uppvisar CO- och NO x -emissionerna det vanliga mönstret där NO x -halten minskar om CO ökar.
16 Figur 10. Emission av CO vid förbränning av 100 % stubbflis. Figur 11. Emission av NO x vid förbränning av 100 % stubbflis. Slutsatsen av försöken var att bränslet fungerade väl i anläggningen och man hade inga problem vare sig med matning eller med förbränning av stubbflis.
17 8.4 Eldning av stubbränsle i Alingsås Pannan som använts i försöken är en 12 MW rosteldad förugn utrustad med elfilter och rökgaskondensering. Bränslehanteringen har separata fack för olika bränslen, vilket innebär möjlighet att kontrollera bränsleblandningen. Normalt bränsle i anläggningen är spån, bark och stamvedsflis. Blandningen utförs så att det ingående bränslets fukthalt blir ca 55 %. Från försöken finns analyser av bland annat asksmältpunkt samt natrium och kalium för respektive bränsle samt även för de olika bränslemixar som testades. Mer utförliga analyser finns för några bränsleslag. Två provperioder utfördes under hösten 2007. I den första användes en mix med ca 7 % stubbflis tillsammans med spån, bark, stamved, och GROT. Proven kördes under 3 veckor. I den andra provperioden utgjorde stubbflisen 5 % av bränslemixen, se tabell Tabell 9. Tabell 9. Bränsleblandningar vid provperioder med stubbflis i Alingsås. Blandningar [%] Period 1 Period 2 Sågspån 21 15 Städbark 2 2 Bark 31 35 Stamved 32 43 Grot 7 Stubbflis 7 5 Asksmältpunkt 1210 1330 Na 85 52 K 1600 1200 8.4.1 Resultat från provperioderna Period 1 Stubbflisen var bra krossad och hade en fukthalt på 30-35 % och kan ersätta stamvedsflis i pannan. Under försöken observerades en kraftig sintring på rosten som krävde manuella insatser 1 gång per dygn. Man fick även ett glasaktigt påslag i ugnarnas övre del med driftavbrott för rengöring av ugnarna i 48 timmar per ugn (Figur 12).
18 Figur 12. Påslag i ugnen vid eldning av stubbflis. Man fick också påslag i gashalsen in till avgaspannan (Figur 13 och Figur 14). Försöket avbröts när personalen tvingades rensa ugnarna med bilmaskin. Figur 13. Påslag i gashalsen.
19 Figur 14. Närbild av figur 13. Period 2 Försöket kördes under 2 veckor där inblandning av stubbflis minskades till ca 5 %. Sintring på rosten kvarstod liksom påslagen i tubinloppen. Det fanns också små påslag i valvet och i gashalsen. Försöken avbröts på grund av att tubinloppen satte igen på ca 1 vecka. 8.4.2 Slutsatser från försöken I Tabell 10 finns sammanställning över några bränsleblandningar som använts i Alingsås. Blandningen som kallas 2005 användes under 2005 och medförde stora problem med påslag i gashalsen och ugnarna fick stoppas under säsongen för rengöring. Här finns anledning att tro att den höga andelen städbark i mixen är en bidragande orsak till problemen. Askhalten i städbarken var betydande (18,6 % TS) och både klor- och svavelhalten var förhöjd jämfört med övriga bränslen. Asksmältpunkten för städbarken var 1160 C. Bränslemixen som användes under 2006 fungerade bra utan påslagsproblem. Den höga andelen av stamvedflis bidrar sannolikt till att asksmältpunkten ökar jämfört med 2005. Blandningarna som användes under försöken avviker från tidigare blandningar på flera sätt dels är andelen bark är mer än dubbelt så hög mot tidigare blandningar och dessutom finns såväl GROT som stubbar med i mixen. MIX-1 som användes under den första testperioden, orsakade stora problem enligt ovan. MIX-2, som användes under period 2, gav också problem med sintringar fast i något mindre grad än MIX-1. Det finns flera faktorer som kan vara orsak till problemen. Dels är andelen bark i försöken relativt hög och dessutom tillförs stubbar och även GROT. I samtliga av dessa bränslen är risken för föroreningar i form av sand och grus hög vilket innebär risk för smältor och påslag. Stubbflisen kan innehålla en stor andel sand och grus som kan bidra till påslagsproblem. Stubbflisens lägre fukthalt kan också bidra till att temperaturen i ugnen blir
