Småskala varmeproduksjon fra skogsbrensel. Even Bjørnstad Arnstein Norheim

Småskala varmeproduksjon fra skogsbrensel Even Bjørnstad Arnstein Norheim Trøndelag Forskning og Utvikling Steinkjer 2007

Tittel Forfatter Notat : 2007:4 Prosjektnummer : 1824 : SMÅSKALA VARMEPRODUKSJON FRA SKOGSBRENSEL : Even Bjørnstad Arnstein Norheim ISSN : 0809 9642 Prosjektnavn Oppdragsgiver Prosjektleder Layout/redigering Referat Emneord : Bioenergi Stod : Persløkka Samdrift DA, Stod : Even Bjørnstad : Solrun F. Spjøtvold Dato : April 2007 Antall sider : 76 Pris : 100, Utgiver : Notatet diskuterer aktuelle teknologier og verdikjeder for småskala varmeproduksjon basert på flis : Småskala, Varmeproduksjon, Flis, Skogsbrensel : Trøndelag Forskning og Utvikling AS Postboks 4057, Nordsia, 7726 STEINKJER telefon 74 13 46 60 telefaks 74 13 46 61

FORORD Denne konseptstudien er blitt til etter initiativ fra Åsmund Bratberg, Arvid Hatling, Snorre Jystad og Jon Olav Veie, alle med bakgrunn i landbruket i Stod i Steinkjer kommune. Formalisert gjennom virksomheten Persløkka Samdrift DA har de ønsket å styrke kunnskapen omkring konseptet småskala biovarme som mulig grunnlag for økt aktivitet og verdiskapning med basis i det lokale ressursgrunnlaget. Gjennom denne konseptstudien belyses sentrale deler av verdikjeden fra skog til varme med utgangspunkt i den teknologien som synes mest aktuell for en såkalt småskala tilnærming. Konseptstudien er en del av et større prosjekt med tanke på realisering av et mulig varmeprosjekt i Stod. Med Persløkka Samdrift som formell oppdragsgiver er arbeidet finansiert av Nord-Trøndelag Elektrisitetsverk, Enova og Steinkjer kommune. Arbeidet har dratt nytte av ei referansegruppe som foruten de nevnte initiativtakere også har bestått av Vigdis Mygland fra Nord-Trøndelag Elektrisitetsverk, Johan Chr. Mørkved fra Steinkjer kommune og Viggo Iversen fra Enova. En stor takk til referansegruppa for kritiske spørsmål og konstruktive innspill til arbeidet! Rapporten er skrevet som et samarbeid mellom Arnstein Norheim ved Institutt for energi- og prosessteknikk, NTNU, og Even Bjørnstad ved Trøndelag Forskning og Utvikling AS. Norheim har hatt hovedansvaret for delen om forbrenning, mens undertegnede har ført delen om brenselsproduksjon i pennen. i Steinkjer, februar 2007 Even Bjørnstad prosjektleder

iii INNHOLD side FORORD INNHOLD FIGURLISTE TABELLER SAMMENDRAG i iii iv v vii 1. VARME PRODUSERT PÅ TREBRENSEL 1 Del 1 Brensler og brensellogistikk 3 2. EGENSKAPER VED SKOGSBRENSLER 5 2.1 Vanninnhold 8 2.1.1 Brennverdi 8 2.1.2 Lagring 9 2.2 Densitet, transportabilitet 10 2.3 Fysisk form 12 3. HØSTINGSSYSTEMER 15 3.1 Integrert høsting: tømmer og biobrensel 16 3.1.1 Flising ved stubbe 17 3.1.2 Flising ved skogsbilvei 17 3.1.3 Flising ved terminal eller varmeverk 20 3.2 Energiskog 23 3.3 Spesialisert småskala energihøsting 25 3.3.1 Manuell 25 3.3.2 Mekanisert høsting av energivirke 26 3.4 Flishogging 31 3.5 Brenselproduksjon diskusjon 33 Del 2 Forbrennings-teknologi 35 4. FORBRENNING 37 4.1 Forbrenningsprosessen 37 4.2 Designparametere 39 5. FORBRENNINGSTEKNOLOGI 41 5.1 Pelletsbrenner 41 5.2 Fast-bed forbrenning 43 6. RØYKGASSRENSING 49 7. VARMEDISTRIBUSJON 51 8. LEVERANDØROVERSIKT 53 9. KOSTNADSDATA 59 LITTERATUR 63

