Teknologidata for el- og varmeproduktionsanlæg

Transkript

1 Teknologidata for el- og varmeproduktionsanlæg

2 Teknologidata for el- og varmeproduktionsanlæg Energistyrelsen 1995

3 Indhold Teknologidata for el- og varmeproduktionsanlæg Udgivet af MILJØ-OG ENERGIMINISTERIET ENERGISTYRELSEN Grafisk form og produktion: Freddy Pedersen Foto: Per Klaesson, Billedhuset Trykt på 100% genbrugspapir Cyclus Oplag: 1000 eksemplarer Henvendelse angående publikationen: Miljø- og Energiministeriet Energistyrelsen Landemærket Pjecen kan rekvireres ved henvendelse til Energistyrelsen, Informationen, Miljø- og Energibutikken, Læderstræde 1, 1201 København K ISBN: Publikationen kan citeres med kildeangivelse December 1995 Forord Forudsætninger vedrørende teknologidata Eksisterende Teknologier (1993/94) Kulstøvfyrede blokanlæg (KAD) inkl. miljøanlæg Boostede kulfyrede KAD-anlæg Naturgasfyrede KAD-anlæg Boostede naturgasfyrede KAD-anlæg Naturgasfyrede Combined Cycle-anlæg Gasturbine med udstødskedel Halmfyrede små dampturbineanlæg med forskellige kedeltyper Affaldsfyrede små kraftvarmeanlæg Vindkraftanlæg Dual-Fuel Gasmotorer Gasmotorer med gnisttænding Kulkedler omstillet til flis/træpiller Gas-/oliefyrede kedler Halmfyrede fjernvarmeværker Flisfyrede fjernvarmeværker Kollektive solvarmeanlæg Teknologier under teknisk og økonomisk udvikling (inden 2005) Kul/biomasse Cirkulerede Fluid Bed-anlæg Separat biomassekedel i forbindelse med centralt værk Kulforgasning integreret med Combined Cycle Forgasning til decentral kraftvarme Levetidsforlængelse og evt. kul/biomasse (tilsatsfyring) på eksisterende værker Teknologier på eksperimentalstadiet (efter 2005) Kul/biomasseforgasningsanlæg (central) Smeltet karbonat brændselsceller (MCFC-anlæg) Faststof oxid brændselsceller (SOFC) 70 Anvendte forkortelser 75 Adresser 77 5

4 Forord Foreliggende teknologikatalog udgør en delvis revision og opdatering af baggrundsrapport nr. 3 fra marts 1990 til energihandlingsplanen Energi 2000, Vurdering af teknologier til el- og kraftvarmeproduktion. I det nye teknologikatalog er dog også medtaget fjernvarmeteknologier i modsætning til den tidligere rapport. Behovet for et opdateret datagrundlag for energiproduktionsteknologier har bl.a. vist sig i forbindelse med den løbende vurdering af mål og virkemidler for Energi Endvidere stilles der med den fra marts 1994 gældende ændring af elforsyningsloven om Integreret Ressourceplanlægning, krav om, at bl.a. forsyning og besparelser vurderes overfor hinanden på et aktuelt datagrundlag. Også i varmeplanlægningen, hvor forskellige løsningsmuligheder vurderes i forhold til hinanden, er der behov for opdaterede teknologidata, både for kraftvarmeanlæg og fjernvarmeanlæg. Hovedbidragene til teknologikataloget er leveret af ELKRAFT og ELSAM, det gælder specielt bidragene for de centrale produktionsteknologier. Desuden har dk- TEKNIK, Dansk Gasteknik Center, Danske Fjernvarmeværkers Forening og Energistyrelsen leveret bidrag. Teknologikataloget er et uændret optryk af tidligere teknologikatalog fra maj FORORD 7

5 0.00 Forudsætninger vedrørende teknologidata Generelle bemærkninger Vedlagte data er i nogle tilfælde udtryk for kompromiser mellem forskellige opfattelser. Tallene repræsenterer det kundskabsniveau og de forventninger, som der ved årsskiftet 93/94 er til de pågældende teknikker, d.v.s. der er ikke udført specielle undersøgelser i denne sammenhæng. I nogle tilfælde er materialet baseret på meget detaljerede undersøgelser af den pågældende teknik, i andre er der tale om grove vurderinger baseret på litteraturoplysninger o.l. Nogle data er revurderet efter diskussion med eksterne høringsparter. Tal for udviklingen efter år 2000 vil ifølge sagens natur bero på et skøn selv for de bedst undersøgte teknologier. Det kan være vanskeligt at angive data ud over år Der er alligevel for næsten alle teknologier angivet planlægningstal for år Disse planlægningstal er baseret på forsigtig fremskrivning af data for status eller år En sådan fremskrivning afspejler ikke den store usikkerhed, der vil være for udviklingen. F.eks. kan man, på trods af store forhåbninger, ikke vide om brændselsceller vil blive kommercielt attraktive. Data belyser, at hvis dette bliver tilfældet, regner man med en udvikling af den beskrevne art. De fremskrevne data må derfor tages med mange forbehold. Generelt for de angivne præstationsdata gælder, at tallene er angivet for optimale driftsbetingelser. Der kan være meget store afvigelser under andre forhold, f.eks. dellastforhold. Endvidere bemærkes det, at data for de forskellige teknologier ikke altid er sammenlignelige. Dette gælder særlig for investering pr. MW. Følgende forhold betyder, at investeringstallet kun kan anvendes ud fra de angivne forudsætninger: For udtagsværker, der er bygget til at kunne køre som kondensanlæg, er investeringen opgjort pr. MW-kondens-effekt. For decentrale kraftvarmeværker (modtryksværker) regnes investeringen pr. MW eleffekt ved samtidig produktion af varme. Byggerenter er ikke medregnet. De vil veje tungere for værker med lang byggetid. Udgifterne til el- og varmetransmission beregnes normalt separat, og de angivne priser gælder indenfor hegnet. Transmissionsnet kan udgøre meget varierende andele af et samlet projekts totaløkonomi. Varmelagring er medtaget for decentrale kraftværker og ikke for centrale. Ved anvendelse af data skal der tages højde for disse forhold. Definitioner og nogle forudsætninger Hvis ikke andet er anført, gælder følgende definitioner og forudsætninger for de angivne data: Eleffekt er i alle tilfælde netto-eleffekt, dvs. den eleffekt, der går ud fra værket. Udtagsanlæg Anlæg, der kan anvendes i både kondensog kraftvarmedrift. Modtryksanlæg Anlæg, hvor el- og varmeproduktion er bundet til hinanden. Størrelse (effekt) (MW) For udtagsanlæg er størrelsen angivet som maksimal eleffekt ved kondensdrift. For modtryksanlæg er størrelsen angivet som eleffekt ved maksimal varmeproduktion. Total virkningsgrad η t (%) er energiudnyttelsen i maksimal modtryksdrift, defineret som summen af eleffekt i modtryksdrift og fjernvarmeef- 1 - η t = 1 + C m C v + C m Vægtede havaritimer + revisionstimer 8760 η e 100 fekt, divideret med den til anlægget tilførte brændselseffekt baseret på nedre brændværdi. Netto-elvirkningsgrader η e (%) for udtagsanlæg defineret som maksimal eleffekt ved kondensdrift, divideret med den til anlægget tilførte brændselseffekt baseret på nedre brændværdi. For modtryksanlæg er den angivet som eleffekt ved maksimal produktion, divideret med den til anlægget tilførte brændselseffekt baseret på nedre brændværdi. C m -værdi (p.u.) C m -værdien ved maksimal varmeproduktion er defineret som eleffekt i modtryksdrift, divideret med fjernvarmeeffekten. C v -værdi (p.u.) C v -værdien for et udtagsanlæg er defineret som forskellen i eleffekt mellem kondensdrift og modtryksdrift ved konstant maksimal kedelydelse, divideret med fjernvarmeeffekten i modtryksdrift. C v -værdien er kun relevant for udtagsanlæg. Værdier for C v og C m er - hvor ikke andet er anført - angivet ved følgende temperaturniveauer for fjernvarmevandet, nemlig: 100 C for fremløb og 50 C for retur. Ved KAD-anlæg tillige 80 C for fremløb og 40 C for retur. Generelt er der følgende sammenhæng mellem ovenstående størrelser: For modtryksanlæg, gasmotorer o.l. sættes C v = 0. Rådighedsfaktor er defineret på følgende måde: hvor vægtede havaritimer er udetimer p.g.a. havari vægtet efter, hvor stor effektandel, der er ude. Byggetid er fra endelig byggetilladelse til kommerciel drift. Myndighedsbehandling og tilbudsrunde er ikke medregnet. Emissioner af, og er angivet som kg/gj indfyret energi. Emissionsværdier er ligesom andre præstationsdata angivet for optimale driftsbetingelser. I praksis er det ikke muligt at garantere disse værdier som månedlige gennemsnit. Enheden for partikler er mg/nm 3 ved et iltindhold i røggassen på 6 volumenprocent for fast brændsel og ved 3 volumenprocent ved flydende og gasformigt brændsel. For er der anvendt en fast faktor for de enkelte brændselstyper. 95 kg /GJ kul, 57 kg /GJ naturgas, 78 kg /GJ fuelolie og O kg /GJ biomasse og organisk affald. Biomasse og husholdningsaffald betragtes som -neutrale brændsler. Ved biomasse svarer den mængde, der frigives under forbrændingen, til den mængde, som planten har optaget i vækstsæsonen og som alligevel ville være blevet frigivet før eller senere ved plantens forrådnelse. Der gøres opmærksom på, at emissioner pr. produceret enhed (el/varme) falder for højere virkningsgrader. Ved sammenligning af anlæg med samme brændsel, er emissionen mindst på anlæg med højst virkningsgrad. Alle beløb under afsnittet økonomi er med prisbasis primo Investering er de af forfatterne skønnede omkostninger (angivet i mio. kr. pr. MW eleffekt installeret) til etablering af det beskrevne anlæg med de angivne driftsdata. D.v.s. inklusive omkostninger til projektering, bygninger, anlæg, brændselshåndteringsanlæg, installation af forureningsbegrænsende teknologi, restprodukthåndtering indenfor værket, og varmelagring, hvis det er påkrævet til opnåelse af de angivne driftsdata. Investeringerne er opgivet eksklusive evt. varmetransmissionsledninger, eltransmission uden for værket og byggerenter. I konkrete projekter kan omkostningerne være anderledes end de her skønnede. D & V-omkostninger er drifts- og vedligeholdelsesomkostninger pr. år angivet som en procent af investeringer eller som øre/kwh-el. Omkostningerne er et gennemsnit af alle udgifter ved drift af anlægget i dets dimensionerede levetid, men eksklusive brændselsomkostninger. 8 FORUDSÆTNINGER VEDRØRENDE TEKNOLOGIDATA FORUDSÆTNINGER VEDRØRENDE TEKNOLOGIDATA 9

