6 Högeffektiv kraftvärmeproduktion med naturgas El och värme kan framställas på många olika sätt, genom förbränning av förnybara eller fossila bränslen, via kärnklyvningar i kärnkraftsverk eller genom att ta tillvara energin i naturliga flöden i vind- eller vattenkraftverk. Solens energi kan även utvinnas direkt i solfångare eller solceller. Alla tillgängliga energikällor har dock sina begränsningar. Det kan vara resursen i sig som är begränsad men oftast är det tekniska och ekonomiska restriktioner som är styrande. En av de viktigaste faktorerna vid val av energikälla och energiteknik är påverkan på miljön. Förutom klimatpåverkan är bland annat försurning, övergödning och hantering av radioaktivt avfall frågor som måste hanteras. Sammantaget gör det att vi kommer vara beroende av en mix av olika energilösningar under en lång tid framöver. Under den tid omställningen sker till ett helt förnybart energisystem, måste de energikällor som finns tillgängliga utnyttjas så effektivt som möjligt. Nya anläggningar som ersätter äldre är i princip alltid bättre, genom att de har högre verkningsgrad och en lägre miljöpåverkan. Högst verkningsgrad bland förbränningsanläggningarna har gaseldade gaskombikraftverk. Gas är också det renaste av alla bränslen och används biogas har energiproduktionen också en minimal påverkan på klimatet. Ur ett livscykelperspektiv har alla bränslen en påverkan på miljön i större eller mindre utsträckning, t.ex. i samband med utvinning, transporter och övrig hantering. I diagrammen på nästa sida illustreras miljöpåverkan från olika bränslen när de används för produktion av enbart el (i kraftverk) eller för produktion av både el och värme (i kraftvärmeverk). Bränslenas hela livscykel är beaktad i diagrammen som baseras på miljödata rekommenderade av IVL Svenska Miljöinstitutet. Diagrammen visar bland annat att naturgas genererar mindre koldioxidutsläpp än andra fossila bränslen (kol och olja). Jämfört med till exempel kol är utsläppen bara hälften så stora. Även utsläppen av kolmonoxid, som är giftigt för djur och människor, blir betydligt högre vid användning av kol och fasta biobränslen än vid användning av naturgas. Naturgasen genererar dessutom nästan inga svavel- och partikelutsläpp alls. Såväl kol och olja som fasta biobränslen ger upphov till större svavel- och partikelutsläpp. Gasens goda miljöprestanda och den höga verkningsgraden i gaseldade anläggningar medför att många länder i Europa väljer att ersätta kol med naturgas i elproduktionen. De flesta gaseldade elproduktionsanläggningar som byggs idag utformas dessutom som högeffektiva gaskombikraftverk.
Naturgasen en bro in i framtiden 2 (7) Miljöpåverkan vid kraftproduktion, mg/mj el Miljöpåverkan vid kraftvärmeproduktion, mg/mj energi (el+värme) Figur 1. Miljöpåverkan vid kraft- och kraftvärmeproduktion (hela livscykeln är beaktad). Källa: IVL Miljöfaktabok för bränslen (2001). 1) Figuren visar endast koldioxid med fossilt ursprung. De verkliga koldioxidutsläppen från skogsbränslen är betydligt högre.
Naturgasen en bro in i framtiden 3 (7) Figur 2. Rya kraftvärmeverk ett modernt gaseldat kraftvärmeverk. Källa: Göteborg Energi 1.1 Rya kraftvärmeverk i Göteborg Nordens eleffektivaste kraftvärmeverk ligger i Göteborg. Rya kraftvärmeverk togs i drift 2006 och har en totalverkningsgrad på drygt 92 procent. Mycket högre går det inte att nå med bästa tillgängliga teknik idag. Rya kraftvärmeverk svarar för 35 procent av fjärrvärmebehovet och 30 procent av elbehovet i Göteborg. Kraftvärmeverket är en modern anläggning som på marginalen ersätter äldre, sämre anläggningar i elsystemet. Den nordiska elmarknaden blir alltmer integrerad med den nordeuropeiska, vilket gör att effektiva produktionsanläggningar i Sverige på marginalen ersätter sämre anläggningar i Nordeuropa. Enligt en vanlig bedömning används koleldade kondensanläggningar på marginalen. I Figur 3 jämförs utsläppen från Rya kraftvärmeverk med ett kolkraftverk med motsvarande elproduktion. Differensen mellan de båda anläggningarna visar att Rya kraftvärmeverk bidrar med utsläppsminskningar på 510 000 ton koldioxid, 1 450 ton kväveoxid och 1 650 ton svaveldioxid per år 1. 1 Källa: Göteborg Energi.
