Systematisering, analys och sammanvägning av relevant kunskap för småskalig biobränsleanvändning
ER [Klicka och skriv ER-nummer här - ER-nummer erhålls från förlaget]
Böcker och rapporter utgivna av Statens energimyndighet kan beställas från Energimyndighetens förlag. Orderfax: 016-544 22 59 e-post: forlaget@stem.se Statens energimyndighet Upplaga: [konsultera förlaget] ex ER [erhålls från förlaget] ISSN [erhålls från förlaget]
Förord Energimyndigheten har gett SP i uppdrag att systematisera, analysera och väga samman den kunskap om småskalig biobränsleanvändning som framkommit inom NUTEK:s och sedermera Energimyndighetens forskningsprogram inom området under perioden 1994-2004. Föreliggande rapport utgör, tillsammans med en elektronisk sammanställning av genomförda projekt, resultatet av detta arbete. Vi vill varmt tacka Energimyndighetens handläggare, berörda projektledare och kolleger för stort tillmötesgående och viktiga synpunkter under arbetets gång. De åsikter och bedömningar som redovisas i rapporten är dock helt författarens egna. Vi vill också tacka Björn Björkman, tidigare Sveriges Skorstensfejaremästares Riksförbund och numera Svenska Brandförsvarsföreningen, för kvalificerat och omfattande arbete med att bygga upp den elektroniska projektsammanställningen. Borås i oktober 2005 Lennart Gustavsson
Innehåll Sammanfattning 7 1 Bakgrund 10 2 Målsättning 11 3 Genomförande 12 3.1 Projektklassificering...12 3.2 Elektronisk projektrapportering...13 4 Resultat 15 4.1 Bränslen...15 4.1.1 Pellets...15 4.1.2 Spannmål...17 4.2 Förbränningsanordningar...19 4.2.1 Vedpannor...19 4.2.2 Kaminer och kakelugnar...22 4.2.3 Pelletsbrännare och pelletskaminer...24 4.2.4 Större pannor...27 4.3 Processreglering...28 4.4 Ackumulatorsystem...30 4.5 Aska...31 4.6 Emissioner och rening...31 4.6.1 Allmänt...31 4.6.2 Partiklar och aerosoler...32 4.6.3 Oförbränt...33 4.5.4 Kväveoxider...34 4.5.5 Katalysatorer...36 4.5.6 Filter och annan stoftavskiljning...37 4.5.7 Rökgaskondensering...38 4.6 Förbränningsförlopp...40 4.6.1 Allmänt...40 4.6.2 Experimentellt...41 4.6.3 Kemiskt - fysikaliska modeller...42 4.6.4 CFD-modellering...44 4.7 Skorstenar...46 4.8 P-märkning och annan certifiering...47 4.9 Utbildning och information...48 5 Diskussion och slutsatser 49
Sammanfattning Energimyndigheten och dess företrädare har under åren 1994-2004 genomfört omfattande forsknings- och utvecklingsinsatser inom området Småskalig förbränning av biobränslen. Föreliggande projekt har haft som målsättning att systematisera, analysera och så långt möjligt syntetisera den kunskap som genererats inom forskningsprogrammen. Vidare har syftet varit att identifiera kunskapsluckor av betydelse för att möjliggöra en ökad småskalig bioenergianvändning med hög effektivitet och minimal miljö- och hälsopåverkan. De genomförda projekten har delats upp i en ämnesnyckel med följande rubriker: Brukare, Bränslen, Förbränningsanordningar, Reglerteknik, Energimottagare, Skorsten, Aska, Emissioner och rening, Förbränningsförlopp samt Övrigt. Uppgifter om samtliga projekt, indelade enligt ämnesnyckeln och med länkar till projektsammanfattningar och slutrapporter har sammanställts i en Excel-fil som finns tillgänglig på CD-skiva. Den samlade kunskapen inom områden som är relevanta för småskalig biobränsleanvändning har ökat kraftigt under den senaste tioårsperioden. Energimyndighetens forskningsprogram är en starkt bidragande orsak till detta. Väsentliga framsteg har gjorts bl.a. inom följande områden: - Modellering av grundläggande förbränningsförlopp för enstaka partiklar och bränslebäddar - Utformning av förbränningskammare och rost för god utbränning - Teknik och metoder för förbränningsreglering - Egenskaper hos bränslepellets och hur detta påverkar förbränningen - Teknik och utrustning för pelletseldning - Bildning och emissioner av partiklar från biobränsleeldning, speciellt submikrona sådana - Kvalitetssäkring av småskalig förbränningsutrustning för biobränsle Insatser inom och utom programmen har lett till att kunskapen om vad som krävs för en effektiv och miljövänlig småskalig biobränsleanvändning i både vedpannor, lokaleldstäder, pelletsbrännare/kaminer och i större pannor idag är förhållandevis goda. Utmaningen ligger nu i att fortsatt omsätta dessa kunskaper i nya produkter som är konkurrenskraftiga på marknaden och att vidareutveckla tekniken så att en effektiv och miljövänlig förbränning kan vidmakthållas under varierande driftbetingelser och med varierande bränslekvaliteter. För framtiden bedöms följande frågeställningar/önskemål vara centrala för att möjliggöra en väsentligt ökad biobränsleanvändning i den mindre skalan: 7
- teknik för pelletsanvändning (hela kedjan) - stabila förbränningsprocesser - minskning av partikelutsläpp - förbättrad teknik för fastighets- och närvärmeskalan - värderingsmetoder för nya bränslen - minskat behov av tillsyn och underhåll - ökad automatiseringsgrad och minskad brukarinverkan - möjligheter att kombinera biobränsle och solenergi Utifrån dessa krav ger föreliggande sammanställning anledning till slutsatsen att kunskapsluckor främst finns inom följande områden: - teknik för förbränningsreglering - teknik för pelletseldning - pelletsframställning och produktkvalitet - studier och modellering av bränslebäddar - teknik för upptändning med låga utsläpp vid satsvis eldning (t.ex. i vedpannor) - partikelbildning och teknik för partikelavskiljning - askegenskaper, beläggningar och sintringsrisker - teknik för eldning av spannmål och andra agrara bränslen - systemlösningar för solenergi/biobränsle. 8
1 Bakgrund Statens Energimyndighet, STEM, och tidigare Närings- och Teknikutvecklingsverket, NUTEK, har sedan 1994 stött forsknings- och utvecklingsverksamhet inom området Småskalig förbränning av biobränslen. Forskningen har bedrivits inom tre löpande forskningsprogram under perioderna 1994-1997, 1997-1999 samt 2000-2004. Under de två första programperioderna hade programmet titeln Småskalig förbränning av biobränslen medan det senaste programmet har titeln Småskalig bioenergianvändning. Inom programmen har projekt av olika karaktär erhållit stöd. I ena änden har ett antal projekt av grundläggande karaktär där basala förlopp vid förbränning av biobränslen studerats. I andra änden har rena produktutvecklingsprojekt bedrivits av företag och rena informations-insatser avsedda för olika aktörer inom området stöttats. Mellan dessa båda extremer finns ett brett spektrum av projekt. Under programmens hela löptid har en styrgrupp biträtt Energimyndigheten med bl.a. bedömning av ansökningar, råd om programmens inriktning samt hur resultaten skall spridas till avnämarna på bästa sätt. Styrgruppen har ansett att det finns ett behov av en översikt över vad som gjorts inom programmen, att systematisera och sammanställa denna kunskap och att identifiera möjliga kvarstående luckor. Energimyndigheten ansåg att denna bedömning var riktig och uppdrog därför åt undertecknade att genomföra en sådan Systematisering, analys och sammanställning av relevant kunskap för småskalig bioenergianvändning. Denna rapport redovisar resultatet av detta arbete.
2 Målsättning Arbetets målsättning har varit att systematisera, analysera och om möjligt syntetisera den kunskap om småskalig bioenergianvändning som genererats inom Energimyndighetens (tidigare NUTEK:s) forskningsprogram på området. Målsättningen har också varit att identifiera kunskapsluckor där fortsatta insatser bedöms vara viktiga och ha potential att underlätta en ökad bioenergianvändning.