6 1. Eksisterende Teknologier (1993)

7 1.01 Kulstøvfyrede blokanlæg (KAD) inkl. miljøanlæg Søren Hansen, Sjællandske Kraftværker, Sven Kjær, ELSAMPROJEKT og Marius Noer, Vestkraft. 400 MW grundlastanlæg med kulstøvfyring og avancerede dampdata. Input-output Ind: Kul eventuelt olie eller naturgas Ud: El og evt. varme Alment Kulfyrede kraftværker med KAD (Kedel med Avanceret Dampproces besidder hele den konventionelle tekniks flexibilitet med hensyn til et flerstrenget valg af fossile brændsler. KAD-anlæg stiller generelt strengere krav til brændslerne end konventionelle anlæg. Konsekvensen er, at de billige svære fyringsolier ikke kan brændes på grund af vanadin. I stedet for må dyrere og renere kvaliteter af fyringsolie anvendes som reservebrændsel. Med KAD-anlæg opnås høje virkningsgrader både for el-produktionen og for den totale energiudnyttelse i modtryksdrift, såvel ved fuldlast som ved dellast, og virkningsgraden forbliver høj, selv efter mange års drift. KAD-anlæg kan bygges i anlægsstørrelser fra 200 MW og op til ca MW. I Danmark er et 400 MW anlæg under opførelse på Nordjyllandsværket til idriftsættelse i Der er fortsat et stort udviklingspotentiale i KAD-konceptet med hensyn til lavere anlægsomkostninger og højere virkningsgrader for el-produktionen med deraf følgende lavere -udslip og produktionspriser for el. Der er behov for fortsat forskning og udvikling af de legerede stål, der benyttes i KAD-anlægget for opnåelse af højere styrke og lavere pris samt et billigere og mere flexibelt anlæg. Kommentarer til skemaet Miljødata i form af -emission og -emission er baseret på afsvovlingsanlæg af vådgipstypen og De anlæg af high dust SCR-typen. Det er forudsat, at brændslet indeholder 1,0 % svovl. Kvantitativ beskrivelse Kulstøvfyrede blokanlæg (KAD) inkl. miljøanlæg Størrelse (MW) netto 400 Idriftsættelsesår Energiudnyttelse i modtryksdrift (%) Elvirkningsgrad i kondensdrift (%) ,5 52,5 Cm (40 C/80 C) 0,74 0,82 0,93 1,08 Cm (50 C/100 C) 0,66 0,74 0,84 0,99 Cv (40 C/80 C) 0,12 0,12 0,12 0,12 Cv (50 C/100 C) 0,16 0,16 0,16 0,16 Rådighedsfaktor (%) 90 Levetid, teknisk (år) 30 Byggetid (år) 4,5 Miljø (Basis kul: H u = 24,7 MJ/kg, 10% aske, 1,0% S, 65% C) (kg/gj indfyret energi) 0,05 0,04 0,03 0,03 (kg/gj indfyret energi) 0,05 0,05 0,04 0,04 (kg/gj indfyret energi) Partikler (mg/nm 3 røggas) Restprodukter (kg/gj indfyret energi). Aske og slagge. 4,0 4,0 4,0 4,0 Øvrige produkter (kg/gj indfyret energi) - gips med 10% vand (procesafhængigt) 2,24 2,27 2,30 2,30 Specifik anlægspris (Mkr./MW) excl. byggerenter 7,5-7,8 7,8-8,1 7,9-8,4 8,0-8,5 D & V (årligt i % af investering) 3 3,2 3,5 3,5 12 EKSISTERENDE TEKNOLOGIER 1993 EKSISTERENDE TEKNOLOGIER

