NOTAT. Emissionskortlægning for decentral kraftvarme Energinet.dk miljø-projekt nr. 07/1882

Transkript

1 Emissionskortlægning for decentral kraftvarme 2007 Energinet.dk miljø-projekt nr. 07/1882 Forslag til fremtidig F&U indsats vedrørende emissioner fra decentral kraftvarme Notat april 2010 NOTAT Dansk Gasteknisk Center a/s Dr. Neergaards Vej 5B 2970 Hørsholm Tlf Fax

2 Emissionskortlægning for decentral kraftvarme 2007 Forslag til fremtidig F&U indsats vedrørende emissioner fra decentral kraftvarme Lars Jørgensen Dansk Gasteknisk Center a/s Hørsholm 2010

3 Titel : Emissionskortlægning for decentral kraftvarme 2007 Rapport kategori : Notat Forfatter : Lars Jørgensen Dato for udgivelse : April 2010 Copyright : Dansk Gasteknisk Center a/s Sagsnummer : Sagsnavn : Emissionskortlægning 2007

4 DGC-rapport 1 Indholdsfortegnelse Side 1 Indledning Resume Forslag til forbedring af emissionsfaktorer Forslag vedrørende reduktion af emissioner Forslag rettet mod øvrig kraftvarmeproduktion Forbedrede emissionsfaktorer AMS til bestemmelse af emissionsfaktorer for affaldsforbrændingsanlæg inkl. opstart og unormal drift Bedre emissionsfaktorer for biomasseanlæg baseret på langtidsmåling Langtidsprøvetagning for dioxin på affaldsforbrændingsanlæg og biomassefyrede anlæg normale og specielle driftsforhold, herunder opstart Forbedrede emissionsfaktorer vha. data fra NO x afgift Emissionsfaktorers godhed Bedre emissionsfaktorer for biogasfyrede anlæg NO x fra mindre motoranlæg Reduktion af emissioner Ultrafine partikler fra gasmotorer Miljøoptimering af driftsstrategi for naturgasfyrede motorer Reduktion af CH Smøreolie emission fra gasfyrede og gasoliefyrede motorer Øvrige forslag NO x og IPPC direktiv Tungmetalemissionsfaktor for centrale værker N 2 O, CH 4 og NH 3 emissionsfaktorer for centrale værker NO x fra regulerkraftanlæg Emissionsfaktorer for grundlast, reserve- og regulerkraft Værktøj til beregning af miljødeklaration for el, årsvariation og geografisk fordeling... 10

5 DGC-rapport 2 1 Indledning Emissionskortlægningsprojektets primære mål er, på baggrund af indsamlede emissionsdata og gennemførte analyser, at udpege de væsentligste miljømæssige problemer og karakteristika for de decentrale kraftvarmeværker mindre end 25 MW e i Danmark. Dermed vil projektet specifikt udpege problemområder og være med til at danne beslutningsgrundlag for Energinet.dks fremtidige F&U indsats på disse områder. Projektgruppen, bestående af AnalyTech Miljølaboratorium A/S, Danmarks Miljøundersøgelser Aarhus Universitet (DMU), Force Technology samt Dansk Gasteknisk Center a/s (DGC) har, på baggrund af de indhøstede erfaringer i projektforløbet og input fra følgegruppen, opstillet forslag til indsatsområder, der kan medvirke til forbedrede og mere præcise emissionsopgørelser samt reducerede emissioner fra decentral kraftvarmeproduktion. Forslagene er samlet i 3 hovedgrupper: 1. Forslag til forbedrede emissionsfaktorer for decentral kraftvarme 2. Reduktion af emissioner fra decentrale kraftvarmeanlæg 3. Forslag rettet mod øvrig kraftvarmeproduktion Punkt 3 er, som skrevet, ikke rettet mod decentral kraftvarmeproduktion, men projektforløbet har affødt fokus på disse områder, og projektgruppen mener, at det har en værdi at nævne dem her. Udover forslagene i de nævnte hovedgrupper, har kortlægningsprojektets resultater medført, at DMU igangsætter en række forbedringer af de nationale emissionsopgørelser, eksempelvis opdatering af tungmetalfaktorer for fuelolie i industrianlæg.

