Morten Fassum, forsker SINTEF Energi, avd. fortermhk energi og vannkraft Småskala kraft/vamneproduksjon basert på biomasse Konvensjonell energiproduksjon fra biomasse er i hovedsak rettet mot varmeproduksjon i form av damp, varmt vann eller for oppvarming av luft Teknologier for varmeproduksjon er kommersielt tilgjengelig og det foregår en kontinuerlig utvikling av teknologi for tilpassing til ulike brenselkvaliteter og krav til utslipp. Bruk av bioenergi i Norge utgjør totalt ca 12 TWh hvorav omlag 50% er forbruk til oppvarming av boliger i form av vedovner. Det resterende forbruket er knyttet al energiproduksjon i trebearbeidende industri og papirindustri. Teknologisk spenner dette over små enheter som vedovner (< 10 kw) og opp til industrielle kjeler på 70MW. Det må her også nevnes at det finnes eksempler på kraft/ varme produksjon basert på biomasse i Norge. Norske Skogs anlegg på Fiborgtangen og på Tofte har installert dampturbiner for elektrisitetsproduksjon. To hovedparametere som danner grunnlag for den utvikling av teknologier for energiproduksjon basert på biomasse er: - størst mulig energiutbytte - økt utbytte av høyverdig energi, dvs. elektrisitet I figur 1 er vist virkningsgrader med hensyn på elektrisitet for ulike ikke-konvensjonelle systemer for energiproduksjon fra biomasse. En konvensjonell systemløsning som forbrenning kombinert med dampturbin har til sammenligning en virkningsgrad med hensyn på elektrisitet i området 20-25% (R. H. Williams, E. D. Larson, 1996). P-IGCC: Trykksatt gassifisering, kombinert krets (gassturbin og dampturbin) A-IGCC: Atmosfærisk gassifisering, kombinert krets STIG: Trykksatt gassifisering, gassturbin med damp injeksjon Diesel: Trykksatt gassifisering og diesel motor Pyro-Diesel: Hurtig pyrolyse og diesel motor Pyro-CC: Hurtig pyrolyse og kombinert krets. De verdier som er angitt i figur 1 er beregnet ut i fra tekniske systemstudier av komplette prosesser for anlegg av ulike størrelser 195
50 45 25 20 Diesel -O" STIG - P-IGCC A-IGCC D 10 20 30 40 Output Power MW Pyro-Diesel -O- Pyro-CC 50 60 70 Figur I.Virkningsgrader med hensyn på kraftproduksjon (Y. Solantausta et. al, 1995). Rgur 1 viser størst utbytte av elektrisitet oppnås med prosesser basert på gassifisering av biomasse i system med en kombinert krets, det vil si gassturbin og dampturbin. Virkningsgrader for denne type prosesser ligger i området 37-47%. Figuren viser også som en generell trend at virkningsgraden øker med økende anleggsstørrelse. Ved kombinert kraft/ varme produksjon oppnås en langt bedre energimessig utnyttelse av biomasse og total virkningsgrad inklusive varmeproduksjon ligger i området 80-90% I figur 2 er vist produksjonskostnader for elektrisitet for de samme systemene som er vist i figur 1. Dette er kostnader basert på tekniske og økonomiske analyser av de systemløsninger som er omtalt ovenfor samt kraft/ varmeproduksjon basert på gassifisering (Gas Cogen) og pyrolyse (Pyro Cogen). Produksjonskostnadene er beregnet ut i fra følgende betingelser: Kostnad biomasse: USD 10/ MWh (ca 7 øre/kwh) Oljepris: USD 29/ MWh (ca 20 øre/kwh) Driftstid: 5000 timer/år Levetid: 20 år Rente: 5% Varmepris: USD 20/ MWh (ca 15 øre/kwh) 196
2CX1 o Gas Diesel Pyro Dicsc! GIGCC M Pyro CC OST1G * 7 Gas Cogen Pyro Cogen - Correlation - 150 is) <-> 100? ^ j _-_,... g 50-20 40 Power Plant Capacily NfWe t i 60 Figur 2.Produksjonskostnad som funksjon av anleggstype og anleggsstørrelse (Y. Solantausta, 1995). Figur 2 viser klart effekten av anleggsstørrelsen. Økende anleggsstørrelse gir reduserte kostnader samt at variasjoner mellom de ulike anleggstypene blir redusert. Effekten av anleggsstørrelsen gjelder også for de spesifikke investeringskostnadene som vist i figur 3. 8000 6000 a Gasification Power Planls.. Conventional power Plants S 4000 > c 2 0 0 - ^feigg 20 40 Power Ouiput MWe 60 Figur 3.Spesifikke kapitalkostnader for IGCC systemer basert på biomasse (Y. Solantausta, 1995). 197
