SINTEF RAPPORT FORFATTER(E) OPPDRAGSGIVER(E) PROSJEKTNR. PROSJEKTLEDER (NAVN, SIGN.) Bodil Monsen GODKJENT AV (NAVN, STILLING, SIGN.

Transkript

1 SINTEF RAPPORT TITTEL SINTEF Materialteknologi Postadresse: 734 Trondheim Besøksadresse: Alfred Getz vei 2B Telefon: Telefaks: Foretaksnr: NO MVA Bruk av biokarbon i ferrolegeringsindustri. Forprosjekt 1997 SLUTTRAPPORT FORPROSJEKT 1997 FORFATTER(E) B. Monsen, M. Grønli, og T. Lindstad v/sintef, I.Saur v/stø, I.J. Eikeland v/elkem og Lars Nygaard v/fesil OPPDRAGSGIVER(E) RAPPORTNR STF24 A97697 GRADERING 1. SIDE Åpen ELEKTRONISK ARKIVKODE GRADERING Åpen ISBN s:\242\2421\242154\ Sluttrap.doc ARKIVKODE DATO Ferrolegeringsindustriens Forskningsforening (FFF), Statoil og NFR ved KLIMATEK-programmet OPPDRAGSGIVERS REF. Inger-J. Eikeland (FFF), Tore Torp (Statoil) og Asle Lygre (NFR) PROSJEKTNR PROSJEKTLEDER (NAVN, SIGN.) Bodil Monsen GODKJENT AV (NAVN, STILLING, SIGN.) ANTALL SIDER OG BILAG 21s VERIFISERT AV (NAVN, SIGN.) Ola Raaness Tor Lindstad, forsk. sjef SAMMENDRAG De totale CO 2 utslippene fra ferrolegeringsindustri er omlag 3 mill. tonn per år. Utslippene skyldes bruk av kull og koks som reduksjonsmiddel i smelteprosessen. FFF, ved sine medlemsbedrifter, har derfor planlagt et 5-års program for å vurdere konsekvensene av økt bruk av biokarbon (trekull) som reduksjonsmiddel. Hovedprosjektet skal klarlegge den e ferrolegeringsindustri's muligheter for å øke bruken av biologiske karbonmaterialer og dermed bidra til å redusere det e (og det globale) utslippet av fossilt CO 2. Dersom andelen av biologisk karbon øker med f. eks. 15 % vil utslippet kunne reduseres med ca.,5 millioner tonn CO 2 pr år i Norge. Forprosjektet i 1997 utreder i 4 delprosjekt: energiregnskap, kostnadsregnskap, miljøregnskap, samt kartlegger andres erfaringer med bruk av biokarbon. SINTEF Energi redegjør for energiregnskap for smelteverk og et tenkt pyrolyseverk for trekullproduksjon, SINTEF Materialteknologi har ansvar for kostnadsregnskap og andres erfaringer, mens Stiftelsen Østfoldforskning (STØ) rapporterer miljøregnskap og systematisering av energiregnskap. Samme type produksjonseksempler benyttes i de 3 førstnevnte delprosjekt. Konsekvenser ved økt bruk av trekull i en FeSi75% (4 MW) og Si-metall (2 MW) ovn utredes, ved at 2 og 4% av fossilt fix C erstattes med biokarbon. Beregningene viser at det kan oppnås betydelige reduksjoner i CO 2 -utslipp. Kostnadsnivået er foreløpig ikke akseptabelt for en større overgang til biokarbon, og man vil arbeide videre med å se på muligheter for å redusere kostnader. STIKKORD NORSK ENGELSK GRUPPE 1 Metallurgi Metallurgy GRUPPE 2 Biomasse Biomasse EGENVALGTE Ferrolegering Ferroalloy Kostnadsberegninger Cost calculations Energigjenvinning Energy recovery

2 2 INNHOLDSFORTEGNELSE 1. BAKGRUNN INNLEDNING ENERGIREGNSKAP /1, 2/ Smelteverk /1/ Pyrolyseverk /2/ MILJØREGNSKAP og systematisering av energiregnskap /3/ Regnskap for CO 2 og metan (CH 4 ) SO 2 -regnskap Energiregnskap Sammenligning med europeisk metallproduksjon KOSTNADSREGNSKAP /4/ Innsamling av trevirke Trekullproduksjon Ferrolegeringsproduksjon Verkenes konkurransesituasjon ERFARINGER FRA PRODUKSJON OG BRUK AV TREKULL /5/ Produksjon av trekull Bruk av trekull i ferrolegeringsproduksjon KONKLUSJON VIDERE ARBEID REFERANSER...21

