Bestämning av andel fossilt kol i avfall som förbränns i Sverige RAPPORT U2012:02 ISSN 1103-4092
Förord De schabloner som används idag vad gäller avfallsförbränningens bidrag till växthuseffekten bygger på plockanalyser och antaganden och ger en förenklad bild med stora felkällor. En studie med kol- 14-metoden har visat att andelen fossil koldioxid från avfallsförbränning, troligen är mindre än vad branschen och myndigheterna hittills trott. Målet med detta projekt har därför varit att bestämma det fossila koldioxidutsläppet från avfallsförbränning i Sverige genom mätningar i avfall och rökgas. Projektet har genomförts av Evalena W Blomqvist och Frida Jones, båda från SP Sveriges Tekniska Forskningsinstitut. Malmö januari 2012 Håkan Rylander Ordf. Avfall Sveriges Utvecklingskommitté Weine Wiqvist VD Avfall Sverige
Författarnas förord Detta projekt har varit ett stort nationellt projekt som har varit mycket intressant och lärorikt att projektleda. Alla deltagare i projektet har arbetat med stor entusiasm och generositet med sin kunskap. Vi vill därmed passa på att tacka alla projektdeltagare från följande organisationer; Avfall Sverige, Energimyndigheten, Naturvårdsverket, SP, Profu, Ramböll, Miljömätarna samt alla som deltagit från de sju avfallsförbränningsanläggningar: Dåva kraftvärmeverk Umeå Energi, Fortum Högdalen, Eon Händelöverket, Tekniska Verken i Linköping, Ryaverket Borås Energi och Miljö, Renova i Göteborg och Sysav i Malmö.
Abstract Determination of fossil content in combustible Swedish municipal solid waste This project aimed to determine the fossil carbon content in municipal solid waste combusted in Sweden by using four different methods at seven geographically spread combustion plants. In total the measurements campaign included 42 solid waste samples, 21 flue gas samples, three sorting analyses and two investigations of fossil carbon share by using the balance method. The fossil carbon content in the solid waste samples and in the flue gas samples was determined by using an accredited lab for C14-analysis. From the C14-analyses it was concluded that about a third of the carbon in solid waste is fossil. The two other methods, based on assumptions and calculations, gave similar results in the plants were they were used. Furthermore, the chemical characterization of all the solid waste samples showed a relatively homogenous elementary composition. A systematic error for the solid sampling method was discovered during the project, making the total measurement uncertainty 14 % fossil carbon, compared to 3 % fossil carbon for the flue gas samples. It was also noted that the accuracy of determining the fossil content by sorting analysis is greatly affected by the knowledge and correct data about different waste fractions, mainly the plastic fraction s, moisture content. Key words: Waste combustion, fossil share, C14
Sammanfattning Resultaten från detta projektet visar att andelen fossilt kol i det avfall som förbränns i Sverige är ungefär en tredjedel. Slutsatserna grundas på studier av avfall med fyra olika bestämningsmetoder på sju av Sveriges avfallsförbränningsanläggningar. Varje anläggning tog sammanlagt sex stycken prover på fast avfall och tre rökgasprover som båda analyserades med avseende på andelen fossilt kol vid Betalab Inc. i Miami, USA. Förutom fossilhaltbestämning gjordes också bränsleanalyser på alla fasta prover, vilket ger en god bild av avfallets kemiska sammansättning. Utöver fasta prover och rökgasprover utförde tre av anläggningarna plockanalyser och två anläggningar använde balansmetoden för att beräkna andelen fossilt innehåll med programvaran BIOMA. Balansmetoden är en beräkningsmetod som baseras på att det finns flera fundamentala skillnader mellan hur biogent och fossilt