iv FIGURLISTE Figur side 3.1: Hogstavfall lagret ved skogsbilvei (Biowatti) 19 3.2: Komprimerende tilhenger for hogstavfall. Kilde: http://virtuoosi.pkky.fi/metsaverkko/, Copyright: Asko Puhakka 21 3.3: Komprimerende tilhenger for hogstavfall under transport 22 3.4: Buntemaskin for hogstavfall, (kilde: www.deere.com) 23 3.5: Høsting av energiskog. Kilde: www.ruralgeneration.com 25 3.6: Manuell felling av energivirke (Sikanen et al., 2005) 26 3.7: Eksempel på flertreaggregat for høsting av energiskog. Abab Klippen 250 (kilde: www.allanbruks.se) 28 3.8: Energigårdens landbrukstraktor med flertreaggregat 29 3.9: Skogstilhenger for traktor 30 4.1: Termokjemiske prosesser og deres hovedprodukter 38 5.1: Ulike typer pelletsbrennere; undermatet, horisontalmatet, overmatet 42 5.2: Undermaterstoker 44 5.3: Prinsippskisse for ristfyring 45 5.4: Ulike strømningsmønster for ristfyringsnalegg 46 5.5: Ristfyring med bevegelig, horisontal rist 47 6.1: Syklon for partikkelfjerning 50 8.1: Bioheats fyringsanlegg 53 8.2: Fröling Turbomatic 55 8.3: Fröling Turbomat 55 8.4: Lopper Turner 56 8.5: KÖB Pyrot 57 8.6: Pyrtec 58

v TABELLER Tabell side 2.1: Standard størrelsesprefikser 5 2.2: Densitet og brennverdi for enkelte treslag 10 2.3: Fastmasseprosent for ulike trebrensler 12 3.1: Eksempler på avlingstall fra feltforsøk med energiskog 24 3.2: Tekniske data på tilgjengelige flertreaggregater 31 5.1: Aktuelle typer forbrenningsteknologi 41 6.1: SFTs veiledende grenser for utslipp av karbonmonoksid (CO) og partikler 49 9.1: Kostnader for brensellager - pellets 59 9.2: Kostnader for brensellager - flis 59 9.3: Overslag over kostnad for kjelleveranse i henhold til spesifikasjon i tekst 60

SAMMENDRAG I denne rapporten går vi nærmere inn på de teknologiske muligheter og begrensninger som ligger i konseptet småskala trebrenselbasert varmeproduksjon, og som er basert på lokalt tilgjengelig og lavt foredla brensel (primært treflis). Dette er et virksomhetsområde som er lite utbredt i Midt-Norge, og som ennå ikke har funnet sin form. Vi velger å definere et småskala varmeanlegg som et anlegg med en effektkapasitet på mindre enn 1 000 kw (eller 1 MW). I andre enden av størrelsesskalaen kan slike anlegg være ned i 30 40 kw effekt. Slike anlegg vil typisk kunne levere varme til gårdsbruk, kontorbygg, besøkssentre, private hjem o.l. Med trebrensel mener vi biobrensel fra treråvare som ikke har gjennomgått noen kjemisk prosess. Inkludert er alle biobrensler der tre eller deler av tre er utgangsmateriale, og brenselet kan i tillegg ha hatt en annen anvendelse. Trebrensler kan deles i tre kategorier: 1) Energiskog (SRF hurtigomløps skogbruk) 2) Skogsbrensel i) Primæravfall (fra skogen) - hogst- og tynningsavfall - stubber og røtter ii) Rundtømmer for energi - flis fra jomfruelig virke - tradisjonell ved iii) Sekundæravfall (fra treindustrien) - bark, sagflis, spon, kapp etc. 3) Resirkulert virke i) Bygningsavfall ii) Rivningsvirke iii) Emballasje/paller Hovedfokus i denne studien er på bruk av skogsbrensel. Studien har to hoveddeler; (i) Brensler og brensellogistikk og (ii) Forbrenning. vii Brensler og brensellogistikk Hvorvidt et trebrensel er egna som varmekilde, avhenger av ulike kjennetegn ved brenselet. Ett viktig kjennetegn er vanninnholdet. Generelt ønsker vi at trebrensler skal ha et lavt vanninnhold. Hovedårsaken er at dess mindre fukt i brenslet, dess høyere blir brennverdien. Rått trevirke kan inneholde opp til 60 % vann, men ved gode naturlige tørkeprosesser kan fuktinnholdet reduseres til mellom 20 og 30 %. Trevirke med 20 % fuktighet vil typisk ha en effektiv brennverdi på rundt 4,12 kwh pr. kg, tilnærmet uavhengig av treslag.