3 3 1. BAKGRUNN De totale CO 2 utslippene fra ferrolegeringsindustri er omlag 3 mill. tonn per år. Utslippene skyldes bruk av kull og koks som reduksjonsmiddel i smelteprosessen. Reduksjonsmidler er helt nødvendig for ferrolegeringsproduksjonen, som kjennetegnes ved reduksjon av metalloksider (f. eks. jernmalm, kvarts) til metalliske legeringer. Reduksjonsmidler inneholder fast karbon (fix C 1 ) som benyttes til å bryte de kjemiske bindingene mellom metall og oksygen i metalloksidet. I tillegg kreves høy temperatur som tilføres gjennom elektrisk energi. Ferrolegeringsindustriens Forskningsforening (FFF), ved sine medlemsbedrifter, har derfor planlagt et 5-års program for å vurdere konsekvensene av økt bruk av biokarbon 2 (trekull) som reduksjonsmiddel. Hovedprosjektet skal klarlegge den e ferrolegeringsindustri's muligheter for å øke bruken av biologiske karbonmaterialer og dermed bidra til å redusere det e (og det globale) utslippet av fossilt CO 2. Dersom andelen av biologisk karbon øker med f. eks. 15 % vil utslippet kunne reduseres med ca.,5 millioner tonn CO 2 pr år i Norge. Forprosjektet i 1997 utreder 4 delprosjekt: energiregnskap, kostnadsregnskap, miljøregnskap, samt kartlegger andres erfaringer med bruk av biokarbon. SINTEF Energi redegjør for energiregnskap for smelteverk /1/ og et tenkt pyrolyseverk for trekullproduksjon /2/, Stiftelsen Østfoldforskning rapporterer miljøregnskap og systematisering av energiregnskap /3/, mens SINTEF Materialteknologi har ansvar for kostnadsregnskap /4/ og andres erfaringer /5/. Samme type produksjonseksempler benyttes i de 3 førstnevnte delprosjekt. Konsekvenser ved økt bruk av trekull i en FeSi75% (4 MW) og Si-metall (2 MW) ovn utredes, ved at 2 og 4% av fossilt fix C erstattes med biokarbon. I denne sluttrapporten for forprosjektet i 1997 gies et sammendrag av de 4 delprosjektene. 2. INNLEDNING Det benyttes samme type regneeksempler på produksjon ved utredning av energiregnskap, miljøregnskap og kostnadsregnskap, jfr. tabell 1, totalt 12 produksjonseksempler. Ovner med typiske størrelser benyttes, dvs. 4 MW for FeSi og 2 MW for Si-metall. For hvert eksempel beregnes energibruk (kwh/tonn legering), utslipp (CO 2, SO 2 og CH 4 pr tonn legering) og kostnad (kr/tonn legering og kr/tonn CO 2 ). Tabell 1 Eksempler på produksjon av ferrolegering som benyttes. Legering: Ovnsstørrelse: FeSi75% 4 MW a Ref.1 Smelteverk uten ER 3, uten biokarbon, men med flis for Si-met. x x Ref 2 Smelteverk med ER " x x Eks 1 Smelteverk med ER og 2% biokarbon fra importert trekull x x Eks " % " x x Eks " % biokarbon fra trekull + pyrolyseverk med fjernvarme x x Eks " % " x x Si-met 2 MW b 1 Fix C: Karbonkildens innhold av fast karbon, dvs den delen som kan utnyttes som reduksjonsmiddel. 2 Biokarbon: fast karbon (fix C) fra biologiske materialer. 3 ER = Energy Recovery, og det refereres til el. og ikke fjernvarme

4 4 Råmat.kost. inkl. transport: kr/tonn kr/tonn fix C Kull Koks Elektrode Kvarts Pellets Trekull Basiskostnader: kr/time SMELTEOVN 4 MW FeSi 75% el.kraft: kr/kwh arb.kraft: ER-kostnader: kr/time Godskrift for gjenvunnet el.energi: kr/kwh - kr/tonn metall Salg av støv: kr/tonn støv - kr/tonn metall Avgasskjel Dampturbin Filter støv Avgass Salg av FeSi 75% kr/tonn metall FeSi 75% el.kraft Figur 1 Produksjonssystem ved smelteverk. Figur 1 viser produksjonssystemet ved et smelteverk, visualisert for FeSi-produksjon med bruk av biokarbon og energigjenvinning fra avgassene i form av elektrisk energi (ER). Fra figuren framgår også hvilke kostnader og inntekter som inkluderes. Biokarbon regnes å erstatte koks i FeSi ovner og kull i Si-metall ovner, og henholdsvis 2 og 4% av fossilt fix C regnes erstattet. I eksemplene med FeSi75% er all biokarbon trekull. I chargen for Si-metall er det i tillegg tatt med 1% biokarbon i form av fix C fra flis, både i referanser og eksempler, fordi det er produksjonsmessig gunstig å benytte noe flis bl. a. for å få en mer porøs charge. Her vil altså biokarbon bestå av fix C fra både trekull og flis. Behovet for langsiktige og stabile leveranser gjør at en har valgt å se på muligheter for biokarbon fra temperert og subarktisk skog, f. eks. og russisk. Biokarbon fra " trekull" tenkes produsert ved et pyrolyseverk som i beregningene plasseres i Trondheim, og som baseres på innsamling av trevirke. Kostnadene sammenlignes også med en beregnet pris på trekull fra samme pyrolyseverk basert på importert trevirke fra Russland. I miljø- og energi-regnskapet følges livsløpet for metallet, dvs. fra uttak av råvarer til og med transport av ferdig metall til Rotterdam. Til systematiseringen benyttes livsløpsanalyseprogrammet LCA Inventory Tool.

5 5 3. ENERGIREGNSKAP /1, 2/ 3.1 Smelteverk /1/ For beregning av energibruk og avgassens energiinnhold er Elkems nye energimodell benyttet. Modellen er modifisert noe og kalibrert ved at beregnet energibruk (kwh/tonn legering) er koordinert med virkelig energibruk. Figur 2 viser den noe forenklede energimodellen som deler prosessen inn i fire delprosesser: ELEKTRISK ENERGI Kull Koks Trekull SiO 2 Fe 2 O 3 25 C Kull Trekull Flis SiO 2 SiO 19 C CO 14 C H 2O 1 C VM 35 C (3) 15 C 25 C SiO 2 CO 2 H O O 2 2 (1) 16 C (2) 16 C (4) Fe xsiy Si-metall 25 C Figur 2. Forenklet energimodell for FeSi og Si-metall produksjon. Delprosess (1) består av varmeveksling mellom det kalde råmaterialet som mates inn i toppen ved 25 C og de varme avgassene (CO, SiO) som kommer opp fra krateret. Denne varmevekslingen vil redusere behovet for elektrisk energi noe, men fører også til at temperaturen på de varme avgassene blir lavere. Videre blir det antatt at de flyktige bestanddelene (VM 4 ) i reduksjonsmaterialene pyrolyseres ( spalter ) av ved 35 C og at all fuktighet i råmaterialene fordamper ved 1 C. Delprosess (2) består av selve reduksjonsprosessen. Reduksjonen av kvarts (SiO 2 ) og jernmalmpellets (Fe 2 O 3 ) skjer i temperaturområdet 13-2 C. I modellen har vi antatt at reduksjonen skjer ved 16 C både for kvarts og pellets. Avgassene forlater reduksjonssonen og varmeveksles med det kalde råmaterialet før de kommer opp til toppen og forlater chargen med en temperatur på C. Det flytende metallet (FeSi eller Si-metall) forlater ovnen ved 16 C og avkjøles til 25 C. 4 VM = Volatile Matter

