Bioenergikluster Småland. En rapport inom Energimyndighetens Euforiprojekt:

Bioenergikluster Småland En rapport inom Energimyndighetens Euforiprojekt: Kommersiella förutsättningar för att implementera gassensorer i biobränsleeldade närvärmeanläggningar David Eskilsson & Claes Tullin SP Sveriges Provnings- & Forskningsinstitut 2006-02-07

Förord Dagens biobränslepannor i storleken 0,5-5 MW TH är i regel utrustade med en enkel syremätare (lambdasond) och styrning från denna. Flertalet pannor i denna storlek saknar emellertid kontinuerlig mätning av utsläpp som kolmonoxid (CO), totalkolväten (THC) och kväveoxider (NOx). De senaste åren har nya och relativt billiga gassensorer som mäter halten oförbränt (CO+THC) direkt i rökgasen introducerats på marknaden. Dessa sensorer har följaktligen en potential att användas för övervakning och uppsamling av driftdata, men också för att förbättra styrningen på dagens biobränslepannor. Syftet med projektet var att utreda de kommersiella förutsättningarna och hindren för att introducera sensorer för oförbränt dels som driftövervakning, dels i kombination med ett styrsystem. Projektet har bedrivits parallellt med ett projekt finansierat från Energimyndigheten där de tekniska förutsättningarna utretts mer i detalj [1]. Projektdeltagare Projektet har haft följande projektdeltagare: SP Sveriges Provnings- & Forskningsinstitut (David Eskilsson och Claes Tullin), projektledare. Järnforsen Energisystem AB (Håkan Abrahamsson), tillverkare av värmeanläggningar. Hotab AB (Christer Andersson), tillverkare av värmeanläggningar. SBS Janfire AB (Rober Ingvarsson), tillverkare av värmeanläggningar. Scantronic (Hans-Peter Hansen), tillverkare av sensorbaserade mätsystem. Kastrup & Genberg AB (Karl-Henrik Enérus), svensk leverantör av Scantronics mätsystem. 2

Sammanfattning Dagens biobränslepannor i storleken 0,5-5 MW TH är i regel utrustade med en enkel syremätare (lambdasond) och styrning från denna. Flertalet pannor i denna storlek saknar emellertid kontinuerlig mätning av utsläpp som kolmonoxid (CO), totalkolväten (THC) och kväveoxider (NOx). De senaste åren har nya och relativt billiga gassensorer som mäter halten oförbränt (CO+THC) direkt i rökgasen introducerats på marknaden. Dessa sensorer har följaktligen en potential att användas för övervakning och insamling av driftdata, men också för att förbättra styrningen på dagens biobränslepannor. Syftet med projektet var att utreda de kommersiella förutsättningarna och hindren för att introducera sensorer för oförbränt dels som driftövervakning, dels i kombination med ett styrsystem. Projektet har bedrivits inom ramarna för Energimyndighetens Euforiprojekt och genomförts parallellt med ett projekt finansierat från Energimyndigheten där de tekniska förutsättningarna utreds. Den övergripande målsättningen med projektet har varit att implementera nya gassensorer för oförbränt med tillhörande styrsystem i biobränsleeldade mindre fjärrvärmeanläggningar för introduktion på marknaden inom två år. I rapporten presenteras en marknadsanalys över sensorerernas olika applikationer samt en benchmarking över olika sensorleverantörer. Marknadsanalysen visar att det finns två applikationer för ett sensorbaserat mätsystem. Dels kan det användas som ett miljömätsystem för mätning av CO, dels för styrningsändamål i ett lambdaoptimerande styrsystem (rörligt börvärde på O2). Lambdaoptimering optimerar börvärdet på O2 genom att utnyttja informationen från en lambdasensor samt en sensor för oförbränt (CO + THC). Lambdaoptimering syftar till att sänka luftöverskottet och därigenom höja rökgastemperaturen så att en högre pannverkningsgrad kan åstadkommas samtidigt som emissionerna av oförbränt hålls på ett minimum. De teoretiska beräkningarna visar att om O2 i rökgasen sänks från 5 till 4 % O2 som ett medelvärde över eldningssäsongen kan bränslekostnaderna minska med 8-15 kkr/år (12-15 GWh i värmeproduktion) p g a bättre verkningsgrad. Detta motsvarar ungefär de rörliga kostnaderna för mätsystemet. En större anläggning på 25 GWh kan spara in 16-23 kkr/år i bränslekostnader vilket betyder att mätsystemet kan betala tillbaks på 2-3 år pga minskade bränslekostnader. Den övergripande slutsatsen blir att ett sensorbaserat mätsystem har störst ekonomisk potential att användas som ett miljömätsystem då de kan ersätta dyra IR-baserade mätsystem vilket kan ge en besparing på ca 100 kkr. Som bonus kan de användas för lambdaoptimering vilket gör att besparingarna i minskade bränslekostnader kan betala tillbaks mätsystemet på ett par år. För att det ska vara ekonomiskt fördelaktigt att använda sensorbaserade mätsystem enbart för lambdaoptimering bör anläggningen ha en hög värmeproduktion över 20-25 GWh. Det bör påpekas att nyttan samt besparingarna med ett lambaoptimerande system varierar individuellt mellan olika pannor. Enklare sensorsystem kan vara attraktivt för mindre anläggningar som endast vill utnyttja lambdaoptimering. I benchmarkingen identifierades sex potentiella sensorleverantörer. De flesta av dessa sensormätsystem är dock anpassade för större kraftvärmeverk. Studien visar att Scantronics sensormätsystem har störst potential att motsvara tillverkarnas krav på pris och funktion (kalibreringsrutiner samt signalomvandling). För att Scantronics mätsystem ska vara intressant måste kalibreringstillfällena hållas på ett minimum och sensorn vara stabil. Även Lamtecs mätsystem kan vara intressant om sensorn kan fås att fungera i biobränsleeldade anläggningar. 3

