Analys av den fossila andelen av norskt avfall med hänsyn till energiinnehåll Sammanfattning I detta projekt beräknas energiandelen av det fossila avfallet i hela det norska avfallet till förbränning. För dessa beräkningar utnyttjas s databas SEA med information om olika avfallsfraktioners egenskaper (värmevärde, kolinnehåll etc) i kombination med plockanalysdata och mängddata om norskt avfall till avfallsförbränning vilka sammanställts av Mepex Consult AS. Beräkningarna visar att det fossila avfallets energiandel ligger kring 50 %. Andelen varierar något beroende på om man räknar på avfallets effektiva eller kalorimetriska värmevärde och om man räknar per ton total vikt (inkl fukt) eller per ton TS.
Analys av den fossila andelen av norskt avfall Innehåll 1. INLEDNING 2 2. METODIK 3 3. INDATA 5 4. RESULTAT 8 5. DISKUSSION 10 1
1. Inledning NRF har intresse av att få kunskap om hur stor del av det norska avfallet till förbränning som kan betraktas som fossilt. Den fossila andelen kan beräknas på olika sätt: Som viktsandel (med/utan hänsyn till TS-halt) Som energiandel Som andel av de totala CO2-emissionerna I detta projekt beräknas energiandelen av det fossila avfallet i hela det norska avfallet. Även viktsandelen beräknas och redovisas men denna ses här enbart som ett delresultat. För dessa beräkningar utnyttjas s databas SEA 1 med information om olika avfallsfraktioners egenskaper (värmevärde, kolinnehåll etc) i kombination med plockanalysdata och mängddata om norskt avfall till avfallsförbränning vilka sammanställts av Mepex Consult AS. Arbetet i projektet har huvudsakligen handlat om att ställa upp indata samt att utföra beräkningar för att ta fram det fossila avfallets andel av det totala energiinnehållet. För att uppdragsgivarna skall få full insyn i hur dessa analyser gått till levereras därför tillsammans med denna rapport en excelfil med alla beräkningar som utförts. Häri återfinns all indata, alla antaganden samt de ekvationer som utnyttjats för beräkningarna. Om läsaren vill få en djupare förståelse för hur beräkningarna har utförts hänvisar vi därför till denna excelfil. I denna rapport återfinns en mer översiktlig beskrivning av de indata och den metodik som utnyttjats samt de resultat som har framkommit av beräkningarna. Rapporten avslutas med ett diskussionskapitel som främst tar upp de osäkerheter som finns i beräkningarna. 1 SEA = Sammansättning och Egenskaper hos olika Avfallsslag 2
2. Metodik Som beskrivits i kapitel 1 har uppgiften i detta projekt varit att beräkna energiandelen i avfallet som härstammar från fossilt avfall respektive förnyelsebart avfall. Utgångspunkten i beräkningarna har varit data för sammansättningen av det norska avfallet som förs till förbränning i Norge. Nedan beskrivs den metodik som utnyttjats för beräkningarna i detta projekt. För att det skall vara möjligt att förstå beskrivningen krävs en förståelse för följande begrepp: Kategori Indelning av avfallet beroende på uppkomst, så som hushållsavfall, näringsavfall från sorteringsanläggning etc. Totalt studeras fem olika kategorier (se även kapitel 3). Sammansättning Avser sammansättningen av en viss kategori i form av matavfall, EE-avfall, farligt avfall etc Fraktion Det material som utgör sammansättningen såsom matavfall, EE-avfall, farligt avfall etc. Varje fraktion har uppskattats utgöras av en viss andel fossilt, förnybart respektive inert material. Varje fraktion har dessutom knutits till ett visst material med bestämda egenskaper, hämtade ur s databas SEA. Kemisk sammansättning Avser här en fraktions innehåll av grundämnena kol (C), Väte (H), Syre (O), Kväve (N) och Svavel (S) samt dess ask- och fukthalt. Denna information behövs för att beräkna avfallets energiinnehåll. För varje kategori finns information om mängd och sammansättning, vilken utgörs av olika fraktioner så som plastemballage, papper och papp, matavfall etc. Var och en av dessa fraktioner har uppskattats utgöras av en bestämd viktsandel fossilt, förnybart