6 DGC-rapport 3 2 Resume Nedenstående afsnit viser de fremsatte forslag i overskrifter. Forslagene er beskrevet og begrundet nærmere i efterfølgende afsnit. 2.1 Forslag til forbedring af emissionsfaktorer AMS 1 til bestemmelse af emissionsfaktorer for affaldsforbrændingsanlæg inkl. opstart og unormal drift Bedre emissionsfaktorer for biomasseanlæg baseret på langtidsmåling Langtidsprøvetagning for dioxin på affaldsforbrændingsanlæg og biomassefyrede anlæg normale og specielle driftsforhold, herunder opstart Forbedrede emissionsfaktorer vha. data fra NO x afgift Emissionsfaktorers godhed Bedre emissionsfaktorer for biogasfyrede anlæg 2.2 Forslag vedrørende reduktion af emissioner UFP 2 fra gasmotorer Miljøoptimering af driftsstrategi for naturgasfyrede motorer NO x fra mindre motoranlæg Reduktion af CH 4 Smøreolie emission fra gasfyrede og gasoliefyrede motorer 2.3 Forslag rettet mod øvrig kraftvarmeproduktion NO x og IPPC direktiv Tungmetalemission ved naturgasdrift på centrale værker Tungmetalemissionsfaktor for centrale værker N 2 O, CH 4 og NH 3 emissionsfaktorer for centrale værker Høj NO x fra regulerkraftanlæg Emissionsfaktorer for grundlast, reserve- og regulerkraft Værktøj til beregning af miljødeklaration for el, årsvariation og geografisk fordeling 1 AMS: Automatisk Målende System 2 UFP: Ultrafine partikler

7 DGC-rapport 4 3 Forbedrede emissionsfaktorer 3.1 AMS til bestemmelse af emissionsfaktorer for affaldsforbrændingsanlæg inkl. opstart og unormal drift Det gennemførte projekt bygger på akkrediterede emissionsmålinger på affaldsforbrændingsanlæg under normal drift. Det er i kortlægningsprojektet fastslået, at emissionsniveauet for bl.a. TSP og tungmetaller varierer betydeligt for den enkelte affaldslinje. Der er ikke, som for gasmotorer, foretaget analyser af forhøjet emissionsbidrag under opstart (fx dioxin) eller i forbindelse med unormal drift som f.eks. filterposebrud. Affaldsforbrændingsanlæg foretager selv kontinuerte målinger af en række røggasemissioner med kvalitetssikret udstyr (AMS Automatisk Målende Systemer). Det er relevant at undersøge muligheden for at anvende affaldsforbrændingsanlæggenes AMS-registreringer og på den måde forbedre emissionsfaktorerne. Det ville give indblik i emissionsfaktorer for normal drift, opstart/nedlukning og fejl på anlæg samt sæsonvariationer mv. Det ville være nødvendigt med en vurdering af kvaliteten af data, og hvor stor usikkerhed de kan forventes at være behæftet med. 3.2 Bedre emissionsfaktorer for biomasseanlæg baseret på langtidsmåling Brændselskvaliteten for halm og træ varierer mere end for de øvrige brændsler. Dette er medvirkende til, at der er større variation af emissionsniveauet fra det enkelte anlæg. Ovenstående er bekræftet af både de indsamlede miljømålinger og projektmålingerne, som viser meget stor variation i emissionerne fra de enkelte biomassefyrede anlæg. Emissionsfaktorerne er derfor behæftet med ganske stor unøjagtighed. De biomassefyrede anlæg er ikke reguleret miljømæssigt på samme ensartede vis som f.eks. affaldsforbrændingsanlæggene. Kravene til dokumentation af emissioner via akkrediterede emissionsmålinger eller egne målinger er, ligesom anlæggenes opbygning og teknologivalg, meget forskellige. Nogle anlæg forbrænder biobrændsler med veldefinerede og meget ensartet kvalitet, andre anvender flere forskellige typer af biobrændsler. Der er derfor behov for flere målinger eller supplerende AMS målinger på værker, der anvender træ/halm. Ved at gennemføre kontinuerte måleserier (kampagnemålinger) af emissioner og driftsforhold (belastning, brændsel, opstart/nedlukning) over en læn-