8 1.02 Boostede kulfyrede KAD-anlæg Carsten Hendriksen, Sjællandske Kraftværker og Fritz Luxhøj, ELSAMPRO- JEKT. Ved Boosting eller repowering forkobles et gasturbineanlæg et konventionelt kulstøv-, olie- eller gasfyret anlæg. Herved udnyttes gasturbinens varme udstødning i processen under samtidig forøgelse af blokkens virkningsgrad i forhold til situationen før sammenkoblingen. Input-output (for gasturbinen) Ind: Naturgas eller evt. kulgas (eventuelt gasolie som reserve). Ud: Elektricitet og varm røggas, som skal udnyttes i processen. (for KAD-anlægget) Ind: Kul, olie og varm røggas fra gasturbinen. Ud: El og varme. Størrelsesinterval Med dagens gasturbineteknik bør gasturbinens ydelse være 1/7-1/3 af den resterende bloks ydelse. Alment Boosting af ældre kraftværksblokke er anvendt i stor udstrækning i udlandet, i stort set alle tilfælde i forbindelse med ældre olie- eller gasfyrede blokke. I forbindelse med nyanlæg er den mest fordelagtige kobling af en gasturbine og et kulstøvfyret KAD-anlæg en løsning, hvor gasturbinens varme udstødning udnyttes i en udstødskedel til forvarmning af fødevand. Denne løsning øger virkningsgraden med op til 2%-point (afhængig af gasturbinekapaciteten). Der er normalt ikke reduktion i den oprindelige bloks virkningsgrad eller rådighed ved drift med gasturbine. Boosting kan også forekomme i andre koblinger, f.eks. gasturbiner som kedelblæsere, men erfaringerne har vist uhensigtsmæssige bindinger i anlægget og med udviklingen inden for gasturbineteknikken i retning af lavere O 2 % i udstødningsgassen vil løsningen ikke være praktisk mulig i forbindelse med kulstøvfyring. Import-/eksport Afhænger af den valgte løsning som for combined-cycle anlæg hhv. konventionelle kulstøvfyrede anlæg. Kommentarer til skemaet Miljødata i form af -emission og -emission er baseret på afsvovlingsanlæg af vådgipstypen og de-no X - anlæg af high dust SCR-typen monteret på den konventionelle kedel. Gasturbinen forudsættes ikke forsynet med katalytisk de NO X -anlæg. Det er forudsat, at brændslet til kulkedlen indeholder 1,0% svovl. *) afhængig af gasturbinestørrelse Kvantitativ beskrivelse Gasturbine forkoblet kulstøvfyret KAD-anlæg Størrelse (MW) netto 550 Idriftsættelsesår Energiudnyttelse i modtryksdrift (%) 90 90,2 90,5 91 Elvirkningsgrad i kondensdrift (%) ,5 53,5 Cm (50 C/100 C) 0,78 0,86 0,97 1,06 Cv (50 C/100 C) 0,15 0,15 0,15 0,15 Rådighedsfaktor (%) 90 Levetid, teknisk (år) 30 Byggetid (år) 4,5 Miljø (Basis kul: H u = 24,7 MJ/kg, 10% aske, 1,0% S, 65% C, Naturgas Hu = 48,5 MJ/kg) (kg/gj indfyret energi) 0,04 0,03 0,02 0,02 (kg/gj indfyret energi) 0,05 0,05 0,05 0,05 (kg/gj indfyret energi) 80 *) 80 *) 80 *) 80 *) Partikler (mg/nm 3 ) *) *) *) Restprodukter (kg/gj indfyret energi. Aske og slagge. 2,6 *) 2,6 *) 2,6 *) 2,6 *) Øvrige produkter (kg/gj indfyret energi). Gips med 10% vand. (procesafhængigt) 1,6 1,6 1,7 1,7 Investering (Mkr./MW) excl. byggerenter. 6,7 6,7 6,7 6,7 D & V (årligt i % af investering) 3 3,2 3,5 3,5 14 EKSISTERENDE TEKNOLOGIER 1993 EKSISTERENDE TEKNOLOGIER

9 1.03 Naturgasfyrede KAD-anlæg Sven Kjær, ELSAMPROJEKT og Marius Noer, Vestkraft Kulfyrede kraftværker med KAD (Kedel med Avanceret Dampproces) besidder hele den konventionelle tekniks flexibilitet med hensyn til et flerstrenget valg af fossile brændsler kombineret med høje virkningsgrader for elproduktionen. Et naturgasfyret KAD-anlæg er derfor en naturlig variant af KAD-princippet udlagt til at kunne fyre med naturgas som hovedbrændsel. Input - Output Ind: Naturgas eventuelt kul og olie. Ud: El og evt. varme. Størrelsesinterval Naturgasfyrede KAD-anlæg kan bygges i alle anlægsstørrelser over ca. 200 MW. Sammenlignet med CC-anlæg er virkningsgraderne meget høje ved dellast og forringes uvæsentligt under drift. I Danmark er et 400 MW anlæg under opførelse på Skærbækværket. Alment I modsætning til et naturgasfyret CCanlæg giver det naturgasfyrede KAD-anlæg elselskaberne en høj grad af forsyningssikkerhed. Denne extraordinære forsyningssikkerhed opnås, fordi prismæssige eller logistiske problemer med leverancen af naturgas løses ved at udvide anlægget til det kulstøvfyrede anlæg, som det også er planlagt for. Det naturgasfyrede KAD-anlæg er også meget flexibelt og sikkert med hensyn til lastfølgeegenskaber og opfyldelse af selv de skrappeste krav fra lastfordeler og højspændingsnet. KAD-anlæg stiller generelt strengere krav til brændslerne end konventionelle anlæg. For de naturgasfyrede KAD-anlæg er konsekvensen, at de billige svære fyringsolier ikke kan brændes som alternativ til naturgas på grund af deres høje indhold af vanadin. I stedet for må dyrere og renere kvaliteter af fyringsolie anvendes som reservebrændsel. Der er fortsat et stort udviklingspotentiale i det naturgasfyrede KAD-princip med hensyn til lavere anlægsomkostninger og højere virkningsgrader for elproduktionen med deraf følgende lavere -udsendelse og produktionspriser for el. Der er behov for fortsat forskning og udvikling af alle legerede stål der benyttes i KAD-anlægget i retning af højere styrke og lavere pris samt en billigere og mere fleksibel KAD-kedel. Kvalitativ beskrivelse Gasfyret KAD-anlæg Netto effekt (MW) Total udnyttelse (%) Elvirkningsgrad i kondensdrift (%) Cm (40 C/80 C) 0,80 0,88 1,00 1,10 Cm (50 C/100 C) 0,72 0,80 0,91 1,00 Cv (40 C/80 C) 0,12 0,12 0,12 0,12 Cv (50 C/100 C) 0,16 0,16 0,16 0,16 Rådighedsfaktor (%) Teknisk levetid (År) Byggetid (År) 4,5 Miljø (H u = 48,5 MJ/kg) (kg/gj indfyret) ~0 ~0 ~0 ~0 (kg/gj indfyret) 0,06 0,06 0,06 0,06 (kg/gj indfyret) Partikler ~0 ~0 ~0 ~0 Restprodukter Investering i ultimo 1993-priser, ekskl. byggerenter (Mkr./MW). 5,0 5,0 5,0 5,0 Drift & Vedligehold (% af investering) 1,5 1,5 1,5 1,5 16 EKSISTERENDE TEKNOLOGIER 1993 EKSISTERENDE TEKNOLOGIER