3 Genomförande Under de tre programperioderna har ett stort antal projekt bedrivits. Projekten har varit av olika karaktär, från långsiktiga forskningsprojekt där grundläggande frågeställningar bearbetats till direkta produktutvecklingsprojekt och punktinsatser för spridning av information vid ett givet tillfälle. Som ett första steg har listor över projekt som erhållit stöd i forskningsprogrammen genomgåtts. 3.1 Projektklassificering För att få en överskådlig bild över vilka typer av projekt som genomförts har dessa klassificerats enligt en ämnesnyckel. Denna ämnesnyckel har utvecklats i första hand med syftet att ge den praktiskt verksamme användaren/tillverkaren/konsumenten hjälp att hitta relevant information. Därför har ämnesnyckeln huvudsakligen utgått från energins väg från bränslet till nyttig energi och eventuella bieffekter. Tabell 1 åskådliggör hur ämnesnyckeln är uppbyggd. Tabell 1: Ämnesnyckel för projekt inom forskningsprogrammen A A1 A2 B B1 B2 B3 B4 C C1 C2 C3 C4 D BRUKARE Information och utbildning P-märkning och annan certifiering BRÄNSLEN Ved Pellets Flis Övrigt FÖRBRÄNNINGSANORDNINGAR Vedpannor Kaminer och kakelugnar Pelletsbrännare och kaminer Större pannor REGLERTEKNIK
E F F1 F2 G H H1 H2 H3 H4 H5 H6 H7 H8 I I1 I2 J ENERGIMOTTAGARE SKORSTEN Mätningar Konstruktion ASKA EMISSIONER OCH RENING Allmänt Partiklar och aerosoler Oförbränt NOx Katalysatorer Filter Rökgaskondensering Övrigt FÖRBRÄNNINGSFÖRLOPP Experimentellt Teoretiska modeller ÖVRIGT 3.2 Elektronisk projektrapportering Det har bedömts väsentligt att göra resultaten från genomförda projekt i form av rapporter så lätt tillgängliga som möjligt. Dessa rapporter finns i viss utsträckning tillgängliga på Energimyndighetens hemsida under Energiforskning/Forskningsområden/ Bebyggelse/ Småskalig bioenergianvändning. För att göra projektrapporterna lätt tillgängliga på ett strukturerat sätt har en CDskiva tagits fram inom projektet. På denna finns en Excel-fil, Översikt2005Småskal, där samtliga projekt som bedömts relevanta för kunskapssammanställningen förtecknats. Projekten har i Excel-bladet lagts in i ämnesnyckeln ovan så att samtliga projekt som berör ett visst ämnesområde finns på samma ställe. För varje projekt framgår bl.a.: - Kategori i ämnesnyckeln - Energimyndighetens projektnummer - Projekttitel - Uppgift om sammanfattning finns tillgänglig
- Uppgift om slutrapport finns tillgänglig - Titel på projektsammanfattning - Projektledare - Utförande organisation I Excel-arket har uppgift om sammanfattning respektive slutrapport utförts som en hyperlänk, som då man klickar på den kopplar vidare till aktuell sammanfattning/projektrapport och öppnar denna. I följande rapport används i stort samma ämnesindelning som i den elektroniska projekt-sammanställningen. Dock har avsnitten om Information och utbildning samt P-märkning och annan certifiering lagts sist i rapporten.