6 6 Delprosess (3) består av oksidering (forbrenning) av avgassene som forlater chargetoppen sammen med noe karbonmateriale (finstoff) som rives med. Disse avgassene består av CO og SiO fra reduksjonsprosessen samt flyktige bestanddeler (VM) og vanndamp fra kull, koks, trekull og flis. Siden FeSi og Si-metall ovnene er åpne, skjer denne forbrenningen under selve ovnshetten ved at omgivende luft ved en temperatur på 25 C suges inn. Forbrenningsproduktene forlater delprosess (3) med en temperatur på 15-2 C, som er tilnærmet lik den temperaturen avgassen vil ha etter varmeveksling i en avgasskjel. Delprosess (4) består av selve størkneprosessen. Metallet forlater ovnen ved 16 C og avkjøles til 25 C. Resultater Ved produksjon av FeSi75% vil vi ved å erstatte koks med trekull oppnå at energiinnholdet i avgassene øker, jfr. figur 3. Dette skyldes at trekull inneholder mere flyktige bestanddeler enn koks. Ved produksjon av Si-metall derimot vil vi ved å erstatte kull med trekull oppnå at energi-innholdet i avgassene avtar. Dette skyldes at kull inneholder mere flyktige bestanddeler enn trekull. Elektrisk energiproduksjon framgår også av figur 3. Det er da forutsatt at 25% av energien i avgassen gjenvinnes. kwh/tonn metal Referanse Ref 1a/2a FeSi 75% 2% økning Eks 1a/3a FeSi 75% 4% økning Eks 2a/4a FeSi 75% Referanse Ref 1b/2b Si-metall El. energiforbruk [kwh/tonn metall] Energi avgass [kwh/tonn metall] El. produksjon [kwh/tonn metall] Figur 3. Energiforbruk, energiinnhold i avgassene og el. produksjon. 2% økning Eks 1b/3b Si-metall 4% økning Eks 2b/4b Si-metall Det er forutsatt at elektrisk energiforbruk vil reduseres noe når trekull erstatter fossilt kull og koks. Likeledes forutsettes det at Si-utbyttet vil øke noe. Årsproduksjonen av ferrolegeringer vil dermed kunne økes, mens produksjon av silikastøv går ned.

7 7 3.2 Pyrolyseverk /2/ De energimessige, kostnadsmessige og miljømessige konsekvensene av å produsere trekull i et pyrolyseanlegg er kartlagt. Som eksempel er valgt en kontinuerlig sjaktprosess med en kapasitet på 6 tonn trekull/år. Pyrolyseanlegget er tenkt lokalisert til Trondheim hvor energioverskuddet fra prosessen skal benyttes til å produsere varmt vann for salg til byens fjernvarmenett. Fra Lurgi GmbH, Tyskland har vi mottatt et pristilbud på et pyrolyseanlegg inkludert tørke og varmtvannskjel. En prinsippskisse av anlegget er vist i figur 4, og det er stipulert til å koste ca 15 mill. e kroner (37 mill. tyske mark). Vann Pilot brensel Luft Gasskjøler 8 Retorte 2 5 Pipe Tørke Trevirke Heis Trekull 7 Figur 4 Prinsippskisse av pyrolyseanlegg med tørke og energigjenvinning Fjernvarme Råstoffkostnader Vi har antatt et fix C-innhold på 24% for trevirke og 8% for trekull, noe som tilsvarer 3% trekullutbytte. Det vil da være behov for 2 tonn med tørt trevirke for å kunne produsere 6 tonn med trekull (= 48 tonn fix C). Ved å se på tilgangen av trevirke i de nærliggende områdene (kommuner/fylker) rundt Trondheim, er en snittpris for alt råstoffet (hogstavfall, tynningsvirke og lauvskog) inkludert kapping og transport til pyrolyseanlegget beregnet til 658 kr/tonn tørrstoff, som tilsvarer kr/tonn trekull eller kr/tonn fix C. Omvandlingskostnader Omvandlingskostnadene (kapitalkostnader + driftskostnader) for å lage trekull er beregnet til 48 kr/tonn trekull eller 6 kr/tonn fix C. Driftsinntektene ved salg av fjernvarme (14 GWh/år) er estimert til ca 14 mill. kroner pr år, godskrevet for 1 øre/kwh. Driftsinntektene vil i størrelsesorden dekke halvparten av omvandlingskostnadene for trekullet.

8 Totalkostnader Totalkostnadene for produsert trekull blir dermed 2 44 kr/tonn trekull eller 3 5 kr/tonn fix C, godskrevet for salg av fjernvarmen, dvs. råstoffkostnadene utgjør hele 9% av totalkostnadene. Figur 5 gir en detaljert oversikt over hvordan kostnadsfordelingen ved å produsere trekull vil være. Andre pyrolyse-prosesser vil imidlertid kunne gi høyere utbytte og dermed reduserte kostnader. 8 kr/tonn kr/tonn trekull kr/tonn fix C Totalkostnad Råstoffkostnad Kapitalkostnad Bemanning Vedlikeholdskostnader 5 62 Energikostnad (olje + elektrisitet) Energisalg (fjernvarme) Figur 5 Eksempel på fordeling av kostnader ved produksjon av trekull, forutsatt en Lurgiprosess med forutsetninger beskrevet i tekst. Energiforbruk og fossile CO 2 -utslipp Energiforbruket ved å produsere trekull er estimert til 2 kwh el./tonn trekull (til drift av vifter, pumper osv.) og 125 kwh olje/tonn trekull (12.5 liter olje/tonn trekull som pilotbrensel). De fossile CO 2 -utslippene knyttet til oljeforbrenningen er beregnet til 36.5 kg CO 2 /tonn trekull.