10 1.04 Boostede naturgasfyrede KAD-anlæg Carsten Hendriksen, Sjællandske Kraftværker og Fritz Luxhøj, ELSAMPRO- JEKT. Ved Boosting eller repowering forkobles et gasturbineanlæg et konventionelt kulstøv-, olie- eller gasfyret anlæg. Herved udnyttes gasturbinens varme udstødning i processen under samtidig forøgelse af blokkens virkningsgrad i forhold til situationen før sammenkoblingen. Input-output (for gasturbinen) Ind: Naturgas eller evt. kulgas (eventuelt gasolie som reserve). Ud: El og varm røggas, som skal udnyttes i processen. (for KAD-anlægget) Ind: Naturgas og varm røggas fra gasturbinen. Ud: El og varme. Størrelsesinterval Med dagens gasturbineteknik bør gasturbinens ydelse være 1/7-1/3 af den resterende bloks ydelse. Alment Boosting af ældre kraftværksblokke er anvendt i stor udstrækning i udlandet, i stort set alle tilfælde i forbindelse med ældre olie- eller gasfyrede blokke. I forbindelse med nyanlæg er den mest fordelagtige kobling af en gasturbine og et naturgas KAD-anlæg en løsning, hvor gasturbinens varme udstødning, som stadig indeholder ca % ilt, anvendes som friskluftforsyning til kedlen. Da kedlens røggas herefter ikke mere kan afkøles i forbindelse med forvarmning af forbrændingsluften, må der indbygges fødevandsforvarmere i kedlen, som udnytter røggassens varme. Den valgte kobling øger virkningsgraden med op til 2-3 % point afhængig af gasturbinekapaciteten. Boosting kan også forekomme i andre koblinger, f.eks. gasturbiner, hvis udstødning forvarmer fødevand. Denne kobling er teknisk gennemførlig, men har en lavere totalvirkningsgrad end friskluftblæser -løsningen. Import-/eksport Afhænger af den valgte løsning som for combined-cycle anlæg hhv. konventionelle kulstøvfyrede anlæg. Kommentarer til skemaet Miljødata i form af -emission er baseret på, at anlægget ikke forsynes med katalytisk de-no X -anlæg. Kvantitativ beskrivelse Gasturbine forkoblet naturgasfyret KAD-anlæg Størrelse (MW) netto 535 Idriftsættelsesår Energiudnyttelse i modtryksdrift (%) 92,4 92,6 92,8 93 Netto-elvirkningsgrad (%) ,5 Cm (50 C/100 C) 0,87 0,96 1,06 1,13 Cv (50 C/100 C), mindre luft 0,14 0,14 0,14 0,14 Rådighedsfaktor (%) 90 Levetid, teknisk (år) 30 Byggetid (år) 5,5 Miljø (Brændsel: Naturgas H u = 48,5 MJ/kg) (kg/gj indfyret energi) (kg/gj indfyret energi) 0,06 0,06 0,06 0,06 (kg/gj indfyret energi) Partikler (mg/nm 3 ) Restprodukter (kg/gj indfyret energi. Aske og slagge Øvrige produkter (kg/gj indfyret energi) 0 Investering (Mkr./MW) excl. byggerenter (basis ultimo 1993) 5,8 5,8 5,8 5,8 D & V (årligt i % af investering) EKSISTERENDE TEKNOLOGIER 1993 EKSISTERENDE TEKNOLOGIER

11 1.05 Naturgasfyrede Combined Cycle-anlæg Carsten Hendriksen, Sjællandske Kraftværker og Jens Christian Clausen, EL- SAMPROJEKT. Et anlæg bestående af en naturgasfyret gasturbine, som over en afgaskedel leverer damp til en dampturbine. Input-output Ind: Naturgas Ud: Elektricitet og fjernvarme, hvis det ønskes. Størrelsesinterval (effekt af hovedoutput) I dette afsnit behandles anlægsstørrelser i to intervaller: Fra ca MW Fra ca MW, og evt. multiplum heraf. Alment Naturgasfyret combined-cycle-anlæg er kendt teknologi, som internationalt har ganske stor udbredelse. Anlægsstørrelser/-komplekser fra nogle få MW til MW findes i drift i dag. I Japan og Korea bygges/er der anlægskomplekser i drift med en ydelse på 2500 MW. Teknologiens prisfølsomhed Anlægstypen er karakteriseret ved lave investeringer, men samtidig med krav om et i almindelighed dyrt brændsel, f.eks. naturgas eller letolie. Den specifikke pris er noget afhængig af anlægsstørrelsen, således at den for anlæg mindre end ca. 200 MW stiger væsentligt med aftagende anlægsstørrelser. Med en udvikling af gasturbinen til højere virkningsgrader forventes i år 2000 en lidt højere specifik anlægspris end i dag. I øjeblikket er anlægsprisen for et MW anlæg væsentlig lavere end anlægsprisen for et konventionelt kulfyret anlæg af tilsvarende størrelse. Hvis efterspørgslen efter store gasturbiner stiger væsentligt i den kommende tid, kan denne prisrelation måske ændres i ugunstig retning for combinedcycle-anlægget. Import-/eksport forhold Et naturgasfyret combined-cycle-anlæg består i hovedsagen af en gasturbine og en dampturbine, som er koblet sammen via en afgas-kedel. Anlægskonceptet er gennemarbejdet af flere udenlandske leverandører, som gerne tilbyder og leverer anlægget som en nøglefærdig leverance; der er dog intet i vejen for at indkøbe anlægget i mindre dele. Gas- og dampturbinen udgør de væsentlige anlægsdele; anlægstypen bliver derfor forholdsvis importtung, idet dansk industri ikke kan levere væsentlige dele af disse komponenter. Eksport af den nævnte anlægstype er nok ikke særlig sandsynlig, dels af ovennævnte grunde, dels fordi dansk industri og danske elværker først sent vil få egne drifts- og vedligeholdelseserfaringer sammenlignet med mange andre. Behov for forskning/udvikling For denne anlægstype er forskning og udvikling især knyttet til gasturbinen, idet udvikling af denne kan forbedre virkningsgraden. Totalvirkningsgraden vil ikke blive helt så høj som et udviklet konventionelt anlæg, fordi gasturbinen arbejder med højt luftoverskud, d.v.s. relativt større røggasmængde, som selv ved en reduktion af skorstenstemperatur i forhold til et kulfyret anlæg medfører større energitab. Til gengæld har Combined-Cycleanlægget den højeste cm-værdi. Den lidt lavere totalvirkningsgrad modsvares altså af en væsentlig højere elvirkningsgrad. Der gennemføres løbende et stort *) At angive data for combined cycle anlæg i intervallet MW er meget usikkert. Udviklingen af højeffektive gasturbiner kan betyde, at det fremover bliver mere attraktivt (anlægspris ; virkningsgrad) at bygge gasturbiner med udstødskedel til fjernvarmeproduktion i stedet for combined cycle anlæg i dette størrelsesinterval. Kvantitativ beskrivelse Naturgasfyret Combined-Cycle-anlæg Størrelse (MW) Totalvirkningsgrad (%) 88 Elvirkningsgrad ved kondensdrift (%) Cm (50 C/100 C) 0,85 Cv (50 C/100 C) (Hvis aktuel) 0,12 Rådighedsfaktor (%) 94 Levetid, teknisk (år) 30 Byggetid (år) 3,5 Miljø (Brændsel: Naturgas H u = 48,5 MJ/kg) (kg/gj indfyret energi) 0 (kg/gj indfyret energi) <0,05 (kg/gj indfyret energi) 57 Partikler (mg/nm 3 ) 0 Restprodukter (kg/gj indfyret energi) 0 Øvrige produkter (kg/gj indfyret energi) 0 Investering (Mkr./MW) excl. byggerenter (basis ult. 1993) 5,5-9 D&V (årligt i % af investering) *) 2015 *) 20 EKSISTERENDE TEKNOLOGIER 1993 EKSISTERENDE TEKNOLOGIER