Innehållsförteckning Förord... 2 Sammanfattning... 3 Syfte och Målsättning... 5 Introduktion... 6 Bakgrund... 6 Tidigare arbeten angående gassensorer för oförbränt... 7 Teknisk beskrivning över gassensorer samt tillhörande styrsystem... 8 Marknadsanalys över gassensorer och dess applikationer... 11 Gassensorer som mätinstrument... 11 Gassensorer för styrningsändamål... 11 Ekonomisk potential för ett lambdaoptimerande styrsystem... 12 Slutsatser marknadsanalys... 14 Exempel på anläggningar som använder sensorer... 15 Benchmarking över sensorleverantörer... 16 Benchmarking över sensorleverantörer... 16 Slutsatser från benchmarking... 18 Slutsatser och diskussion... 20 Referenser... 22 4

Syfte och Målsättning Den övergripande målsättningen med projektet var att utreda förutsättningarna för att implementera nya gassensorer för oförbränt med tillhörande styrsystem i biobränsleeldade mindre fjärrvärmeanläggningar för introduktion på marknaden inom två år. I projektet studerades de kommersiella förutsättningarna och hindren för att introducera gassensorer för oförbränt dels som driftövervakning, dels i kombination med ett styrsystem. 5

Introduktion Bakgrund Dagens närvärmecentraler är ofta utrustade med en enkel syremätare (lambdasond) och styrning från denna. Med hjälp av nya gassensorer för oförbränt och intelligenta styrsystem på mindre bioenergipannor kan ett styrsystem med ett rörligt börvärde på O 2 skapas som automatiskt kompenserar luftöverskottet när halterna av CO blir högre. Genom att minimera luftöverskottet kan man samtidigt erhålla lägre utsläpp av kväveoxider och i vissa fall högre verkningsgrad. CO (mgco/nm3 normerat på 10% O2 torra gaser) 2600 2400 2200 2000 1800 1600 1400 1200 1000 800 600 400 200 0 NOx OGC CO Det optimala lambdavärdet beror på last, bränsle samt förbränningsförhållanden 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6 1.7 1.8 1.9 2.0 2.1 450 400 350 300 250 200 150 100 50 0 NOx och OGC (mg NO2/nm3 resp. mg C/nm3 normerat på 10% O2) Lambda: Totala stöokometrin över förbränningen. Figur 1. Koncentrationen av CO, NO x och OGC (totalkolväten rapporterat som organiskt bundet kol) som funktion av luftöverskottet (λ) över förbränningen i en pelletsbrännare. Den randiga rektangeln i figuren beskriver området för det optimala λ-värdet med maximal verkningsgrad. Figuren beskriver också hur det optimala λ-värdet samt basnivån av CO varierar vid olika förutsättningar. Ett styrsystem baserat på både sensorer för oförbränt och syre kan användas för att optimera sekundärlufttillförseln i närvärmecentraler i realtid med ett rörligt börvärde på syre (lambdaoptimering). Den stora fördelen är att styrsystemet optimerar lufttillförseln beroende på driftsituation (last, bränslekvalitet och anläggningens underhållsstatus) så att anläggningens verkningsgrad är maximal samtidigt som emissionerna av oförbränt och kväveoxider hålls på ett minimum. Gassensorer för oförbränt kan också användas för att kontiuerligt övervaka CO-halten i rökgasen, vilket också betyder att sensorerna kan larma vid höga halter av oförbränt i rökgasen. 6

Tidigare arbeten angående gassensorer för oförbränt För att sensorer skall kunna användas för driftövervakning eller styrning krävs naturligtvis att sensorns signal kan bearbetas och utnyttjas. Detta medför indirekt krav bl a beträffande tvärkänslighet för andra gaskomponenter, signalstabilitet (kontrollerad drift), robusthet avseende exponering för höga temperaturer, aggressiva gaser och aska/sot. Inte minst för mindre anläggningar tillkommer också krav beträffande kostnader för investering och underhåll. SP har tidigare genomfört en förstudie på olika lämpliga gassensorer för småskaliga förbränningsanläggningar. I denna förstudie identifierades ett antal gassensorer som mäter halten oförbränt i rökgaser och som är lämpliga att installera i småskaliga anläggningar. Gassensorerna var kommersiella (d v s tillgängliga på marknaden) men alla var ännu inte i serieproduktion. Baserat på denna förstudie har SP initierat två nya projekt inom området. I ett Värmeforskprojekt har tre olika sensortyper karaktäriserats för att undersöka om dessa kan användas för styrning och driftövervakning av närvärmecentraler [5]. Den övergripande slutsatsen från detta projekt är att sensorerna kan användas för styrning, förutsatt att sensorerna kan skyddas från flygaska. Dock kunde inte sensorerna användas för driftövervakning då signalen från sensorerna driver. I ett andra projekt har SP utvecklat ett styrsystem som använder informationen från en lambdasensor (syresensor) tillsammans med en sensor för oförbränt för att optimera lufttillförseln till en 15 kw pelletsbrännare [4]. Även TPS har initierat ett projekt inom området, där man använder några CO-sensorer för roststyrning av en 100 kw anläggning [6]. Två av dessa sensorer är av samma fabrikat som används i detta projekt. Vattenfall Utveckling har drivit ett Värmeforskprojekt (Lambda-baserad reglering) där man försöker finna vilka inparametrar (effekt, temperatur m.m.) som bör användas för att bestämma ett lämpligt börvärde på lambda. Den framtagna styrstrategin utvärderades i två närvärmecentraler [7]. I Schweiz har det gjorts försök att optimera lufttillförseln till en närvärmecentral genom att utveckla reglersystem som använder informationen från en lambdasensor samt en gassensor för oförbränt [8]. I dessa försök har man använt en äldre gassensor med det aktiva materialet tennoxid. Denna sensor har testats i många studier, men tyvärr har den mycket dåliga långtidsegenskaper varför den inte bedöms vara lämplig för förbränningsapplikationer. Utvecklingen av gassensorer är mycket intensiv för tillfället och bilindustrin driver utvecklingen framåt. Om bilindustrin börjar använda dessa sensorer i stor utsträckning kommer troligtvis priset att sjunka då antal producerade enheter ökar. Då utvecklingen är internationell, bl a med många aktiva japanska företag, är det mycket svårt att överblicka vilka sensorer som finns på marknaden. I Linköping finns det ett kompetenscentrum för biooch kemisk sensorvetenskap och teknologi, S-SENCE, som bland annat bedriver forskning om gassensorer baserade på det aktiva materialet kiselkarbid [9]. Inom S-SENCE har ett antal lovande sensorprototyper för rökgasmätning tagits fram, t.ex. en selektiv ammoniaksensor, men de bedöms ännu inte vara riktigt färdigutvecklade och kommersiella. 7

