1 En bra kvalité på råvaran för förgasning av biomassa Ulf-Peter Granö 2013
2 En bra kvalité på råvaran för förgasning av biomassa För bra kvalité på slutprodukterna ska också bioenergiråvaran som tas fram ur skogen, hålla hög kvalité i alla delarna av en fungerande hanteringskedja för hanteringen av råvaran. Ulf-Peter Granö Karleby/Kokkola 2013
3 Innehållsförteckning Sida Inledning 5 Råvarans kvalité viktig vid förgasning 6 Maskinell skörd och naturlig torkning 6 Flisning av rå flis 7 Torkning av rå flis 7 Eftertorkning av fälttorkad flis 8 Kvalitetsflis kräver kvalité i arbetet i hela hanteringskedjan 8 Några allmänna tumregler 9 Flisning 10 Transport 10 Logistik och eftertorkning 10 Lagring av torkad flis 11 En effektiv fälttorkning 11 Exempel på Logistik för biomassan 11 Biomassa från gallringar 12 Naturlig torkning 13 Utrustning för sönderdelning av biomassa 14 Mindre eller större entreprenörer 14 Eftertorkning av skogsflis för förgasning 16 Nyttja den naturliga torkningen 16 Små kraftvärmeverk för biomassa 17 Teknologin för små CHP enheter 18 ORC enheter tillverkas i Europa 18 Stirling motorer främst i små anläggningar 19
4 Sida Mikroturbin 19 Fördelarna med Mikroturbinen är bl.a. att de, 19 IC-motorer (gasmotorer) 20 I framtiden kommer bränsleceller för Bio-Syngas 21 Många olika utvecklingsmöjligheter 21 References 22
5 En bra kvalité på råvaran för förgasning av biomassa Inledning Forskning och uppföljning av småskalig produktion och förädling av biomassa för lokala och regionala konsumenter är en viktig del i kvalitativt utvecklingsarbete. Med småskaliga lösningar förbättras förutsättningarna att skapa arbete för landsbygdens arbetskraft inom energiproduktion och förädling. Aktiva småföretag och energikooperativ behövs för skörd, hantering och förädling av de lokala energiråvarorna för lokala och regionala förbrukare. För att lyckas med att producera en hög kvalité av slutprodukter finns en del saker man bör tänka på och beakta i hela förädlingskedjan; - Välj bra kvalité på råvaran för att få låga barkmängder - Nyttja den naturliga torkningen på rätt sätt för att spara torkningskostnaderna - Använd en robust utrustning som kan ge en hög kvalité på flisråvaran - Integrera verksamheten med t.ex. förgasning av biomassa och en småskalig CHP enhet - Nyttja samarbeta med ett lokalt energikooperativ och företagare - Satsa utgående från närområdet och närregionens konsumenter Genom en lämplig kombination och en bra tillämpning kan man i förädlingen nå en högre nyttjande grad av råvaran och sidoprodukterna. Det bidrar till att avfall och outnyttjade sidoprodukter samtidigt också kan minska på miljöbelastningen. Bild 1. Jämn och bra träflis. Ojämn och dålig träflis.
6 Råvarans kvalité viktig vid förgasning Det finns idag ett märkbart ökat intresse för att få bästa möjliga kvalité på träflisen som ska vidareförädlas, och det kräver att det i varje hanterings- och processkede görs bästa möjliga insatser. Kvalitetsarbetet börjar i skogen. Det finns ett par olika basmetoder för hantering av kvalitets energiråvara från skogen. 1. Hantering som rå flis, flisning av en färsk kvistad råvara intill en skogsbilväg. 2. Hantering som kvistad träråvara, och flisning efter en naturlig torkning i fält. Maskinell skörd och naturlig torkning Vid skörd av energiråvara används maskinell utrustning, och ofta med MTH-aggregat eller flerträdsfunktion. (MTH=Multi-tree handling) Bild 2. MTH-aggregat som gruppkvistar. Bild, John Deere Forestry AB (www.deere.se) En vågutrustning till ett energiskördeaggregat kan underlätta beräkningen av den skördade mängden energived. Med en våg som är kranspetsmonterad kan man ha ett alternativ för bestämning av mängden energived som skördas eller körs ut med en drivare. Vågutrustningen kan också vara monterad på ramen till en skotare eller drivare.