9 9 4. MILJØREGNSKAP og systematisering av energiregnskap /3/ Disse forutsetningene er lagt til grunn for miljø- og energiregnskapet: - Smelteverket og pyrolyseanlegget ligger ved havn i Trondheim (tenkt tilfelle). - Bruksfasen for metallet er ikke tatt med. - Både metall og silikastøv blir fraktet til Rotterdam for salg. - Energiforbruk og utslipp ved bygging av smelteverk og pyrolyseanlegg er ikke med. - Pyrolyseverket produserer fjernvarme som erstatter olje til boligoppvarming. - Redusert CO 2 -utslipp ved at silikastøv erstatter sement er ikke tatt med. - Energigjenvinning ved smelteverket reduserer netto forbruk av elektrisitet. - Alle utslipp og alt energiforbruk er belastet produksjonen av metall, dvs. at produksjon av silikastøv ikke er belastet med utslipp eller forbruk av energi. 4.1 Regnskap for CO 2 og metan (CH 4 ) Figur 6 og 7 viser e og utenlandske utslipp av CO 2 ved produksjon av 1 tonn FeSi og 1 tonn Si-metall. Over 8 % av det totale CO 2 -utslippet skjer i Norge. kg/tonn metall CO 2 -rekneskap ved produksjon av 1 tonn FeSi (75 %) Utlandet Noreg % bioc, u/er % bioc, m/er 2 % importert 2 % 4 % importert 4 % Figur 6 Totalt CO 2 -utslipp ved produksjon av FeSi CO 2 -rekneskap ved produksjon av 1 tonn Si Utlandet Noreg kg/tonn metall Figur 7 % bioc frå, u/er % bioc frå, m/er 2 % importert 2 % 4 % importert 4 % Totalt CO 2 -utslipp ved produksjon av Si-metall.

10 Ved FeSi-produksjon uten biokarbon eller energigjenvinning kan det globale, spesifikke CO 2 - utslippet reduseres med 45 % ved overgang til 4 % biokarbon fra produsert trekull. Nedgangen i de e utslippa er da 4 %. Ved Si-produksjon kan CO 2 -utslippet også reduseres med 45 % globalt, mens de e utslippa reduseres med 48 %. Norske smelteverk bruker allerede en del biokarbon, så virkelig innsparing ved overgang til 4 % biokarbon fra trekull vil ligge litt under dette. Det er bruk av fossile ressurser som fører til CO 2 -utslipp. Over 8 % av utslippet er fra metallproduksjonen i Norge (smelteverket), og overgang til biokarbon gir derfor store utslag her. Resten av CO 2 -utslippet kommer fra transport og uttak av fossile råvarer (kull og koks) i utlandet. Den største reduksjonen i de utenlandske utslippa ved FeSi-produksjon skjer fordi fordi koks erstattes med trekull. Ved Si-produksjon øker de utenlandske utslippa noe når en bruker importert biokarbon fordi trekullet må fraktes lenger enn fossilt kull. Norskprodusert biokarbon er bedre enn importert biokarbon både ved FeSi- og Si-produksjon fordi transporten minker og pyrolyseverket kan selge overskuddsvarme som erstatter olje til oppvarming. Jo større trekullandelen er, jo større er effekten av å skifte til produsert biokarbon. Energigjenvinning ved smelteverket gir ingen reduksjon i CO 2 -utslippet fordi vi har forutsatt at smelteverket bruker elektrisitet (som er satt til å være 99,6 % vannkraft). Men dersom energigjenvinning ved et Si-verk som bruker 4 % biokarbon fra trekull, kan redusere import av fossilt basert elektrisitet (UCPTE 5 ) eller elektrisitet fra gasskraft, vil CO 2 -utslippet fra Si-verket reduseres fra 246 til 19 kg/tonn metall. Ved FeSi- og Si-produksjon blir det også produsert støv (silika). Silika inngår i sement og betong og er med på å redusere CO 2 -utslippa ved produksjon av denne typen materiale. Denne effekten er ikke tatt med i våre analyser. Når det gjelder metan, skjer det meste av utslippet ved uttak og produksjon av råvarer i utlandet. Koksproduksjon har det største spesifikke utslippet, og metanutslippet ved FeSiproduksjon er derfor relativt høyt sammenligna med Si-produksjon når det ikke blir brukt trekull. Ved overgang til biokarbon minker utslippa i takt med redusert koksforbruk (FeSi) og forbruk av kull (Si). For drivhuseffekten spiller metanutslippet forbundet med metallproduksjon liten rolle; legger vi sammen metan og CO 2, øker nemlig de globale utslippa av drivhusgass (regna i CO 2 -ekvivalenter) med under 1 % i forhold til figurene 6 og SO 2 -regnskap Figur 8 og 9 viser e og utenlandske utslipp av SO 2 ved produksjon av 1 tonn FeSi og 1 tonn Si-metall. Mesteparten av de totale utslippa kommer fra smelteverket i Norge. Ved FeSi-produksjon uten biokarbon eller energigjenvinning kan de globale, spesifikke SO 2 - utslippa reduseres med 3 % ved overgang til 4 % produsert biokarbon fra trekull. I Norge vil nedgangen bli 23 %. Ved produksjon av silisium er de tilsvarende reduksjonene 35 % (globalt) og 37 % (Norge). På samme måte som for CO 2 -regnskapet, fører ikke energigjenvinning ved smelteverket til reduksjoner i SO 2 -utslipp (energigjenvinning reduserer netto forbruk av vannkraft). 5 UCPTE : forkortelse for "Union pour la co-ordination de la production et du transport de èlectricitè"

11 11 kg/tonn metall kg/tonn metall 2, 18, 16, 14, 12, 1, 8, 6, 4, 2,, 2, 18, 16, 14, 12, 1, 8, 6, 4, 2,, 4,2 4,2 14,64 14,63 % bioc, u/er SO 2 -rekneskap ved produksjon av 1 tonn FeSi (75 %) % bioc, m/er 3,72 3,6 12,95 12,92 2 % importert 2 % 3,26 1,95 11,34 11,28 4 % importert Utlandet Noreg 4 % Figur 8 Totalt SO 2 -utslipp ved produksjon av FeSi. 3,87 3,87 15,22 15,21 % bioc frå, u/er % bioc frå, m/er SO 2 -rekneskap ved produksjon av 1 tonn Si 4,13 3,34 12,47 12,43 2 % importert 2 % 4,4 2,82 9,68 9,61 4 % importert Utlandet Noreg 4 % Figur 9 Totalt SO 2 -utslipp ved produksjon av Si-metall. Også her er det bruk av fossile ressurser ved smelteverket som fører til de største utslippa. Biomasse inneholder også svovel, men mindre enn fossile ressurser. 4.3 Energiregnskap Figur 1 og 11 viser forbruket av elektrisitet og fossilt brensel ved produksjon av FeSi og Simetall. Figurene viser forbrukt elektrisitet og direkte bruk av fossilt brensel. Reduksjonsmateriala inngår som råvarer og ikke som brensel. Energigjenvinning ved smelteverket gir relativt store utslag på netto elektrisitetsforbruk. Ved FeSi-produksjon går elektrisitetsforbruket ned med 26 % og ved Si-produksjon er forskjellen 3 % under ellers like vilkår. Ved både FeSi- og Si-produksjon holder elektrisitetsforbruket seg tilnærma konstant selv om andelen biokarbon øker.