12 udviklingsprogram med det formål at forbedre gasturbinens (GT ernes) effektivitet. Den vigtigste parameter i denne sammenhæng er en øget turbineindgangstemperatur (TIT). De bedste af de store industri GT ere har i dag ca o C TIT. I de kommende år forventes TIT at stige til knap 1400 o C for den eksisterende generation. For de nye generationer efter år 2000 må TIT forventes endnu højere. Den øgede TIT stiller store krav til bestræbelserne på at holde en lav - emission. Ved den tidligere GT-generation med 1150 o C TIT kunne man forholdsvist let opnå mindre end 18 mg /MJ (10 ppm) ved brug af dry Low. For den nye generation med 1275 o C TIT er pt. eftervist -emissioner ca. 2,5 gange højere. Ved TIT på o C anses det pt. for nødvendigt at udvikle helt nye brændere til GT ere. Der er i dag store forventninger til de såkaldte katalytiske brændere. De i skemaet anførte værdier for NO X -emission er opnåelige uden katalytisk rensning eller vand- eller dampinjektion for de bedste af de store gasturbiner, som vil være på markedet fra Afledede energi- og miljøeffekter Den høje virkningsgrad giver et forholdsvist lavt forbrug af primær energi. Samtidig er anlæggets miljøpåvirkning ved brug af naturgas meget moderat, idet denne begrænser sig til en vis - emission og en vis NO X -emission, som kan variere noget afhængig af gasturbine-type, men som kan reduceres til et lavt niveau ved hjælp af SCR-anlæg (katalysatorer), hvis dette er påkrævet. Dette vil dog forøge anlægsudgifterne en del. Barrierer og systemmæssig indpasning Naturgasfyrede kombianlæg er karakteriseret ved lav anlægspris, høj virkningsgrad, kort byggetid og korte starttider. De er derfor velegnede både som grundlast og som mellemlastanlæg. Deres dellastvirkningsgrad er dog mindre god, så gasturbinerne skal helst holdes rimeligt højt belastede - over 70-75% - når de er i drift. Anlægstypens ulempe er dens manglende brændselsfleksibilitet, idet kun naturgas eller eventuelt svovlfattig letolie kan anvendes. Dette kan frembyde problemer, både hvad angår leveringssikkerhed og prisstabilitet for brændsel til anlægget. Anlægget kan med større eller mindre succes ombygges til et kulfyret IGCC-anlæg, men det kræver, at der er plads til det (også til brændselslager), og at man kan få tilladelse. Gasturbiner bliver i modsætning til større dampturbiner produceret i standardstørrelser. Der er kun ganske få leverandører af større gasturbiner, og hver af disse leverandører har i sit standardprogram kun ganske få størrelser gasturbiner. Dette betyder, at en bygherre ikke vilkårligt kan fastlægge størrelsen af et naturgasfyret combined-cycle-anlæg, som han ønsker at opføre. Kommentarer til Miljødata i form af -emission er baseret på, at anlægget ikke forsynes med katalytisk de-no X -anlæg. Kvantitativ beskrivelse Naturgasfyret Combined-Cycle-anlæg Størrelse (MW) Totalvirkningsgrad (%) Elvirkningsgrad ved kondensdrift (%) Cm (50 C/100 C) 1,26 1,60 1,64 Cv (50 C/100 C) 0,14 0,14 0,14 Rådighedsfaktor (%) 94 Levetid, teknisk (år) 30 Byggetid (år) 3,5 Miljø (Brændsel: Naturgas H u = 48,5 MJ/kg) (kg/gj indfyret energi) (kg/gj indfyret energi) <0,05 <0,05 <0,05 (kg/gj indfyret energi) Partikler (mg/nm 3 ) Restprodukter (kg/gj indfyret energi) Øvrige produkter (kg/gj indfyret energi) Investering (Mkr./MW) excl. byggerenter (basis ult. 1993) 4,5-5,0 4,5-5,0 4,5-5,0 D&V (årligt i % af investering) EKSISTERENDE TEKNOLOGIER 1993 EKSISTERENDE TEKNOLOGIER

13 1.06 Gasturbine med udstødskedel Flemming Thomsen (I/S NEFO) og kommenteret af Ole B. Winther, Sjællandske Kraftværker. Teknologiens navn Gasturbine med udstødskedel (simple cycle) indtil 15 MW. En gasturbine driver en generator, der producerer el. Udstødsgassen ledes til en kedel, hvor der produceres fjernvarme. Input-output Ind: Naturgas og koldt fjernvarmevand. Ud: El, fjernvarme og procesdamp. Størrelsesinterval: (effekt af hovedoutput) 5-15 MW, er den effektstørrelse, som med danske energipriser til tider har vist sig attraktive. Ved anlæg større end 15 MW har Combined Cycle-anlæg tilsvarende vist sig attraktive. El-effekt på over 100 MW pr. enhed forefindes. Alment Der tages i vurderingen ikke hensyn til eventuelle supplerende miljøanlæg. Det forudsættes, at fjernvarmeproduktionen kan sælges (85/50 o C). Det antages, at der anvendes tør lav- -teknik. Også vand eller dampindsprøjtning kan give lavere -emission, men nedsætter den totale nyttevirkning og dermed økonomien. Behov for forskning Det vil især være nye materialer til gasturbiner, der vil øge gasturbinernes ydelse. Bedre metaller og køling hæver allerede i dag lidt større turbiners (25-40 MW) elvirkningsgrad op til 40%. Udviklingen vil smitte af på de mindre maskiner, og måske gøre større maskiner interessante som simple cycle anlæg på langt sigt. Yderligere udviklingsmuligheder på langt sigt er temperaturbestandige keramiske materialer, samt at der på de større gasturbineanlæg i dag er introduceret en ændret forbrændingsteknik (sekvensforbrænding), som på sigt også vil kunne gøre de mindre gasturbiner mere effektive. Import-/eksportforhold Udviklingen inden for gasturbiner er klart et anliggende for udenlandske interesser og leverandører. *) Intervaller hænger sammen med anlægsstørrelse. Jo større anlæg jo større elvirkningsgrad og dermed Cm-værdi. **) Udviklingstiltag og vurderinger fra førende gasturbineleverandører peger på, at - emissionen inden for en årrække kan komme længere ned end angivet i rubrikkerne for 2005 og Kvantitativ beskrivelse Størrelse (MW) Gasturbine med udstødskedel 5-15 MW decentral anvendelse Idriftsættelsesår Totalvirkningsgrad (%) Elvirkningsgrad (%) *) Cm (50 C/100 C) *) 0,55-0,70 0,60-0,72 0,59-0,77 Cv (50 C/100 C) Rådighedsfaktor (%) 90 Levetid, teknisk (år) 25 Byggetid (år) 1-2 Miljø (Brændsel: Naturgas H u = 48,5 MJ/kg) (kg/gj indfyret energi) (kg/gj indfyret energi) 0,05 0,05 **) 0,05 **) (kg/gj indfyret energi) Partikler (mg/nm 3 ) Restprodukter (kg/gj indfyret energi) Øvrige produkter (kg/gj indfyret energi) Investering (Mkr./MW) excl. byggerenter (basis ult. 1993) D&V (årligt i % af investering) EKSISTERENDE TEKNOLOGIER 1993 EKSISTERENDE TEKNOLOGIER