7 Bild 3. En kranspetsmonterad våg för vägning av energived Flisning av rå flis Hanteringskedja som byggs upp för att flisa rå flis ställer stora krav på att råvaran används inom en begränsad tid, speciellt under den varma årstiden. Mikroorganismerna sätter direkt igång sin nedbrytningsprocess, som medför en temperaturstigning, en ojämn uppfuktning och rikligt med mögeldamm. För tillverkning av kvalitetsflis ska kvistar och gröndelar lämnas kvar i skogen. Efter flisningen bör materialet kunna torkas i en effektiv tork för att därefter mellanlagras under tak innan flisen går till vidareförädling. Torkning av rå flis Torkning av rå träflis direkt efter skörd, när fukthalten är mellan 45 55 %, betyder att en mycket stor mängd vatten ska avlägsnas för att komma ner till en fukthalt under 15 % - 25 % som många av förgasningsanläggningarna kräver. Det finns många olika typer av flistorkar finns att välja på, bra alternativ för en bättre torkningskvalité kan vara t.ex. en roterande trumtork, silotork, torntork eller bandtork.
8 Bild 4. En naturlig torkning i fält på en öppen plats och i en engivedshög som täcks innan höstregnen börjar. Eftertorkning av fälttorkad flis Efter flisningen av den naturligt torkade energiveden i fält är fukthalten ofta mellan 25-40 %. Därför behövs en eftertorkning för att nå en fukthalt under 15-20 % vara rätt utformad. För att kunna nå en vattenhalt under 20 % bör någon form av förvärmd luft användas. Det krävs en effektiv tork som kan nyttja spillvärme för att hålla torkkostnaderna nere. För en mindre flisproducent betyder det ofta att torkanläggningen byggs i anslutning till en lokal fjärr- eller närvärmeanläggning. Kvalitetsflis kräver kvalité i arbetet i hela hanteringskedjan För att uppnå och kunna bibehålla en tillräckligt hög kvalité på energiråvaran för en hög kvalité på flisen måste de olika arbetena i hanteringen, från skörd till vidareförädling, utföras på ett tillräckligt bra sätt. Kvalitén på energiråvaran som når förädlingsanläggningen påverkas av, förutom av kvalitén på skogsråvaran, kvalitén i arbetet i de olika delarna i hanteringskedjan.
9 Några allmänna tumregler För hantering av energiråvara till vidareförädling kan några vanliga tumregler vara; - Undvik att energiråvaran smutsas ner av jord och damm och andra föroreningar vid skörd och transport - Avlägsna näringsrika gröna delar vid skörd - Skilj åt olika kvalitéer av råvaror i ett tidigt skede - Välj bra plats för den naturliga torkningen och lagringen, där nedsmutsning kan undvikas och torkningen kan ske på bästa sätt - Täck högarna med energiråvaran för naturlig torkning innan höstregnen - Undvik att göra stora mängder fuktig träflis för långtidslagring, i fuktig flis startar lätt mögelbildningen och nedbrytningen av energin dessutom sprids mögelsporer lätt i omgivningen - Minimera risken för mögelbildning i fuktig flis genom att i ett tidigt skede starta eftertorkningen - Skydda torkad energiråvara från nederbörd genom lagring under tak - Minimera möjligheterna för att markfukten ska kunna uppfukta en torkad flisråvara En väl förberedd lagringsplats ger goda förutsättningar för en bra torkning av energiveden. Bild 5. MTH kvistad glasbjörk ger en mycket bra energiråvara för kvalitet flis.
10 Flisning En bra hantering av energiråvaran vid flisningen ställer krav på föraren om stor noggrannhet och att flisningsutrustningen ger en bra sönderdelning med en bra fliskvalité. Material av tveksam eller undermålig kvalité ska sorteras bort innan flisningen. Bild 6. En större traktordriven flishugg som sköts av en van entreprenör ger ofta en bättre fliskvalité. Transport Transporten av energiråvaran från skogen till lagringsplats för fälttorkning, samt flyttning av flis från platsen för flisningen till flislagret och eftertorkningen, måste ske utan inblandning av föroreningar. Inblandning med jord sker lätt med lastutrustningen och från traktordäck. Logistik och eftertorkning I en välplanerad logistik för inläggning och uttag från torken underlättar en bra hantering. En eftertorkning som kan ske med små energiförluster och med en jämn slutfukthalt i flisen, ger samtidigt en högre kvalité på den torra flisen.