4 Resultat 4.1 Bränslen De biobränslen som primärt är intressanta för småskalig användning är i första hand styckeved, pellets och briketter, flis av olika ursprung samt i någon mån träpulver. På senare tid har dessutom spannmål och olika åkerbränslen fått ökad aktualitet. Insatserna inom programmen som avser olika typer av bränslen har i första hand koncentrerats till pellets och i någon mån spannmål. Inga projekt avseende styckeved eller flis har bedrivits. Fördelningen avspeglar det faktum att en storskalig introduktion av pellets som bränsle skett under de senaste tio åren och att kunskaperna om pellets till en början var mycket begränsade. 4.1.1 Pellets Pellets tillverkas normalt av sågverksavfall, t.ex. sågspån, eller av skogsavfall. Råvaran mals och torkas om nödvändigt och pressas därefter vid förhöjd temperatur till pellets med 6, 8 eller 10 mm diameter. Fukthalten är normalt under 10 % och densiteten och därmed energitätheten förhållandevis hög. Styckestorleken och homogeniteten hos bränslet gör att automatisk bränslematning och effektreglering enkelt kan åstadkommas. Egenskaperna hos ett pelletsbränsle beror både på de råvaror som använts och på tillverkningsprocessen. Kunskaperna om dessa samband och hur bränslets egenskaper påverkar förbränning och emissioner var i stort sett obefintliga då forskningsprogrammen startade. Inledningsvis genomfördes därför några projekt som avsåg att empiriskt undersöka vilka egenskaper hos pellets som uppenbart påverkar förbränningsresultatet. Tänkbara sådana är bl.a.: - dimensioner (diameter, längd) - askhalt - asksmältpunkt - hållfasthet och andel finfraktion - densitet - kvävehalt Inledande undersökningar indikerade att förbränningsresultaten kunde variera kraftigt mellan olika pelletskvaliteter och olika förbränningsutrustningar. En viktig parameter tycktes vara diametern hos pelletsen, där mindre pellets åtminstone i övermatade brännare gav bättre förbränningsresultat. Vidare undersökningar kun-
de dock inte verifiera att diametern i sig har någon betydelse. Däremot är densiteten en viktig faktor både för den utvecklade effekten och förbränningskvaliteten i vissa fall. Eftersom matningen i en pelletbrännare ger en viss volym per tidsenhet kommer effekten att öka med ökad densitet. En högre densitet kan antingen bero på mindre pelletsdiameter med åtföljande mindre tomvolym i bränslet, på hårdare pressade pellets eller på råvara med högre densitet. Densitetsskillnader kan ge upphov till mycket olika förbränningsresultat i samma brännare om ingen injustering sker. Den bränsleegenskap som mest direkt påverkar utsläppen är kvävehalten. I flera undersökningar har konstaterats att utsläppen av kväveoxider är mycket starkt korrelerad till bränslets kvävehalt, och att omvandlingsgraden för bränslekvävet kan vara upp mot 100 %. Detta innebär att nedbrytningen av bildade kväveoxider normalt är mycket liten i dagens pelletsbrännare, och också att utsläppen av NO x kan bli mycket höga vid användning av kväverika råvaror för pelletstillverkning. Det senare kan bli mycket aktuellt i framtiden då hittills använda råvaror med låga kvävehalter, t.ex sågspån, möjligen inte räcker till för behovet. En viktig aspekt av pellet som bränsle är risken för slagg- och beläggningsbildning i brännaren. I vissa fall kan hårda slaggkakor bildas i och runt brännarhuvudet (sintring), som i första skedet leder till sämre förbränning men också kan medföra driftstörningar och driftstopp. Flera projekt har försökt kartlägga orsaker till och mekanismer för slaggbildningen. Undersökningarna har visat att både bränslets askhalt och asksammansättning samt brännarkonstruktionen har betydelse för omfattningen av sintringsproblemet. Askrika bränslen som hyggesavfall och bark bör inte användas i konventionella brännare för villabruk. Bränslets innehåll av askbildande ämnen som K, Na, Al och framför allt Si som bildar ämnen som smälter och därmed klibbar vid förhållandevis låg temperatur tycks vara avgörande för sintringsproblemens omfattning. Temperatur och gassammansättning i brännarens olika delar är också viktiga parametrar. En viktig frågeställning är om det är bränsleråvaran eller tillverkningsprocessen som är upphovet till sintringsproblemen. Visst arbete har gjorts inom programmet inom detta område. Ett stort antal prover av problematiska respektive ickeproblematiska pelletskvaliteter samlades in under en driftsäsong från två olika pelletsfabriker tillsammans med bakgrundsdata. Samband söktes mellan typ och behandling inkl. lagringstid hos råvaran, processförhållanden vid tillverkningen inkl egenskaper hos tillfört bränsle i torken (t.ex. bark) och den färdiga pelletsens innehåll av problemskapande komponenter. Tydliga skillnader i innehåll av Si men även Al och Fe mellan problematiska och icke-problematiska bränslen kunde konstateras, där en Si-halt uttryckt som SiO 2 överstigande 20-25 % av askans sammansättning gav upphov till sintringsproblem. Höga halter av Si och Al kunde i ena anläggningen härledas till kontaminering av ingående råvara (sand) och i andra fallet till askhalt och asksammansättning i den bark som användes som torkbränsle.