respektive inert material. Den fossila respektive den förnybara andelen av respektive fraktion har antagits bestå av ett bestämt material. Exempelvis har fraktionen dryckeskartonger i kategorin hushållsavfall uppskattats utgöras av 10 % fossilt och 90 % förnybart material. Den fossila andelen har antagits utgöras av materialet mjukplast och den förnybara andelen av materialet pappersförpackningar. Indata beskrivs mer detaljerat i kapitel 3. Genom att utnyttja kunskapen om sammansättningen av avfallet i en viss kategori kan bidragen från de olika valda materialen (fraktionerna) viktas samman för att ge det fossila respektive det förnybara avfallets fukthalt, kolhalt etc. Andelen inert material av respektive fraktion har slagits ut på det fossila och det förnybara materialet i proportion till hur stor andel dessa utgör av hela fraktionen. Till exempel har fraktionen EE-avfall i kategorin Avfall från återvinningsstation uppskattats utgöras av 42 % fossilt, 8 % förnybart och 50 % inert material. Andelen fossilt inert blir då 0,42/0,5x50 % = 42 % och andelen förnybart inert 0,08/0,5x50% = 8 %. I sammansättningen för varje kategori finns dessutom en fraktion som benämns inert. Denna fraktion har fördelats lika mellan det fossila och det förnybara avfallet. Resultatet från beräkningarna av varje kategori kan därefter räknas samman genom att varje kategoris bidrag summeras i proportion till mängden avfall som förbränns av varje kategori. Därmed kan den kemiska sammansättningen (kolhalt, fukthalt etc) av det förnybara respektive det fossila avfallet summeras för det totala avfallet som förbränns. 3
När den kemiska sammansättningen av det fossila respektive förnybara avfallet tagits fram återstår att beräkna värmevärdet för dessa två samt att väga samman dessa utifrån deras respektive viktsandelar. För beräkning av värmevärdet har två empiriskt framtagna ekvationer utnyttjats parallellt varefter ett medelvärde av resultaten från dessa har utnyttjats. Ekvationerna som hämtats från ECN (2006) 2 benämns, efter upphovsmännen, Milnes och Chans ekvation. Dessa lyder: HHVMilne = 0.341 C + 1.322 H - 0.12 O - 0.12 N + 0.0686 S - 0.0153 Ash HHVChan = 0.3491 C + 1.1783 H - 0.1034 O - 0.0211 Ash + 0.1005 S -0.0151 N Där: HHV = Higher Heating Value = Kalorimetriskt värmevärde (MJ/kg) C = kolhalt i % av torrsubstansen H = Vätehalt i % av torrsubstansen O = syrehalt i % av torrsubstansen N = Kvävehalt i % av torrsubstansen S = Svavelgalt i % av torrsubstansen Ash = Askhalt i % av torrsubstansen Ett kalorimetriskt värmevärde beräknat på hela avfallet (dvs inkl. fukt) erhålls enligt följande ekvation: HHV Hela avfallet = HHV (1-w/100) Där: w = Fukthalt i % Ett effektivt värmevärde på hela materialet inklusive fukt erhålls sedan från både Milnes och Chan genom ekvationen: LHV = (HHV 2,442 8,936 H/100) (1-w/100) 2,442 w/100 (MJ/kg) Där: LHV = Lower Heating Value = Effektivt värmevärde H = Vätehalt i % av torrsubstansen w = Fukthalt i % De framräknade värmevärdet för det fossila och det förnybara avfallet viktas slutligen ihop utifrån viktsandelen av dessa två i det totala avfallet. Resultatet ger den fossila respektive den förnybara energiandelen i det norska avfallet som idag förs till förbränning i Norge. 2 ECN (2006) http://www.ecn.nl/phyllis/. 4
3. Indata För att kunna genomföra beräkningarna i enlighet med den metodik som beskrivs i kapitel 2 krävs information om följande: Mängden avfall till förbränning uppdelat efter kategori Sammansättningen av det uppkomna avfallet Den fossila, förnyelsebara respektive inerta andelen av respektive avfallsfraktion Den kemiska sammansättningen av respektive avfallsfraktion Nedan återfinns, under respektive rubrik, en beskrivning av dessa 4 olika indata. Mängden avfall till förbränning uppdelat efter kategori Grunddata för det norska avfallet som idag förs till förbränningsanläggningar i Norge har erhållits från Mepex Consult AS. Totalt omfattar detta cirka 796 000 ton avfall från hushåll såväl som från industrier. Avfallet har delats upp i följande fem olika kategorier: Hushållsavfall (Husholdningsavfall) Näringsavfall från sorteringsanläggningar (Næringsavfall fra sorteringsanlegg) Utsorterat näringsavfall (Utsorterat næringsavfall) Avfall från återvinningsstation (Gjenvinningsstasjon) Annat näringsavfall (Annet næringsavfall) Mängden avfall från respektive kategori presenteras i figur 2 nedan. Som framgår av figuren utgör hushållsavfall knappt 2/3 av den totala mängden. 