11 Lagring av torkad flis Efter att träflisen har torkats måste den lagras torrt under tak, utan att vatten kan tränga in i lagerutrymmet. Sker torkningen i satser behövs ett större buffertlager innan inmatningen i anläggningen för vidareförädling. En effektiv fälttorkning Erfarenheter och kunskaper visar att man kan nå en fukthalt på ner till 25-30 % med rätt små merinsatser. Några tumregler är, - Välj en öppen och luftig torknings- och lagringsplats - Ordna tillräckligt kraftiga underlägg till högen med energived - Täck högen innan höstregnen sätter in - Nyttja torkningsvädret under en sommarsäsong - Undvik att få snö och vatten in i högen vid uttag och flisning - Överårigt råmaterial bör brännas som flis, inte användas för vidareförädling Exempel på Logistik för biomassan För att biomassa ska vara tillgänglig vid förgasningen av träflis, krävs att logistiken och hanteringskedjan fungerar. Logistiken är beroende på vilken typ och kvalité av råvara som man ska använda. Tumregeln som ofta används är att desto homogenare och renare råvaran desto enklare blir reningsprocessen efter förgasningen. Utgångsläget är ofta tillgängligheten på råvaran och vad produktgasen eller Bio-SNG (BioSyngas) ska användas till. Ska den producerade gasen direkt förbrännas i en lokal CHP-enhet (kraftvärmeverk) ställs ofta rätt låga krav på produktgasens renhet. För annan användning ökar kraven. Skörd, hantering och förbehandling eller processning av biomassa från skogen kan ske på många olika sätt, helt beroende på vem som är säljare och köpare. Den största skillnaden i hanteringskedjan ser man ofta om det är fråga om en stor kund, ett kraftvärmeverk, eller en lokal kund som ett energi kooperativ (andelslag).
12 Bild 7. En förenklad översiktsbild över vilka vägar biomassan kan ta från, energiskog, gallringar eller slutavverkningar. Valen är många och användningsmöjligheterna och konkurrensen om biomassan ökar. För en småskalig förgasning på landsbygden, är det i första hand fråga om att kunna kombinera förgasningsanläggningen med den lokala CHP-enheten. Detta för att nyttja Biosyngasen från förgasningen för att producera både värme och el. Beroende på typ av förgasningsanläggning, kan det behövas mera eller mindre förtorkning av biomassan förrän den kan finfördelas och användas för förgasning. Biomassa från gallringar Utrustning för skörd och hantering av biomassa från gallringar använder ofta något mindre maskiner och utrustning, än för slutavverkningar där virket är grövre och en stor andel stockträd finns med.
13 Kvalitén på biomassa råvaran försämras snabbt om svampar, bakterier och insekter ges möjlighet att snabbt föröka sig under lagringen. Man kan minska risken för nedbrytning genom en förtorkning som ordnas på rätt sätt. Bild 8. Här finns ett par exempel på maskiner och utrustning i maskinkedjan. Naturlig torkning En naturlig lufttorkning är det förmånligaste alternativet för att bli av med den högsta fuktigheten i råvaran.
14 Bild 9. En väl utför täckning av energiråvaran ger en torrare slutprodukt. Beroende på förutsättningarna kan fukthalten i råvaran fås ner till och mel under 30 % vh (vattenhalt). Genom täckning innan höstregnen startar kan man få ett torrare material och nå minst 5 % enheter lägre fuktighet i energiråvaran, jämfört med en hög utan täckning. Utrustning för sönderdelning av biomassa För att använda biomassan från skogen i mindre värmeanläggningar eller mindre CHP enheter ska materialet vara sönderdelat. Ofta används trädbränslet i form av flis. Mindre eller större entreprenörer Utvecklingen på landsbygden har visat att olika maskintjänster allt oftare överlämnas att utförs av entreprenörer. Detta gäller också i en allt större utsträckning mekaniska skogsarbeten. Skörd och transport av gagn och energivirke, GROT-buntning, flishuggning, mm. görs av mindre eller större entreprenörer. De mindre entreprenörerna är ofta lokala enmansföretagare.
15 Bild 10. En grov översikt över några alternativa vägar för biomassa från skogen via sönderdelning och förädling.. Tills bioenergin är i form av värme eller el och värme. Alternativt som biobränsle eller som kemiska råvaror Bild 11. Exempel på skillnaden mellan mindre och större entreprenörer. Stora entreprenörer har ofta flisutrustning med kapaciteter på över 150 m3/h. Stora mobila krossar används främst i anslutning till stora kraftvärmeverk för t.ex. Krossning av stubbar eller rivningsvirke.