20 högre och på så sätt öka risken för smältor. Som framgår av tabell 10 finns analys av asksmältpunkt för ytterligare blandningar med varierande mängder av GROT och stubbar i mixen. Analys av asksmältpunkter för samtliga blandningar tyder på att såväl städbark, stubbar som GROT kan vara orsak till problem i pannan. Tabell 10. Sammansättning av bränsleblandningar i % som har använts i Alingsås. 2005 2006 2007 MIX 1 MIX 2 MIX 3 MIX 4 SÅGSPÅN 18 17,7 13,5 21 15 15 15 STÄDBARK 15 2,1 1,7 2 2 2 2 BARK 15,5 13,7 35 31 35 35 33 STAMVED 44,7 60,7 40 32 43 38 40 ROTRED 5,8 4,9 - - - - - TORRFLIS 1 0,9 0,4 - - - - GROT - - 4,5 7 - - 10 STUBBE - - 4,9 7 5 10 - ASKSMÄLTPUNKT C 1180 1230 1280 1210 1330 1200 1180 Na mg/kg TS 53 52 56 85 52 52 58 K mg/kg TS 1100 860 1300 1600 1200 1100 1100 Slutsatserna av försöken är att själva förbränningen fungerade bra och till och med bättre med. stubbflis i mixen. Man konstaterar att stubbflis är ett mycket intressant bränsle om man kan lösa problemen med sintringar. Resultaten visar också att asksmältpunkten för en bränslemix beror på hur blandningen av de ingående bränslena genomförs. Det är att rekommendera att man analyserar asksmältpunkten för de bränsleblandningar man avser att använda. Asksmältpunkter lägre än 1230-1250 C bör undvikas i rostpannor då det kan leda till sintringar och påslag Vid all introduktion av nya bränslen och/eller bränsleleverantörer bör man vara speciellt noggrann med analyser av viktiga parametrar som t.ex. asksmältpunkter. 8.5 Dammexplosioner Krossning av stubbar kan vara riskfyllt ur brandsynpunkt. Då andelen sten i materialet är ganska hög kan det förorsaka gnistbildning och antändning av torrt bränsle vid arbetet I en 85 MW kraftverkspanna inträffade en dammexplosion i bränslekrossen och orsakade eldsvåda som fortplantade sig genom bränslesystemet och orsakade brännskador på personal. Explosionen orsakade också sekundära explosioner, varvid elden spred sig till mottagningsfickorna och en parallell bränslelinje. Bränsle i pannan var skogsbränsle inklusive stubbar. Vid undersökning av orsakerna till händelsen konstaterades att gnistdetektorerna fungerade felfritt. Dessa detektorer hade dock inte kunnat förhindra en dammexplosion eftersom explosionen inträffar med en gång, om dammblandningen får tillräckligt med antändningsenergi. Man kunde snabbt konstatera att det under dagen kommit in några laster med för torrt biobränsle, vilket stred mot anvisningarna. Detta kunde vara orsaken till att det uppstått högexplosivt damm. [13]
21 9 Sammanfattning Stubbråvaran har en stor potential som bränsle i förbränningsanläggningar, men det återstår ännu att utreda hur en storskalig stubbrytning påverkar miljön och de olika miljömål som finns. Innan dessa miljökonsekvenser är utredda kommer sannolikt endast begränsade mängder stubbar att finnas tillgängliga. Enligt svenska beräkningar är kostnaderna för färdigt stubbränsle vid energiverk i storleksordningen 240 SEK/MWh, vilket är ungefär samma pris som för pellets. Motsvarande kostnad i Finland är ungefär 180 SEK/MWh vilket får anses som ett mer konkurrenskraftigt pris. För att stubbränsle ska bli lönsamt för både producent och användare krävs att tekniken utvecklas så att priset kan närma sig priset för andra skogsbränslen. Storskaliga test med förbränning av stubbar saknas. De test med en låg inblandning som utförts antyder att det kan vara en del problem med att elda stubbflis om andelen blir för hög. Sannolikt kommer stubbflis i ett framtida scenario, när alla problem med miljöpåverkan och riktlinjer för uttag av stubbar är klara, att finnas som en mindre andel i en blandning av olika trädbränslen. Detta innebär att stubbränsle inte förväntas ställa till några problem i anläggningarna. Det största problemet med stubbränsle är den föroreningsaska som i större eller mindre utsträckning följer med bränslet in i pannan. Utveckling av ny teknik för brytning kan minska andelen av aska. Bränslehanteringen med krossning kan också påverkas av sten i råmaterialet. Den stora fördelen med stubbränslet är att fukthalten oftast är lägre än för andra skogsbränslefraktioner vilket gör stubbarna som ett attraktivt bränsle under perioder med hög last i energiverken. Bränsleanalyser saknas från de flesta försök med förbränning av stubbar. I de flesta fall utförs fukthaltsbestämningar som enda analys.