8 DGC-rapport 5 gere periode på de enkelte anlæg vil man kunne fremskaffe mere valide og robuste emissionsfaktorer. 3.3 Langtidsprøvetagning for dioxin på affaldsforbrændingsanlæg og biomassefyrede anlæg normale og specielle driftsforhold, herunder opstart Projektets data vedr. emission af dioxin og andre organiske forbindelser i røggassen stammer fra akkrediterede målinger foretaget over en 6 8 timers periode under normal drift på anlæggene. Der vil normalt være forhøjede emissioner af dioxin og andre POP stoffer ved opstart, nedlukning og under unormal drift. Emissionerne i disse perioder kan samlet være større end den samlede emission under normal drift. Alle affaldsforbrændingsanlæg i Belgien har krav om langtidsprøvetagning for dioxin, og erfaringerne herfra er, at emissionerne kan reduceres markant, når resultaterne af 14 dages prøver kobles sammen med driftsforholdene i perioden. Ved at foretage langtidsprøvetagning af dioxin med analyse over 14 dage, hvor opstart og nedlukning samt unormale driftssituationer medtages, kan man få fastlagt de reelle emissioner. Prøverne kan også analyseres for andre stoffer, f.eks. PCB, HCB, PBDD/F og PAH. 3.4 Forbedrede emissionsfaktorer vha. data fra NO x afgift Der er pr. 1/ indført NO x afgift for en række energianlæg. Det er ikke alle anlæg, der skal dokumentere NO x, men alle affaldsforbrændingsanlæg og kedelanlæg over 30 MW th skal jvf. Lov nr. 472 af 17/06/2008 og Bekendtgørelse nr af 21/12/2009 dokumentere deres NO x emission. Dette indebærer installation af AMS-udstyr til måling af NO x og flow. Udstyret skal være kvalitetssikret iht. krav fra miljømyndighed og efter gældende normer på området. Emissionsfaktorerne opgøres i enheden vægt pr. forbrændt energienhed, f.eks. g/gj. For affald er opgørelsen baseret på en antagelse om, at alt affald til enhver tid har samme kemiske sammensætning, dvs. konstant brændværdi, og at der dermed dannes den samme mængde tør røggas pr. enhed afbrændt affald. Dette er noget af en tilsnigelse. En analyse af løbende sammenhænge mellem indfyret affald/biomasse og aktuel røggasflow kan anvendes til at bestemme en mere eksakt emissionsfaktor for NO x.

9 DGC-rapport 6 Overordnet anbefales derfor at undersøge, om der kan skaffes adgang til brug af de indsamlede data i fremtidige undersøgelser, der omfatter NO x emissionsfaktorer fra forbrændingsanlæg af alle typer brændsler, og det bør vurderes, hvorvidt de indsamlede oplysninger er tilstrækkelige for nogle anlægstyper. Det kan bemærkes, at der forventes at være en del mindre anlæg, der vil søge refusion af NO x afgift. Dermed afgiver disse værker information om deres NO x niveau, og de anlæg, der ikke søger refusion må formodes at have NO x værdier over skattesatsen. 3.5 Emissionsfaktorers godhed Emissionsfaktorerne er metodemæssigt statistisk sikkert bestemt, såfremt der er benyttet repræsentative data. Emissionsfaktorer for nogle sporstofkomponenter er kun bestemt ud fra ganske få målinger. Såfremt nogle af disse emissionskomponenter vurderes som væsentlige, (for Danmark eller for miljødeklarationen af en kwh) bør disse bestemmes med brug af et bredere datasæt, dette gælder for alle brændsler. 3.6 Bedre emissionsfaktorer for biogasfyrede anlæg Datagrundlaget for biogasfyrede gasmotorer har været begrænset i dette kortlægningsprojekt, da en meget stor andel af disse anlæg ikke er omfattet af krav til grænseværdier og regelmæssig dokumentation af emissioner. Regeringen har planlagt en markant øget anvendelse af biogas i fremtiden, og dermed stiger behovet for sikre emissionsfaktorer for dette segment. Det foreslås, at der iværksættes en målekampagne på et bredt udsnit af de danske biogasfyrede motoranlæg med speciel fokus på den fremtidige udvikling mht. biogastype, motortyper og størrelser samt røggasrensning (katalysator). 3.7 NO x fra mindre motoranlæg Kortlægningsprojektet har vist, at der er en reel sandsynlighed for, at NO x emissionsfaktoren for naturgasfyrede gasmotorer er underestimeret med 5 10 % grundet datamaterialets overrepræsentation af større anlæg. Det anbefales, at NO x emissionen fra de mindre motoranlæg, der ikke er underlagt lovmæssige emissionskrav, dokumenteres nærmere.