kol reagerar i en förbränningsprocess. Dessa skillnader möjliggör att deras reaktioner kan separeras genom beräkningsmodeller. Resultaten från den kemiska karaktäriseringen av avfallet visar på att skillnaden mellan de prover som innehöll mycket verksamhetsavfall, närmare 80 %, och de prover som endast togs på hushållsavfall inte är så stor. Huvudparametrar såsom kol, syre och väte uppvisar en relativ standardavvikelse som är mindre än 10%. Det samlade effektiva värmevärdet på alla prover uppmättes till 11 MJ/kg. Resultatet från fossilhaltbestämningarna i alla de fast proverna och rökgasproverna visar att 36% respektive 38% av kolet har ett fossilt ursprung. En andel som motsvara en fossil kolhalt på ca 10 vikt-% i en avfallsblandning. Det två andra metoderna som är baserade på antagande och beräkningar har, i de anläggningar där de testats, givit upphov till ungefär samma resultat som de två testade provtagningsmetoderna. Enkelt kan detta uttryckas som att cirka en tredjedel av kolet i det avfall som förbränns i Sverige har fossilt ursprung. Ett systematiskt fel i fastbränsleprovtagningsmetoden upptäcktes under projektet. Det visade sig att metoden ger upphov till för låga resultat vid låg fossil andel samt något för höga resultat vid högre andel fossilt material i avfallet. Den totala mätosäkerheten (dvs summan av det slumpmässiga och systematiska felen) uppskattas till 3% fossilt kol för rökgasprovtagningsmetoden medan fastbränslemetoden har en betydligt större osäkerhet pga det systematiska felet, motsvarande 14 % fossilt kol. Noggrannheten i fossilhaltsbestämning genom plockanalysmetoden påverkas mycket av att det finns bra kunskap och fakta om olika fraktioners, och då främst plasts, fukthalt.
Balansmetoden utvärderades under tre månader genom att programvaran installerades under tre månader hos en av anläggningarna samt att tidigare loggade data användes för vidare beräkningar från en anläggning. I det stora hela är balansmetoden en relativt användarvänlig metod, dock så finns det vissa områden som måste vidareutvecklas ytterligare innan det fungerar helt för detta ändamål. Metoden utvärderades endast under en kortare tid i detta projekt vilket gör att det finns stora möjligheter till att förbättra spridning och mätosäkerhet vid kontinuerlig användning. Förutom att utreda det fossila innehållet i avfall som går till förbränning avsåg projektet att undersöka användarvänligheten av de olika metoderna. Det är dock svårt att direkt jämföra de olika metoderna som använts i detta projektet eftersom de förutom uppskattning av det direkta fossila utsläppet av kol också ger annan information som är värdefull för anläggningsägaren. Val av metod kan därför också styras av andra omständigheter än den direkta bestämningen av det fossila utsläppet.
Summary The results from this project show that the share of fossil carbon in municipal solid waste used for combustion in Sweden is about a third. The conclusions are based on results from four different methods used in seven waste combusting plants in Sweden. Each plant took six solid waste samples and three flue gas samples, and both types were analyzed with the respect to the share of fossil carbon at Betalab Inc. in Miami, USA. Moreover, all solid waste samples were also used for further chemical characterization, which gave a good picture of the waste s chemical composition and it s variations. In addition to the solid samples and flue gas samples, three of the plants performed sorting analyses and two plants used the balance method to calculate the fossil content by using the software BIOMA. The balance method is a method based on that there are several fundamental differences between how the biogenic and the fossil carbon react in a combustion process. These