viii En annen årsak til at en ønsker å redusere fuktinnholdet i trevirke, er lagringsstabiliteten. Ferskt virke som er findelt, f.eks. sagflis og hogget flis, kan være vanskelig å lagre over tid. En risikerer utvikling av mikroorganismer i flishaugen, noe som kan føre til betydelig substanstap, utvikling av helsefarlige soppsporer, og i verste fall sjølvantenning. Tørking av virket reduserer slik risiko betydelig. Videre er brenselets densitet viktig. I tillegg til at det er betydelige forskjeller mellom de ulike treslagenes basisdensitet (kg pr. fast m 3 ), er det også betydelig forskjell i "lagringstettheten" (fastmasseprosenten) til de ulike måtene å dele opp virket på. Hogstavfall har en fastmasseprosent på rundt 15, mens en ved flising øker denne til ca. 35. Ved transport av trebrensel er det viktig å få en høyest mulig fastmasseprosent, slik at en i minst mulig grad frakter luft. Brenselets fysiske utforming er også en viktig egenskap. I tillegg til å påvirke densiteten, har den fysiske utformingen også mye å si for fyringslogistikken. Brensler som er komprimerte, tørre og med en standard fysisk form (som briketter og pellets) er betydelig enklere å håndtere i transport og innmating enn mindre foredla brensler som ved og flis. Disse fordelene må veies opp mot de ekstra kostnadene som slik foredling medfører. De viktigste trebrenslene som kan sies å ha en standardisert utforming, er fyringsved, treflis, briketter og pellets. I denne studien har vi som nevnt et spesielt fokus på én gruppe trebrensler, nemlig skogsbrensel. Trebrensler kan skaffes til veie på mange ulike måter og etter ulike prinsipper. Disse representeres ved det høstesystemet som velges. I storskala bruk av skogsbrensel i det svenske og finske energimarkedet, har en utviklet et høstesystem basert på en tett integrasjon mellom ordinær skogsavvirkning og høsting av skogsbrensel i form av hogstavfall. Det som i hovedsak bestemmer utformingen av et produksjonssystem for skogsbrensel, er hvor i systemet findelingen eller flisingen finner sted. Flising kan foregå ved stubben, på lunneplass ved bilvei, eller på terminal/varmesentral. Transportavstand til varmeverk er en viktig faktor i denne beslutningen, på linje med mulige flaskehalser i logistikk-kjeden, behov for tørking av virket, osv. Innafor den integrerte avvirkningen finner vi følgende to hovedsystemer: (i) Hogstavfallet kjøres fra skogen og til skogsbilvei hvor det lagres i store hauger, gjerne tildekket av papp, for tørking over sommeren. I fyringssesongen flises hogstavfallet på stedet, enten i konteinere eller ved hjelp av flisbil, før det kjøres til varmeverket. Et annet interessant system er (ii) framstilling av lange bunter/pølser av hogstavfallet i skogen. I denne innpakningen kan hogstavfallet kjøres ut sammen med tømmerstokkene, og en har en felles uttransport for både tømmer og energivirke. Ved siden av dette integrerte systemet ser vi at det vokser fram et system basert på tilplanting av jordbruksareal med hurtigvoksende trearter. Denne produksjonen av energiskog er foreløpig mindre aktuell i Norge.