10 DGC-rapport 7 4 Reduktion af emissioner 4.1 Ultrafine partikler fra gasmotorer Flertallet af de 285 decentrale kraftvarmeværker, som findes i Danmark, er baseret på gasmotorer. Gasmotorer forventes fortsat at være en central kilde til kraftvarmeproduktion ifølge Energistyrelsens baggrundsrapport for Energistrategi Kortlægningsprojektet omfattede som noget nyt målinger af ultrafine og fine partikler. Disse partikler har alvorlige sundhedsskadelige effekter, og der findes stort set ingen kendskab til emissionen af denne type partikler fra gasmotorer. Kortlægningsprojektet viste, at emissionen af ultrafine partikler fra visse gasmotorer var overraskende stor. Emissionen var i flere tilfælde højere end de emissioner af UFP, der blev fundet fra andre anlægstyper, herunder affaldsforbrændingsanlæg og dieselfyrede anlæg. For at kunne reducere disse emissioner er der behov for at afklare, hvad der forårsager en høj emission af ultrafine partikler fra gasmotorbaserede kraftvarmeværker, herunder hvilken indflydelse følgende parametre har på emissionen: motortype, driftsbetingelser, smøreolietype og -tilførsel, olietemperatur, og temperaturprofil i afkastluften. Der er også behov for at vide, i hvor høj grad de ultrafine partikler består af smøreolierester, sodpartikler mm. 4.2 Miljøoptimering af driftsstrategi for naturgasfyrede motorer Foreløbige resultater fra det igangværende PSO projekt indikerer, at NO x emissionerne er ansvarlig for langt den overvejende del af de sundhedsmæssige omkostninger, der er forbundet med emissioner fra naturgasfyrede motorer. Samtidig dokumenterer projektet, at der er en velkendt sammenhæng mellem emission af NO x og UHC fra disse motorer, og at det ved driftsmæssig optimering er muligt at reducere emissionen af NO x betydeligt. For de fire undersøgte motorer reduceredes NO x emissionerne til omkring 40 % af det oprindelige, hvorved UHC emissionerne øgedes med %. Det foreslås, at der på baggrund af resultaterne fra ovennævnte projekt iværksættes en undersøgelse af mulighederne for, ved driftsmæssige tiltag, at reducere NO x emissionen fra naturgasfyrede motorer samt fra biogasfyrede motorer. Undersøgelsen skal dække et bredt udsnit af motormærker og motorstørrelser og skal bl.a. bygge på resultater fra forslagene i afsnit 3.6 og 3.7. Der skal i givet fald ske en afklaring af de begrænsninger, gældende lovgivning giver.