differences allow separation of the processes by computer models. The results from the chemical characterization of the waste show that the difference between the samples that contained high shares of industrial waste (nearly 80 %), and the municipal solid waste, were not as great as first expected. The main parameters, such as carbon, oxygen and hydrogen show a relative standard deviation of less than 10 %. The mean calorific value of all samples was measured to be 11 MJ/kg. The results from the fossil share study of all solid samples and flue gas samples shows that the carbon with fossil origin is 36 % and 38 %, respectively. This correspond to a fossil carbon share of approximately 10 wt-% in a waste mixture. The two other methods, based on assumptions and calculations, gave similar results in the plants were they were used. Simplified, it can be expressed that a third of the waste that is combusted in Sweden has fossil origin. During the project a systematic error in the solid waste sampling method was discovered. It turned out that the method give rise to too low results when there is a low fossil carbon percentage and a slightly too high results when there is a higher share of fossil material in the waste. The total measurement uncertainty (i.e. the sum of the random and systematic errors) is estimated to 3 % fossil carbon for the flue gas samples, while the solid sampling method has a much greater uncertainty due to the systematic error, corresponding to 14 % fossil carbon. The accuracy of determining the fossil share by sorting analysis is greatly affected by the knowledge and correct facts about different waste fractions, mainly the plastic fraction, moisture content. The balance method was evaluated over a three-month period by installing the software in one plant, and use previously logged data from another to perform calculations. Overall, the balance method is a user-friendly method, however, there are some areas that need to be developed further before it works fully for this purpose. The method was only used for a short period of time in this project which means that there are significant chances to improve the measurement uncertainty for continuous use. Beside investigating the fossil share of the waste, the project was also established to investigate the usability of various methods. However, it is difficult to directly compare the different methods used in this project because beside the estimation of emitted fossil carbon the methods provide other information, valuable to the plant owner. Choice of method can also be controller by factors other than the direct determination of the fossil fuel emissions.
Ordlista AMS pmc SD SRF Accelerator Mass Spectrometry Percentage Modern Carbon Standardavvikelse Solid Recovered Fuel
INNEHÅLLSFÖRTECKNING 1 Bakgrund 1 1.1 Projektmål 1 1.2 Projektgrupp 2 1.3 Lagar och förordningar 2 1.4 Tidigare studier i Sverige 3 2 Metoder 4 2.1 Provtagningsplan 4 2.2 Provtagning av fast avfallsbränsle 5 2.2.1 Rosterpanna 5 2.2.2 Fluidiserad bädd 5 2.3 Bränsleanalyser 5 2.3.1 Elementaranalys 5 2.3.2 Bestämning av andel fossilt kol i fasta avfallsprover 6 2.4 Provtagning av rökgas 6 2.5 Bestämning av andelen fossilt kol 6 2.5.1 Bakgrundshalt 6 2.5.2 Beräkning av fossilt kol 7 2.5.3 Fossilfritt avfall en referens 8 2.6 Balansmetoden 8 2.7 Plockanalysmetoden 9 2.7.1 Plockanalyser 9 2.7.2 Beräkningsmetod 10 3 Resultat 11 3.1 Kemisk karaktärisering av avfall 11 3.2 Bestämning av fossilt kol i avfall genom kemisk analys 12 3.2.1 Bakgrundshalt för avfall 13 3.2.2 Beräkning av fossilt kol i avfall med olika bakgrundshalter 14 3.3 Fyra metoder för bestämning av fossilhalten i avfall 14 3.3.1 Jämförelse av fastbränsleprovtagning och rökgasprovtagning 15 3.3.2 Balansmetoden 16 3.3.3 Plockanalysmetoden 19 3.3.4 En anläggnings utvärdering av alla fyra metoder 22 4 Slutsatser 25 5 Fortsatt arbete 26 6 Referenser 27