22 10 Referenser 1 Elisabeth Wetterlund Kampen om kubbarna- En studie av konkurrensen om skogsråvaran. Linköpings universitet, Program Energisystem. 2007. http://www.ikp.liu.se/energi/staff/eliwe/publikationer/wetterlund- Kampen_om_kubbarna.pdf 2 http://www.skogsindustrierna.org/litiuminformation/site/page.asp?page=10&incpage=401&destination=227&incpage2=236&destination2=226&pknew s=5960 3 Novator (2006) Vedpärmen http://www.novator.se/bioenergy/wood/a4.pdf, 2007-02-16 4 Stig Nikull Multifuel capability in large scale is a key for profits and sustainability in industrial combined heat and power 5 Skog & Industri nr 1 2008 6 Strömberg, B. Bränslehandboken. Värmeforsk rapport nr 911 (2005), Värmeforsk, Stockholm, Sverige 7 Energiläget i siffror 2007. http://www.swedishenergyagency.se/web/biblshop.nsf/filatkomst/et2007_50.pdf/$fil E/ET2007_50.pdf?OpenElement 8 Miljökonsekvenser av stubbskörd- en sammanställning av kunskap och kunskapsbehov. Energimyndigheten Rapport ER 2007:40, juni 2007. 9 Tage Fredriksson, Skogsbruket nr 5, 2006. http://www.metsavastaa.net/files/metsavastaa/skogsbruket/skogsbruket_5-06.pdf 10 Antti Asikainen, Juha Laitila http://elearn.ncp.fi/materiaali/kainulainens/5eures/biomass_production_transport/harvesti ng_and_transport/material/harvesting_transport_asikainen.pdf 11 Resultat från Skogforsk nr 18, 2007. 12 Jonas Karlsson Produktivitet vid stubblyftning Arbetsrapport 168, SLU, Institutionen för skoglig resurshushållning. 2007 13 http://ifnews.if.fi/sv/info/skade/dammexplosion-gav-nyttig-lardom.html
Bilaga 1 Analyser av stubbar
Bilaga 1 ; 2(2) Prov Exempel Medel Median Max Min Antal Bränsleinnehåll (vikt-%) Fukt 44,40 40,61 42,40 56,60 26,20 17 Aska (% torrt) 1,50 7,99 6,10 17,80 1,50 17 Flyktiga ämnen (% torrt, askfritt) värmevärde (MJ/kg) Heff (torrt askfritt) 19,50 19,31 19,49 20,59 19,11 11 Heff (fuktigt) 9,60 11,24 11,24 12,88 6,10 11 Hkal torrt,askfritt 20,84 20,62 20,62 22,00 19,13 17 Hkal fuktigt 11,41 13,02 13,02 14,63 8,00 11 Elementaranalys (% torrt askfritt) C (kol) 51,80 51,98 52,00 52,90 49,70 10 H (väte) 6,10 5,90 5,90 7,20 5,70 9 O (syre) 41,80 41,41 41,10 42,30 40,40 8 S (svavel) 0,02 0,02 0,02 0,03 0,01 8 N (kväve) 0,18 0,15 0,15 0,23 0,10 10 Cl (klor) 0,02 0,01 0,01 0,20 0,00 8 Askanalys (mg/kg aska) Al (aluminium) 45866 As (arsenik) 10 Ba (barium) 953 Ca (kalcium) 150562 Cd (kadmium) 6 Co (kobolt) 9 Cr (krom) 187 Cu (koppar) 66 Fe (järn) 35951 Hg (kvicksilver) <0,5 K (kalium) 55177 55177 22683 2 Mg (magnesium) 17972 Mn (mangan) 6144 Mo (molybden) 29 Na (natrium) 6726 6726 1293 2 Ni (nickel) 38 P (fosfor) 6778 Pb (bly) 17 Sb (antimon) 0 Si (kisel) 161120 Ti (titan) 2557 Tl (tallium) V (vanadin) 87 Zn (zink) 1120 F1195-RP-008 Bilaga 1 Stubbanalyser 2008-10-07
TPS Termiska Processer AB Tel. +46 (0)8 53 52 46 00 e-mail tps@tps.se Box 624, SE-611 82 Nyköping, Sweden Fax +46 (0)155 26 30 52 www.tps.se