Teknisk beskrivning över gassensorer samt tillhörande styrsystem I det tekniska projektet som har bedrivits parallellt med detta projekt har två olika sensortyper testats. I nedanstående avsnitt beskrivs det hur dessa två olika sensorer fungerar tekniskt. De två sensorerna finns också representerade i den benchmarking som har gjorts (se avsnitt: Benchmarking över gassensorer). Dessa två gassensorer mäter in situ i rökgaskanalen vilket betyder att inget extraktivt mätsystem med gasbehandling behövs. Gemensamt för de två sensorerna är att de mäter totalhalten oförbränt i rökgasen alltså summan av CO, THC (samt eventuell H 2 ) och ger en totalsignal för dessa ämnen. Signalen från de två sensorerna påverkas också av en förändrad O 2 -halt i rökgasen. De sensorer som studerats i den tekniska rapporten [1] kommer från Scantronic och Escube. Scantronics sensor [2] består den aktiva delen av sensorn av det halvledande materialet galliumoxid (Ga 2 O 3 ). Det halvledande Ga 2 O 3 - materialet sitter på en liten värmeplatta vilken värms upp till önskad temperatur (ca 650 ºC). När de oförbrända gaserna kommer i kontakt med Ga 2 O 3 materialet förbränns gaserna katalytiskt och då kommer de halvledande egenskaperna för sensorn att ändras, dvs sensorns resistans förändras vid olika halter av oförbränt. Sensorn kan göras mer eller mindre selektiv för vissa gaskomponenter genom val av temperatur på sensorn. Den andra sensortypen tillverkas av företaget Escube GMBH [3]. Sensorn kan enligt tillverkaren mäta CO-halter från så lågt som 20 ppm och upp till 30 000 ppm. Sensorn är en fastelektrolytsensor som avger en voltsignal som utsignal som är lätt att mäta. Fastelektrolytsensorer (Icke Nernst) är av samma typ som lambdasonden. Mätprincipen bygger på att de reducerande gaserna till stor del adsorberas på anoden medan syre huvudsakligen adsorberas på katoden. Syremolekylerna transporteras sedan genom fastelektrolyten till anoden där de reagerar med de oförbrända gaserna. Detta medför att en spänning kommer att uppstå över de båda elektroderna och följande reaktioner kommer att dominera på respektive elektrod: Katod: O 2, adsorberad + 4e - 2 O 2- (elektrolyt) Anod: CO adsorberad + O 2- (elektrolyt) CO 2, (gas) + 2e - Figur 2. Mätprincip för en fastelektrolytsensor 8

Teknisk beskrivning av ett lambdaoptimerande reglersystem som använder en sensor för oförbränt samt en syresensor I nedanstående avsnitt beskrivs kort ett lambdaoptimerande reglersystem som utnyttjar informationen från en sensor för oförbränt för att optimera börvärdet på O 2. Detta system har testats på en pelletsbrännare för villabruk. λ-optimeringen består av två delar, dels en inre slinga som reglerar luftöverskottet, λ-styrning, och dels en yttre slinga som bestämmer börvärdet för λ-styrningen (se Figur 3). Optimering λ opt + _ e PID u λ CO System u sat Figur 3. Principskiss över hur λ-optimeringen fungerar. En inre slinga sköter regleringen av luftöverskottet och en yttre slinga beräknar börvärdet för luftöverskottet (λ opt = börvärde, λ= ärvärde). Styrsekvensen börjar med att O 2 -halten ställs in på ett förutbestämt börvärde. När det filtrerade ärvärdet på O 2 (medelvärdesbildning av O 2 ) konvergerar med börvärdet initieras nästa steg där ett nytt börvärde på O 2 väljs (se Figur 4). Beroende på värdet på det filtrerade CO-värdet (medelvärdesbildning av CO-halten) väljer regleralgoritmen ett större eller mindre börvärde. Denna stegändring av börvärdet kan antingen vara fast eller variabel. Regleralgoritmen varierar börvärdet på O 2 så att derivatan av CO som funktion av O 2 uppnår önskat värde. Detta betyder att optimeringsfunktionen optimerar börvärdet beroende på COtransienterna och inte på absolutvärdena. Detta betyder att sensorn ej behöver kalibreras och att bassignalen kan driva med tiden. Värdet på denna derivata är en inställningsparameter till λ-optimeringen och väljs med utgångspunkt i det samband som gäller mellan O 2 och CO, se Figur 1. Vid minsta CO-halt gäller att denna derivata skall vara noll. Det har dock visat sig att det är praktiskt ofördelaktigt att välja derivatan till noll eftersom det kan resultera i onödigt hög O 2 -halt. Istället väljer man derivatan svagt negativ så att λ-optimeringen letar efter en punkt strax nedanför minimipunkten för CO, dvs vid det så kallade CO-knäet. I Figur 4 visas ett exempel på hur λ-optimering fungerar. Vid exempelvis den instabilitet (många täta CO-spikar, jämför filtrerat CO-värde) i förbränningen som uppstår vid t = 135 minuter svarar algoritmen med att direkt öka börvärdet på O 2. 9

Figur 4. Exempel på ett försök med lambdaoptimering på en pelletsbrännare där börvärdet på O 2 optimeras baserat på derivatan av det filtrerade CO-värdet (mäts med sensor 2) som funktion av O 2. Steglängden på börvärdesändringen kan väljas fast eller varierande. Vid varierande steglängd på börvärdet ska regleralgoritmen ta stora börvärdessteg när börvärdet befinner sig långt från det optimala lambdavärdet och små steg när börvärdet befinner sig nära det optimala börvärdet. Figur 5 är ett exempel på ett försök med varierande steglängd. Figur 5. Försök med varierande stegändring på börvärdet (0,5-0,05 % O 2 ) och en effekt på 13 kw, bränsle med 8 mm pellets. 10