1 Bakgrund Avfallsbranschen står mest sannolikt inför styrmedelsförändringar de närmaste åren, till exempel är det troligt att utsläppsrätter för fossilandel i hushållsavfall kommer att införas 2013. Förändringar som dessa aktualiserar metoder för en korrekt bestämning av fossil- respektive biogenandel i utsläppen från avfallsförbränning. De metoder man idag använder för att uppskatta avfallsförbränningens utsläpp av fossilt kol bygger på plockanalyser och schablonberäkningar, vilket mest sannolikt ger en förenklad bild med möjlighet till stora felkällor. Analysresultat från en mindre förstudie, som genomfördes av Renova i Göteborg, visade på att andelen fossil koldioxid från avfallsförbränning kan vara lägre än vad man tidigare antagit. Som ett resultat av denna mindre studie initierades detta projekt för att noggrant utreda och att samla underlag till en diskussion kring avfallsförbränningens roll i ett klimatanpassat avfallshanterings- och energisystem. Resultaten från ett sådan utredning kan därefter användas som underlag för att bättre bedöma klimatpåverkan från avfallsförbränning samt även fungera som underlag vid diskussioner om olika styrmedel, såsom exempelvis elcertifikat och handel med utsläppsrätter. Sverige är inte det enda landet som nu valt att utreda frågan om avfallsförbränningens direkta fossila utsläpp. Som exempel kan det nämnas att det pågår eller håller på att startas upp studier i Danmark, Holland och England. 1.1 Projektmål Projektet syftar till att bestämma andelen fossilt kol i det avfall som förbränns i Sverige samt att utvärdera fördelar och nackdelar med fyra olika bestämningsmetoder nämligen: 1. provtagning av det fasta avfallet, 2. rökgasprovtagning, 3. beräkningar enligt balansmetoden och slutligen 4. modellering baserad på plockanalyser Eftersom ett stort antal fasta avfallsprover kommer genereras inom ramen för projektet så möjliggör det även en kemisk karaktärisering av det avfall som förbränns i Sverige. Det långsiktiga och övergripande målet med projektet är att ge branschen och myndigheterna bra faktaunderlag för kommande diskussioner om förändring i framtida styrmedel inom avfallsområdet. 1
1.2 Projektgrupp Projektet initierades och finansierades av Avfall Sverige 2010. Andra finansiärer till projektet är Energimyndigheten och det sju medverkande avfallsförbränningsanläggningar: Dåva kraftvärmeverk Umeå Energi, Fortum Högdalen, Eon Händelöverket, Tekniska Verken i Linköping, Ryaverket Borås Energi och Miljö, Renova i Göteborg och Sysav i Malmö. Projektledning står SP Sveriges Tekniska Forskningsinstitut för tillsammans med en styrgrupp bestående av representanter från varje medverkande anläggning, Avfall Sverige, Energimyndigheten och Naturvårdsverket. Inblandade i projektet är också Miljömätarna AB, Ramböll Energy och Profu, som i nämnd ordning utför analyser i rökgas, balansmetodberäkningar och plockanalysberäkningar. 1.3 Lagar och förordningar Avfallsförbränning är ett område som är väl reglerat. Sektorn faller under både regelverken för avfallshantering samt gällande regelverk för energisektorn. Regelverk och styrmedel på området har skjutit in sig på olika saker, i detta avsnitt nämns dock bara en del av de som varit relevanta med avseende på fossilandel i avfallet. Skatt på förbränning av avfall har utretts vid ett flertal tillfällen. De senaste exemplen på detta är En BRASkatt? - beskattning av avfall som förbränns [1] och Skatt i retur [2]. Den förstnämnda ledde efter en del turer och ändringar till inkluderandet av hushållsavfall bland de bränslen som skulle beskattas enligt lagen om skatt på energi [3] 1 juli 2006, medan den