14 1.07 Halmfyrede små dampturbineanlæg med forskellige kedeltyper Arafa El Kholy, Sjællandske Kraftværker, Knud Steen Larsen, Fynsværket. Teknologiens navn Biomassefyrede små dampturbineanlæg med forskellige kedeltyper. Anlægget består af en højtryksdampkedel, samt en konventionel dampturbine med tilhørende vanddampkredsløb. Input-output: Ind: Halm Ud: Elektricitet Fjernvarme Størrelsesinterval: El: 5-50 MW Varme: MJ/s Undergrænsen for størrelsesintervallet er betinget af økonomi. Overgrænsen er betinget af varmemarked, halmhåndtering, tilkørselsforhold, lagerkapacitet og den tilgængelige kedelteknologi. Alment: Halmhåndterings- og neddelingsudstyr, der i dag anvendes på eksisterende halmfyrede kraftvarmeanlæg, fungerer, men kan forbedres specielt vedrørende driftsikkerhed overfor varierende fugtighed, størrelse på halmballer samt presningsforhold. tændigheder begynde at sammenklistre allerede mellem ºC. Sammenklistringstemperaturen og askesmeltetemperaturen afhænger bl.a. af i hvilken grad salte er udvasket af halmen. Derfor vil slagger ikke kunne undgås i overhedertrækket. Endvidere er udformning af fyrrummet og brænderne samt placeringen af forbrændingsluftudstyr, herunder renseluftsystemer, vigtige parametre til at undgå slaggedannelse i fyrrummets vægge. Bedre Cm-værdi Ønsket om forbedring af Cm-værdien ved at hæve dampdata til et højere niveau kan ske ved udførelse af en række tiltag. Anlæggene udformes med overhedermaterialer der kan modstå højtemperaturkorrosion, som er resultater af de mange igangværende forsøg på materialefronten. Kedler og bygninger udformes således, at overhederne nemt kan udskiftes. Overhederne kan placeret hængende, således at aske og slagge kan løbe af. En anden metode til forbedring af C m -værdien er anvendelse af ekstern overheder. Ekstern overheder kan udformes med naturgas eller andre ikke-korrosive brændselstyper til overhedning, pyrolyse gasoverhedning eller som strålingsvarmevekslere i fyrrummet til opvarmning af luft **) I dag er det tilladt at sprede halmasken ud på markerne. Fra 1995 vil kravene til bl.a. Cadmiumindholdet blive skærpet, så det kan blive nødvendigt at deponere asken. Kvantitativ beskrivelse Halmfyrede små dampturbineanlæg Størrelse (MW) 5-50 Idriftsættelsesår Totalvirkningsgrad (%) Elvirkningsgrad (%) Cm 0,33-0,38 0,4-0,45 0,45 Rådighedsfaktor (%) Levetid, teknisk (år) 30 Byggetid (år) 2-3 Miljø (Basis halm: H u = 14,2 MJ/kg, 4% aske, 0,2% S (kg/gj indfyret energi) 0,10 0,10 0,10 (kg/gj indfyret energi) 0,16-0,30 0,16 0,09 (kg/gj indfyret energi) 0 Partikler (mg/nm 3 ) Restprodukter (kg/gj indfyret energi). Aske og slagge **) Mængden angivet som tør aske Øvrige produkter (kg/gj indfyret energi) Procesafhængigt Specifik anlægspris (Mkr./MW) excl. byggerenter D & V (årligt i % af investering) Det skal dog tages i betragtning, at forbruget af fossile brændsler i forbindelse med bjergning og transport af halmen svarer til 1-2% af energiindholdet i halmen. Konventionelle anlæg Teknologien for de hidtil etablerede halmfyrede anlæg er baseret på konventionelt kedelanlæg med moderat dampdata ( ºC og 65 bar). Anlægget kan bygges med mulighed for en vis andel træflisfyring. Halmen giver p.g.a. chlorindholdet anledning til højtemperatur korrosion ved høje dampdata. Ved dampdata op til 450 o C konstateres ingen problemer. Halmasken kan under uheldige oms- CFB-kedel Der er ingen erfaringer med at operere en CFB-kedel på 100% halm, men kan formentlig gøres med tilsætning af min. 20% træflis (eller kul). Behov for forskning: Der er behov for fortsat forskning og udvikling af følgende: håndterings- og neddelingsudstyr for halm Kedelanlægskoncept: Ristefyret, halmstøvbrænder, og CFB-kedel koncept. Materiale til overheder Røggasrensningudstyr Biomassekarakterisering Kommentarer til skemaet Miljødata i form af -emission og -emission er baseret på traditionelle ristefyrede kedelanlæg uden de- anlæg. Ved anvendelse af CFB-teknik forventes væsentlige lavere værdier. 26 EKSISTERENDE TEKNOLOGIER 1993 EKSISTERENDE TEKNOLOGIER

15 1.08 Affaldsfyrede små kraftvarmeanlæg Teknologiens navn Affaldsfyrede små kraftvarmeanlæg. Teknologidata udfyldt af Arafa El Kholy, Sjællandske Kraftværker og Knud Steen Larsen, Fynsværket. Ombygning af eksisterende affaldsforbrændingsanlæg til kraftvarmeproduktion eller etablering af nye kraftvarmeenheder baseret på affaldsforbrænding og med konventionel kraftværksteknologi (dampkedel & turbine). Input-input Ind: Brændbart affald. Ud: Varmt vand og el samt evt. procesdamp. Størrelsesinterval El: 5 MW - 20 MW / varme: 13 MJ/s - 53 MJ/s Undergrænsen for størrelsesintervallet er betinget af økonomi. Overgrænsen er sat ud fra eksisterende affaldsmarkeder og eksisterende anlægs kapacitetsgrænse. Nyetablerede centrale affaldskraftvarmeanlæg kan være større - dog afhængigt af affaldsopland og varmemarked. Alment Teknologien for de hidtil etablerede affaldsfyrede anlæg er baseret på konventionelt kedelanlæg med moderat dampdata ( o C og bar). Ønsket om forbedring af Cm-værdien ved at hæve dampdata til et højere niveau kan ske ved udførelse af en række tiltag, f.eks. ved anvendelse af naturgasfyret overheder (til overhedning af damp fra f.eks. 400 o C til 520 o C). Behov for forskning Udvikling omkring korrosionsforhold og materialevalg generelt og især ved overhedersektionen. Udvikling omkring anvendelse af kildesorteret husholdningsaffald til biogasproduktion. Udvikling omkring røggasrensning og genindfyring af flyveaske. Udvikling omkring ovn-rist. Herunder affaldsneddeling. Forskning omkring aske/slagge genanvendelser. Udvikling omkring prøveudtagning og analyse, samt bestemmelse af affaldssammensætning og brændværdi mg/nm 3 som ugemiddelværdi og 40 mg/ Nm 3 som døgnmiddelværdi Kvantitativ beskrivelse Affaldsfyrede små kraftvarmeanlæg Størrelse (MW) Totalvirkningsgrad (%) Elvirkningsgrad (%) Cm (50 C/100 C) 0,3-0,4 0,4-0,5 0,5 Rådighedsfaktor (%) Levetid, teknisk (år) 20 Byggetid (år) 2-3 Miljø (Brændsel: H u = 10,5 MJ/kg) (kg/gj indfyret energi) 0,23 0,23 0,23 (kg/gj indfyret energi) 0,15-0,3 0,15-0,3 0,15-0,3 (kg/gj indfyret energi) Partikler (mg/nm 3 ) Restprodukter (aske og slagge) Øvrige emissioner: 20-30% af indfyret mængde Der henvises til Miljøministeriets bekendtgørelse nr. 10 af 4. januar 1991 om affaldsforbrændingsanlæg Specifik anlægspris (Mkr./MW) excl. byggerenter D&V (årligt i % af investering) EKSISTERENDE TEKNOLOGIER 1993 EKSISTERENDE TEKNOLOGIER

16 1.09 Vindkraftanlæg Jens K. Vesterdal, ELSAM og Frank Olsen, Sjællandske Kraftværker. Teknologiens navn Vindkraft. Vindkraftanlæg, enkeltstående vindmøller, mølleparker eller -klynger omsætter vindens kinetiske energi til elektrisk energi. Input-output Ind: Vind ved 4-5 m/s til m/s. Ud: Elenergi. Størrelsesinterval (effekt af hovedoutput) Kommercielt tilgængelige enkeltmøller: Klynger/parker: kw. 0,5-20 MW. Kvalitativ beskrivelse: Elproduktion på vindkraftanlæg har egenskaber, der adskiller sig en del fra andre former for elproduktion. Der er ingen brændselsudgifter og heller ingen udsendelse af støv,, og. Produktionen er bestemt af vinden og ikke af det øjeblikkelige elbehov. Teknologien har gennemgået en kraftig udvikling gennem de sidste 10 år hen imod større og mere driftssikre anlæg med bedre effektivitet. Udviklingen har hidtil været koncentreret om trebladede, horisontalakslede propelvindmøller med enten stalleller pitchregulering, som nu tilbydes kommercielt af danske fabrikanter i størrelser op til 500 kw. Der er fortsat et udviklingspotentiale i dette koncept hen imod endnu bedre økonomi og driftssikkerhed, og andre koncepter kan vise sig konkurrencedygtige. Den optimale størrelse af den horisontalakslede vindmølle er endnu ikke fundet. Prisen for den vindkraftproducerede elenergi er afhængig af vindkraftanlæggets pris og levetid, vindforholdene på opstillingsstedet samt udgifterne til drift og vedligeholdelse. Elværkernes erfaringer med vindkraftanlæg i forbindelse med vindkraftaftalen med Energiministeriet viser variationer i produktionsomkostningerne inkl. drift og vedligeholdelse fra 30 til 60 øre/kwh for de enkelte projekter. De gennemsnitlige produktionsomkostninger er 43 øre/kwh. Erfaringerne med vindkraftaftalen viser også, at interessekonflikter gør det svært at finde egnede pladser til vindmøller og især til vindmølleparker. Med en stor vindkraftudbygning til lands, må der derfor regnes med, at også vindmæssigt ringe områder skal tages i anvendelse. Virkningen af dette kan måske i nogen grad afbødes af den løbende teknologiske udvikling. 1 Databladet omfatter alene landbaserede vindmøller. 2 Benyttelsestiden forventes ikke at stige, fordi der påregnes problemer med at finde gode placeringsmuligheder. Kvantitativ beskrivelse: Vindkraftanlæg 1 Størrelse kw Effektivitet (hovedoutput) som årsgennemsnit af vindens kinetiske energi (0-25 m/s) 30% 30-35% 30-35% Optimal størrelse (kw) 200/ / /2500 Benyttelsestid (fuldlasttimer/år) Levetid, teknisk (år) 20 Byggetid (år) 1 Miljø (kg/gj) (kg/gj) (kg/gj) Partikler (mg/nm 3 ) Restprodukter (kg/gj) Udsendt støj (lydeffekt-niveau, db) Investering (Mkr./MW) D&V (årligt i % af investering) EKSISTERENDE TEKNOLOGIER 1993 EKSISTERENDE TEKNOLOGIER