Marknadsanalys över gassensorer och dess applikationer Gassensorer kan appliceras dels som kontinuerliga CO-mätare i närvärmeanläggningar, dels utnyttjas för att ge indata till ett styrsystem. I nedanstående avsnitt redovisas behoven av mätinstrument samt nya styrsystem. Gassensorer som mätinstrument Panntillverkare av större anläggningar (Hotab, Järnforsen) upplever att en del kommuner ställer krav på att nyproducerade närvärmeanläggningar skaffar kontinuerlig mätning av CO. Exempel på kommuner som kräver det är Växjö och Hörby. Dessa krav ställs speciellt på anläggningar som har en energiproduktion större än 15-25 GWh. Janfire marknadsför pelletsbrännare upp till en effekt på 0,5 MW TH och där finns inga krav från myndigheter på kontinuerlig CO mätning. De mätsystem som finns som alternativ förutom gassensorer innebär ofta en mycket stor investering för en närvärmeanläggning (se avsnittet för benchmarking). Alternativ till gassensorer är till exempel extraktiva mätsystem som ofta är anpassade för större kraftvärmeanläggningar med en mycket hög investeringskostnad. IRbaserade mätsystem är billigare och mer underhållsfria än extraktiva system men kostar ändå ca 130 kkr. I avsnittet med benchmarking redovisas olika mätsystem och dess kostnader. Panntillverkare av större anläggningar (Hotab, Järnforsen) kan tycka att ett pris på 30 kkr för ett sensormätsystem är rimligt på en anläggning större än 5 MW TH. Är priset lägre blir det mer attraktivt att installera ett sensormätsystem även på på mindre anläggningar. Tillverkarna ställer också krav på att sensorerna ska ha en lång livslängd samt vara lätta att underhålla och kalibrera. Dessa kostnader bör maximalt uppgå till ca 5-10 kkr/år. Janfire kan tycka att det är attraktivt att sätta in sensormätsystem i sina brännare om de har ett pris på maximalt ett par tusen kr. Janfire producerar ett stort antal brännare varför det troligtvis bästa för dem är att de köper in de aktiva sensorerna från en sensorleverantör och sedan integrerar sensorns kontrollsystem samt signalomvandling i brännarens elektronik. Gassensorer för styrningsändamål Den andra applikationen man kan tänka sig för gassensorerna är att de används för att förbättra styrningen på förbränningen. Tillverkarna av större anläggningar (Hotab, Järnforsen) anser att sensorn kan användas för att optimera börvärdet på O 2 (lambdaoptimering, för mer information om styrstrategien se referens [1]). Kostnaden för ett sådant system begränsas främst av kostnaden för sensorn samt dess underhåll då styrningen kan integreras i det befintliga styrsystemet. För att sensorerna ska kunna användas för styrning krävs det att de är stabila samt tillförlitliga. Ett sådant styrsystem har bäst potential att appliceras på nytillverkade pannor, med en effekt och energiproduktion som ligger mellan 15-25 GWh/år. Även pannor >25 GWh/år kan vara intressanta då extraktiva CO-mätare i miljödatorer har en lång responstid (ca 4 minuter) och oftast mäter miljödatorn på flera pannor, vilket medför att aktuellt CO-värde ej alltid är tillgängligt. Möjligheten att utnyttja lambdaoptimering begränsas också av av eldstadstemperaturen. Torra bränslen medför högre eldstadstemperatur vilket ofta begränsar lambdaoptimering. Janfire ser inte något större användningsområde för lambaoptimering på sina brännare då de använder ett väldefinierat bränsle som pellets. De kan möjligtvis tänka sig att använda COsensorn för att optimera andelen primär/sekundärluft. 11

Ekonomisk potential för ett lambdaoptimerande styrsystem Det är svårt att exakt beräkna den ekonomiska potentialen för ett lambdaoptimerande styrsystem på en närvärmeanläggning. Lambdaoptimering syftar till att sänka luftöverskottet och därigenom höja rökgastemperaturen så att en högre pannverkningsgrad kan åstadkommas samtidigt som emissionerna av oförbränt hålls på ett minimum. Potentialen att sänka luftöverskottet för äldre pannor är individuellt och beror på ugnens konstruktion. Nyare anläggningar kan man sänka O2-värdet med 1,5-2 % som bäst. Problemet är dock varaktigheten av sänkningen på luftöverskottet då denna sänkning begränsas av hög ugnstemperatur beroende på extremt torra bränslen. Detta betyder att potentialen för lambdaoptimering är individuell och varierar med panntyp samt aktuellt bränsle. Genom att installera ett lambdaoptimerande reglersystem på närvärmecentraler kan bränslekostnaderna sänkas betydligt genom att luftöverskottet sänks och verkningsgraden höjs. I Figur 6 kan det studeras hur den teoretiska verkningsgraden (strålningförlust på 2 %) förändras vid ett förändrat luftöverskott. Figur 6. Beräkning av teoretisk verkningsgrad vid olika syrehalter i rökgasen (strålningsförlust = 2 %) Verkningsgradskurvan kan omräknas till bränslekostnad. I Figur 7 har en 2 MW panna med 6000 h drift under fulleffekt (= 12 GWh) använts som exempel och där två bränslen har jämförts skogflis (140 i kr/mwh) och pellets (200 i kr/mwh). I figuren kan man se att bränslekostnaden varierar med ca 30 kkr per år för pellets om pannan har ett luftöverskott på 7 % O2 istället för 4 % O2. 1 860 000 Skogsflis (12 GWh) 2 655 000 Bränslekostnad skogsflis, 12 GWh (kr/år) 1 855 000 1 850 000 1 845 000 1 840 000 1 835 000 1 830 000 Pellets (12 GWh) 2 650 000 2 645 000 2 640 000 2 635 000 2 630 000 2 625 000 2 620 000 2 615 000 2 610 000 Bränslekostnad pellets, 12 GWh (kr/år) 1 825 000 2 605 000 4,00 4,50 5,00 5,50 6,00 6,50 7,00 7,50 O2 (%) Figur 7. Beräkning av bränslekostnaden för en anläggning (2 MW, 6000 h, 12 GWh) vid olika syrenivåer i rökgasen för pellets (200 kr/mwh) respektive skogsflis (140 kr/mwh.) i Energimyndighetens bränslepriser för hela landet 2005 12