sistnämnda var huvudförklaringen till varför hushållsavfall exkluderades igen i samma lag från och med 1 oktober 2010. Målen med skatt på förbränning av avfall har varit flera. Dels att styra mer mot materialåtervinning men också att styra korrekt mot de svenska principerna i energisystemet (såsom kraftvärmeproduktion). När avfallet så beskattades gjordes det utifrån en schablon om att 12,6 % av hushållsavfallet utgörs av fossilt kol. Dessutom var det enbart hushållsavfallet som beskattades. Schablonen infördes för att det bedömdes som för svårt och kostbart att mäta fossilandelen. Skatt i retur slog också ner på dessa faktorer och konstaterade att skatten saknade den styrande effekt den var tänkt att ha, förutom mot kraftvärme. I dagsläget finns det ytterligare en schablon för andel fossilt/biogent i just hushållsavfall. Det är i lagen om ursprungsgarantier, som började gälla 1 december 2010, där energin från hushållsavfall anses vara till 60 % förnybar. I den nya handelsperioden inom EUs system för utsläppsrättshandel (ETS) som sträcker sig från 2013 till 2020 inkluderas samförbränningsanläggningar. Statusen för de svenska anläggningarna som traditionellt setts som avfallsförbränningsanläggningar är oklar och det kan vara så att vanliga avfallsförbränningsanläggningar kan komma att omfattas av systemet från 2013. Detta har ytterligare satt frågan om mätning av de fossila CO 2 -utsläppen på sin spets då regelverken kring ETS kräver hög noggrannhet på bestämningen av utsläppen. Noggrannheten som krävs är anpassad efter mer homogena bränslen som olja och kol men spiller över på avfallet då samma noggrannhet krävs oavsett bränsle. För tillfället pågår arbetet med att ta fram en förordning för mätning och övervakning i samband med ETS. Då den inte är färdig kan det bara konstateras att projektets resultat i högsta grad är intressanta även ur den lagstiftande aspekten. 2
1.4 Tidigare studier i Sverige I rapporten CO 2 utsläpp från svensk avfallsförbränning [4] från 2003 har Profu studerat hur stor del av bränslet vid svenska avfallsförbränningsanläggningar som bör räknas som fossilt. Resultaten är baserade på avfallssammansättningen som rapporterats från svenska avfallsförbränningsanläggningar till RVF 1 från 1996 fram till att studien genomfördes. I slutsatserna för projektet menar Profu att ca 14 vikt-% av det inkommande avfallet har fossilt ursprung. Rapporten finns också sammanfattad med ett extra förord och kommentarer i RVF:s rapport 2003:12 [5]. Resultaten i rapporten ligger bakom riktlinjer såsom att 85 % av avfallsbränslet bör beaktas som biobränsle samt rekommendationer om att CO 2 -faktorn för förbränning av avfall bör vara just 25 g/mj bränsle i officiell rapportering. Avfallsbolaget Renova i Göteborg har på eget initiativ studerat fem bränsleprover tagna 2008 från avfallskraftvärmeverk i Sävenäs i Göteborg. Proverna på blandat avfall togs ur avfallsbunkern enligt samma metod som användes i detta projektet. Därefter analyserades fossilandelen genom kol-14- analyser hos ett ännu ej ackrediterat laboratorium. Dessa första resultat visade på att andelen fossilt kol i det blandade avfallet endast var ca 10%, vilket är väldigt mycket lägre än det som antagits i schabloner som används av myndigheter och inom avfallsbranschen idag [5]. Eftersom resultaten i dessa första analyser var oväntat låga analyserades dessa igen vid ett senare tillfälle hos Beta Analytics i USA som är ett ackrediterat analyslaboratorium. Analysresultaten visade då på en fossilandel närmare 30%. Detta visar på vikten av att använda sig av ett laboratorium som är ackrediterat för bestämning av fossilandelen kol. 1 RVF har sedan dess bytt namn till Avfall Sverige 3