11 DGC-rapport 8 Der er naturligvis en nedre grænse for, hvor meget det er muligt at reducere NO x emissionerne ved driftsmæssige tiltag alene. Skal man reducere NO x emissionerne yderligere, vil det kræve en aktiv rensning af røggassen. Dette kan være vha. SCR katalysator eller EGR (exhaust gas recycling) sammen med en trevejskatalysator. Sådanne tiltag vil dog sandsynligvis medføre lavere elvirkningsgrad. 4.3 Reduktion af CH 4 En af de eneste emissioner, hvor der fortsat ikke findes gode muligheder for reduktion, er metan. Nærværende undersøgelse viser, at CH 4 emissionsfaktoren ikke er faldet væsentligt de seneste år, og det giver fortsat et betydeligt bidrag af drivhusgasser fra såvel biogasfyrede og naturgasfyrede gasmotorer. Det anbefales, at Energinet.dk medtager reduktion af CH 4 fra decentral kraftvarme som en del af deres fremtidige F&U program. 4.4 Smøreolie emission fra gasfyrede og gasoliefyrede motorer Smøreolieemissionen er ikke medtaget i nærværende kortlægningsprojekt, men det er stadig et problem for de gasfyrede motorer og måske også for de dieselfyrede motorer. Problemet med smøreolieemission er eventuelt koblet til UFP problemet. Det anbefales, at der igangsættes F&U projekter til afklaring af mekanismerne omkring smøreolieforbrugets indflydelse på dannelse af ultrafine partikler for ovenstående motoranlæg samt projekter, der sigter på at reducere smøreoliemission fra gas- og gasoliefyrede motorer.

12 DGC-rapport 9 5 Øvrige forslag 5.1 NO x og IPPC direktiv EU arbejder på at indføre skærpede NO x krav for næsten alle anlægstyper i IPPC direktivet. Det anbefales, at Energinet.dk igangsætter en udredning af, hvilke anlægstyper der berøres, såvel økonomisk som teknologisk. 5.2 Tungmetalemissionsfaktor for centrale værker Efter gennemførelse af de to kortlægningsprojekter for decentral kraftvarme, er der nu den situation, at datagrundlaget for tungmetalemissionen fra centrale værker er mindre veldokumenteret end for de decentrale værker. Emissionsopgørelserne for tungmetalemissioner fra centrale værker er baseret på en modelberegning. Datagrundlaget og metodebeskrivelse for modellen er ikke publiceret. Med reducerede emissioner fra decentrale affaldsfyrede værker, er behovet for en forbedring af dokumentationen og datagrundlaget for centrale værker øget. Dette gælder alle brændsler, men som eksempel kan nævnes, at der nu er udarbejdet emissionsfaktorer for naturgasdrift af decentrale værker, ligesom der er emissionsfaktorer for naturgas i den nyeste opdatering af EMEP/EEA Guidebook (2009). Derimod ses der i modelberegningen for centrale værker bort fra tungmetalemissionen fra naturgasdrift. 5.3 N 2 O, CH 4 og NH 3 emissionsfaktorer for centrale værker Grundlaget for de centrale værkers opgørelse af N 2 O og CH 4 er for mange værker DMU's emissionsfaktorer. Disse er imidlertid ikke, som for de decentrale værker, baseret på målinger fra danske værker. For at forbedre miljødeklarationen for el, er der derfor behov for supplerende målinger fra centrale værker. 5.4 NO x fra regulerkraftanlæg Motorer på regulerkraftværker er karakteriserede ved høje NO x emissioner. Det bør overvejes, om der er prisbillige (investeringsbillige) initiativer til NO x reduktion, der kan sættes i værk på disse værker med reserve- /regulerkraft.

13 DGC-rapport Emissionsfaktorer for grundlast, reserve- og regulerkraft Energiproducenttællingen inkluderer oplysning om elafregningsaftale. Dermed er det muligt at udarbejde emissionsfaktorer for hver af elafregningsaftalerne. 5.6 Værktøj til beregning af miljødeklaration for el, årsvariation og geografisk fordeling Link af emissionsfaktorer til Energinet.dk s databaser vil give mulighed for at fastlægge aktuelle miljødeklarationer for elproduktionen over året. Et sådant link vil ligeledes kunne anvendes til at udarbejde geografisk fordeling af emissionerne fra elproduktionen.