Uppgradering av biogas med aska från trädbränslen Åke Nordberg Institutionen för energi och teknik, SLU Johan Andersson, Mats Edström JTI - Institutet för jordbruks- och miljöteknik Finansiär: Stiftelsen lantbruksforskning
Uppgradering av biogas Biogas: ~ 55-70 % CH 4 ~ 30-45 % CO 2 < 1 % spårgaser (t.ex. H 2 S) Uppgradering: avlägsna CO 2 och spårgaser i syfte att öka energitätheten (96-98 % CH 4 ) Vattenskrubber Adsorption med aktivt kol
Småskalig uppgradering Drift- och kapitalkostnader (kr/ kwh) 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0 Trendlinje baserad på Urban et al 2008 och Blom et al 2012 0 100 200 300 400 500 Biogasflöde (m n3 /timme) Behov: Utveckla enkla tekniker som är kostnads- och energieffektiva vid låga gasflöden Hypotes: Använda aska för att binda upp koldioxid och på så sätt höja metanhalten till fordonsgaskvalité
Kemin bakom fastläggning av koldioxid i kalciumrika substrat (t.ex. aska) Reaktion vid karbonatisering (stabilisering, härdning) CaO + H 2 O Ca(OH) 2 + värme Ca(OH) 2 + CO 2 CaCO 3 + H 2 O Vanligt förekommande föreningar i aska från trädbränsle (Boström et al 2012)
Karbonatisering av aska Utförs idag för att stabilisera aska innan spridning i skog och mark. Sker utomhus i stora högar (långsam process). Processen kan påskyndas genom att öka partialtrycket för koldioxid, s.k. accelererad karbonatisering
Askhantering i Sverige Produktion av aska 2010 13% Totalt genereras 1,5 miljoner ton aska/år Aska från trädbränsle: 220 000 ton/år 10% 5% 26% 46% Avfall Blandbränsle Biobränsle Biobränsle inkl fiberslam Övriga Användning av aska 2010 2% 25% 5% 8% 60% Återföring till skog och mark Konstruktionsmaterial deponi Vägbyggnadsmaterial Deponi Övrigt
Uppgradering av biogas med aska från trädbränslen Syfte Att i laboratorieskala undersöka fastläggning av biogasens koldioxid med aska från trädbränslen för att nå fordonskvalitet (97 % metanhalt) Föreslå utformning och preliminära kostnader för system där uppgradering med aska ingår Mål Att ta fram grundläggande data och information som visar på förutsättningar och begränsningar med konceptet och utgör ett underlag för kommande studier
70% flis, 10% returflis, 10% sågspån och bark, 10% salix Bottenaska ENA Energi i Enköping. Våt utmatning Sågverksflis Botten- och flygaska från Kungsängens försöksgård, SLU. Torr utmatning Träpellets Material och metod Till försöken användes askor från förbränning av: Bottenaska från Sala Heby Energi. Torr utmatning Enhet! ENA$aska! Pelletsaska! Flisaska! Torrdensitet*! kg/l! 0,42! 0,43! 0,50! Torrsubstans! %! 48,2! 99,5! 89,4*! Glödförlust!550! C*!! %+av+ts! 7,5! >0,5! 5,5! Glödförlust!1000! C!! %+av+ts! 9,6! 14,2! 30,4! SiO 2! %+av+ts! 53,7! 7,8! 7,9! Al 2 O 3! %+av+ts! 9,6! 1,5! 1,2! CaO! %+av+ts! 9! 36! 31,2! Fe 2 O 3! %+av+ts! 4,2! 2,1! 0,6! K 2 O! %+av+ts! 4,6! 10,1! 14,1! MgO! %+av+ts! 2,8! 8,5! 7,0! MnO! %+av+ts! 0,3! 3,5! 1,9! Na 2 O! %+av+ts! 2! 0,5! 0,3! P 2 O 5! %+av+ts! 0,9! 3,5! 2,8! TiO 2! %+av+ts! 0,9! 0! 0,04! *Egen!analys! Träpelletsaska
Askan som använts i försöken Pelletsaska Flisaska ENA-aska Sintringsprodukt ENA-askan
Försöksuppställning Vattenlås Temp Gastub: 65% metan 35% koldioxid Gasflöde och volym Askbehållare (20 L) Gasanalys Tryckindikator Våg
Resultat CO 2 -upptag flisaska Försök 5. Flis 1-stegs-försök Försök 6 och 7. 2-stegs-försök Andel (%) 100 90 80 70 60 50 40 30 20 CH4 CO2 Andel(%) 100 90 80 70 60 50 40 30 20 CH4 försök 6 CH4 försök 7 CO2 försök 6 CO2 försök 7 10 10 0 0 10 20 30 40 50 60 Tid (h) 0 0 10 20 30 40 50 60 70 80 Tid(h)
Resultat Sammanfattning CO 2 -upptag Pelletsaska effektivast. 0,24 g CO 2 /g torr aska Flisaska 0,15 g CO 2 /g torr aska ENA-aska 0,012 g CO 2 /g torr aska. Ej tillfredställande metanhalt.