12 12 Energirekneskap ved produksjon av FeSi (75 %) 4, Elektrisitet Fossilt brensel (ekskl.red.mat.) 12 1 MJ/kg metall 3, 2, 1,, 3,2 % bioc, u/er 12,2 22,2 12,2 % bioc, m/er 21,8 22, 21,5 21,9 9,2 2 % importert 2 % 6,2 6,2 4 % importert,2 4 % Figur 1 Forbruk av energi ved produksjon av FeSi. Energirekneskap ved produksjon av Si-metall kwh/tonn metall MJ/kg metall 4, 3, 2, 1,, 43,6 %, u/er Fossilt brensel (ekskl. red.mat.) 3,6 3,7 31, 3,8 31,2 6,5 6,5 6,9 %, m/er 2 % importert 3,3 2 % 7,2 4 % importert Elektrisitet,1 4 % 12 1 Figur 11 Forbruk av energi ved produksjon av Si-metall kwh/tonn metall 4.4 Sammenligning med europeisk metallproduksjon Caspersen (1996) /6/ har gjennomført en LCI (life cycle inventory) for produksjon av stål i "Europa". Som råvare blir det bl.a. brukt FeSi (75 %), og data fra dette er brukt for å sammenligne med vårt miljøregnskap for FeSi. Tabell 2 viser en sammenligning med to av våre alternativ. Tabell 2 Utslipp til luft ved produksjon av FeSi (75 %) Type Enhet Europeisk 1) produksjon Norsk 2) produksjon Norsk 3) produksjon CO 2 kg/tonn metall SO 2 kg/tonn metall 15 18,8 13,2 1) Ref. Caspersen (1996) /6/ 2) % biokarbon. Uten energigjenvinning ved smelteverket. 3) 4 % produsert biokarbon fra trekull. Med energigjenvinning ved smelteverket.

13 Vi ser at de spesifikke utslippa av CO 2 ved produksjon i Norge bare er 3-55 % av utslippsmengdene ved europeisk produksjon. For SO 2 ligger de e utslippa på %. I den europeiske kartlegginga er forbruket av primærenergi mye høyere enn ved produksjon. Grunnen til dette er at elektrisitet baserer seg på vannkraft mens europeisk elektrisk energi er generert i kull- og kjernekraftverk. Det er hovedsaklig denne forskjellen som gir utslag når det gjelder utslipp av CO 2 og SO 2 ved sammenligning med produksjon uten biokarbon KOSTNADSREGNSKAP /4/ Råstoffkostnader har stor betydning for lønnsomheten av ferrolegeringsproduksjonen. Biokarbon fra trekull er idag langt dyrere enn fix C fra fossilt kull og koks. Vi har forsøkt å benytte mest mulig aktuelle råstoffpriser, jfr. tabell 3. Gjennomsnittsprisen for biokarbon fra importert trekull er ca 25 kr/t fix C. Fix C fra koks koster ca 15 kr/t. Kullprisen i kostnadsberegningene er satt til 1 kr/t fix C for FeSi og 14 kr/t fix C for Si-metall produksjon. Tabell 3 Gjennomsnittspriser for reduksjonsmaterialer benyttet i kostnadsberegningene. FeSi 75% Si-metall Koks (kr/tonn fix C) 15 - Kull (kr/tonn fix C) 1 14 Trekull, import (kr/tonn fix C) Flis, (kr/tonn fix C) Innsamling av trevirke Kostnader forbundet med innsamling av trevirke fra temperert og subarktisk skog, og russisk, er sammenlignet i figur 12. kr/tonn fix C i trevirke Trevirke Frakt Kapping Sum Flis, Russisk, til Tr.h. Norsk, til Tr.h. Figur 12 Priser for og russisk virke.

14 Innsamling av trevirke til velteplass utgjør hele 68% av prisen for det e trevirket (2741 kr/tonn fix C), mens en relativt lang midlere transportavstand på 25 mil utgjør 22% og kapping til passe biter for trekullproduksjon utgjør 1%. Kostnadene for russisk trevirke er beregnet til drøyt 33 kr/tonn fix C på grunn av høye fraktpriser. Men dersom man selv får ta hånd om skogsdriften i Russland og vurderer andre fraktalternativer, kan kostnadene bli vesentlig lavere Trekullproduksjon Kostnadene for trekull produsert ved et tenkt pyrolyseverk er beregnet til kr 35 kr/tonn fix C for trevirke /2/, ut ifra de gitte forutsetninger om bl.a. trekullutbytte. Siden råstoffet er den desidert største utgiftsposten ved pyrolyseverket, er effekten av råstoffkostnadene på beregnet trekullpris illustrert i figur 13. Råstoffet (innsamling + transport + kutting) utgjør hele 9%, mens kapital- og driftskostnader utgjør kun 1%, forutsatt 7% rente og 2 år avskrivning. Kostnadene ved pyrolyseverket er da balansert mot trekullprisen etter at all overskuddsenergien fra de flyktige komponentene i trevirket er solgt som fjernvarme (14 GWh/år) til 1 øre/kwh. Inntekten fra salg av fjernvarme utgjør ca. 5% av kapital- og driftskostnadene. kr/tonn fix C 4 Beregnet trekullpris fra pyrolyseverk 3 Importert trekull 2 Koks (FeSi) Kull (Si) 1 trevirke Råstoffkostnad inkl. transport og kutting (kr/tonn fix C) Figur 13 Råstoffkostnad ved pyrolyseverk. For å kunne konkurrere økonomisk med importert trekull, må råstoffkostnadene reduseres til 22 kr/t fix C, jfr. fig. 13. Dette må i tilfelle oppnås ved å effektivisere innsamling av trevirke i samarbeid med ordinær skogsdrift eller ved å øke trekullutbyttet i selve pyrolyseprosessen. For å kunne konkurrere med dagens priser på fossilt koks derimot, må råstoffkostnadene ved trekullproduksjonen reduseres helt ned til ca 12 kr/t fix C, jfr. fig. 13. Forøvrig vil en økning fra 1 til 2 øre/kwh i salgsprisen for fjernvarme, kunne redusere trekullkostnadene med ca 29 kr/t fix C.