600 500 507 400 [kton/år] 300 200 124 113 100 0 Husholdningsavfall Usortert næringsavfall 37 Næringsavfall fra sorteringsanlegg Gjenvinningsstasjon 15 Annet næringsavfall Figur 1 Mängden avfall till förbränning i Norge uppdelat efter kategori Sammansättningen av det uppkomna avfallet Även sammansättningen av det norska avfallet som förs till förbränningsanläggningar i Norge har erhållits från Mepex Consult AS. De fem kategorierna ovan har alla en egen sammansättning. De fyra första (och klart största) kategorierna uppvisar olika sammansättningar av samma fraktioner medan den sista kategorin (Annat näringsavfall) är sammansatt av andra typer av fraktioner. Tabell 1 nedan visar sammansättningen av de 4 5
första kategorierna. Tabellen visar att hushållsavfall samt utsorterat näringsavfall till största delen utgörs av fraktionen matavfall medan näringsavfall från sorteringsanläggningar och avfall från återvinningsstationer till största delen utgörs av fraktionen papper och papp. Tabell 1 Sammansättningen av det norska avfallet som förs till förbränningsanläggningar i Norge (kategori 1-4) Avfallsfraktion Næringsavfall Usortert Husholdnings- Gjenvinningsstasjon (%) fra sorteringsanlegg (%) (%) næringsavfall avfall (%) Plastemballasje 7,3 8,0 15,7 2,8 Annen Plast 2,0 13,4 2,2 8,1 Klær 2,6 3,7 0,5 5,4 Andre tekstiler 0,8 5,8 0,5 21,5 Lær og gummi 1,0 1,0 0,1 1,5 Bleier - bind 9,3 0,4 0,8 0,1 EE - Avfall 0,9 0,8 1,1 0,7 Farlig avfall 0,3 1,4 0,4 0,6 Inert 12,0 5,5 8,8 4,4 Treverk 1,2 18,1 2,9 18,8 Papir, papp 12,6 28,3 21,3 29,3 Drikkekartong 1,5 0,1 1,7 0,1 Matavfall 35,6 5,6 33,2 1,2 Hageavfall 2,5 0,7 0,4 0,7 Tørkepapir 2,5 1,6 6,1 0,1 Annet og finstoff 4,0 2,3 1,2 1,2 Finstoff 3,9 3,1 3,2 3,6 Kategorin Annat näringsavfall utgörs av olika typer av specialavfall. Sammansättningen presenteras i tabell 2 nedan. Tabell 2 Sammansättningen av kategorin "Annat näringsavfall" som förs till förbränning i Norge Annat Avfallsfraktion näringsavfall (%) Sykehusvfall, medisiner, ristgods, rest fra papirinnsamling 34 Sykehusvfall, medisiner, malingsavfall 17 CCA tre, annet tre 2 Mye våtorganisk og makulering 23 Antas mye likt som husholdning/næring 8 Hovedsak melkekartong og rejekt vask prosess, mye plast 15 Tre 1 Den fossila, förnybara respektive inerta andelen av respektive avfallsfraktion För varje avfallsfraktion och för varje kategori har Mepex Consult AS uppskattat andelen fossilt, förnybart och inert material. Alla dessa data återfinns i den excelfil där beräkningarna utförts till detta projekt. Med hjälp av sammansättningen av de olika kategorierna kan den viktmässiga fördelningen mellan fossilt, förnyelsebart respektive inert material för varje kategori beräknas. Resultatet visas i figur 3 där också en sammanvägning med hjälp av den 6
uppkomna mängden avfall av varje kategori ger fördelningen av hela avfallsmängden som förs till förbränning i Norge (stapeln längst till höger i diagrammet). 