Naturgasen en bro in i framtiden 4 (7) Figur 3. Jämförelse mellan utsläppen från Rya kraftvärmeverk och ett koleldat kondenskraftverk för elproduktion, (1000 ton CO 2, ton NO 2, ton SO 2 ). Värmen är ej medräknad. Källa: Göteborg Energi 1.1.1 Hur fungerar ett gaskombikraftverk? Det finns olika typer av anläggningar för el- och värmeproduktion från förbränning, kondenskraftverk för enbart elproduktion, kraftvärmeverk och kombikraftverk med samtidig produktion av el och värme, samt värmeverk med enbart värmeproduktion. Beroende på bränsle och val av teknik varierar såväl den totala verkningsgraden som elverkningsgraden. Kondenskraftverk har en elverkningsgrad på mellan 33 2 och 55 procent beroende på vilket bränsle som väljs. Gaseldade kombikraftverk har en total elverkningsgrad på cirka 60 procent i kondensutförande. Naturgaseldade gaskombikraftvärmeverk har en elverkningsgrad på 50-60 procent och en totalverkningsgrad på över 90 procent. Det kan jämföras med biobränsleeldade kraftvärmeverk, som har en elverkningsgrad på mellan 30-35 procent. Den vanligaste principen för kraft- respektive kraftvärmeproduktion är ångturbincykeln. Genom förbränning används bränslets energiinnehåll för att förånga vatten som sedan drivs genom en ångturbin. Turbinen i sin tur driver en generator som producerar el. Efter turbinen har ångans energiinnehåll minskat men den måste kylas ytterligare för att kondensera till vatten som kan pumpas tillbaka till ångpannan. Vid kraftvärmeproduktion kyls ångan via en kondensor som levererar värme till ett fjärrvärmenät. I ett kondenskraftverk tas inte värmen tillvara utan ångan kyls till havet eller via ett kyltorn till luften. Eftersom fjärrvärmen måste hålla en viss temperatur, till skillnad från kondensvattnet, så blir elutbytet större i ett kondenskraftverk jämfört med ett kraftvärmeverk. Totalt sett blir dock energiutnyttjandet av bränslet betydligt större i ett kraftvärmeverk eftersom processens spillvärme i form av varmt vatten tas tillvara. 2 Kärnkraftverk
Naturgasen en bro in i framtiden 5 (7) I ett kombikraftverk höjs verkningsgraden ytterligare genom att en gasturbin kompletterar processen. I gasturbinen kan el produceras ur de heta rökgaserna. Principen för en gasturbincykel är att en blandning av bränsle och komprimerad luft antänds. Förbränningsgaserna från bränsle/luftblandningen trycks med hög hastighet genom en gasturbin som driver en generator. I ett gaskombikraftverk produceras el både med en ångcykel och med en gasturbincykel. Tas dessutom värmen tillvara uppnås mycket höga totalverkningsgrader. Nedan ges en schematisk beskrivning av Rya kraftvärmeverk. Figur 4. Illustration av gaskombikraftverk. Källa: Göteborg Energi 1. Naturgasen förbränns i gasturbinens brännkammare. 2. De varma avgaserna driver gasturbinen som är ansluten till en generator som producerar el. 3. De varma avgaserna går vidare till en avgasångpanna där vatten förångas. 4. De varma rökgaserna värmer vatten som övergår till ånga med en temperatur över 500 grader. Ångan går sedan vidare till en ångturbin som är ansluten till ytterligare en generator för elproduktion. 5. Ångan går vidare till en värmeväxlare och värmen levereras ut på fjärrvärmenätet. 6. Efter att värmen avgivits pumpas vattnet tillbaka till ångpanna. 7. Det finns även restvärme i avgaserna som också den tas tillvara i fjärrvärmenätet. 8. Rya kraftvärmeverk har tre gasturbiner och avgaspannor samt en gemensam ångturbin. Dessa levererar 1 450 GWh värme och 1 250 GWh el. Anläggningen har en eleffekt på 261 MW och en värmeeffekt på 294 MW. 1.1.2 Naturgasen en bro till förnybar biogas I dag används bara naturgas för el- och värmeproduktion i Rya kraftvärmeverk, men planen är att i framtiden successivt övergå till biogas/biometan. Göteborg Energi driver ett forskningsprojekt om förgasning tillsammans med Chalmers Tekniska Högskola (se kap. Fel! Hittar inte referenskälla.). Syftet är att hitta effektiva metoder för att förgasa biobränslen och tillverka biometan, ett gasformigt