15 Ferrolegeringsproduksjon Ved ferrolegeringsproduksjonen er det i kostnadsberegningene forutsatt at Si-utbyttet øker noe ved å erstatte fix C fra kull og koks med biokarbon fra trekull. Likeledes forutsettes elektrisk energiforbruk pr tonn metall å reduseres noe som tidligere nevnt i kapittel 3.1, og dermed kan årsproduksjonen for en gitt smelteovn økes for en stabil ovnslast. Dekningsbidrag (kr/tonn) FeSi uten trekull import Kostnadsøkning (mill NOK/år) FeSi uten trekull import 9,1 5,5 18,8 11,4 2 4 % biokarbon fra trekull 2 4 % biokarbon fra trekull Figur 14 Beregnet dekningsbidrag og kostnadsøkning ved produksjon av FeSi75% med og uten biokarbon fra trekull. Det er forutsatt 25% ER og salg av gjenvunnet el.energi til 2 øre/kwh. Dekningsbidrag (kr/tonn) Si-metall uten trekull import Kostnadsøkning (mill NOK/år) Si-metall uten trekull import 3,8 7,3 4, ,3 2 4 % biokarbon fra trekull 2 4 % biokarbon fra trekull Figur 15 Beregnet dekningsbidrag og kostnadsøkning ved Si-metall produksjon med og uten biokarbon fra trekull. Det er forutsatt 25% ER og salg av gjenvunnet el.energi til 2 øre/kwh. Figur 14 viser at ved en overgang til 4 % biokarbon fra produsert trekull vil dekningsbidraget ved produksjon av FeSi75% reduseres fra 563 til 115 kr pr tonn metall, forutsatt 25% elektrisk energigjenvinning (ER). Dette gir en kostnadsøkning på 18.8 mill kr pr år for en 4 MW FeSi-ovn. Ved produksjon av Si-metall vil dekningsbidraget reduseres på tilsvarende måte fra 843 til 33 kr/tonn, jfr. figur 15, noe som gir en kostnadsøkning på 7.3 mill kr pr år for en 2 MW smelteovn.

16 Ved bruk av importert trekull blir kostnadsøkningen ved Si-metall produksjonen 4.2 mill kr/år, dvs. 3.1 mill kr/år lavere enn ved bruk av trekull. Figur 16 viser dekningsbidraget ved produksjon av FeSi75% og Si-metall for referansene uten bruk av trekull. I figuren sammenlignes referanser med og uten elektrisk energigjenvinning for en økende gjenvinningsgrad. Det er forutsatt at gjenvunnet elektrisk energi kan godskrives for 2 øre/kwh. Videre forutsettes det at kapital-, drift- og vedlikeholdskostnader ved el. energigjenvinning ved produksjon av Si-metall i en 2 MW ovn utgjør 15 øre/kwh. Tilsvarende ER-kostnader ved produksjon av FeSi i en 4 MW ovn er satt til 14.2 øre/kwh. 16 Dekningsbidrag (kr/tonn) 12 Si-metall FeSi 1 Dekningsbidrag (mill NOK/år) 3 Si-metall FeSi % ER er anslått 4 25% ER er anslått % el. energigjenvinning (% ER) % el. energigjenvinning (% ER) Figur 16 Beregnet dekningsbidrag ved produksjon av FeSi (4 MW ovn) og Si-metall (2 MW ovn) for referansene, med og uten ER. Gjenvunnet el. energi er forutsatt solgt til 2 øre/kwh. Dekningsbidraget reduseres dog med ca 22 kr/tonn for FeSi og ca 35 kr/tonn for Si-metall ved 1 øre reduksjon i pris for gjenvunnet elektrisk energi. Figur 17 viser at kostnadsøkningen ved overgang til produsert trekull vil bli ca 285 kr pr tonn reduksjon av fossilt CO 2 - utslipp i Norge for FeSi-produksjon og ca 23 kr/tonn CO 2 for Si-metall. Tilsvarende kostnadsøkning forbundet med bruk av importert trekull er noe lavere, ca 22 for FeSi og ca 17 for Si-metall. Kostnadsøkning for utslippsreduksjon i Norge (kr/tonn CO2) FeSi uten trekull trekull importert trekull Si-metall uten trekull trekull importert trekull % biokarbon fra trekull 2 4 % biokarbon fra trekull Figur 17 Kostnadsøkning for FeSi- og Si-metall produksjon ved reduksjoner i fossilt CO 2 - utslipp i Norge.