16 Bild 12. Olika typer av råvaror kan ge olika kvalité på bränsle genom olika metoder i den efterföljande hanteringen. En bra kvalité i energiråvaran gör det också enklare att få en bra kvalité i slutprodukten. För energived gäller tumregeln, att effektivt nyttja den naturliga lufttorkningen och undvika att råvaran bryts ned av bakterier och svampar. Genom att täcka råvaruhögen på rätt sätt innan höstregnen startar kan man räkna med minst 5 % enheter torrare material. Eftertorkning av skogsflis för förgasning Vid förgasning av biomassa kräver de flesta typerna av förgasare någon form av torkning så att fukthalten fås under 20-25 %. Det finns dock lovande försök med reaktorer till förgasare som kan klara fukthalter 25 % i träflisen eller biomassan som matas in i förgasaren. Nyttja den naturliga torkningen För att bibehålla en bra kvalité på energiråvaran bör man nyttja den naturliga torkningen. Den bästa torkperioden är naturligtvis under sommarmånaderna med hög temperatur och lägre luftfuktighet.
17 Bild 13. En grov översikt över olika typer torkar för småskalig torkning och mindre entreprenörer eller energikooperativ (energiandelslag). Den sämsta perioden är de regniga höstarna när luftfuktigheten är hög, då sker ofta en uppfuktning. Speciellt om högen med energiråvaran har lämnats utan täckning, då förloras lätt flera procentenheter i en högre fukthalt. För täckning används olika typer av material, allt från presenningar som kan användas under flera år, till täckmaterial av kraftpapper som är av en gångs natur att det kan matas in i flishuggen vid flisningen. Försök har visat att en väl utförd täckning av energiråvaran gör att fukthalten kan vara mellan 5-10 procentenheter lägre jämfört med material utan täckning. En täckt energiråvara utan täckning kan efter torkningen ha en fukthalt på 35-45 %, medan en täckt råvara efter samma torkperiod har en fukthalt på 30-35 %. Vid optimala lagrings- och täckningsförhållanden kan fukthalten fås under 30 % i energiråvaran. Små kraftvärmeverk för biomassa Teknologin för små kraftvärmeverk (CHP) är just nu under en snabb utveckling. Att använda bioenergi från skogen som energikälla i olika typer av små och medelstora kraftvärmeverk är idag fullt möjligt. Basbränslet kan vara i form av träflis eller pellets.
18 Intresset för små kraftvärmeverk som använder biobränsle är stort i centrala Europa. Med små CHP enheter avses närmast de i storleken mellan 30-500 kwe (kwe = kw el). Utvecklingen av små CHP anläggningar sker utgående från flera principer, några ska kort visas här. Teknologin för små CHP enheter De små- och medelstora enheternas teknologi för kraftvärmeproduktion bygger främst på, o ORC teknik o Stirling motorer o IC motorer (gasmotorer) - kräver förgasning av biomassan o Mikro turbiner - kräver förgasning av biomassan o Bränsleceller - kräver förgasning av biomassan ORC enheter tillverkas i Europa (ORC=Organic Rankine Cycle) Bland de ledande tillverkarna är italienska Turboden som har arbetat med ORC system för mindre kraftvärmeverk de senaste 30 åren. Det har redan byggt ca 250 enheter i MellanEuropa och flera byggs. Storleken på Turbodens enheter ligger mellan 200 kwe 2,5 MWe. Bild 14. Turboden ORC anläggning är fabriksmonterat på plattformar som vid monteringen i CHP anläggningen kopplas ihop, och till värmepannan. Turbodens ORC enheter är mellan 0,2 2,5 MWe. Anläggningen på bilden finns i Toholampi, Finland och är på 1,3 MWe. Bild, Turboden.it
19 Stirling motorer främst i små anläggningar Som exempel på utvecklingen av Stirling motorer, sker det i storlekar mellan 9-75 kwe. Bild 15. Stirling motor på 35 kwe, innan monteringen, värmepanelen är synlig på cylindertoppen. Bild, Stirling.dk Dessa är avsedda för värmepannor i storlekar som är mellan 100-800 kw. För att värmeöverföringen till Stirling motorns värmepanel ska fungera effektivt bör värmepannan använda ett förgasat biobränsle. Sotbildningen blir låg jämfört med flisförbränning. Mikroturbin Utvecklingen av gasdrivna Mikroturbiner för biobränsle har tagit fart under de senaste åren. Olika storlek finns i användning sedan länge för naturgas, speciellt på avlägsna platser där inte elström finns. ISET i Tyskland har utvecklingsprojekt kring Capstones Mikroturbin i storlekar, 30-500 kwe. Fördelarna med Mikroturbinen är bl.a. att de, är kompakta och enkla i utförandet har låga underhållskostnader har en låg ljudnivå är enkla att placera, behöver inget kraftigt fundament Bio- och trägaser som ska användas i Mikroturbinen måste ha renats från bl.a. fukt och vara komprimerad. Mikroturbinen tål svavelväte (H2S) bättre än kolvmotorer.
