Nye forgasningsanlæg til kraftvarme i Danmark

Transkript

1 Søren Houmøller Videncenter for Halm- og Flisfyring dk-teknik Nye forgasningsanlæg til kraftvarme i Danmark Baggrund og historie "Generatorgas eller Gengas, som dette Drivstof almindeligvis betegnes, har fortransportsituationen i Danmark under den nuværende Krig været en Redningsplanke, idet Gengasdriften viste sig at være den driftsform, som med kort Varsel lettest lod sig anvende i vore Automobiler, da det nødvendige Brændsel hertil, Træ, og til en vis Grad Tørv, kunde stilles til Raadighed hertil i et rimeligt Omfang. Betydningen af denne Driftsform fremgaar deraf, at ca. 95% af de Motorkøretøjer, der 1. Januar 1942 benyttede Erstatningsdrivstoffer i Danmark, var gengasdrevne". Gasgenerator - Elektricitet, Interessen for forgasning af biobrændsler oplever en renæssance her i 90'eme. Engang - under 2. verdenskrig - gjaldt det om at få dækket et transportbehov med generatorbilerne, der kørte på træ. I dag er målet et andet. Den fornyede interesse i Danmark udspringer af beslutninger indenfor dansk energiplanlægning, som i de senere år er blevet drejet i retning af øget samproduktion af el og varme på decentrale kraftvarmeanlæg. Herved udnyttes brændslerne mere effektivt og brugen af fornybare energikilder som biomasse kan forøges. Selv med den omfattende viden man i de nordiske lande fik samlet i krigsårene har det vist sig ikke at være en let opgave at indføre forgasningsteknikken igen. Det skyldes bl. a. øgede krav til forgasserne med hensyn til brændsel, bemandingsbehov, driftssikkerhed mv. De politiske forhold En mindre afhængighed af udenlandske brændsler og en reduktion af CO2-emissionen er nogle afmålene med de danske energiplaner. Den seneste plan, Energi 21 fra foråret 1996, fastholder målsætningen fra den tidligere plan, Energi 2000, om en reduktion af CO2-emissionen med 20 procent i år 2005 i forhold til Blandt midlerne til at opnå disse mål er bl. a. en øget anvendelse af biobrændsler som f. eks. halm og træ. Blandt initiativerne, der skal sikre denne øgede anvendelse, fremhæves biomasseaftalen fra 1993, tilskud til elproduktion på anlæg fyret med biobrændsler samt lovkrav om omstilling af visse varmeværker til kraftvarme. Det danske Folketing vedtog i 1993 den såkaldte biomasseaftale, som pålagde elværkerne at øge anvendelsen af halm med 1,2 millioner tons halm og tons 167