Ovan redovisade resultat är viktiga ledtrådar till hur sintringsproblemen kan minskas med varsam hantering av såväl råvara som torkbränsle. Kunskaperna om hur råvaruegenskaper och tillverkningsprocess påverkar pelletskvaliteten är dock ännu begränsade, och mycket arbete återstår. Status - behov av ytterligare insatser Inom detta område har nu grunden lagts till en viss empirisk förståelse av sambanden mellan råvaror, tillverkningsprocess och förbränningsresultat vid olika förhållanden. Mera djupgående undersökningar behöver dock göras om orsakerna till bränslets egenskaper, hur dessa kan styras och hur bränsle och förbränningsutrustningar kan anpassas till varandra. Kunskapsuppbyggnaden inom askkemi och uppkomst av sintring och beläggningar har kommit ett stycke på väg, men behöver utvecklas ytterligare för att ge underlag för åtgärder. En tänkbar sådan kan vara att använda tillsatser som binder besvärliga askkomponenter i form av ofarliga ämnen. Möjligheten att använda nya råvaror samt inverkan av säsongsvariationer i nu använda råvaror är ytterligare angelägna områden. För att kunna hålla en stabil kvalitet vid pelletstillverkningen behöver också kunskapen om pelleteringsprocessen förbättras. De mekaniska, kemiska och termiska processerna och samspelet emellan dem behöver undersökas djupare för att nå ett optimalt resultat för olika typer av råvaror. Likaså behöver metoder för karakterisering av nya råvaror ur pelleterings- och förbränningssynpunkt utvecklas. Flera av dessa områden bearbetas nu i forskningsprogrammet SLUP, som är ett samarbete mellan pelletsindustrin, Energimyndigheten samt ytterligare ett antal parter. Projektet avslutas under 2006. Det kan inte nog betonas att FoU-insatser avseende tillverkning av och egenskaper hos pellets och hur detta inverkar på förbränningsprocessen måste bedrivas i samarbete med både bränsle- och utrustningstillverkare. En marknadssituation där konsumenten upplever att ansvaret för eventuella driftproblem bollas mellan bränsle- och utrustningsleverantör kan bli förödande för den fortsatta utvecklingen. 4.1.2 Spannmål För närvarande expanderar spannmålseldningen kraftigt, i första hand beroende på mycket låga priser i förhållande till energiinnehållet. Det är i första hand enskilda lantbrukare som installerar spannmålsbrännare, men anläggningar finns även i kyrkor, skolor och närvärmecentraler. Inom området spannmål som bränsle har små insatser gjorts inom programmet. En studie av funktion, säkerhet och emissioner vid spannmålseldning visade att en spannmålsbrännare har stora förutsättningar att fungera lika gott och säkert som
en pelletbrännare. Större krav ställs dock på anläggningen (materialval och drift för att undvika sintring och korrosion) och på brukaren (bra kunskap om installation och drift och frekvent uraskning och sotning). Utsläppen av stoft, kväveoxider och surgörande ämnen (svaveldioxid och saltsyra) är också betydligt högre än vid pelletseldning. Erfarenhetsmässigt vet man att en kritisk egenskap för spannmål ur förbränningsteknisk synpunkt är risken för sintring i brännaren. Precis som för pellets är denna är starkt beroende på askans sammansättning, och höga halter av främst kisel men även kalium och natrium innebär låg asksmältpunkt med åtföljande sintringsrisk. I ett annat projekt analyserades ett stort antal spannmålsprov bl.a. avseende asksammansättning och asksmältförlopp. Det mest signifikanta resultatet var en betydligt högre kiselhalt samt lägre kalium- och fosforhalter hos havre än i korn, höstvete och rågvete. Detta innebär betydligt mindre sintringsproblem då havre eldas jämfört med annan spannmål. Jordarten på växtplatsen visade sig ha liten inverkan på bränslekvaliteten, men kunde tillsammans med jordens ph-värde och sädesslag användas för att prediktera askhalten. Askans smältförlopp kunde också predikteras på ett bra sätt utifrån askhalten i kärnan och kiselhalten i askan. Sammanfattningsvis bekräftar forskningen att havre är den spannmålskärna som är