Det är svårt att uppskatta hur mycket ett lambdaoptimerande system kan sänka O2 i rökgasen på nyare anläggningar och dess varaktighet. Ett antagande kan vara att O2 sänks med 1 % O2 som ett medelvärde under ett år. I figur 8 visas hur en sänkning av O2 från 5 till 4 % O2 minskar bränslekostnaden vid förbränning av skogsflis respektive pellets. En sänkning av O2 från 5 % O2 till 4 % O 2 skulle ge en teoretisk besparing på ca 25 000 kr per år för en anläggning med 25 GWh värmeproduktion och som eldar pellets. Denna besparing är direkt proportionell mot anläggningens värmeproduktion enligt Figur 8. Besparing i bränslekostnader vid en förändring av O2 med 1 % (kkr/år) 30 25 20 15 10 5 0 Pellets Skogsflis 0 5 10 15 20 25 30 35 Anläggningens värmeproduktion (GWh) Figur 8. Besparing i bränslekostnad som funktion av anläggningens värmeproduktion (GWh) vid förbränning av pellets (200 kr/mwh) respektive skogsflis (140 kr/mwh). Syrehalten i rökgasen har sänkts från 5 till 4 % O 2. Besparingen i bränslekostnader ska jämföras med investeringen av ett lambdaoptimerande system. I Tabell 1 har kostnaderna för ett lambdaoptimerande system beräknats. I dessa beräkningar har inga kostnader för reglersystem tagits med då anläggningens befintliga styrsystem utnyttjas. Pay-off-tiden för investeringen av sensormätsystemet varierar med anläggningens storlek och för en anläggning med 12 GWh i värmeproduktion så blir de rörliga kostnaderna lika höga som bränslebesparingen. Pay-off tiden (ingen ränta) för sensormätsystemet är ca 1,5 år för en stor anläggning som producerar 25 GWh i ovanstående exempel (pellets). Tabell 1:Beräknade kostnader för ett lambdaoptimerande system. Kostnaderna baseras på anläggningar med redan existerande O 2 -styrning som görs om till lambdaoptimerande system och som utnyttjar befintlig styrutrustning. Uppskattning av kostnader (SEK) Sensormätsystem (Scantronic) 35 000 Sensorbyte (vartannat år) 2 500 kr/år Underhåll och kalibrering 7 500 kr/år Investeringskostnad 35 000 Rörlig kostnad 10 000 kr/år 13

Ett alternativ för mindre pannor som vill använda lambdaoptimerande styrsystem är att man använder ett enklare sensorsystem utan en elektronisk enhet som omvandlar sensorns signal till CO ekvivalenter (d v s man styr direkt på sensorsignalen). Detta innebär att man kan använda t ex Escubes sensorsystem (investering ca 15 000 kr) med lägre underhållskostnader (ca 2 500 kr) då systemet ej behöver kalibreras. Detta innebär att ett lambdaoptimerande system får en betydligt kortare pay-off-tid för mindre pannor och kan vara ett alternativ när man endast vill utnyttja lambdaoptimering. Slutsatser marknadsanalys Marknadsanalysen visar att det finns två applikationer för ett sensorbaserat mätsystem. Dels kan det användas som ett miljömätsystem för mätning av CO, dels för styrningsändamål i ett lambdaoptimerande styrsystem (d v s med ett rörligt börvärde på O2). Ett miljömätsystem är främst intressant för nyproducerade anläggningar 15 GWh - 25 GWh (Hotab och Järnforsen). Vissa kommuner ställer också krav på kontinuerlig mätning av CO för anläggningar av denna storlek. Tillverkarna av större anläggningar anser att ett pris på 30 kkr för ett sensorbaserat mätsystem är rimligt samt att underhållskostnaderna bör vara maximalt 5-10 kkr. Tidigare har IR-baserade in situ mätsystem använts som kostar ca 130 kkr med installation vilket visar att det finns en stor ekonomisk potential att använda sensorbaserade mätsystem (se avsnitt: benchmarking över sensorleverantörer). För Janfire, som tillverkar pelletsbrännare upp till 0,5 MW TH, kan det vara attraktivt att sätta in ett sensormätsystem under förutsättning att kostnaden kan maximeras till ett par tusen kronor. Janfire producerar ett stort antal brännare varför det troligtvis bästa för dem är att de köper in de aktiva sensorerna från en sensorleverantör och sedan integrerar sensorns kontrollsystem samt signalomvandling i brännarens elektronik. Lambdaoptimering syftar till att sänka luftöverskottet och därigenom höja rökgastemperaturen så att en högre pannverkningsgrad kan åstadkommas samtidigt som emissionerna av oförbränt hålls på ett minimum. Potentialen att sänka luftöverskottet för äldre pannor är individuellt för varje anläggning och beroende på ugnens konstruktion. För nyare anläggningar kan man sänka O2-värdet med 1,5-2 % som bäst. Eventuella besparingar i bränslekostnader beror naturligtvis på anläggningens värmeproduktion och bränslepris. De teoretiska beräkningarna visar att om O2 i rökgasen sänks från 5 till 4 % O2 som ett medelvärde över eldningssäsongen kan bränslekostnaderna minska med 8-15 kkr/år (12-15 GWh i värmeproduktion). Detta motsvarar ungefär de rörliga kostnaderna för mätsystemet. En större anläggning på 25 GWh kan spara in 16-23 kkr/år i bränslekostnader vilket betyder att mätsystemet kan betala tillbaks på 2-3 år. Detta är dock ett generellt exempel och en ekonomisk kalkyl bör göras individuellt för varje anläggning. Ett alternativ för mindre anläggningar som enbart vill utnyttja lambdaoptimering är att utnyttja ett enklare sensormätsystem utan elektronikenheten som omvandlar sensorns signal till CO ekvivalenter. Ett sådant system kan kosta ca 15 000 kr och ha en rörlig kostnad på ca 2 500 kr per år. Detta skulle då kraftigt sänka pay-off-tiden för ett sådant system och vara attraktivt för mindre anläggningar som vill utnyttja lambdaoptimering. Lambdaoptimering kan också hjälpa till att hålla emissionerna av oförbränt på ett minimum vilket kan vara värdefullt ur ett marknadsföringsperspektiv. Det finns idag ingen tillverkare av biobränsleeldade anläggningar (0,5 5MW TH ) som utnyttjar lambdaoptimering. 14