2 træ om året inden år En kilowatt-time elektricitet produceret på anlæg baseret på biomasse modtager et tilskud på 27 øre, hvilket kan sammenlignes med en produktionspris på omtrent det samme for et nyt kulkraftværk, ca. 30 øre for vindmøller placeret på land og ca. 53 øre for et nyt halmværk. Tilskuddet på 27 øre pr. kilowatt-time gør således et værk, som producerer el på biomasse, konkurrencedygtigt med et kulfyret værk. Imidlertid findes der på biomasseområdet endnu ingen teknologier til kraftvarmeproduktion, der kan give en ligeså god eller bedre økonomi som et rent varmeproducerende værk, og derfor kan det ikke betale sig at omstille til kraftvarme. Da tilskuddet til elproduktion gør det attraktivt at producere el på biobrændsler, og da varmeværkerne ifølge loven skal omstilles til kraftvarme, må de nødvendige teknologier tilvejebringes. Konvertering af biomassen til en gas, der kan bruges til elproduktion i en forbrændingsmotor, anses for at være blandt de mest lovende teknologier. Markedsafgrænsning - udviklingens rammer Kraftvarmeproduktion ved hjælp af dampturbineteknikken kendes fra større værker og vil i store fjernvarmeområder være en teknisk mulig og økonomisk rentabel vej at gå. Det gælder navnlig, når træet anvendes i kombination med andre brændsler, hvorved ganske store anlæg kan etableres. De mindre fjernvarmeområder, som typisk har et maksimalt varmeeffektbehov op til ca. 6 MW, er et oplagt marked for øget afsætning af biomasse. Her bliver dampturbineteknikken desværre relativt kostbar. Forgasning er en teknik, der måske kan gøre kraftvarmeproduktion på biomasse konkurrencedygtig i de mindre fjernvarmeområder. Desværre findes endnu ikke færdige anlæg i drift til at demonstrere driftsstabilitet og -økonomi. Den markedsniche, hvor forgasning af biobrændsler umiddelbart kan få berettigelse, indkredses dermed af rammerne: - Målet skal være kraftvarmeproduktion - Der skal være tale om relativt små varmemarkeder og frem for alt: - Det skal kunne betale sig. Halm først i fokus Indtil for få år siden var den danske forsknings- og udviklingsindsats (F&U) omkring forgasning i høj grad koncentreret om halm, idet rapporten «Udredning vedr. udnyttelse af biomasse til energiformål via thermokemiske konverteringsmetoder" fra Energiministeriets Biomasseforskningsudvalg i oktober 1987 anbefalede højeste prioritet til F&U i halmforgasning. Halmindfødning og gasrensning blev nævnt som særlige danske indsatsområder. På Danmarks Tekniske Højskole (DTH) blev også i 1988 igangsat projekter om halmforgasning. Lovende resultater med en lille model drejede hurtigt indsatsen i retning af en modificeret udgave af en medstrømsforgasser. 168

3 Ved at dele forgasningsforløbet i to trin, så pyrolysen foregår i en selvstændig enhed, er det lykkedes at undgå de høje temperaturer i det faste brændselslag og dermed problemerne med slaggedannelse i gasgeneratoren. Medstrømsprincippets positive kendetegn - en relativt ren gas - er bevaret, og som et af de eneste anlæg i verden har forsøgsanlægget på DTU kunnet producere en halmgas, der i praksis har bevist, at den kan bruges til motordrift med kun en moderat forudgående rensning. Halm er et væsentligt mere kompliceret brændsel at anvende end træ. Derfor er udviklingen de seneste år drejet mod omsætning af træ, som er væsentligt mindre problematisk at forgasse. Træ med i billedet I slutningen af 1991 gav Energistyrelsen støtte til to nye projekter om træ forgasning. De to projekter blev planlagt til at være integrerede i starten for at opnå en synergieffekt, og sidenhen fortsætte adskilt mod hvert deres mål. De to projekter ledes af Herning Kommunale Værker (HKV) og dk-teknik. Begge projekter arbejder med træforgasning efter medstrømsprincippet. Den fælles aktivitet i de to projekter var identificering og besøg hos udenlandske producenter af træforgasningsanlæg samt vurdering af deres produkter. Udlandsundersøgelsen blev afsluttet i juni Herefter fortsatte HKV mod deres mål; at få etableret et komplet forgasningsanlæg i byen Høgild baseret på det mest velegnede af de udenlandske fabrikater. Der findes i Danmark nu adskillige forskellige forgasningsteknikker under udvikling og fokus er nu på træ som brændsel til de fleste af forgasserne. Årsagen til skiftet fra den besværlige halm til det mere homogene træ er bedst udtrykt af en førende dansk forgasningsekspert med ordene: "At forgasse træ er som at skyde fasaner på jorden og det er usportsligt. Men nu har vi dyrket vores sport længe nok og må have mad på bordet". De danske forgasningsprojekter For et land af sin størrelse har Danmark mange forskellige "heste" på banen indenfor forgasning. Den brede satsning på området har givet en stor viden om selve forgasningen og de forskellige teknikker, brændselshåndtering, gasrensning, problemer med tjære i gassen og mange andre beslægtede problemer I dette afsnit er de danske forgasningsprojekter beskrevet med fokus på teknikkernes fordele og ulemper, samt kommercielt stadium. To-trins forgasning på Danmarks Tekniske Universitet Institut for Energiteknik på Danmarks Tekniske Universitet er videnbanken for den danske forskning i forgasning. Instuttet har gennem sin leder, Ulrik Henriksen, og de tilknyttede forskere samarbejde med alle de øvrige danske projekter. Ud over at betragte hele forgasningssystemet fra brændsel til motor arbejder instituttet med de enkelte delprocesser og foretager grundlæggende brændsels- og forgas- 169