20 Bild 16. Mikroturbin med generator från Capstone, som kan drivas med renad biogas eller trägas. Mikroturbinenhetens storlek är ofta under 200 kwe. Bild, Capstoneturbine.com IC-motorer (gasmotorer) Stora IC-motorer för naturgas har länge varit i drift för elproduktion, också som reservaggregat vid bl.a. sjukhus. Små CHP enheter med kolvmotorer som drivs med naturgas eller biogas har använts i flera områden där elström annars inte finns. Anpassningen av flera olika typer av IC-motorer för bio- och trägasdrift är idag möjligt. Bild 17. IC-motor (gasmotor) Exempel på en kolvmotor i en CHP enhet. En tjugocylindrig Jenbacher gasmotor. Foto, ge-energy.com (Jenbacher)
21 I framtiden kommer bränsleceller för Bio-Syngas Bio-syngas från förgasat trädbränsle kan i en nära framtid användas som bränsle i CHP enheter med bränsleceller. Företaget MTU CFC solutions GmbH i Tyskland tillverkar bränsleceller som kan använda bio- och trägas efter rening. CHP enheter i storlekar kring 250 kwe finns redan i drift. Bild 18. Montering av ett Bränslecellpaket pågår i MTU CFCs fabrik i Tyskland Bild, www.mtu-online.com Bild, MtU-online.com Många olika utvecklingsmöjligheter Småskalig förädling av biomassa kommer att fortsätta utvecklas på många olika sätt. Att förädla bioenergiråvaran nära där den finns för de lokala och regionala kunderna är utgångsläget för småskalig förädling. Desto bättre samarbete man kan uppnå mellan olika lokala aktörer, t.ex. inom ett energikooperativ, ju lättare kan man nå de gemensamt uppställda förädlingsmålen. En lämplig inkörsport kan vara att börja med en lokal värmeenhet för några gårdar, företag, skolor, närvärme i tätorten, osv. Nästa steg kan vara att också producera el samt integrera med annan förädlingsverksamhet för biomassa. Utgångsläget ska alltid vara att eftersträva en bra kvalité på bioenergiråvaran som tas fram ur skogen. Biomassa av lägre kvalité som Grot kan med fördel överlämnas till stora förbrukare med anpassade värmepannor för bark- och småkvistrikt material, samt också har en fungerade rökgasrening. Genom en småskalig förgasning av biomassa är det i framtiden möjligt att också producera råvaror i gas eller flytande form för bränsle och den kemiska industrin för vidareförädling. För bra kvalité på slutprodukterna ska också bioenergiråvaran som tas fram ur skogen, hålla hög kvalité i alla delarna av en fungerande hanteringskedja för hanteringen av råvaran.
22 Bild 19. Från biomassa av hög kvalité fås också lättare slutprodukter med hög kvalité. References Bain, R. Overend, R., Craig, K. Biomass-Fired Power Generation, National Renewable Energy Laboratory, Golden CO, 1996. Craig K., Mann M., Cost and Performance Analysis of Three Integrated Biomass Combined Cycle Power Systems, National Renewable Energy Laboratory, Golden, CO, 2002. Granö U-P., Utlokaliserad energiproduktion, Förgasning av biomassa, Scribd.com 2010. Granö U-P., CHP - Grön Kemi - Bioenergi från skogen, Scribd.com 2010 Granö U-P., Nyttja bioenergin från skogen, Scribd.com 2008. H.A.M. Knoef, Handbook on Biomass Gasification, BTG biomass technology group B.V. Enschede, The Netherlands, 2005 Johansson T. B., Kelly H., Reddy A. K. N., Williams R. H.. Renewable Energy, Sources for fuels and electricity. ISBN 1-55963-139-2 Laitila J. & Asikainen A. Koneellinen energiapuun korjuu harvennusmetsistä. PuuEnergia 3/2002: 8 9., 2002.