Den övergripande slutsatsen blir att ett sensorbaserat mätsystem (kostnad ca 30 000 kr) har störst potential att användas som ett miljömätsystem då de kan ersätta dyra IR baserade in situ system (kostnad ca 130 kkr). Som bonus kan de användas för lambdaoptimering vilket gör att besparingarna i minskade bränslekostnader kan betala tillbaks mätsystemet på ett par år. För att det ska vara ekonomiskt fördelaktigt att använda sensorbaserade mätsystemet enbart för lambdaoptimering bör anläggningen ha en hög värmeproduktion över 20-25 GWh i detta teoretiska exempel. Enklare sensorsystem (kostnad ca 15 kkr) kan vara attraktivt för mindre anläggningar som endast vill utnyttja lambdaoptimering. Exempel på anläggningar som använder sensorer Järnforsen har monterat in Scantronics sensormätsystem i fyra anläggningar: Rottne (VEAB), två anläggningar Tvärskog Timber (EON) Gardemoen Flygplats 15

Benchmarking över sensorleverantörer Denna benchmarking har koncentrerats på olika leverantörer av gassensorer som monteras in situ i rökgasen. Marknaden är internationell varför det är svårt att täcka in alla produkter men nedan finns en sammanställning av ett större antal leverantörer. Tabell 2: Sammanställning över olika sensorleverantörer samt sensorernas egenskaper och priser (de priser som anges nedan är bara cirkapriser som uppgivits vid projektets genomförande). Tillverkare/ Scantronic Escube Lamtec leverantör Produkt CO 2000 Cabosen 1000 Combination Probe KS1 Mäter Oförbränt 1 Oförbränt 1 Oförbränt 1 Mätområde (CO, ppm) 50-10 000 20-6 000 10-10 000 Maximal rökgastemp. 400 200 300-400 ( C) Kommersiell Ja Ja 2 Ja Kort beskrivning av Kontroll/utvärderingselektronik Endast en Kontroll/utvärderingse tillhörande kontroll/utvärderingselektronikenhet med mindre lektronik med mindre LCD skärm. LCD skärm. Levereras med ett användarvänligt PCprogram där olika parametrar kan ställas/avläsas samt kalibrering kan ske. kontrollenhet som styr sensorn. Ingen omvandling till COhalt. Funktion för kalibrering Ja Nej Ja Ungefärligt pris för 5 000 5 000 10 000 själva sensorn (SEK) Ungefärligt pris för sensor + utvärderings elektronik (SEK) 33 000 15 000 35 000 Sensortyp Halvledande sensor Fastelektrolyt Fastelektrolyt Aktivt sensormaterial Galliumoxid Zirkoniumoxid Zirkoniumoxid Tillverkarens Hemsida http://www.scantronic.dk/ http://www.escube.de/ http://www.lamtec.de/ 1 Sensorn ger en summasignal för CO, THC och H 2 2 Är ännu ej i serieproduktion 16

Tillverkare/ Enotec Datatest Thermox leverantör Produkt Comtec 6000 Modell 308 IS Thermox WDG HP-IIC Mäter Oförbränt 1 Oförbränt 1 Oförbränt 1 + O 2 Mätområde (CO, ppm) 0-500 ppm eller 0-10 000 0-10 000 0-2000 eller 0-10 000 Maximal rökgastemp. 600 250 700 ( C) Kommersiell Ja Ja Ja Kort beskrivning av Kontroll/utvärderingselektronik Kontroll/utvärderings- Kontroll/utvärderings- tillhörande med mindre elektronik med mindre elektronik med mindre kontroll/utvärderingselektronik LCD skärm LCD skärm. LCD skärm Funktion för - Ja Ja kalibrering Ungefärligt pris för - själva sensorn (SEK) Ungefärligt pris för 100 000 35 000 150 000 sensor + utvärderings elektronik (SEK) Sensortyp Halvledande sensor Katalytisk platina bäddsensor Katalytisk sensor Aktivt sensormaterial Galliumoxid Platina - Tillverkarnas Hemsida http://www.enotec.com / http://www.datatestinc.com/ http://www.thermox.co m Scantronic använder sig av en galliumoxidsensor. Denna halvledande sensor är en vidareutveckling av den sensorprincip som används i serieproduktion på Valiants nya kondenserande gaspannor (för villabruk). Själva sensorn sitter på en ca 25 cm lång sond och skyddas från aska med ett keramiskt filter. Det är viktigt att själva galliumoxidsensorn skyddas från flygaska då det påverkar sensorns halvledande egenskaper. Uppvärmningen av sensorn styrs av en elektronisk kontrollenhet som också omvandlar sensorns signal till CO ekvivalenter. Elektronikenheten avger en strömsignal som är proportionell mot CO halten som kan loggas av pannans driftdator. Med sensorn samt elektronikenheten levereras ett användarvänligt program som direkt kan avläsa CO halten. Programmet kan också ställa olika kritiska parametrar samt användas vid kalibrering. För en mer detaljerad beskrivning samt mätresultat med sensorn se referens [1]. Escube har utvecklat en fastelektrolytsensor baserat på zirkoniumoxid som avger en voltsignal som är proportionell mot halten oförbränt i rökgasen. Sensorenheten kan fås i olika varianter från några cm lång till en sondlängd på ca 20 cm med skyddande metallhölje. Själva sensorn påverkas ej av små mängder flygaska men måste skyddas från igensättingar samt avlagringar av aska. Sensorn levereras med en kontrollenhet som styr sensorn samt som avger sensorns mätsignal (voltsignal). Denna elektronikenhet omvandlar ej sensorns signal till en CO-halt och den har ej heller några rutiner för kalibrering. För en mer detaljerad beskrivning samt mätresultat med sensorn se [1]. 17