2 Metoder 2.1 Provtagningsplan I projektet ingår sju förbränningsanläggningar med geografisk spridning från Malmö i söder till Umeå i norr samt med en fördelning mellan roster och fluidbädd teknik som speglar Sveriges avfallsförbränningsanläggningar, se Tabell 1. Alla sju anläggningar tog under perioden oktober 2010 till augusti 2011, sex representativa bränsleprover, tre rökgasprover samt genererade två s.k. fossilfria avfallsprover. Utöver detta utförde fyra av anläggningarna plockanalyser för input till kommande beräkningar/modelleringar samt att två anläggningar även utvärderade balansmetoden. Alla metoder är utförda så att ett representativt dygnsprov ska erhållas samt att proverna har tagits utspridda i tiden så att matrisen på bästa sätt representera ett års avfallsförbränning i Sverige. Provtagningsmatrisen nedan visar när i tiden de olika provtagningarna utfördes på varje anläggning (Tabell 2). Tabell 1 Deltagande anläggningar Anläggning Stad Typ av anläggning Renova Göteborg Roster Sysav Malmö Roster Umeå Energi Umeå Roster Fortum Högdalen Stockholm Roster Tekniska Verken Linköping Roster EOn Händelöverket Norrköping Fluidiserad bädd Borås Energi och Miljö Borås Fluidiserad bädd Tabell 2 Provtagningsmatris för projektet. År 2010 2011 Månad S O N D J F M A M J J A Renova A A A A, R A, R, A, R, F P, F Sysav A A A A, R F A, R A, R, F, P Umeå Energi A A A, F A A, R, F Fortum A A A A, R, F A, R, F A, R, P Högdalen Tekniska Verken A A A, A, R A, R A, R, P Eon A A A A, R, F A, R A, R,F Händelöverket Borås Energi och Miljö A A A, R A, R A R, F A, R A = Fast avfallsbränsleprov, R = Rökgasprov, P = Plockanalys för beräkningar, F = Fossilfritt avfallsprov 4
2.2 Provtagning av fast avfallsbränsle Provtagning av avfall är en komplicerad process på grund av osäkerheten att erhålla ett representativt prov från en relativt heterogen blandning. Sammansättningen i en stor avfallsbunker ska i slutet representeras av ett prov på endast några gram som används för den kemiska analysen. Ett prov kan användas om provtagningen har utförts korrekt och på ett representativt sätt men med förbehållet att det endast representerar ett visst avfall och dess unika sammansättning vid det tillfället. Genom att utföra upprepade provtagningar under en längre tid erhålls en bättre överblick av bränslets sammansättning. Komplexiteten i provtagning påverkas i stort av om avfallsbränslet är förbehandlat genom krossning eller inte innan det förbränns. Mer information om provtagningen finns i Appendix I. Provtagning av det fasta avfallsbränslet utfördes av personal från varje anläggning. 2.2.1 Rosterpanna Då huvuddelen av avfallet inte krossas och blandas innan förbränning i en rosterpanna har provet en hög heterogenitet. Detta gör att bränslet kräver en komplex provtagningsprocess för att bränsleprovet skall bli representativt. I ett tidigare arbete kvalitetsutvärderades en metod för provtagning och neddelning av heterogent avfall, denna provtagningsmetod används i detta projekt [6]. Metoden inleds med att materialet i bunkern blandas av traversföraren innan provet på fem till sju ton tas ut. Därefter krossas och blandas provet innan det slutligen neddelas till 30 kg. En neddelningsmetod baserad på CEN/TS15442 användes därför under provtagningskampanjen vid rosteranläggningarna. Prov skickas därefter vidare för provberedning och analys. En del av provet sparades också för eventuellt framtida analyser. 2.2.2 Fluidiserad bädd I de två anläggningarna som har fluidiserande bäddar är det inkommande avfallet förbehandlat och krossat och därmed även blandat. Detta medför att en relativt enkel provtagning av det fasta avfallet kan utföras med en spade direkt i fallande ström innan det matas in i bädden och förbränns. Ett representativt dygnsprov på 30 kg erhålls genom att flera prover tas utspridda under provtiden. Den slutliga provvolymen skickas därefter vidare för provberedning och analys. En del av provet sparades också för eventuellt framtida analyser. 