ix Det tredje høstesystemet har vi kalt spesialisert småskala energihøsting. Dette er et system som er designet primært med tanke på høsting av energivirke fra skogen, og vil typisk passe for uttak av mindre heltrær i en tidlig tynning, rydding og hogst langs veier og åkerkanter, og ellers der en kommer til med traktor/maskin og kan utføre en effektiv hogst. En måte å gjøre dette på, er ved den manuelle metode. Her brukes motorsag til å felle trærne, før de ukvistede trærne kjøres med traktor for lagring og tørking før flising. En interessant teknikk for mekanisert høsting av slik energivirke er nå under utvikling. Teknikken består av et såkalt flertreaggregat, et fellehode som kan kappe og samle opp flere trær i en vending. Buntene med heltrær kan så legges på bakken for lagring eller på en tilhenger for utkjøring. Flertreaggregatet kan brukes på både traktor og hogstmaskin. Denne metoden gjør det mulig å plukke enkelttre i en ung bestand på en effektiv måte, og kan være et viktig bidrag til utviklingen av lønnsomme småskala systemer for varmeproduksjon på skogsbrensel. Forbrenningsteknologi Denne rapportens forbrenningsdel gir innledningsvis en kort beskrivelse av forbrenningsprosesser og viktige faktorer som må oppfylles for å oppnå fullstendig forbrenning og dermed høyest mulig energiutbytte fra brenselet. Viktige designparametere for at et forbrenningsanlegg skal kunne opereres med lave utslipp og høy virkningsgrad presenteres. Deretter gis en beskrivelse av aktuell forbrenningsteknologi innenfor denne studiens effektavgrensning. Et utvalg norske leverandørers fyringsanlegg presenteres. Til sist gis prisoverslag for ulike komponenter og anleggskostnader for øvrig. Forbrenning av biobrensler kan foregå i et bredt skalaspekter fra punktoppvarming ved hjelp av vedovner i private husholdninger til store industrielle varmeverk tilknyttet fjernvarmenettverk. Valg av teknologi for en bestemt applikasjon bestemmes av type brensel og brenselets kvalitet, effekt- og varmebehov, ønsket grad av automatisering og prosessregulering og økonomi. Formålet med forbrenning er å omvandle energien i brenselet til varme. Dette gjøres ved å oksidere de brennbare komponentene i brenselet. For å oppnå fullstendig forbrenning av brenselet og dermed høyest mulig energiutbytte må en sikre i) god blanding av forbrenningsluft og brensel, ii) nok tilgjengelig oksygen, iii) høy nok forbrenningstemperatur og iv) lang nok oppholdstid for brenselet i forbrenningskammeret. For å oppnå disse kriteriene må en ved konstruksjon og drift av et forbrenningsanlegg ta hensyn til flere parametere som bl.a. i) brenseltype og kvalitet, ii) designlast, iii) lufttilførsel, iv) luftforvarming, v) varmeovergang til forbrenningskammeret, vi) varmeovergang til distribusjonsnettet og vii) prosessregulering. I denne studien har vi sett på aktuell forbrenningsteknologi for småskala, trevirkebasert varmeproduksjon. Småskala varmeproduksjon er, som nevnt innledningsvis, definert som installert effekt mindre enn 1 MW. I denne sammenhengen er det tre hovedgrupper teknologiløsninger som er mest aktuelle; pelletsbrenner i kjel, undermaterstoker og ovn med fast eller bevegelig rist. Pelletsbrennere er mest aktuelle for

x anlegg med lavt effektbehov. Undermaterstokere kan være aktuelle i hele denne studiens effektområde, mens ovn med rist er mest aktuell i øvre del av effektområdet. Norske leverandører av småskala forbrenningsanlegg for biobrensler har blitt kontaktet for å få en beskrivelse av deres teknologi. Vi har også benyttet leverandørenes internettsider for utfyllende informasjon. Teknologibeskrivelsen har i flere tilfeller vært lett tilgjengelig, men det har vært vanskeligere å innhente kostnadsdata fra leverandørene. De kostnadsoverslag som presenteres i denne rapporten er derfor basert på erfaringstall.