klart lämpligast för förbränning, och i praktiken används idag endast havre som bränsle. Status - behov av ytterligare insatser Tekniken att elda spannmål liknar tekniken vid pelletseldning och gjorda insatser inom detta område utnyttjas redan. På grund av den högre askhalten är behovet av automatisk askutmatning större, och möjligen kan utveckling av sådana system behöva stöttas. Precis som vid pelletseldning är det angeläget att följa upp tillbud och bränder och inarbeta erfarenheter i certifieringsregler, t.ex. P-märkning. Det största behovet är dock stort att öka kunskapen kring sintring, korrosion och emissioner. Sådana insatser är viktiga inte minst för att även andra askrika agrara grödor kan bli aktuella i en snar framtid, och den erfarenhet som finns uppbyggd om pellet, rörflen och spannmål bör kunna syntetiseras och användas även för dessa. När det gäller sintring behövs mer grundläggande studier kring sintringsmekanismer, eftersom spannmålsaska avviker i sitt innehåll från andra, mer kända biobränslen som träpellets och rörflen. Även hur askans innehåll beror av sortval, gödsling, jordart, närhet till kust m.m. behöver studeras. Ett viktigt område är hur additiv i bränslet rätt kan användas. De höga ask- och kvävehalterna i bränslet leder till betydligt högre utsläpp av stoft och kväveoxider än pellets. Insatser bör snarast sättas in för att genom primära åtgärder (förbränningsrummets design, uppehållstider, luftfördelning osv) och sekundära (rening av rökgaserna) sänka utsläppsnivåerna. Sekundära åtgärder
är aktuella i första hand vid lite större anläggningar, där konventionell teknik kan anpassas och utnyttjas till ett överkomligt pris. Spannmål innehåller svavel och klor, som bildar surgörande ämnen (svaveldioxid och saltsyra). Om dessa tillåts kondensera i någon del av pannan där materialet är korrosionskänsligt, uppstår korrosionsproblem snabbt. Det är viktigt att kunskapen om rätt materialval och rätt hantering av anläggningen når ut till brukarna. Det finns även ett behov av att följa upp anläggningar och utvärdera val av skorstensmaterial, val av temperaturnivåer mm. Vid en fortsatt expansion av spannmålseldning är det även viktigt att utreda möjligheter att förhindra de surgörande ämnena att komma ut i miljön. Här bör både metoder att sänka kärnans innehåll av svavel och klor, och metoder att fånga in bildade gaser, t.ex. genom insprutning av kalk i rökgaserna, utredas. 4.2 Förbränningsanordningar Området förbränningsanordningar har här delats upp på följande underrubriker: - vedpannor - kaminer och kakelugnar - pelletsbrännare och pelletskaminer samt - större pannor (500 kw 10 MW) 4.2.1 Vedpannor Inom delområdet vedpannor påbörjades en kraftig teknikutveckling på empirisk bas redan under åren före forskningsprogrammens start. För att fastlägga teknikstatus för vedpannor genomfördes därför i början av programperioden projektet Analys av dagens bästa teknik för vedeldade villapannor. Fokus i detta projekt var i första hand emissionerna från några typiska miljögodkända vedpannor. Slutsatsen var att under perioder med stabil förbränning var utsläppen av oförbränt relativt låga. Detta innebär att utformningen av t.ex. sekundärförbränningszonen i dessa pannor är relativt bra. Flera faktorer påverkade dock förbränningsstabiliteten negativt: den satsvisa eldningen i sig, ras och hängningar i bränslebädden m.m. En av pannorna var försedd med O 2 -reglering, vilket visade sig kunna motverka variationerna i förbränningskvalitet effektivt. Det konstaterades också att upptändningsfasen svarade för en väsentlig del av de totala utsläppen. Utsläppen av oförbränt i gasform eller som partiklar beror till stor del på utformningen av slutförbränningszonen. I denna skall förbränningsgaserna från veden blandas effektivt med sekundärluft vid tillräckligt hög temperatur och tillräckligt lång uppehållstid. Den geometriska och termiska utformningen av slutförbränningszonen är därmed kritisk för vilken utbränningsgrad som erhålls.