2.3 Bränsleanalyser 2.3.1 Elementaranalys Samtliga prover provberedes och analyserades vid SPs ackrediterade kemilaboratorium. Proverna neddelades och maldes enligt rutiner och standarder för provberedning inför analys. För varje bränsleprov genomfördes en analys av huvudelement, en analys av askbildande ämnen (oorganiska komponenter med en koncentration på normalt g/kg torrt bränsle) och en spårämnesanalys (komponenter som har en låg koncentration, normalt mg/kg torrt bränsle). Tabell 3 visar de olika analysmetoderna som användes samt vilka parametrar som analyserades i proven. 5
Tabell 3 Analysmetoder för bränsleproverna Parameter Metod Fukt SS-EN 14774-2 Askhalt SS-EN 14775 S, Cl CEN/TS 15289 C, H, N CEN/TS 15104 Värmevärde SS-EN 14918 Askbildande element (Al, Si, Fe, Mn, Ti, Ca, Mg, Ba, Na, K, P) Mod. ASTM D 3682 Spårämnen (As, Pb, Cd, Cr, Cu, Co, Ni, Zn, V, Mo, Sb) Mod. ASTM D 3683 Hg EPA 7473 2.3.2Bestämning av andel fossilt kol i fasta avfallsprover De malda och provberedda proverna från den kemiska analysen skickades till det ackrediterade laboratoriet Beta Analytic Inc. i Miami, USA, för vidare bestämning av halten fossilt kol. Proverna analyserades med AMS (Accelerator Mass Spectrometry) enligt standarden SIS-CEN 15747. 2.4 Provtagning av rökgas Rökgasprovtagning genomfördes vid tre tillfällen vid varje anläggning enligt standard ASTM D7459-08. Eftersom provtagningsmetoden är baserad på ett konstant flöde över tid (motsvarar ett provtagningsflöde på ca 12-15 ml/min) måste anläggningen gå med relativt jämn last. I standarden finns det angivna godkända gränser för hur mycket flödet i anläggningen får variera för att provtagningsmetoden kan anses vara likvärdig en flödesproportionell provtagning. Vid provtagningen loggades därför minst en parameter som direkt kunde kopplas till driftens stabilitet och pannlast (exempelvis: rökgasflöde, bränsleflöde etc.). Rökgasprovtagningarna inom projektet kan enligt standarden anses vara likvärdiga med en flödesproportionell provtagning. Provtagningen utfördes efter rökgasrening under ett dygn samtidigt som en parallell provtagning av det fasta avfallet utfördes. Under ett dygn insamlades totalt 20 liter rökgas. Provet neddelades därefter och ett 5-liters prov skickades direkt vidare för fossil bestämning medan resten sparades som reserv. Gasproverna analyserades med AMS enligt standardmetod SIS-CEN 15747 av Beta Analytic Inc. i Miami, USA. Provtagningen utfördes av Miljömätarna i Linköping AB. 2.5 Bestämning av andelen fossilt kol 2.5.1 Bakgrundshalt För att kunna beräkna andelen fossilt kol i ett material relateras den uppmätta halten till en bakgrundshalt som är representativt för materialets ålder. Denna bakgrundshalt representerar kvoten mellan 14 C/ 12 C isotoperna i atmosfären för den tiden som materialet växte och därmed adsorberade koldioxid. Kvoten mellan 14 C/ 12 C isotoperna i atmosfären har uppmätts sedan 1950-talet och presenteras i Figur 1 som pmc (percentage Modern Carbon). Den tydliga toppen i mitten av 60-talet orsakades av atombombprovsprängningar i atmosfären, därefter sjunker den relativa halten av kol-14 i atmosfären. Ett fossilt material uppmäter ett pmc lika med noll medan en ung biomassa (ex gräs, mat) har ett pmc motsvarande dagens kvot i atmosfären dvs 107. Biomassa som t ex är äldre exempelvis 40 respektive 20 år uppmäter en bakgrundshalt motsvarande 131 och 114 pmc (Figur 1). Om materialet är relativt homogent och har växt under en begränsad period kan bakgrundshalten uppskattas med relativt god 6