1. VARME PRODUSERT PÅ TREBRENSEL Formålet med denne studien er å klarlegge hvilke teknologiske muligheter og begrensninger som ligger i konseptet småskala trebrenselbasert varmeproduksjon. Studien er utløst av konkrete planer om et såkalt bondevarme-anlegg i Steinkjer, planer som har utløst behov for kunnskap om konseptet i seg selv. De konkrete planene er motivert ut fra et ønske om økt verdiskapning med basis i egne eller lokale trevirkeressurser og et ønske om selv å ta hånd om en størst mulig del av verdikjeden. Innkjøp av foredla brensel, som pellets, er derfor mindre aktuelt. Størrelsen på anlegget vil også være tilpasset et mindre antall bygg i lokalsamfunnet. Det er altså snakk om et småskala bioenergianlegg. Disse begrensningene legger rammer for studien, som vil ha et fokus på småskala "nærvarme" basert på flis fra trevirke. Sikanen et al. (2005) gir eksempler som illustrerer hva som ligger i de ulike størrelsesbetegnelsene på varmeanlegg. De opererer med betegnelsen småskala på anlegg som betjener gårdsbruk, kontorbygg, besøkssentre, private hjem, etc., hvor en har et typisk effektbehov på 40 1 000 kw. Til tross for at en tradisjonelt har sett på flisfyring som en løsning best egna for større anlegg, vil flisbaserte anlegg ned i 40 50 kw kunne driftes uten spesielle problemer (Eilif Sandberg, pers. medd. 22.11.2006). Videre opererer Sikanen et al. med betegnelsen mellomskala på anlegg i størrelsen 0,5 20 MW. Dette er en typisk "municipality size", dvs. nær- og fjernvarmeanlegg for mindre byer og tettsteder. Et eksempel kan være Marienborg Varmesentral, som leverer varme til fjernvarmenettet i Trondheim. Denne sentralen har en kapasitet på ca. 9 MW og en årlig produksjon på ca. 30 GWh (kilde: Erik Winsnes, presentasjon ved Bioenergy 2005). Storskala anlegg blir da anlegg over ca. 20 MW, som eksempel nevnes verdens største bioenergianlegg, Alholmens kraft i Finland, med en effekt på 550 MW. Vi vil utdype disse effekt- og energibegrepene nedenfor. Med bakgrunn i disse avgrensingene faller det naturlig å dele studien i to deler. I del I ser vi nærmere på egenskapene til skogsbrensler og hvordan disse kan skaffes til veie for fyring i et småskala anlegg. Deretter, i del II, ser vi nærmere på hvilken fyringsteknologi som er aktuell for denne typen anlegg. 1

3 Del 1 Brensler og brensellogistikk

5 2. EGENSKAPER VED SKOGSBRENSLER La oss starte med noen definisjonsmessige avgrensninger av de ulike begrepene som brukes i denne sammenhengen. Energi er den evnen et system har til å utføre arbeid, hvor arbeid er forstått som kraft anvendt over en strekning. Effekt er mengden arbeid utført pr. tidsenhet. Arbeid måles i Joule (J), og en effekt på 1 J pr. sekund er lik 1 Watt (W). Vi bruker gjerne Watt som enhet for effekt. Energi måles som summen over tid av systemets effekt. En effekt på 1 W i 1 time gir en energi på 1 Wh (Watt-time). Med Wh som grunnenhet for energi kan ulike størrelser på energi representeres ved hjelp de standardiserte størrelsesprefiksene, se tabell nedenfor. Tabell 2.1: Standard størrelsesprefikser Benevnelse Faktor Energienhet (grunnenhet) 1 = 10 0 Wh kilo- 1 000 = 10 3 kwh mega- 1 000 000 = 10 6 MWh giga- 1 000 000 000 = 10 9 GWh tera- 1 000 000 000 000 = 10 12 TWh peta- 1 000 000 000 000 000 = 10 15 PWh exa- 1 000 000 000 000 000 000 = 10 18 EWh Følgende eksempler illustrerer bruken av disse enhetene. En 60 W lyspære som står på hele året, dvs. 8 760 timer, bruker elektrisk energi tilsvarende 525 600 Wh eller 525,6 kwh. Årlig forbruk i en vanlig norsk bolig kan være 20 000 30 000 kwh, eller 20 30 MWh pr. år. Et større bygningskompleks, f.eks. et middels stort butikksenter, kan bruke 3 4 GWh pr. år. Den årlige norske produksjonen av el er i området rundt 120 TWh. Det globale årlige energiforbruket er rundt 120 PWh (petawatt-timer). Energi kommer i mange former. I produksjonen av vannkraft drar vi nytte av den potensielle energien som ligger i våre vannmagasiner, hvor det er høydeforskjellen mellom vannmagasinet og generatoren som definerer energipotensialet. Vann som er rent ut i havet har mistet sin potensielle energi, men tidevann kan representere noe potensiell energi. Kinetisk energi (bevegelsesenergi) har vi fra vind (vindmøller), vann (i en turbin) eller trekkdyr. Kjemisk energi kommer fra kjemiske bindinger i ulike materialer, som kull, olje, gass og biomasse. Elektrisk energi er et resultat av forskjeller i elektrisk ladning, termisk (indre) energi kommer av fysiske prosesser i ulike materialer (f.eks. jordskorpa), mens kjernekraft er et resultat av spalting av atomkjerner. Vi kan kalle disse formene for energi for primærenergikilder. En grunnleggende utfordring for alle samfunn er å utnytte disse primære energikildene på en måte som bidrar positivt til samfunnsutviklingen, i dag og i framtida. Et energisystem representerer en løsning på denne utfordringen. Samfunnet har behov for ulike energitjenester (belysning, transport, arbeid, kjøling, oppvarming). Primærenergikildene (vann, sol, olje, gass, kull, atom, biomasse, vind, jordvarme, etc.) er ikke uten videre i en slik form at de kan utføre de ulike energitjenestene. Derfor må energikildene omformes til energibærere som er hensiktsmessige i utførelsen av de ulike