100% 80% 60% 40% Inert Förnybar Fossil 20% 0% Hushol dnings-avfall Næringsavfall fra sorteringsanlegg Usortert Gjenvinningsstasjon næringsavfall Annet næringsavfall Figur 2 Viktmässig fördelningen mellan fossilt, förnybart och inert material i avfall som förs till förbränning i Norge Den kemiska sammansättningen av respektive fraktion I s databas över egenskaper för olika avfallsslag (SEA) återfinns den kemiska sammansättningen för ett stort antal olika material (avfallsfraktioner). Informationen i databasen har hämtats från rapporter som beskriver resultatet från olika experiment som utförts för att bestämma ett materials (avfallsfraktions) fukt- och askhalt, elementarsammansättning etc. För beräkningarna i detta projekt krävs kunskap om det fossila respektive det förnybara avfallets innehåll av kol (C), Väte (H), Syre (O), Kväve (N), Svavel (S), ask- samt fukthalt. I en del fall överensstämmer inte materialen i databasen exakt med de fraktioner som uppges förekomma i det norska avfallet och därför har antaganden krävts för att knyta fraktionerna till något känt material. Därigenom har t ex fraktionen Annan plast antagits utgöras av 50 % hårdplast och 50 % plast från elektronikavfall. Alla dessa antaganden finns beskrivna i den excelfil som medföljer denna rapport. Totalt 7
4. Resultat Den kemiska sammansättningen av det fossila respektive det förnybara avfallet i det norska avfallet som förs till förbränning i Norge har beräknats och resultatet framgår av tabell 3. Som framgår av tabellen innehåller det fossila avfallet en högre andel kol (C) och väte (H) samt en lägre andel fukt. Alla dessa parametrar ger ett positivt tillskott till värmevärdet, och därför bör detta vara högre för det fossila avfallet. Det förnybara avfallet utgör dock hela 71 vikt% (beräknat på hela avfallet, dvs inkl fukt) 3 av hela avfallet vilket innebär att detta avfall ändå bör utgöra en betydande del av hela avfallets totala energimängd. Tabell 3 Beräknad kemisk sammansättning av det fossila respektive förnybara materialet som förs till avfallsförbränning i Norge. Inert material i enlighet med Figur 2 har fördelats ut på det fossila respektive förnybara avfallet. Summa Fossilt avfall % av TS Kol (C) 60 Väte (H) 9 Syre (O) 4 Kväve (N) 1 Svavel (S) 0,03 Aska 26 % av allt Fukt 23 TS 77 Summa Förnybart avfall % av TS Kol (C) 41 Väte (H) 5 Syre (O) 34 Kväve (N) 1 Svavel (S) 0,2 aska 19 % av allt fukt 41 TS 59 Den kemiska sammansättningen av det fossila och det förnybara avfallet har satts in i Milnes och Chans ekvation (se kapitel 2) och det resulterande värmevärdet för dessa två avfall visas i tabell 4. Värmevärdet för det fossila avfallet klart högre än motsvarande för det förnybara avfallet. 3 Detta är en något högre andel än i Figur 2. Detta beror på att den inerta fraktionen i Figur 2 har fördelats ut på det fossila respektive förnyelsebara avfallet (se avsnitt 2). 8
Tabell 4 Beräknade värmevärden för det fossila respektive det förnybara avfallet som förs till förbränning i Norge Fossilt avfall MJ/kg Räknat på TS Räknat på hela fraktionen (dvs inkl fukt) Milne Chan Medel Milne Chan Medel HHV 31,1 30,3 30,7 23,9 23,3 23,6 LHV 29,2 28,4 28,8 21,8 21,2 21,5 Förnybart avfall Räknat på hela fraktionen Räknat på TS MJ/kg (dvs inkl fukt) Milne Chan Medel Milne Chan Medel HHV 16,6 16,7 16,7 9,7 9,8 9,8 LHV 15,4 15,6 15,5 8,0 8,1 8,1 Värmevärdet för det fossila respektive förnybara avfallet vägs sedan samman med hjälp av dess viktsandelar av hela avfallet. Resultatet visas i tabell 5. Av tabellen framgår att tillskottet till den totala energimängden till LHV (effektivt värmevärde, inkl fukt) från det fossila avfallet uppgår till 52 % medan resterande 48 % kommer från det förnybara avfallet. Sett till HHV (kalorimetriskt värmevärde, inkl fukt) utgör det fossila avfallet istället 50 % av den totala energimängden medan resterande 50 % kommer från det förnybara avfallet. Detta är främst en konsekvens av att den förnybara avfallet innehåller en större andel fukt, något som räknas bort vid beräkningar av HHV. Tabell 5 Värmevärde för det fossila och förnybara avfallet samt hela avfallet som förs till förbränning i Norge Räknat på TS Räknat på hela avfallet (dvs inkl fukt) HHV MJ/kg MWh/ton HHV MJ/kg MWh/ton Hela avfallet 21,6 6,0 Hela avfallet 13,8 3,8 Fossilandel 10,8 3,0 Fossilandel 6,9 1,9 Förnyelsebar andel 10,8 3,0 Förnyelsebar andel 6,9 1,9 Fossil energiandel 50 % Fossil energiandel 50 % LHV MJ/kg MWh/ton LHV MJ/kg MWh/ton Hela avfallet 20,2 5,6 Hela avfallet 12,0 3,3 Fossilandel 10,1 2,8 Fossilandel 6,3 1,7 Förnyelsebar andel 10,1 2,8 Förnyelsebar andel 5,7 1,6 Fossil energiandel 50 % Fossil energiandel 52 % 9