17 1.10 Dual-Fuel Gasmotorer Hans Henrik Svensson Energistyrelsen og kommenteret af Ole B. Winther, Sjællandske Kraftværker. Teknologiens navn Dual-fuel gasmotor (dieselmotor) En gasmotor, der bruger en lille andel olie (3-12%) som tændmiddel. Motoren driver en generator. Røggas og kølevand anvendes til fjernvarmeproduktion. Produktion af lavtryksdamp kan etableres. Input-output Ind: Naturgas/biogas, tændolie Ud: El, fjernvarme (evt. lavtryksprocesdamp) Størrelsesinterval 0,5-16 MW pr. motor/generatorenhed. Op til 40 MW pr. Motor/-generatorenhed for dual-fuelhøjtryksmotorer. Motortyper Dual-fuel-lavtryksgasmotorer er mindre følsomme over for gas med lavt oktantal (bankefasthed) og/eller lav brændværdi end gnisttændingsmotorer (både med og uden forkammer). Dual-fuel-højtryksgasmotorer er i princippet ufølsomme over for gassens metantal. I denne motortype komprimeres under kompressionsslaget udelukkende forbrændingsluft i motorens cylindre. Tændoliens tryk opbygges traditionelt ved en almindelig brændstofpumpe og indsprøjtes i cylindrene. Gassen komprimeres i et separat kom pressionsanlæg (op til ca. 350 bar) og indsprøjtes i motorens cylindre umiddelbart efter at indsprøjtningen af tændolien er påbegyndt. Gassen antændes og forbrænder løbende i samme tempo som den indsprøjtes. Dermed forhindres bankningstendensen. I modsætning til andre gasmotortyper har den et væsentligt egetforbrug af el til gaskomprimering, typisk 2,5-4% af generatoreffekten, afhængig af gassens leveringstryk. Virkningsgrad Dual-fuel-motorer har typisk en elvirkningsgrad på 38-45%, højst for de største højtryksgasmotorer. Miljø Dual-fuel-lavtryksgasmotorer: Nogle fabrikanter er nået ned på -emissionstal, som vil kunne opfylde de nuværende danske lovkrav uden anvendelse af de - anlæg. Dual-fuel-højtryksgasmotorer: Motortypen kræver de -anlæg for at kunne opfylde gældende danske lovkrav. For begge motortyper fremkommer nogen sodemission på grund af anvendelsen af tændolie. Forskning og udvikling Udviklingen går i retning af mindre tændolieforbrug og mindre soddannelse og dannelse. Endvidere forventes bedre virkningsgrader. Der er behov for yderligere forskning indenfor disse områder, samt i billigere katalytiske røgrensningsanlæg for denne type motoranlæg. Barrierer og systemmæssig indpasning Der er kun installeret få dual-fuel-motorer i det danske kraftvarmesystem. På mindre kraftvarmeanlæg kan dual-motorer p.t. vanskeligt konkurrere prismæssigt og driftsøkonomisk p.g.a. behovet for hjælpeudstyr (f.eks. bl.a. røgrensningsanlæg), som fordyrer kraftvarmeproduktionen i forhold til anlæg med lean-burn-motorer. Anlægstypen vurderes mest interessant i de tilfælde, hvor store generatorenheder (6-40 MW) er ønskelig, eller hvor muligheden for fleksibelt brændselsvalg er vigtig, og/eller hvor gasarter med lavt metantal og/eller brændværdi ønskes udnyttet. Kvantitativ beskrivelse: Dual-fuel-gasmotorer Størrelse (MW) 0,5-40 Idriftsættelsesår Totalvirkningsgrad (%) Elvirkningsgrad (%) C m 0,9 1,0 1,0 Rådighedsfaktorer (%) Levetid (år) Byggetid Miljø (n. gas m. røgg.rens.) (kg/gj indfyret energi) (kg/gj indfyret energi) efter røgrensning 0,1-0,2 0,1-0,2 0,1-0,2 (kg/gj indfyret energi) Partikler (mg/nm 3 ) Øvrige restprodukter Investering (Mkr./MW) 6 6 D & V (øre/kwh) Bem.: Data for 1994 er skønnede værdier, da der kun er etableret få kraftvarmeanlæg med dual-fuel-motorer. 32 EKSISTERENDE TEKNOLOGIER 1993 EKSISTERENDE TEKNOLOGIER

18 1.11 Gasmotorer med gnisttænding Jan de Wit, Dansk Gasteknisk Center a/s og Hans Henrik Svensson Energistyrelsen. Teknologiens navn Gasmotor med gnisttænding (Otto-motor) Gasmotorbaseret generatoranlæg, hvor motorkøling og restvarmeindhold i røggas anvendes til fjernvarmeproduktion. Produktion af lavtryksprocesdamp kan etableres. Input-output Ind: Naturgas/Biogas Ud: El, fjernvarme (evt. lavtryksprocesdamp) Størrelsesinterval 0,02-4,5 MW pr. motor/generatorenhed Motortyper Gas Otto-motorerne inddeles ofte efter det luftoverskud forbrændingen foregår ved. Støkiometrisk forbrænding (λ=1), hvor der lige præcis er luft (ilt) nok til stede til (teoretisk) fuldstændig forbrænding. Anvendes ved motorer, der er forsynet med 3-vejs katalysatorer. Motorstørrelsen er typisk 0,02-0,5 MW. Magerblandings (lean-burn) motorer arbejder med tynd (luftoverskud) gas/luft blanding (λ~ 1,6-2,5). Dette sænker forbrændingstemperaturen og dermed -emissionen. Ved Lufttal større end ca. 1,8 antændes gas/luft blandingen ved flamme fra et forkammer (forkammermotorer). Sidstnævnte motorer vil ofte kræve et tilgængeligt gastryk på 3,5-4 bar til gasforsyning af forkammer, evt. gældende for hele gasmængden. Magerblandingsmotorer leveres typisk fra 0,05-4,5 MW. Virkningsgrad Gnisttændingsmotorer har typisk en elvirkningsgrad på mellem 35 og 40% (nedre brændværdi), lavest for de mindste motorer. En stor del af de pt. installerede anlæg har en totalvirkningsgrad på ca % (i forhold til brændslets nedre brændværdi). Miljø Gældende danske miljøkrav kan normalt overholdes ved anvendelse af 3-vejs katalysatorer eller lean-burn forbrændingsprincippet. Forskning og udvikling Der er behov for forskning/udvikling om fortsat reduktion af miljøbelastning fra gnisttændingsmotorerne. Der kan være behov for forskning/- udvikling vedrørende anvendelse af forskellige gastyper (naturgas/biogas) og/- eller gas med varierende gassammensætning. Der forventes en løbende udvikling med henblik på forbedring afakselvirkningsgrad. Dette kan opnås dels ved den grundlæggende motorkonstruktion, dels ved motorstyring/indstilling samt ved forbedret overordnet anlægsstyring/- driftsplanlægning. Barrierer og systemmæssig indpasning Gnisttændings-gasmotorbaserede kraftvarmeenheder har undergået en stor udvikling de seneste år. Enhederne er nu i vidt omfang standardiserede og tilpasset danske forhold. Der er opnået markante forbedringer i forhold til 1. generationsanlæggene. Specielt lean-burn motorerne har opnået stor udbredelse i det danske kraftvarmesystem. Barrierer for udbredelsen kan være gasforsyning (mængde, tryk). Motorbaserede anlæg giver ikke mulighed for produktion af højtryksdamp i væsentligt omfang, da en væsentlig del af varmeafgivelsen sker ved lavere temperaturniveauer. Kvantitativ beskrivelse: Størrelse (MW) 0,2-5 Gasmotorer med gnisttænding Idriftsættelsesår Totalvirkningsgrad (%) 89 (83-94)?-95?-95 Elvirkningsgrad (%) 39 (35-40) C m 0,78 0,78-0,85 0,8-0,87 (0,62-0,88) Rådighedsfaktorer (%) Levetid, teknisk (år) Byggetid (måneder) 12 (5-20) Miljø (n. gas m. røgg.rens.) (kg/gj indfyret energi) (kg/gj indfyret energi) 0,08-0,2 0,08-0,2 0,08-0,2 (kg/gj indfyret energi) Partikler (mg/nm 3 ) Øvrige restprodukter Investering (Mkr./MW) 5-6 (4-10) D & V (øre/kwh) 7 (5-20) 5-10 Bem: Tallene for 1994 er gennemsnitstal og bygger til dels på projektoplysninger /driftserfaringer. Tallene i parentes angiver variationsbredden. 34 EKSISTERENDE TEKNOLOGIER 1993 EKSISTERENDE TEKNOLOGIER