Lamtec använder sig av en fastelektrolytsensor som tillverkas av Escube. Den bygger på samma mätprincip som Carbosen 1000 men har en annan geometri samt lite annan mäkarakteristik. Till sensorn levereras en större kontroll- samt utvärderingselektronik. Denna omvandlar sensorns signal till CO ekvivalenter samt har funktioner för kalibrering och parameterförändringar. Denna sensor har vid tidigare tester visat sig vara känslig för flygaska. Dessa problem kan eventuellt lösas genom att sensorn skyddas bättre genom bättre placering eller med ett keramiskt filter. Enotec har tagit fram en kombinationsprob som mäter O 2 med en zirkoniumoxidsensor samt CO med en galliumoxidsensor. Båda sensorerna skyddas av ett filter. Till sensorerna levereras en större kontroll- samt utvärderingselektronik. Denna omvandlar bl a sensorns signal till COekvivalenter samt har funktioner för kalibrering och parameterförändringar. Datatest i USA tillverkar och säljer en sensor som mäter halten oförbränt i rökgasen. De använder en katalytisk sensor av platina som förbränner de oförbrända gaserna katalytiskt och därigenom avges en signal för halten oförbränt. Till sensorn levereras en kontroll och utvärderingselektronik som översätter sensorns signal till en halt av oförbränt. I den elektroniska enheten finns även en funktion för kalibrering. Om sensorn kalibreras för CO kan halten fås i ppm CO. Sensorn har troligtvis ej testats i biobränslepannor och sensorn bedöms ej vara speciellt anpassad för sådana anläggningar. Thermox tillverkar en rökgasanalysator som mäter O 2 och oförbränt tillsammans. Denna är anpassad för större kraftvärmeanläggningar. Den har även testats på en del större kraftvärmepannor i Sverige och bedöms också vara relativt robust. Sensorn levereras med en större utvärderingselektronikenhet som möjliggör kalibrering samt larmfunktioner. Exempel på IR baserade in situ mätsystem På marknaden finns ett antal system som mäter CO med IR-baserade system in situ. Det finns olika system som genomlyser rökgaskanalen med mottagare och sändare eller där rökgasen transporteras genom en mindre provgaskammare. Dessa mätmetoder ingår egentligen inte i studien men som jämförelse redovisas två system. Leverantören Sick använder sig av ett IRsystem som genomlyser rökgaskanalen. Detta system används också på ett antal närvärmeanläggningar. Ungefärligt pris på ett sådant system är ca 130 kkr. En annan leverantör, Codel, producerar en IR-cell (G-CEM 1000S) som mäter CO in situ i en provgascell. Detta system har den fördelen att den enkelt kan kalibreras. Systemet kostar 200 kkr - 1 000 kkr beroende på utförande. Slutsatser från benchmarking För applikationen som mätinstrument är det egentligen bara Scantronics sensormätsystem som motsvarar tillverkarnas (Hotab, Järnforsen) krav på pris (ca 30 kkr) samt funktion (kalibreringsrutiner samt signalomvandling). Lamtecs mätsystem kan också vara intressant. Detta system har dock testats i en biobränslepanna med dåligt resultat men om sensorn skyddas för flygaska är det möjligt att systemet fungerar bättre. För att Scantronics mätsystem ska vara intressant måste sensorn vara stabil så att kalibreringstillfällena kan hållas på ett minimum (jämför referens [1]). Sensorns livslängd måste också klarläggas. 18

Om det sensorbaserade mätsystemet används som ett mätinstrument kan det givetvis också användas i ett lambdaoptimerande styrsystem. Om en anläggning endast vill använda sensorer för oförbränt för lambdaoptimering är troligtvis Escubes sensorsystem det mesta attraktiva valet p g a ett lågt pris. Många av sensormätsystemen är framtagna för större kraftvärmeanläggningar och har därför inte testats i mindre biobränsleeldade anläggningar. Ett IR-baserat mätsystem är ett mycket dyrt alternativ och enligt uppgift är mätnoggrannheten för vissa av systemen låg. Då kan Scantronics samt Lamtecs mätsystem vara ett mycket attraktivt alternativ som kan ge en investeringsbesparing på ca 100 kkr. 19