5. Diskussion De osäkerheter som kan påverka resultatet återfinns dels i indata och dels i de ekvationer som utnyttjas för att beräkna värmevärdet. Till indata räknas även antaganden som utförts för att bestämma egenskaperna för de ingående avfallsfraktionerna. Osäkerheter i indata Den totala mängden avfall påverkar inte resultatet. Däremot kan en förändring av den uppkomna mängden från de olika kategorierna påverka resultatet då t ex hushållsavfall innehåller en större andel förnybart material jämfört med t ex näringsavfall från sorteringsanläggningar. Det är oklart hur säkra dessa indata kan sägas vara. Sammansättningen av avfallet i de olika kategorierna bygger på ett antal plockstudier, vilka ofta är svåra att utföra. Det är bl a svårt att välja ut ett lämpligt prov som skall representera hela avfallsmängden, vidare kan produkter sammansatta av flera olika material vara problematiskt att föra in i passande fraktioner. Även om plockanalyserna samstämmer med verkligheten vid en viss tidpunkt så förändras ofta sammansättningen av avfallet över året. bedömer därför att sammansättningen av de olika kategorierna är en viktig osäkerhet som kan påverka resultatet av beräkningarna i bägge riktningarna, dvs att den fossila energiandelen kan bli både högre och lägre. Antaganden om en fraktions uppdelning i fossilt, förnybart respektive inert material kan för vissa material vara problematiska att utföra. Ett exempel är t ex blöjor där allokeringen av blöjans fukt till den förnybara respektive fossila fraktionen får stor effekt på värmevärdet. Likväl är antaganden nödvändiga för att beräkningarna skall kunna utföras. Även här är bedömningen att dessa antaganden utgör en osäkerhet som kan påverka resultatet. Den kemiska sammansättningen av varje fraktion har tagits fram genom tester i laboratorier. bedömer dessa indata som relativt säkra. Däremot uppkommer osäkerheter när en viss fraktion i avfallet skall kopplas till ett visst material som återfinns i s databas. T ex har fraktionen Annan plast modellerats som bestående av 50 % hårdplast och 50 % plast från elektronikavfall. Valet av de material som skall representera en viss fraktion påverkar den kemiska sammansättningen av avfallet och därmed också det värmevärde som beräknas. Även denna osäkerhet kan påverka resultatet i båda riktningar. Osäkerheter i ekvationerna De ekvationer som utnyttjas för att beräkna värmevärdet har tagits fram genom empiriska studier där olika typer av bränsle har förbränts i laboratorier där man mätt värmeutvecklingen. Med kunskap om den kemiska sammansättningen på bränslet har man därefter kunnat ta fram dessa ekvationer. bedömer att dessa ekvationer relativt väl kan bestämma värmevärdet vid förbränning av ett eller ett fåtal material tillsammans. Vissa fel kan dock uppstå vid förbränning av ett mer heterogent bränsle, så som det avfall som studeras här vilket är sammansatt av ett stort antal olika fraktioner. Det är då troligt att en viss andel av bränsle förblir oförbränt och kommer ut som aska. Då den beräknade askhalten är något lägre i det förnybara avfallet kan denna effekt leda till att energiandelen från det förnybara avfallet minskar något. Den totala askhalten (ca 20 %) bedöms dock ungefär motsvara förhållandet i en vanlig avfallsförbränningsanläggning och därför torde denna osäkerhet inte ha någon avgörande påverkan på resultatet. Trots dessa osäkerheter som nämns ovan bedömer att resultatet bör stämma relativt väl med verkligheten. Vissa mindre känslighetsanalyser rörande sammansättning, kemisk 10
sammansättning av enskilda fraktioner samt fukthalter har utförts vilka pekar på att det övergripande resultatet att den fossila energiandelen ligger kring 50 % är relativt stabilt. 11
i Göteborg AB, Götaforsliden 13 nedre, 431 34 Mölndal, profu@profu.se, www.profu.se, 031-720 83 90. ( = Projektinriktad forskning och utveckling)