Naturgasen en bro in i framtiden 6 (7) bränsle med liknande egenskaper som naturgas. Göteborg Energi har även tagit ett preliminärt investeringsbeslut om att i anslutning till Rya kraftvärmeverk bygga en kommersiell anläggning för förgasning av biomassa och framställning av biometan (se kap. Fel! Hittar inte referenskälla.). 1.2 Öresundsverket i Malmö först naturgas, sedan biogas 2009 tas det nya naturgaseldade Öresundsverket i drift i Malmös hamn. Öresundsverket kommer ha en produktionskapacitet på 400 MW el och 250 MW värme. Väl på plats kommer Öresundsverket att per år kunna leverera 3 TWh el till det nordiska elsystemet och 1 TWh värme till fjärrvärmenätet i Malmö. Det finns flera skäl till att E.ON satsar på ett modernt naturgaseldat kraftvärmeverk i Malmö. Efterfrågan på el fortsätter att öka och behovet av ny elproduktion är störst i de södra delarna av landet, delvis till följd av stängningen av Barsebäck. Det finns även behov av att ersätta äldre befintliga anläggningar i Malmö. Att valet föll på naturgas beror på att gasen finns tillgänglig i regionen och att gaseldade kombikraftverk medger ett mycket högt elutbyte i relation till mängden värme som produceras. Elverkningsgraden kommer att ligga på närmare 60 procent och det totala utnyttjandet av bränslets energiinnehåll kommer att ligga på 90 procent vid full kraftvärmedrift. Det är således det primära behovet av el som har varit dimensionerande och avgörande för val av teknik och bränsle, vilket har lett till att valet föll på ett naturgaseldat kombikraftverk. Hade det primära behovet varit värme, hade det sannolikt varit naturligt att välja biobränsle. Biobränsleeldade kraftvärmeverk har en elverkningsgrad på 30-35 procent, vilket medför att mycket lågvärdig värme produceras i relation till den högvärdiga elkraften. Det nya Öresundsverket är egentligen resultatet en omfattande modernisering av ett äldre kraftvärmeverk som använde kol och olja som bränsle. När Öresundsverket tas i drift kommer det även att ersätta det närmare 40 år gamla Heleneholmsverket, som visserligen använder naturgas, men har ett betydligt lägre elutbyte. Öresundsverket kommer till stora delar att ersätta kolbaserad kraftproduktion. Enligt E.ON:s beräkningar kommer det innebära minskade koldioxidutsläpp med i storleksordningen en miljon ton per år 3. Figur 5. Utsläppsjämförelse av koldioxid mellan Öresundsverket och koleldat kondenskraftverk med 45-procentig verkningsgrad vid 3 TWh elproduktion. Källa: E.ON 3 www.eon.se
Naturgasen en bro in i framtiden 7 (7) Användningen av naturgas är även inkörsporten för att på sikt använda biogas för kraft- och värmeproduktion och därmed få ned koldioxidutsläppen ytterligare. E.ON har startat en förstudie för uppförandet av en biogasanläggning i samband med moderniseringen av Öresundsverket. Ett stort nytt kraftvärmeverk i södra Sverige kommer även att bidra till en ökad försörjningstrygghet på elmarknaden. Det finns begränsningar i överföringskapacitet både inom landet och mellan länder. I situationer med sträng kyla och begränsade tillgångar på vattenkraft är marginalerna mycket små i det svenska kraftsystemet. Öresundsverket kommer bidra till att marginalerna blir större. Figur 6. Illustration av Öresundsverket. Källa: E.ON/White Arkitekter AB