17 For globale utslippsreduksjoner (Norge + utlandet) blir kostnadsøkningen kr pr. tonn reduksjon i fossilt CO 2 ved bruk av produsert trekull, og kr/t CO 2 for importert trekull. Kostnadsøkningen forbundet med globale utslippsreduksjoner av fossilt CO 2 er noe lavere ved produksjon av FeSi enn ved produksjon av Si-metall. Årsaken er at ved overgang til biokarbon ved produksjon av FeSi unngår man bruk av koks som knyttes til relativt store fossile utslipp i utlandet. For Si-metall er kostnadsøkningen for globale og e utslippsreduksjoner ganske lik. Det bør også nevnes at ved økt bruk av biokarbon fra trekull, kan flisandelen ved Si-metall produksjonen antagelig reduseres. Siden flis er dyrere enn trekull (både produsert og import) vil dette være gunstig for lønnsomheten av produksjonen Verkenes konkurransesituasjon De e produsentene av ferrosilisium og silisium metall ser flere forhold i tiden fremover som kan påvirke og sannsynligvis forverre verkenes konkurransesituasjon. Den største faren synes å ligge i muligheten for at EU og Norge vil realisere mer ambisiøse CO 2 -forpliktelser enn de deler av verden hvor de e verkenes hovedkonkurrenter holder til. En ambisiøs CO 2 -politikk vil lett kunne medføre direkte CO 2 -avgifter. Om vi skal tro på nærings- og handelsminister Lars Sponheim (NRK, 6.des 1997) bør alle, inklusive prosessindustrien, i Norge regne med å måtte betale en avgift på 5 kr pr tonn CO 2. Denne avgiften skal imidlertid ikke utgjøre en inntekt til staten fordi den skal bli kompensert med en lavere arbeidsgiveravgift. Dette er imidlertid til liten trøst for et smelteverk som lett vil kunne få 1-15 mill kr i CO 2 -avgift mens arbeidsgiveravgiften kan være fra 1.5 til 6 mill. kr bestemt av verkets bemanning og den geografisk differensierte e arbeidsgiveravgiften på 5.1, 1.6 eller 14.1%. Gjennom dette prosjektet har den e bransjen til hensikt å utrede alle teoretiske og økonomiske muligheter for å redusere CO 2 - utslippene ved bruk av biokarbon. Kostnadene ved en eventuell overgang til biokarbon er behandlet tidligere i kapittel 5. Kostnadsøkningen ved en overgang til 4 % biokarbon fra trekull vil slå noe forskjellig ut for FeSi og Si-metall: For et typisk FeSi-verk med to/tre ovner vil kostnadene øke med 35/55 mill kr pr år. En slik eventuell sær kostnadsøkning vil gjøre driften ulønnsom og føre til nedlegging. For et typisk Si-metallverk med 3 ovner vil en tilsvarende omlegging gi en kostnadsøkning på 2 til 25 mill kr pr år. En slik eventuell sær kostnadsøkning vil etter all sannsynlighet gjøre driften ulønnsom de fleste årene. Praktiske forsøk på ovnene vil bli en helt nødvendig dokumentasjon av utredningene. Målsetningen er å utarbeide et solid grunnlag for analyser som vil vise om Norges miljøvennlige produksjon av ferrolegeringer kan stå i fare for å miste sin konkurransekraft på grunn av sære eller særeuropeiske miljøavgifter i forhold til bransjens hovedkonkurrenter. Når tolkningene av en del viktige punkter i Kyotoavtalen blir klar, vil de enkelte industrier og land få et noe klarere bilde av sine nye miljøpolitiske og miljø-økonomiske frihetsgrader.

18 Det synes imidlertid helt klart at Kyotoavtalen gir ferrolegeringsbransjen grunnlag for å prioritere arbeidet med å vurdere alle muligheter for bruk av biokarbon i sine prosesser ERFARINGER FRA PRODUKSJON OG BRUK AV TREKULL /5/ 6.1 Produksjon av trekull Fremstilling av trekull er en av de eldste prosesser vi kjenner. Den gamle mileprosessen, som fortsatt benyttes i noen utviklingsland, krever praktisk talt ikke investeringer, men gir relativt lavt utbytte og mye energi går tapt. Neste trinn i utviklingen hvor milene ble erstattet av murte ovner er egentlig samme prinsipp. Satsvis produksjon i lukkede retorter kan fortsatt være en mulig prosess. Spesielt vil vi nevne arbeidet ved universitetet på Hawaii med pyrolyse under trykk /7/. Derved oppnås at hydrokarbonene i pyrolysegassen delvis repolymeriseres og går over til fast trekull, og de har oppnådd trekullutbytte på 45 5 %. For produksjon av trekull til ferrolegeringsindustri er antagelig en kontinuerlig sjaktprosess den beste teknologi som i dag kan fåes kjøpt i full skala. Hos Si-metall produsenten SIMCOA i Vest-Australia produseres 27 tonn trekull pr. år i et anlegg levert av Lurgi /8/. Der oppnås 3 4 % trekullutbytte. 6.2 Bruk av trekull i ferrolegeringsproduksjon Brasils produksjon av ferrolegeringer på ca. 1 million tonn i året, er av samme størrelse som den e. Praktisk talt alt reduksjonsmateriale er trekull, hvor den overveiende del produseres fra eukalyptus dyrket på plantasjer. Brasilianerne bruker altså trekull ikke bare ved fremstilling av Si-metall og ferrosilisium, som best kan utnytte trekullets egenskaper og renhet, men også ved fremstilling av manganlegeringer (SiMn og FeMn), som utgjør 5 % av deres ferrolegeringsproduksjon. I Brasil klarer de å produsere trekull til en pris som er konkurransedyktig med fossil karbonråvare. Erfaringer både fra Brasil og Australia tyder likevel på at det ikke er prosessteknisk gunstig å benytte bare biokarbon. Det kan være bedre å blande med noe fossilt karbon. I land som Norge er trekull et mye dyrere reduksjonsmateriale enn fossilt kull og koks. Prisforskjellen er i dag 1-15 kr regnet pr. tonn fix C. Når det likevel brukes biokarbon ved produksjon av spesielt silisium metall og i noen grad ferrosilisium så er det flere årsaker til det. Både ved FeSi- og ved Si-metall-produksjon brukes treflis for å få en mer porøs charge. Ved produksjon av Si-metall er vaskede kull det viktigste reduksjonsmaterialet. Her bruker man treflis og/eller trekull for å redusere tendensen til at kullene baker sammen og danner elektrisk ledende broer. Trekull har høy SiO-reaktivitet 6 og brukes også for å oppnå høyere metallutbytte. 6 SiO-reaktivitet er et mål for reduksjonsmaterialets evvne til å reagere med SiO-gass som dannes i smeltesonen i Si- eller FeSi-ovnen. Et reduksjonsmateriale med høy SiO-reaktivitet gir derfor høyt utbytte av Si.