Med bakgrunn i forhold knyttet til virkningsgrader og kostnader er interessen for anlegg for kraft/ varmeproduksjon fra biomasse i USA og Europa primært rettet mot store anlegg (> 20 MWel). Dette er også vist i andre tekno-økonomiske analyser som er foretatt på tilsvarende systemløsninger. (A.V. Bridwater, 1995, C. P. Mitchell et. al., 1995og K. R. Craig, M. K. Mann). Så langt er det imidlertid kun bygget et anlegg basert på trykksatt gassifisering av biomasse i system med en kombinert krets i Norden. Dette anlegget står i VSrnamo, Sverige, og produserer 9 MW elektrisitet og 9 MW varmeenergi til et fjernvarmenett. Anlegget er bygget for å demonstrere teknologiske løsninger og er ikke konkurransedyktig sammenlignet med andre energiproduserende prosesser i dag. Sammenlignet med norske forhold vil store anlegg av typer som omtalt ovenfor ha et begrenset marked. Et anlegg med kapasitet på 20 MWel vil i tillegg produsere ca 30 MW i form av varmeenergi som må utnyttes for å oppnå en høy totalvirkningsgrad for anlegget. Bruk av ensidig elektrisk oppvarming i boliger og service og næringsbygg er en barriere for videre utbygging av fjernvarme i Norge. Det er imidlertid et potensiale for små systemer for desentralisert kraft/ varme produksjon. Dette kan være enheter ned i størrelser tilpasset boliger og næringsbygg og opp til systemer som kan dekke varmebehovet og deler av kraftbehovet i tettsteder og mindre byer. Effektmessig vil dette være enheter i størrelsen 3 kwel og opp til 5 MWel. Det er her gitt en kort oversikt over ulike systemløsninger for småskala kraft/ varmeproduksjon basert på biomasse. Dampturbln Et system for kraft/ varmeproduksjon basert på dampturbin og biomasse er vist skjematisk i figur 4. Dampproduksjon er mest vanlig basert på direkte forbrenning av biomasse, men systemet kan også være basert på forbrenning av gass fra gassifisering av biomasse eller pyrolyseoljer. Dampturbiner er kommersielt tilgjengelige innenfor området 250 kwel og opp til 10 MWel Spesifikk investeringskostnader for dampturbiner opp til 10 MW el ligger i området USD 150-300/kWel (H. H. Jakobsen, S. HoumøUer, 1993). Sammenlignet med andre teknologier for småskal kraft/ varmeproduksjon er installasjonskostnader for en dampturbin relativt lave på grunn av moden teknologi. Ulempene med dampturbiner av denne størrelsen er den lave virkningsgraden med hensyn på kraftproduksjon (i området 10%) samt dårlig virkningsgrad på del-last. Dampmotor Prosessen er tilsvarende som for dampturbin, bortsatt fra at dampturbinen er erstattet med en dampmotor. Tradisjonell bruk av slike systemer er i anlegg hvor tilgangen av biomasse er for lav sett i forhold til økonomisk drift av en dampturbinprosess. Dampmotorer er kommersielt tilgjengelige i området 25-1500 kwel i ulike utfø- 198
Biomasse Cerrptutin tn-o Figur 4, Skjematisk skisse av dampturbinprosess. reiser. Dampmotorer er utprøvd og robust teknologi som kan operere under industrielle forhold. Den lave virkningsgraden med hensyn på kraftproduksjon, ofte <10%, tilsier at denne systemløsning kun er aktuell for spesielle installasjoner. Gassturbin I en gassturbin foregår kompresjon, forbrenning og ekspansjon kontinuerlig og i forskjellige komponenter. I figur 5 er vist prinsipiell utforming av en gassturbinprosess inklusive en avgasskjel for varmeproduksjon. Gassturbiner er en utprøvd og kommersiell teknologi som leveres i enheter med kapasiteter i området 200 kw til 220 MW. Virkningsgrad