6 energitjenestene. Omforming, transport og lagring av energibærerne er en viktig del av et energisystem. Typiske eksempler på energibærere er ved, pellets, el, bensin, koks, trekull, hydrogen, gass, etc. Omforming av energikilder til ulike energibærere kan være energi- og kostnadskrevende i seg selv. Ulike typer sluttbruk stiller ulike krav til energibærere, og dermed ulike krav til omforming av primærenergikilden. Oppvarming stiller generelt lavere krav til energibæreren enn f.eks. drift av motorer og maskiner. Direkte soloppvarming og peisved er energibærere som er lite bearbeidet i forhold til primærenergikilden, mens elektrisitet og hydrogen er eksempler på energibærere som det er mer komplisert å framstille. Energikvalitet (eksergi) brukes for å beskrive dette. Energikvalitet handler om energibærerens anvendbarhet. En høykvalitets energibærer kan brukes mot mange ulike typer sluttbruk, mens en lavkvalitets energibærer har et mer avgrensa bruksområde. Elektrisitet kan, som nevnt, brukes til de aller fleste typer sluttbruk. Olje kan også brukes i mange anvendelser, mens faste brensler har en betydelig mer avgrensa bruk. Så lenge det ikke er overflod på høykvalitets energibærere, vil det i et energisystem være et poeng at energibærernes kvalitet er tilpasset kravene som stilles i anvendelsen. Varmeproduksjon stiller mindre krav til energibæreren enn f.eks. effektiv framdrift av et kjøretøy. Derfor trengs det høyere kvalitets energibærere til en bilmotor (olje, gass, el) enn til en peis (ved). I dette perspektivet er det derfor positivt dersom en kan tilfredsstille energibehov som oppvarming ved bruk av f.eks. bioenergi, som i de fleste former er lavkvalitets energibærere (Hohle, 2001). Fokus i denne studien er småskala bioenergisystemer med basis i trebrensel. Også innen dette området er det begreper som må forklares. Med biomasse menes (nylig) levende organismer eller deres metaboliske biprodukter (dvs. materiale med biologisk opprinnelse) som ikke har gjennomgått noen vesentlig kjemisk omdanning. Bioenergi er samlebetegnelsen på all energi som er framstilt med utgangspunkt i biomasse, men hvor biomassen kan ha gjennomgått en kjemisk prosess eller omvandling. Biobrensel er et smalere begrep enn bioenergi. Biobrensel er biomasse brukt for energiformål, hvor biomassen kun i liten grad har gjennomgått en kjemisk omvandling. Etter denne definisjonen er flis og pellets biobrensler, mens bioetanol og biogass ikke er det. Alle hører imidlertid til under begrepet bioenergi. Disse definisjonene er hentet fra Svensk Standard SS 187106. Eid Hohle (2001:81) har (implisitt) en litt videre definisjon, da også omdannede brensler i ulike fysiske tilstander (faser), både faste, flytende og i gassform, inkluderes som biobrensel. Felles for alle disse energibærerne er at de har sin opprinnelse i biomasse, altså kjemisk energi som ble bundet i fotosyntesen. Herav følger at bioenergi kan være karbonnøytral i klimasammenheng, noe som forutsetter en balansert forvaltning av det biologiske ressursgrunnlaget. Ved en slik forvaltning vil bioenergi være en fornybar energiressurs.