säkerhet (exempelvis ett homogent biobränsle). För heterogena material såsom tex SRF (Solid Recovered Fuel) och avfall blir fallet något mer komplext eftersom kol fraktionen är heterogen. Detta betyder att en representativ bakgrundshalt för avfall är en mix av olika pmc från dagens nivåer och så långt bak som kanske 30-talet. I SIS-CEN/TS 15747:2008 rekommenderas en gällande bakgrundshalt för SRF till 112 pmc. Detta värde har beräknats genom en antagen sammansättning av de olika kolkällorna. Figur 1 Förändring av den relativa kol-14-halten i atmosfären från 1955 till mitten av 1990-talet [7]. 2.5.2 Beräkning av fossilt kol Andelen fossilt kol som uppmäts i provet beräknas enligt formel nedan: C fossil = Fossilt kol (%) C total = Kol uppmätt (%) pmc uppmätt = Uppmätt kvot i provet (%) pmc REF = Beräknad bakgrundshalt (%) Räkneexempel: Ett SRF prov, dvs bakgrundshalt (pmc REF ) motsvarar 112, uppmäter 61,7 pmc och innehåller 52,0 % C. Andelen fossilt kol blir då 71,4 %. Det är tydligt att bakgrundshalten har betydelse för resultaten vilket gjorde att projektgruppen valde att försöka utreda möjligheten i att uppmäta en representativ bakgrundshalt för avfall genom att generera fossilfria avfallsprover. 7
2.5.3 Fossilfritt avfall en referens För att ta fram en bakgrundshalt för projektet utfördes två kompletterande provtagningar av avfall vid varje anläggning. Ett prov med oöppnade soppåsar neddelades enligt samma metod som tidigare så att ett representativt prov på 30-50 kg erhölls. De fossila materialet i detta prov utsorterades därefter enligt bästa förmåga och det kvarvarande sk fossilfria provet skickades för vidare analys. 2.6 Balansmetoden Balansmetoden är en beräkningsmetod baserad på massbalanser och energibalanser som tillsammans ger ett överbestämt ekvationssystem. Metoden använder sig av driftdata från befintligt styrsystem på anläggningen. Den viktigaste indata är balansen mellan syrekonsumtionen och koldioxidbildning i processen. Själva metoden bygger på att det finns flera fundamentala skillnader mellan hur biogent och fossilt kol reagerar i en förbränningsprocess vilket möjliggör att deras reaktioner kan separeras. Några av dessa skillnader är: Kol/Syre kvot: Fossila bränslen som t.ex. plast har en hög kol:syre kvot i extremfall som t ex polyeten är förhållandet oändligt eftersom polyeten inte innehåller något syre alls. Medan en typisk biomassa, t.ex. cellulosa, (-C 6 H 10 O 5 )- n, kan ha en kol:syre kvot på nästan 1. Syre konsumtion: På grund av det högre syre innehållet i ett biogent material konsumerar dessa mindre fritt O 2 (d.v.s. fritt syre tillsatt genom förbränningsluften) vid förbränning. Energiinnehåll: Ett fossilt material har generellt ett högre energiinnehåll eftersom biogent material innehåller mer vatten och mindre inert material per massa. Vid förbränning av avfall produceras CO 2 samtidigt som O 2 från luft förbrukas enligt nedan två generella reaktioner specifika för de två kolkällorna: A. Biomassa (cellulosa): (-C 6 H 10 O 5 -) n + 6O 2 6CO 2 5H 2 O B. Fossilt (Polyetenplast): (-CH 2 -CH 2 -) n + 3O 2 2CO 2 + 2H 2 O Där är alltså en skillnad på hur mycket O 2 de olika reaktionerna förbrukar; reaktion A förbrukar 1 mol O 2 för varje mol producerad CO 2 medan reaktion B förbrukar 1,5 mol O 2 för varje producerad mol CO 2. Detta ger en skillnad på 50 % i O 2 förbrukningen beroende på om ett biogent eller fossilt kol är källan till CO 2. Genom att utgå från de två ytterligheterna, 100 % biogent material respektive 100 % fossilt material, kan teoretiska värden för värmevärde (HV waste, kj/kg) och syreförbrukning (O 2 ) beräknas. Ett Cwaste plausability test för att kontrolleras om de aktuella beräknade värdena är rimliga, d.v.s. ligger innan för gränserna för vad som är möjligt kan också utföras. För att kunna genomföra beräkningarna krävs information om följande processparametrar: 8