med hensyn på kraftproduksjon ligger i området 20-40% avhengig av størrelsen. Konvensjonelle gassturbiner er basert på bruk av gass eller olje som brensel. Sett i sammenheng med biomasse kan direkte fyrte gassturbiner operere med pyrolyseoljer eller gass fra gassifisering av biomasse. Det siste er demonstrert på IGCC anlegget i Varnamo hvor det står en gassturbin fra EGT. Det pågår også utvikling av såkalte indirekte fyrte gassturbiner hvor brennkammeret i prosessen erstattes med en varmeveksler. I slike systemer oppvarmes komprimert luft ved hjelp av røykgass fra direkte forbrenning av biomasse. Der er i dag ingen kommersielle gassturbiner som er tilpasset bruk av pyrolyseolje eller gass fra gassifisering av biomasse. Gassturbiner for foredlede biobrensler som gass eller olje utvikles med utgangspunkt i konvensjonelle enheter. Det er spesielt innhold av partikler samt alkaliemetaller (Na og K) som enten krever rensing av brenselet 199
Brenæl Brennkammer Figur 5. Skjematisk skisse av gassturbinprosess. eller bruk av spesielle materialer i gassturbinen for å unngå problemer med beleggdannelse og korrosjon. Stirlingmotor I en Stirlingmotor omdannes tilført høytemperatur varmeenergi til elektrisk energi og lavtemperatur varmeenergi. Systemet består av motor som omdanner termisk energi til mekanisk arbeid og en generator som omdanner den mekaniske energien til elektrisitet. Energitilførselen er ofte basert på overføring av varme fra røykgass til motorens arbeidgass over en varmeveksler. Forbrenningsprosessen er dermed ikke direkte koblet til motorens arbeidsgass som i en konvensjonell Otto eller Diesel motor. Denne eksterne forbrenningen gjør at Stirlingmotoren har en unik fleksibilitet med hensyn på brenseltyper samt at en kontinuerlig forbrenningsprosess gjør det lettere å oppnaå lavere utslipp. Sett i sammenheng med bruk av biomasse kan man her benytte røykgass fra direkte forbrenning av biomasse, forbrenne gass fra gassifisering av biomasse eller/og pyrolyseoljer. Stirlingmotorer er typisk små enheter i området 3-120 kwel. og kan gi opptil 30% utbytte i form av elektrisitet og omlag 60% utbytte i form av varme (varmt vann) (P. H. Heyerdahl, 1996, H. Carlsen, 1996). Med videre FoU aktivitet forventes kraftutbytte å øke opp mot 35-40%. Sammenlignet med alternative systemløsninger er Stirlingmotoren interessant på grunn av kraftutbytte forventer kraftpris. Så langt har man begrenset erfaring med bruk av biobrensler i slike systemer, men prototyper finnes installert blant annet i Østerrike, 200
Engalnd og Danmark. Så langt har Stirlingmotorer i liten grad blitt kommersialisert. Dieselmotor/ Gassmotor Bruk av Diesel eller gassmotor knyttet opp mot biomasse krever at biomasse omformes til et gassformig eller flytende brensel. Utgangpunktet vil dermed være en gassifiserings- eller pyrolyseprosess for brenselproduksjon koblet mot en motorinstallasjon. Pyrolyseoljer brukt på Dieselmotorer er så langt kun blitt demonstrert i laboratoriesammenheng. Erfaringene så langt viser at rå pyrolyseolje kan benyttes som brensel under forutsetning av at diesel benyttes som pilotbrensel. Det forventes at denne utprøvingen vil fortsette slik at man får data fra langtidstester som dekker både eventuelle effekter på motor og også kringutrustning som pumper og dyser. Gassmotorer benyttes i småskala kraft/ varmeproduksjon med naturgass som brensel. Gassmotorer er også i bruk i systemer for energiproduksjon fra deponigass. Erfaringene med bruk av gass fra gassifisering av biomasse er ennå noe begrenset, men erfaringene så langt viser at det må benyttes diesel som støttebrensel og/eller bruk av tennplugg. Opplysninger om virkningsgrader viser relativt store