Slutsatser och diskussion Marknadsanalysen visar att det finns två applikationer för ett sensorbaserat mätsystem. Dels kan det användas som ett miljömätsystem för mätning av CO, dels för styrningsändamål i ett lambdaoptimerande styrsystem vilket innebär ett rörligt optimalt börvärde på O2. Ett miljömätsystem är främst intressant för nyproducerade anläggningar 15 GWh - 25 GWh då vissa kommuner ställer krav på kontinuerlig mätning av CO. Tillverkarna av större anläggningar anser att ett pris på ca 30 kkr för ett sensorbaserat mätsystem är rimligt samt att underhållskostnaderna bör vara maximalt 5-10 kkr. Tidigare har IR-baserade in situ mätsystem använts som kostar ca 130 kkr med installation vilket visar att det finns en stor ekonomisk potential att använda sensorbaserade mätsystem. Ett sensorbaserat mätsystem kan även användas för att larma om störningar i förbränningsprocessen vilket dock kräver hög mätsäkerhet för att undvika falsk larm. För företag som Janfire, som tillverkar pelletsbrännare upp till 0,5 MW TH, kan det vara attraktivt att sätta in ett sensormätsystem under förutsättning att kostnaden kan maximeras till ett par tusen kronor. Förbränningsutrustningar i mindre skala produceras i stora serier och i detta fall är det troligtvis mest intressant att köpa in de aktiva sensorerna från en sensorleverantör för integration av sensorns kontrollsystem samt signalomvandling i brännarens elektronik. Lambdaoptimering optimerar börvärdet på O2 genom att utnyttja informationen från en lambdasensor (syresensor) samt en CO-sensor. Detta innebär att styrsystemet hela tiden tillsätter rätt mängd sekundärluft beroende på last, bränslekvalité samt anläggningens underhållsstatus. Lambdaoptimering syftar till att sänka luftöverskottet och därigenom höja pannverkningsgraden samtidigt som emissionerna av oförbränt hålls på ett minimum. Potentialen att sänka luftöverskottet för äldre pannor är individuellt för varje anläggning och beroende på ugnens konstruktion. För nyare anläggningar kan man sänka O2-värdet med 1,5-2 % som bäst. Eventuella besparingar i bränslekostnader beror naturligtvis på anläggningens värmeproduktion samt aktuellt bränslepris. De teoretiska beräkningarna visar att om O2 i rökgasen sänks från 5 till 4 % som ett medelvärde över eldningssäsongen kan bränslekostnaderna minska med 8-15 kkr/år (12-15 GWh i värmeproduktion). Detta motsvarar ungefär de rörliga kostnaderna för mätsystemet. En större anläggning på 25 GWh kan spara in 16-23 kkr/år i bränslekostnader vilket betyder att mätsystemet kan betala tillbaks på 2-3 år p g a minskade bränslekostnader. Ett alternativ för mindre anläggningar som enbart vill utnyttja lambdaoptimering är att utnyttja ett enklare sensormätsystem utan elektronikenheten som omvandlar sensorns signal till CO-ekvivalenter. Ett sådant system kan kosta ca 15 kkr och ha en rörlig kostnad på ca 2 500 kr per år. Detta skulle då kraftigt sänka pay-off-tiden för ett sådant system och vara attraktivt för mindre anläggningar som vill utnyttja lambdaoptimering. Lambdaoptimering kan också hjälpa till att hålla emissionerna av oförbränt på ett minimum vilket kan vara värdefullt ur ett marknadsföringsperspektiv. Idag finns emellertid inga tillverkare av biobränsleeldade anläggningar (0,5 5MW TH ) som tillämpar lambdaoptimering. Man bör dock betänka att utformningen samt dimensioneringen av ugnen och rosten är avgörande för att erhålla låga emissioner. Ett lambdaoptimerande system kan endast hjälpa till att erhålla låga emissioner samt trimma anläggningen. 20

Sex olika sensormätsystem har identifierats på marknanden. Många av dessa är emellertid anpassade för större kraftvärmepannor. För applikationen som mätinstrument i mindre biobränsleeldade anläggningar är det egentligen bara Scantronics sensormätsystem som motsvarar tillverkarnas (Hotab, Järnforsen) krav på pris (ca 30 kkr) samt funktion (kalibreringsrutiner samt signalomvandling). Lamtecs mätsystem kan också vara intressant. Detta system har dock testats i en biobränslepanna med dåligt resultat [5] men om sensorn skyddas för flygaska är det möjligt att systemet fungerar bättre. För att Scantronics mätsystem ska vara intressant måste sensorn vara stabil så att kalibreringstillfällena kan hållas på ett minimum (jämför referens [1]). Sensorns livslängd måste också klarläggas. Om det sensorbaserade mätsystemet används som ett mätinstrument kan det också användas i ett lambdaoptimerande styrsystem. Om en anläggning endast vill använda sensorer för oförbränt för lambdaoptimering är troligtvis Escubes sensorsystem det mesta attraktiva valet p g a ett lågt pris. Den övergripande slutsatsen är att ett sensorbaserat mätsystem (kostnad ca 30 kkr) har störst ekonomisk potential att användas som ett miljömätsystem då de kan ersätta dyra IR-baserade mätsystem (kostnad ca 130 kkr). Som bonus kan de användas för lambdaoptimering vilket gör att besparingarna i minskade bränslekostnader kan betala tillbaks mätsystemet på ett par år. För att det ska vara ekonomiskt fördelaktigt att använda sensorbaserade mätsystem enbart för lambdaoptimering bör anläggningen ha en hög värmeproduktion över 20-25 GWh. Det bör påpekas att nyttan samt besparingarna med ett lambdaoptimerande system varierar individuellt mellan olika pannor. Enklare sensorsystem (kostnad ca 15 kkr) kan vara attraktivt för mindre anläggningar som endast vill utnyttja lambdaoptimering. 21

Referenser [1] Eskilsson D, Tullin C, Utveckling av ny självoptimerande sensorteknologi till närvärmecentraler, Energimyndighets projekt 22154-1, 2006, http://www.sp.se/energy/ [2] Scantronic ApS, Bavne Allé 4B, DK 8370 Hadsten, http://www.scan-tronic.dk/ [3] ESCUBE GmbH Space Sensor Systems, Nobelstraße 15, 70569 Stuttgart, Tyskland, http://www.escube.de/ [4] Eskilsson D, Tullin C, Quicklund H, Johansson M, Eliasson T och Österberg S, "Utveckling av ett reglersystem som utnyttjar informationen från gassensorer för att styra tillförseln av förbränningsluft", Energimyndighetsprojekt: P12 232-2, 2004, http://www.sp.se/energy/ [5] Eskilsson D, Rönnbäck M, Värmeforskrapport 892, 2004 [6] Padban N, Ramström E, Larfeldt J, Andersson M, Petersson H, Lloyd Spetz A; Integrerad processtyrning och emissionskontroll baserad på elektroniska sensorer, Energimyndighetsrapport, 2005 [7] Svensson M; Lambdabaserad reglering, Värmeforskrapport 827, 2003 [8] Good J, Nussbaumer Th; Efficiency improvement and emission reduction by advanced combustion control (ACCT) with CO/Lambda control and setpoint optimization, Proceedings:10 th European Conference and Technology exhibition: Biomass for energy and industry, s1362-1365. Wurtzburg, 1998 [9] Kompetenscentrum för bio- och kemisk sensorvetenskap och teknologi S-SENCE, Hemsida, http://www.ifm.liu.se/applphys/s-sence/index.htm [10] Fleischer, M. och Meixner, H., Gas sensors for pollution Control, Safety and Health, Siemens Magazine Research and Innovations, Issue (1/1997) 22