I projektet Förbättrad utformning av sekundärförbränningszon i vedpanna studerades möjligheterna att minska utsläppen av oförbrända gaser och partiklar genom optimering av slutförbränningszonen i en kommersiell panna med hjälp av experiment och CFD-beräkningar (CFD = Computational Fluid Dynamics). Pannan var försedd med reglering av förbränningsluften med hjälp av O 2 -sensor. Flera olika modifieringar av slutförbränningszonen provades. Av dessa visade sig två ge väsentliga förbättringar i utsläppsnivåerna. I det första fallet infordrades den keramiska slutförbränningsskålen med plåt inuti med syfte att erhålla snabbare temperaturuppgång vid start. Detta medförde en reduktion av CO- och THCutsläppen med 30 50 % under uppstartsfasen. Den andra modifieringen innebar att spalterna mellan rosten och slutförbränningsskålen tätades med eldfast massa. Genom detta ingrepp kunde CO-halten vid full effekt minskas från ca 2000 ppm till 60 ppm; en synnerligen tydlig minskning. Sammanfattningsvis kunde konstateras att även i en panna med förhållandevis låga utsläpp i utgångsläget kan en kombination av CFD-beräkningar och experimentella mätningar möjliggöra klara förbättringar av slutförbränningszonen. För en användare av en vedpanna är andra egenskaper än utsläppen minst lika intressanta. Högre energieffektivitet och större användarvänlighet är generella önskemål. I projektet Förstudie av vedeldningssystemet Excellent var syftet att ta fram en kravspecifikation för hur en vedpanna som möter konsumenters och myndigheters krav på tio års sikt skulle kunna se ut. Ambitionen var att arbeta visionärt men också att göra en bedömning av vad som kan vara tekniskt och ekonomiskt möjligt inom denna tidsperiod. I projektet identifierades olika delområden som är relevanta för vedeldningstekniken och en analys gavs för varje delområde i form av en genomgång av dagens bästa teknik, en sammanfattning av pågående forskning, samt behov av ytterligare forsknings- och utvecklingsinsatser. Sådana behov identifierades inom följande områden: - styr- och reglerteknik - utformning av och material i roster - teknik för snabb upptändning - rening av rökgaser m.a.p. kolväten och partiklar - möjligheter till rökgaskondensering Målsättningen med styr- och reglerteknik för en vedpanna bör vara att pannan skall fungera optimalt oberoende av bränslekvalitet och vem som eldar pannan. Inom rimliga gränser är förutsättningarna goda för att nå detta mål relativt snart. Utvecklingen av sensorer för bl.a. oförbränt i form av CO och kolväten är mycket snabb och bilindustrin driver på utvecklingen. Kostnaderna för dessa sjunker snabbt. Sensorer med önskad funktion finns idag, men för tillämpning i vedpannor behöver stabilitet och beständighet utredas mera. Det bör tilläggas att sedan studi-
en redovisades har flera projekt avseende sensorstyrning av pelletsbrännare och större rosterpannor genomförts framgångsrikt och ytterligare arbete pågår (se avsnitt 4.3). Utöver sensorutvecklingen pågår en stark utveckling vad gäller regleralgoritmer för allehanda tillämpningar. Speciellt intressanta är möjligheterna att tillämpa självlärande system samt s.k. fuzzy logic-system för att hantera de varierande betingelser och händelser som kan uppstå i en vedpanna. Även här har arbete senare skett inom programmet. Ytterligare tankar som redovisas i studien är en indikator som förhindrar användning av omöjliga bränslen, t. ex. med mycket hög fukthalt. En sådan skulle kunna larma eller stänga ned pannan t.ex. om inte en viss förbränningstemperatur uppnåtts inom rimlig tid, och därmed förhindra ineffektiv förbränning med mycket höga utsläpp. Rosten i en vedpanna påverkar förbränningsprocessen på flera sätt. I de flesta fall tillsätts sekundärluften i eller i anslutning till rosten, varvid utformningen är central för hur effektiv inblandningen i förbränningsgaserna blir. Rostens termiska egenskaper är också avgörande för både hur