Resultat ph för flis- och pelletsaska 14 ph innan och efter behandling 13,5 ph 13 12,5 12 11,5 11 pellets torr pellets obehandlad flis obehandlad pellets behandlad 1 steg pellets behandlad 2 steg flis behandlad 10,5 10
Resultat Askförbrukning småskalig uppgradering Enhet! Basfall! Årlig!gasprodukOon! GWh! 0,5! 1! 1,5! Uppgradering7från7657%7metan! Biogas!(65!%!metan)! nm 3! 77!077! 1547154! 231!232! Flöde!biogas! nm 3 /h! 9! 18! 26! VarakOghet!container! veckor/container! 2,0! 1,0! 0,7! Förbrukning!aska! container/år! 26! 52! 78! Uppgradering7från7907%7metan! Biogas!(90!%!metan)! nm 3! 55!667! 1117334! 167!001! Flöde!biogas! nm 3 /h! 6! 13! 19! VarakOghet!container! veckor/container! 9,7! 4,8! 3,2! Förbrukning!aska! container/år! 5! 11! 16! Antagande: 8 ton torr aska/container
Resultat Föreslagen systemutformning för uppgraderingsanläggning baserat på aska
Resultat Kostnadskalkyl och uppgraderingskostnad Förutsättningar för kostnadsberäkningar 1 500 000 kr i anläggningskostnad inklusive markarbete 75 000 kr/år för drift, underhåll och service Arbetsbehov 2 timmar per vecka, a 300 kr/timme Kapitalkostnad*!(kr/år)! 131!000! Dri[,!underhåll!och!service!(kr!/år)! 75!000! Arbetskostnad!!(kr/år)! 31!000! Total7kostnad7(kr/år)! 2377000! Uppgraderingskostnad7(kr/kWh)! 0,24! *Beräknat!med!annuitetsmetoden.!Ekon.!livslängd!20!år,! 6!%!kalkylränta!
Slutsatser Aska från förbränning av pellets- och sågverksflis har god förmåga att binda upp koldioxid. Metanhalten i utgående gas har uppgått till 95-100 % under genomförda försök. Om gasen dessutom torkas stiger metanhalten ytterligare. Omrörning av aska har en positiv effekt på koldioxidupptaget. Fuktkvot ner mot 0,1 ger dåligt koldioxidupptag. Bäst resultat vid 0,4. Efter avslutade försök hade askans ph sjunkit med 2-3 enheter. För att uppgradera biogas från en anläggning som producerar 1 GWh gas per år förbrukas det motsvarande en container aska i veckan (8 ton torr aska per container). Uppgraderingskostnaden är enligt preliminära beräkningar 0,24 kr/ kwh fordonsgas. Det är ungefär halva kostnaden jämfört med dagens kommersiella teknik för småskalig uppgradering.
Kommande studier Fler försök där askans fuktkvot varieras. Försök där askbehållarens dimensioner varieras. Bestämma hur stor bottenarean ska vara i förhållande till höjden. Undersöka hur spårgaser som svavelväte reagerar i askbädden. Göra mer detaljerade analyser av utgående gas för att undersöka om det finns andra spårgaser till följd av askreaktioner. Undersöka mer ingående vilken effekt omrörning har på askans prestanda.
Framtidsvision Uppgradering med aska från trädbränslen Växtodling och djurprod. Rötrest Gödsel Skörderester Energigrödor Biogastraktor Biogas Biogas produktion produktion Uppgradering Aska Stabiliserad aska Skogsbruk Träd bränsle Kraftvärme