4 ningsforsøg. Instituttets egen proces er unik idet omsætningen af biomassen er opdelt i to reaktorer. I den første reaktor pyrolyseres brændslet, hvorved det opsplittes i en gas- og en koksfraktion. I den anden reaktor, som er lodret, falder koksfraktionen ned og danner en bed, mens gassen befinder sig i området over koksbedden. I dette område tilføres luft, som hæver temperaturen så meget at de problematiske tjærestoffer dekomponeres termisk. Der tilføres også vanddamp der virker som forgasningsmiddel for koksen. Den dannede gas trækkes ud i bunden af bedden. Gassen afbrændes i en motor og udstødningsgassen ledes tilbage til pyrolysereaktoren, hvor den via varmeveksling leverer den nødvendige energi til pyrolysen. Elvirkningsgraden er omkring 25% for den samlede proces og tabet er 10-15%. Princippet med opdeling af processen giver stor frihed og dermed mulighed for præcis styring af omsætningens forskellige processer. Det betyder bl. a. at den producerede gas har et meget lille indhold af tjære, som ikke giver problemer i en forbrændingsmotor. En yderligere fordel er evnen til at forgasse halm. Ved høj temperatur vil halmasken smelte og tilslagge anlægget, men den høje temperatur er nødvendig for dekomponering af tjæren. I totrinsprocessen er temperaturen over koksbedden lokalt høj nok til dekomponeringen, men i koksbedden er temperaturen under halmaskens smeltepunkt. Dermed elimineres problemet. To-trinsprocessen er mere kompliceret - og dermed forventet dyrere - end forgassere i et enkelt trin. Desuden er forgasningsanlæg efter dette princip ofte fysisk store og pladskrævende i forhold til deres effektstørrelse. For et givent effektbehov vil et to-trinsanlæg derfor ofte være forholdsvis stort sammenlignet med andre forgassere. Instituttet har haft flere udgaver af deres forgassere og har ikke som sådan et mål om at fremstille en kommerciel forgasningsteknik. For tiden arbejder instituttet dog med sin egen forsøgsforgasser på 100 kw indfyret effekt for at lære mere om processen. To-trinsforgasning i landsbyen Blære indgik Institut for Energiteknik en aftale med Maskinfabrikken Reka om at konstruere et pilotskalaanlæg af instituttets to-trinsproces i landsbyen Blære i Jylland. Projektet er støttet af Energistyrelsen. og ulemper og ulemper ved processen er de samme som for skrevet for Institut for Energitekniks udgave af forgasseren (se afsnittet). 170