7 Biobrensler fra skogen i form av ved har alltid vært en del av vår historie. Nå er vi i ferd med å få økt bevissthet rundt andre trebaserte brensler, som pellets, briketter og flis. Fra jordbruket kan vi få ulike biobrensler for fyring (f.eks. halm og ulike grasarter), i tillegg til at en også kan produsere flytende drivstoff (ren planteolje, etanol, biodiesel) med utgangspunkt i ulike jordbruksvekster. Også gass (metanrik biogass) kan produseres med utgangspunkt i gjødsel og andre avfallsprodukter fra jordbruk, havbruk og matproduksjon. Flytende biodrivstoff kan også produseres med utgangspunkt i trevirke. Bioenergi og biobrensel er således vide begreper. I denne konseptstudien vil vi avgrense fokus til å gjelde brensel fra skogen som kan fyres i et mindre varmeanlegg. Med trebrensel mener vi biobrensel fra treråvare som ikke har gjennomgått noen kjemisk prosess. Inkludert er alle biobrensler der tre eller deler av tre er utgangsmateriale, og brenselet kan i tillegg ha hatt en annen anvendelse. Avfallspapir og avlut regnes ikke som trebrensler. Trebrensler kan videre deles i tre kategorier (kilde: Bioenergihandboken, www.novator.se/bioenergy/facts/fuelinvest.pdf, se også Sikanen et al. 2005): 1) Energiskog (SRF hurtigomløps skogbruk) 2) Skogsbrensel i) Primæravfall (fra skogen) - hogst- og tynningsavfall - stubber og røtter ii) Rundtømmer for energi - flis fra jomfruelig virke - tradisjonell ved iii) Sekundæravfall (fra treindustrien) - bark, sagflis, spon, kapp etc. 3) Resirkulert virke i) Bygningsavfall ii) Rivningsvirke iii) Emballasje/paller Sikanen et al. (ibid.) inkluderer også avlut under kategorien sekundæravfall. Noen vil ekskludere stubber og røtter fra trebrenslene. I det finske skogbruket nyttes imidlertid disse tredelene i økende grad i varmeproduksjon. Som vi ser er det altså ikke full enighet på detaljnivå om hva vi legger i de ulike begrepene, men hovedstrukturen skulle være klar. Avhengig av videre bruk, vil de ulike trebrenslene behandles på ulike måter. De vanligste "innpakningene" for trebrensel er i form av ved, flis, briketter, pellets og trepulver. Som nevnt ovenfor kaller vi disse innpakningsformene av trebrensel for energibærere. De forskjellige energibærerne har ulike egenskaper som sammen med ulik teknologi for forbrenning og varmedistribusjon favoriserer ulike kombinasjoner av brensler/energibærere og teknologier. Slike kombinasjoner kalles gjerne verdikjeder,

8 og omfatter all teknologi og alle operasjoner som er nødvendige for å frambringe varme med utgangspunkt i gitt trebrensel, enten dette er et tre i skogen eller trevirke i en annen form (hogstavfall, tynningsvirke, eller stenderverk fra en revet bygning). Framstilling av ulike energibærere med utgangspunkt i trebrensel, kalles gjerne å foredle brenselet. All behandling av trebrenselet som forbedrer energibærerens anvendelighet senere i verdikjeden er i prinsippet en foredling. Likevel er det energibærere som briketter, pellets og trepulver en helst refererer til som foredlede trebrensler. Hvilke egenskaper ved de ulike trebrenslene/energibærerne er så de viktigste ved valg av energiløsning? Vi er i første rekke opptatt av vanninnhold, densitet og energibærerens fysiske utforming. La oss se litt på hvorfor disse er viktige. 2.1 Vanninnhold Ferskt trevirke inneholder betydelige mengder vann. Fuktighet i trebrensel påvirker både brenselets brennverdi (varmeeffekt) og brenselets lagringsstabilitet. 2.1.1 Brennverdi Vann finnes i fri form i treets cellehulrom. I tillegg inneholder trevirke også vann bundet i treets cellevegger. Regnet i % av treets tørrvekt kan fersk ytre yteved inneholde opp til 140 % vann, mens en i kjerneved typisk har vanninnhold på 30 60 %. Ved tørking vil det frie vannet i veden fordampe først. Treets fibermetningspunkt angir det maksimale fuktighetsinnholdet som skyldes vann bundet i celleveggen, altså når det frie vannet er borte. Ved fibermetningspunktet er treets vanninnhold på 22 35 % av tørrvekt, avhengig av treslag. Ved ytterligere tørking fra fibermetningspunktet begynner treet å krympe. Ofte regnes fuktighetsinnholdet i trevirke som andel av virkets totalvekt, med betegnelse F r. For eksemplene over får vi da følgende verdier: 140 % vann av tørr masse gir F r = 0,58 og 60 % vann av tørr masse gir F r = 0,375 (kilde: Treteknisk Håndbok). Ved forbrenning av trevirke frigjøres vannet ved fordamping. Fordamping er energikrevende, og reduserer varmeeffekten av forbrenningen. Fordamping av ett kilogram vann krever 0,7 kwh varmeenergi. En reduksjon av vanninnholdet i ferskt trevirke fra 55 til 40 % vil øke den effektive varmeverdien med 8 % (Kallio og Leinonen, 2005:64). Høyt vanninnhold er altså ikke ønskelig, da mye energi forsvinner i røyken. Damp fra forbrenningen skyldes to forhold. Det ene er fuktighet i brenslet, jf. diskusjonen over. Dette reduseres ved tørking av trevirket. Den andre kilden til damp, er selve forbrenningen. Selv med helt tørt brensel vil selve forbrenningsprosessen medføre vann som et naturlig kjemisk biprodukt. Også dette vannet vil bidra til å redusere varmeeffekten noe. Større varmeanlegg basert på ferskt virke er ofte installert med røykgasskondensering. Det innebærer at varmen fra det fordampede vannet gjenvinnes, og virkningsgraden i varmeproduksjonen øker tilsvarende. Denne prosessen henter ut varme både fra fuktigheten i treet og det vannet som dannes kjemisk i forbrenningsprosessen. Med røyk-