snabbt normal förbränningstemperatur uppnås och hur stabil denna hålls under eldningscykeln. De termiska egenskaperna beror i sin tur både på typ av material och på rostens massa. Materialvalet i rosten har stor betydelse inte minst för rostens livslängd. I de flesta fall är den att betrakta som en förbrukningsdel som måste bytas ut med några års mellanrum. Eftersom kostnaden i normalfallet är flera tusen kronor är livslängden av stor betydelse för den totala driftskostnaden för pannan. Rostens livslängd påverkas förutom av mekanisk påverkan av både kemiska och fysikaliska processer såsom korrosion och erosion. En förhållandevis stor andel av de totala utsläppen från en vedpanna uppstår under upptändningen. Ju snabbare temperaturen i förbränningszonen kan höjas, desto lägre blir utsläppen. Som ovan nämnts spelar därmed rostens termiska egenskaper en stor roll för upptändningsförloppet. Att snabbt kunna få till stånd en övertändning av tillräckligt stor bränslemängd är också önskvärt. Traditionellt sker detta genom att upptändningen sker med mer eller mindre finfördelat bränsle, s.k. späntved. I ett vidare perspektiv är dock nya metoder för snabb upptändning, t.ex. andra tändbränslen eller kortvarig tillförsel av extern energi, önskvärda för att minska de totala utsläppen. Rening av rökgaser samt rökgaskondensering behandlas längre fram i separata avsnitt. Status behov av ytterligare insatser Kunskapen om hur vedpannor skall utformas för att möjliggöra en effektiv förbränning med liten miljöpåverkan bedöms ha ökat väsentligt under
forskningsprogrammens löptid. Speciellt gäller detta den geometriska och termiska utformningen av slut-förbränningszonen samt principer och utformning av lufttillförseln. Mer eller mindre utvecklade program för CFDberäkningar av temperatur- och strömningsfält finns tillgängliga för jämförelser mellan olika konstruktiva utformningar. De flesta program kräver dock vana vid sådana beräkningar, och i nuläget torde främst konsulter och forskare vara de som främst kan utnyttja möjligheterna. Ytterligare utvecklingsinsatser bedöms enligt ovan främst behövas inom följande områden: - styr- och reglerteknik - utformning av och material i rosten - teknik för snabb upptändning - rening av rökgaser från kolväten och partiklar De tre första punkterna har bäring på att minska känsligheten för handhavande och bränslekvalitet och att öka användarvänlighet och hållbarhet. Dessa målsättningar bedöms vara centrala för att bibehålla eller öka vedeldningens bidrag till energiförsörjningen. Det område där den största utvecklingspotentialen bör finnas är styr- och reglertekniken, där både mer avancerade tekniska lösningar och kraftigt minskade kostnader kan förutses. Systematiska studier av rostutformning med hjälp av experimentella mätningar och CFD-modellering (se exempel ovan) bör också kunna ge mer generella kunskaper som kan tillämpas i enskilda konstruktioner. Insatser för att förenkla konstruktioner och därmed minska både tillverknings- och driftkostnader är givetvis angelägna, liksom åtgärder för att säkerställa driftsäkerheten för material och komponenter. Ett exempel på detta är insatser för att utveckla kunskapen om keramiska materials hållfasthet vid användning i roster. Den generella kunskapen om kemiska och fysikaliska processer för olika material i förbränningsmiljö finns hos olika forskare men inte minst inom den keramiska industrin. 4.2.2 Kaminer och kakelugnar Inom delområdet kaminer och kakelugnar har relativt små insatser gjorts inom forskningsprogrammen. Kaminer och kakelugnar utgör s.k. lokaleldstäder som installeras i bostadsutrymmet och som normalt avses värma delar av huset under begränsad tid. Värmet överförs normalt direkt till rumsluften utan vattenburet distributionssystem. I vissa fall kan framför allt kakelugnar användas för att täcka en större del av husets värmebehov, t.ex. om detta har direktel som huvudsaklig uppvärmningsform.