variasjoner med hensyn på kraftutbytte i området 20-35% (D.R. Mcllveen-Wright, B.C. Williams, J.T. McMullan, 1997, Jenbacher Energiesysteme AG). Gassmotorer fra ulike leverandører dekker typisk området 100 kw - 6 MW elektrisk kraft. I tillegg kan kjølevann fra motoren benyttes til varmeproduksjon slik at total virkningsgrad for en slik installasjon kan komme opp i 80-90%. Regjeringen har i Stortingsmelding nr. 58 (1996-1997) om "Miljøvernpolitikk for en bærekraftig utvikling" satt som mål å øke bruken av bioenergi med ca 5 TWh i løpet av en periode på 5-10 år fra dagens nivå på ca 12 TWh. Potensialet for bioenergi i Norge er anslått til å ligge i området 30 TWh. Regjeringen er i sin satsing på bioenergi lagt mest vekt på markedsnære tiltak i form av støtte til bygging av konvensjonelle energiprodusende systemer, det vil si kjelesystemer. En slik utbygging forutsetter imidlertid at man har et varmebehov som anleggene kan betjene som både er av en viss størrelse og varighet for å gi tilfredsstillende økonomisk drift Sett i et noe lengre tidsperspektiv vil også anlegg for kombinert kraft/ varmeproduksjon basert på biomasse være aktuelle i det norske energisystemet. På grunnlag av de teknologier som her er omtalt kan følgende systemer være aktuelle: Gassifisering av biomasse og kombinert krets Aktuell teknologi for større anlegg knyttet opp til trebearbeidende industri som har eget kraft/ varme behov og som også har tilstrekkelig mengde biomasse tilgjengelig som brensel til en lav kostnad, eksempelvis papir og cellulose industri. Gassifisering av biomasse og gassmotor Aktuell teknologi for mellomstore anlegg. Aktuelle installasjoner vil eksempelvis være sagbruk og lignende som har biomasse tilgjengelig til en lav kostnad og som kan 201
utnytte helt eller delvis den produsert energien. Systemet vil også være aktuelt for mindre byer og tettsteder hvor biomasse er tilgjengelig til en lav pris. Stirlingmotor Aktuell teknologi for små anlegg som eksempelvis i bygninger (boliger, næringsbygg), veksthus og sagbruk etc som kan utnytte produsert varme og elektrisk energi. Referanser R. H. Williams, E. D. Larson," Bomass Gasifier Gas Turbine Power Generating Technology", Biomass and bioenergy, Vol 10, Nos. 2-3, pp 149-166,1996. Y. Solantausta, T. Bridgwater, David Beckmann,"Electricity production by advanced biomass power systems" VTT Research Notes, 1995. K. R. Craig, M. K. Mann, "Cost and Performance Analysis of Three Integrated Biomass Gasification Combined Cycle Power System". _ HYPERLINK http://www.eren.doe.gov/biopower/snowpapr.html http://www.eren.doe.gov/biopower/sno wpapr.html_ C. P. Mitchell, AS. V. Bridgwater, D. J. Stevens, A. J. Toft, M. P. Watters," Technoeconomic Assesment of Biomass to Energy", Bioamass and Energy, Vol. 5, Nos 1-5, pp 205-226,1995. A. V. Bridgwater, " The technical and economic feasibility of biomass gasification for power generation", Fuel, Vol. 74, No 5, pp 631-653,1995. H. H. Jakobsen, S. Houmøller, 'Technologies for Small Scale Wood Co-Generation Systems", dk-teknik, 1993. P. H. Heyerdahl, "Stirlingomformer i forbindelse med fornybare energikilder", ITF rapport 79/1996,1996. H. Carlsen, " Stirling Engines for Biomass: State-of-the-Art with Focus on Results from Danish Projects", Biomass for Energy and the Environment, Proceedings of the 9th European Bioenergy Conference, 1996. D. R. Mcllveen-Wright, B. C. Williams, J. T. McMullan, "Electricity Generation from Wood-Fired Power Plants; the Principal Technologies Reviewed", Developments in Thermochemical Biomass Conversion, 1997. JenbacherEnergisystemeAG, HYPERLINK http://www.jenbacher.co.at/frameandex.htm http://www.jenbacher.co.at/frame/index.htm 202 PAQBiS)! ft SLANK