5 Anlægget i Blære er færdigkonstrueret og har kørt omtrent 100 timer med elproduktion og selve forgasseren har ca. 400 driftstimer. Forsøgene har demonstreret to-trinsprocessen termodynamisk, men anlæggets konstruktion og deraf følgende holdbarhed er ikke demonstreret på den korte forsøgstid. Der har været betydelige konstruktionsmæssige problemer med anlægget og for tiden er det ikke i drift. To-trins fluid bed forgasning (DTU og dk-teknik) En forgasningsproces, som konverterer brændslet fuldstændigt til en brændbar gas uden tjærestoffer, er et ønskemål for alle, der arbejder med udvikling af teknikker til kraftvarmeproduktion med biomasse som brændsel. Hvis processen tilmed er fleksibel mht. brændselsvalg, konstruktionsmæssigt simpel, let at skalere til en ønsket størrelse og økonomisk konkurrencedygtig, er der en stor chance for, at processen også kan blive en succes blandt slutbrugerne. En proces, der asymptotisk nærmer sig disse ønsker, er Institut for Energitekniks to-trinsproces i en fluid bed udgave. n ved at anvende en fluid bed til konvertering af brændslet til en brændbar gas er, at anlægget bliver let at skalere og kræver mindre materialeforbrug og plads end en fixed bed forgasser. I fixed bed-udgaven har den producerede gas et meget lavt tjæreindhold og det samme lave indhold af tjære forventes fra fluid bed udgaven af processen. Ved kombinationen af de to koncepter forventes evnen til at forgasse halm vedligeholdt. Dette er netop en af de store fordele ved totrinsprocessen: Med halm har man i traditionelle forgassere problemer med sintring som følge af for høje temperaturer under forgasningsprocessen. Ved sintringen smelter eller blødgøres visse askekomponenter så meget, at de klister koksbedden sammen. For at opnå et lavt tjæreindhold har man derimod behov for en høj temperatur, så for at kombinere disse to umiddelbart modstridende temperaturkrav, adskiller man i totrinsprocessen de to områder med forskellige temperaturkrav. Efter pyrolysen falder koksen ned i forgasseren, mens pyrolysegassen befinder sig i rummet over koksbedden. I dette rum hæves temperaturen lokalt, mens temperaturen i koksbedden ikke hæves over det kritiske punkt. Fluid bed versionen forventes at bevare denne evne. I en fluid bed er de høje varmeovergangstal en konsekvens af kontakten mellem bedpartiklerne, brændslet og den tilstedeværende gasfase. Ved brug af det mest almindelige bedmateriale, sand, kan der opstå problemer med sammensintring af bedden ved for høje temperaturer. Dette er en ulempe ved processen. To hyppigt fremførte argumenter mod fluid beds - egetforbruget af energi til fluidi- 171

6 sering af bedden og kompliceret teknik - har ikke vist sig at være ulemper i det beskrevne koncept. Forsøgene med fluid bed forgasning er stadig på laboratorieplan og der er derfor lang vej til et egentlig anlæg baseret på teknikken kan bygges og demonstrere konceptets levedygtighed. Herning Kommunale Værker- anlægget i Høgild I Høgild har Herning Kommunale Værker installeret et forgasningssystem baseret på en fransk forgasser fra Martezzo. Forgasseren har kørt i ca timer og der er produceret ca kwh på motoren. Anlæggets væsentligste fordele er dets simple opbygning og at den er købt på kommercielle vilkår efter en undersøgelse foretaget af dk-teknik, BWSC, Energistyrelsen og Herning Kommunale Værker. Der viste sig på et tidspunkt problemer med at få forgasseren til at leve op til de danske krav, så for tiden er Herning Kommunale Værker i gang med at ombygge dele af forgasningssystemet i samarbejde med Hollensen Ingeniør- og Kedelfirma ApS. Processen kræver et brændsel af forholdsvis høj kvalitet og dermed en forventet høj pris. Anlægget har vist lovende resultater og mange mekaniske problemer er blevet løst. Efter ombygningerne planlagt til efteråret '97 forventer Herning Kommunale Værker at have løst problemerne. Derefter vil driftserfaringer og elproduktion være i højsædet Vølund R&D Centre -Anlægget i Harboøre Vølund var den første kommercielle part i de danske forgasningsaktiviteter og baserer deres anlæg på modstrømsprincippet, i modsætning til alle de øvrige danske anlæg, der i en eller anden form benytter medstrømsprincippet. Det første anlæg Vølund byggede var Kyndby-forgasseren til halm, mens udviklingen nu foregår på et anlæg designet til 4 MW indfyret effekt i byen Harboøre i Jylland. I modstrømsforgasseren føres gassen i modsat retning af brændslet, hvorved det indfyrede brændsel tørres. Derfor er Vølunds forgassere i stand til at benytte meget våde brændsler, så en ekstern tørring inden forgasningen er ikke nødvendig. Desuden har gassen efter forgasseren en ret lav temperatur sammenlignet med gassen fra med- 172