9 gasskondensering kan en derfor oppnå virkningsgrader på over 100 % sammenlignet med forbrenning av tørt virke uten at varmen i røyken tas ut. Vi opererer med ulike begreper knytta til brenselets brennverdi. Øvre brennverdi (H ø ) er brennverdien til helt tørt virke, uten fradrag av fordampingsvarmen fra vannet som dannes i forbrenningen. Nedre brennverdi (H n ) er øvre brennverdi korrigert for dette fordampingstapet. Effektiv brennverdi (H e ) er nedre brennverdi redusert med fordampingstap også fra eventuell fuktighet i trevirket. For fuktig ved beregnes effektiv brennverdi på følgende måte: (1) H e = 5,32 6, 02 Fr Enheten her er kwh pr. kg virke, F r oppgitt som desimalbrøk. (Kilde: Treteknisk Håndbok). Formelen viser f.eks. at trevirke med 20 % fuktighet (F r = 0,2) har en effektiv brennverdi på 4,12 kwh pr. kg. Ut fra disse betraktningene er det derfor ønskelig å redusere vanninnholdet i brenselet mest mulig. Et unntak er varmeanlegg hvor en utfører røykgasskondensering, som innebærer at en henter ut og nyttiggjør også den varmen som ellers ville forsvunnet i skorsteinen. Røykgasskondensering er imidlertid aktuelt kun på større anlegg (fjernvarme). Tørking av brensel eller virke kan foregå på ulike måter. Det kan være gunstig rent kostnadsmessig å få hjelp fra naturen til dette. Å lagre virket i form av ufliset materiale (heltre) på et luftig og solrikt sted over en vår og sommer vil bidra til å redusere fuktigheten betydelig. Slikt virke bør tildekkes med papp under lagringen. Syrefelling av lauvvirke innebærer at virket felles når det har lauvverk og at det får ligge med lauvet på i noen dager eller uker. Tørkingen framskyndes da av treets naturlige "utånding". Naturlig tørking kan bringe fuktighetsinnholdet ned i rundt 30 % (se Lehtikangas og Jirjis (1993) og Ericson et al. (1993)). Rå flis kan også tørkes kunstig, f.eks. ved bruk av ei korn- eller høytørke, som finnes på mange gårder. 2.1.2 Lagring I tillegg til påvirkning av effektiv brennverdi, spiller vanninnholdet i virket også en rolle for lagringsstabiliteten. Ferskt virke som blir findelt, f.eks. sagflis og hogget flis, kan være utfordrende å lagre over tid. Utvikling av mikroorganismer i haugen medfører til dels betydelig substanstap og fare for varmgang og sjølvantenning. Utvikling av soppsporer kan representere et reelt arbeidsmiljø- og helseproblem ved håndtering av slike brensler. I tillegg er mulighetene for frysing vinters tid en utfordring ved bruk av disse typene brensel (Lehtikangas, 1999). I de fleste tilfeller er det ønskelig å bruke tørket virke i varmeproduksjon. Ved, pellets og briketter er alle i ulik grad tørka virke hvor en unngår de problemene som er referert til her. Ulempen er selvsagt at en pådrar seg økonomiske kostnader knytta til tør-