19 1.12 Kulkedler omstillet til flis/træpiller Poul Brix, Danske Fjernvarmeværkers Forening og Michael Stenholm, dk- TEKNIK. Teknologiens navn Kulkedler omstillet til flis/træpiller Kedelanlæg oprindeligt designet til fyring med kul i kvalitet 0-30 mm eller singles. De fleste anlæg er udstyret med en kæde/vandrerist, som er velegnet til fyring med f.eks. træpiller. Enkelte anlæg er af droptube typen eller med vipperist, der ligeledes kan anvendes til træpiller. Input-output nd: Træpiller Ud: Fjernvarme Størrelsesinterval 2-20 MJ/s. Ingen anlæg er i dag over 8 MJ/s. Krav til brændsel Brændslet skal være tørt, da anlæggene ikke er udmurede, og dermed ikke er egende til vådt brændsel. Hvis fyrrummet udmures og forsynes med tændbue, vil der være mulighed for at benytte flis. Restprodukt Omstillede kulfyrede fjernvarmeanlæg har ét eller to restprodukter ud over røggassen - bund- og flyveaske og evt. kondensat fra røggaskondensering. Der udledes kondensat fra anlægget, hvis der er påbygget røggaskondensering. For anlæg ombygget til flis, vil røggaskondensering være nærliggende, hvorved der fremkommer et kondensat, der kan give anledningen til et deponeringsproblem, da røggaskondensering også fungerer som filter for flyveasken, hvori der findes udkondenseret tungmetal. Bund- og flyveasken opsamles sædvanligvis i samme container. Behov for forskning ken er velfungerende. Der gælder samme grænseværdier for asken som for træ- og halmfyr. Der kan derfor være behov for at forske i nedbringelse af tungmetaller eller isolering af dem i en mindre fraktion af restproduktet. Kommentarer til skema Virkningsgraden er opgivet for anlæg, der fyrer med træpiller og derfor ikke har kondenserende røggaskøling. Emissionen af er beregnet på basis af svovlindhold i træpiller. Der er foretaget meget få emissionsmålinger for. Derfor angives ingen værdier. Der er krav om maksimalt 40 mg partikler pr. Nm 3 røggas. Flere af anlæggene er kun forsynet med cykloner og kan derfor ikke overholde dette krav. Kvalitativ beskrivelse Størrelse (MJ/s) 2-20 Kulkedler omstillet til flis/piller Idriftsættelsesår 1993/ Totalvirkningsgrad (% af nedre brændværdi) Rådighedsfaktor (%) Levetid, teknisk (år) 20 Byggetid (år) 0,5-1 Miljø (Basis træ: H n = 16,8 MJ/kg, 0,5% aske, 0,02% S, 10% O 2 ) (kg/gj indfyret energi) 0,06 0,06 0,06 (kg/gj indfyret energi) (kg/gj indfyret energi) 0 Partikler (mg/nm 3 ) Restprodukter (kg/gj indfyret energi). Aske og slagge. Mængden angivet som tør aske Specifik anlægspris (Mkr/MJ/s) < 0,5 < 0,5 < 0,5 D & V (årligt i % af investering) EKSISTERENDE TEKNOLOGIER 1993 EKSISTERENDE TEKNOLOGIER

20 1.13 Gas-/Oliefyrede kedler Poul Brix, Danske Fjernvarmeværkers forening og Michael Stenholm, dk- TEKNIK. Teknologiens navn Gas/oliefyrede kedler (spids- og reservelast) Kedler til fyring med gas og/eller (gas)olie har været anvendt i mange år indenfor fjernvarmesektoren. Etableringen og den senere udbygning af fjernvarmeforsyningen var baseret på olie. Senere blev en række anlæg ombygget til naturgas. I dag anvendes de gas/oliefyrede kedler langt overvejende som spidsog reservelast. Input-output Ind: - Svære fuelolie, gasolie, spildolie og naturgas. Ud: - Fjernvarme Størrelsesinterval 0,5-20 MJ/s. Restprodukt Det eneste restprodukt fremkommer ved kedelrensning. Behov for forskning Teknologien er velfungerende og på vej væk fra marked. Der er derfor ikke behov for yderligere forskning. Kommentarer til skema Da der ikke er emissionskrav til mindre gas/oliefyrede kedler bliver der ikke foretaget emissionsmålinger. -emissionen er beregnet udfra antagelsen om, at S-kravet til olien på maksimalt 0,2% S er overholdt. -emissionen kan vanskeligt forudsiges, da den i høj grad afhænger af brænderudformning. Partikelemissionen er et estimat foretaget af /1/. Da kedlerne har meget forskellig driftstid, er der stor forskel i drift- og vedligeholdelsudgifterne. Kvalitativ beskrivelse Størrelse (MJ/s) 0,5-20 Gas/oliefyrede kedler Idriftsættelsesår 1993/ Totalvirkningsgrad (% af nedre brændværdi) Olie Olie Olie 95 Gas 95 Gas 95 Gas Rådighedsfaktor (%) Levetid, teknisk (år) 20 Byggetid (år) 0,5-1 Miljø (Basis gasolie: H n = 42,5 MJ/kg, 0,025% S, 5% O 2 ) (kg/gj indfyret energi) 0,12 Olie 0,12 Olie 0,12 Olie 0 Gas 0 Gas 0 Gas (kg/gj indfyret energi) (kg/gj indfyret energi) 78 Olie 57 Gas Partikler (mg/nm 3 ) Olie Olie Olie 0 Gas 0 Gas 0 Gas Restprodukter (kg/gj indfyret energi). Specifik anlægspris (Mkr/MJ/s) D & V (årligt i % af investering) Referencer: /1/ Arne Sjøgren i Forbrænding, teori og praksis. 2. udgave EKSISTERENDE TEKNOLOGIER 1993 EKSISTERENDE TEKNOLOGIER