19 Trekull har ofte et vesentlig lavere askeinnhold enn fossilt kull og koks, og brukes derfor for å oppnå lavere innhold av sporelementer i Si-metall og i spesial-fesi. Alle disse forhold har ført til at man noen ganger tilfører opptil 1 % av total fix C som trekull og flis ved FeSiproduksjon, og opptil 2-3 % ved Si-metall-produksjon. Erfaringer med bruk av trekull fra tempererte og subarktiske områder mangler helt KONKLUSJON Sett over verdikjeden fra råvareuttak til ferdig produkt, er det bruk av fossile ressurser som står for utslippene av CO 2 og SO 2 ved produksjon av FeSi og Si-metall. Overgang til biokarbon gir derfor store reduksjoner i utslipp av disse gassene. De største utslippene er knyttet til metallproduksjonen i Norge (smelteverket), men også transport og uttak av fossile ressurser bidrar (spesielt koksproduksjon). Ved overgang fra % til 4 % produsert biokarbon fra trekull kan det globale, spesifikke CO 2 -utslippet reduseres med 45 % for både FeSi- og Si-produksjon. Nedgangen i de e utslippene er for denne typen produksjon 4 % (FeSi) og 48 % (Si). Men dersom energigjenvinning ved et Si-verk som bruker 4 % biokarbon fra trekull, kan redusere import av fossilt basert elektrisitet (UCPTE) eller elektrisitet fra gasskraft, vil CO 2 -utslippet fra Si-verket reduseres fra 246 til 19 kg/tonn metall. Norskprodusert biokarbon er bedre for miljøet enn importert biokarbon fordi transporten reduseres. Dessuten vil biovarme fra pyrolyseverket erstatte oljeforbruk og elektrisk energi til oppvarming, men i beregningene forutsettes det at biovarmen erstatter bare olje. Råstoffkostnader har stor betydning for lønnsomheten ved ferrolegeringsproduksjonen. Biokarbon er idag langt dyrere enn fossilt kull og koks. Kostnadene for trekull produsert ved et tenkt pyrolyseverk med fjernvarme er beregnet til kr 35 kr/tonn fix C for trevirke, mens fix C fra kull og koks koster 1-15 kr/t. Det er to ulike måter å redusere råstoffkostnader på som peker seg ut. Kostnader kan både reduseres ved å øke trekullutbyttet i selve pyrolyseprosessen og ved å effektivisere innsamlingen av trevirket. Med de forutsetninger som er gjort i beregningene blir kostnadsøkningen ved overgang til produsert trekull ca 285 kr pr tonn reduksjon av fossilt CO 2 - utslipp i Norge for FeSiproduksjon og ca 23 kr/tonn CO 2 ved produksjon av Si-metall. Tilsvarende kostnader forbundet med bruk av importert trekull er noe lavere, ca 22 for FeSi og ca 17 for Si-metall. For globale utslippsreduksjoner (Norge + utlandet) blir kostnadsøkningen kr pr. tonn reduksjon i fossilt CO 2 ved bruk av produsert trekull, og kr/t CO 2 for importert trekull. For Si-metall er kostnadsøkningen for globale og e utslippsreduksjoner ganske lik. Beregningene viser at det kan oppnås betydelig reduksjoner i CO 2 -utslipp. Kostnadsnivået er foreløpig ikke akseptabelt for en større overgang til biokarbon, og man vil arbeide videre med å se på muligheter for å redusere kostnader.

20 2 8. VIDERE ARBEID I det videre arbeidet vil man arbeide for å redusere kostnader, spesielt må råmaterialkostnader reduseres. Dette vil man søke å oppnå både ved å velge en pyrolyseprosess med høyt trekullutbytte samt ved å arbeide for en mer effektiv innsamling av trevirke. Alternative trekullprosesser skal studeres fordi valg av pyrolyseprosess med høyt trekullutbytte vil være sentralt. Det vil også være viktig å undersøke reaktiviteten til trekull fra slike trekullprosesser fordi høy SiO-reaktivitet forutsettes for god ovnsdrift. En annen mulighet er å bygge flere små pyrolyseanlegg i områder hvor råstofftilgangen er stor da det vil være mere kostnadseffektivt å transportere trekull framfor trevirke. Andre alternativer enn produksjon av kun fjernvarme fra overskuddsenergien ved pyrolyseanlegget bør utredes, f. eks. kombinert kraft/varme-produksjon. Egne erfaringer med bruk av nye kvaliteter biokarbon ved smelteverk må etableres ved pilotforsøk og forsøk ved smelteverk. Det samme gjelder for pyrolyseanlegg for trekullproduksjon. Det vil også være nyttig å vurdere produktsystem med større mengder biokarbon og andre former for biokarbon enn trekull, f. eks. "roasted wood" og pellets laget av billig treflis eller spon/mask. Miljøvurderingene er gjort kun for CO 2, CH 4, SO 2 og energi. I et videre arbeid bør vi se på de totale økologiske konsekvensene ved bruk av biokarbon i forhold til fossilt karbon. Disse punktene vil være sentrale: - Plassering av pyrolyseverk (transport av råvarer og ferdigvarer) - Uttak av biomasse/askegjødsling - Svovelbalansen (resultat fra parallell studie om "bio-svovel") - Bruk av ikke-fornybare ressurser (fossile ressurser, regnskog) - Lokale miljøproblem ved produksjon av importert trekull (VOC) - Vekting av de ulike miljøpåvirkningene Aktiviteten bør i tillegg inneholde en forenklet ressursøkonomisk analyse for å kunne ta hensyn til andre samfunnsinteresser.

21 21 9. REFERANSER /1/ Grønli, M og Tveit, H.: "Bruk av Biokarbon i Norsk Ferrolegeringsindustri, Forprosjekt 1997, Material og Energibalanse for FeSi og Si-metall Ovn", SINTEF-Rapport STF84 F97436, Trondheim /2/ Grønli, M. og Saur, I.: "Bruk av biokarbon i ferrolegeringsindustri. Forprosjekt Pyrolyseanlegg for Trekullproduksjon", SINTEF-Rapport STF84 F97437, Trondheim /3/ Saur, I.: "Bruk av biokarbon i ferrolegeringsindustri. Forprosjekt Miljøregnskap, systematisering av energi- og miljødata", STØ rapport OR 77.97, Fredrikstad /4/ Monsen, B.: "Bruk av Biokarbon i Norsk Ferrolegeringsindustri. Forprosjekt Kostnadsregnskap", SINTEF-Rapport STF24 F97675, Trondheim /5/ Lindstad, T., Eikeland, I-J. og Grønli, M.: "Bruk av Biokarbon i Norsk Ferrolegeringsindustri. Forprosjekt Erfaringer fra produksjon og bruk av trekull." SINTEF-Rapport STF24 F97679, Trondheim /6/ Caspersen, N.: "Accumulated energy consumption and emissions of CO 2, SO 2,, and NO x during life cycle of stainless steel.", Ironmaking and Steelmaking, Vol. 23, no. 4, /7/ Antal, M. J. m. flere.: "High-Yield Biomass Charcoal", Energy and Fuels, 1996, vol. 1, pp /8/ Brosnan, J.G. og Spratt, D.M.: "Silicon production by Simcoa Operation Pty Ltd at Kemerton, WA"