7 strømsforgassere. Det er en fordel i forbindelse med motordrift, hvor en lav gastemperatur til motoren er nødvendig. Den altoverskyggende ulempe ved Vølunds forgassere er indholdet af tjære i den producerede gas. Tjæren dannes ved pyrolysen, men i modsætning til de andre forgassere oplever tjæren ikke en høj temperatur, som kan dekomponere den til lettere kulbrinter. Vølund har i samarbejde med bl. a. Energistyrelsen, Dansk Teknologisk Institut og Institut for Energiteknik arbejdet ihærdigt med at rense gassen for denne tjære og tester i øjeblikket en ny teknik til denne rensning. Forgasseren i Harboøre er den af de danske forgassere der har den bedst dokumenterede drift og gassens indhold af partikler er ekstremt lav. Som følge af forsøgene med rensningen af gassen er der stadig kun et meget lille erfaringsgrundlag med motordrift. Anlægget i Harboøre har Vølund leveret på vilkår der betyder at Vølund bærer den økonomiske risiko ved eventuelle problemer. På nuværende tidspunkt er Vølund i forhandling med forskellige potentielle udenlandske købere til en forgasser som den i Harboøre og Vølund håber snart at levere en forgasser på kommercielle vilkår til en af disse købere. dk-teknik - Open Core forgasning Henrik Houmann Jakobsen fra dk-teknik startede i 1991 udvikling af en Open Core medstrømsforgasser med udgangspunkt i det bedst egnede og billigste biobrændsel i Danmark: Skovflis. Konklusionen på et forprojekt blev, at forgasseren for at være økonomisk attraktiv måtte koste danske kroner pr. installeret kw elektrisk effekt. Det stillede krav til forgasseren om at være billig i investering og derfor simpel og enkel at bygge. Derfor faldt valget på en modificeret udgave af en forgasser efter Open Core princippet. Selve Open Core princippet giver et simplere anlæg end de fleste af de øvrige danske forgasningskoncepter. Derudover er forgasseren tilpasset brændslet og relativt kompakt. Det giver et lavt investeringbehov og derfor har et anlæg på dette koncept de bedste muligheder for at blive kommercielt attraktiv. Der er ikke nogen ulemper ved Open Core princippet som sådan, men set som kraftvarmeteknologi til det danske energisystem mangler forsøgsanlægget dokumenterede driftserfaringer med såvel forgasser som hele det øvrige forgasningssystem. 173

8 Anlægget, der er placeret hos den industrielle anlægsvært Butina ved Holbæk på Sjælland, har vist at kunne forgasse træflis tilfredsstillende og de nuværende forsøg sigter mod at dokumentere en stabil drift. Dernæst vil forgasseren blive sat sammen med motor og det øvrige system. Pyrolyseanlægget i Haslev - dampoverhednlng COWIconsult har i samarbejde med Institut for Energiteknik udviklet en pyrolyseenhed, der benyttes til at pyrolysere halm ved en temperatur, hvor halmens skadelige indhold af klor og alkali befinder sig i asken. Den dannede gas, der indeholder lave mængder af disse skadelige stoffer, benyttes til at overhede dampen i det halmfyrede kraftvarmeværk i Haslev på Sjælland. Koksen fra pyrolysen indfyres sammen med almindelig halm i halmkedlen. n ved at benytte dette pyrolyseanlæg i forbindelse med det eksisterende halmfyrede dampturbineanlæg i Haslev er at øge dampdata uden at risikere korrosionsbeskadigelser på anlægget Ud over udfordringerne ved udviklingsarbejdet er der ikke væsentlige ulemper ved teknologien som sådan. I tilfældet med Haslev er pyrolyseenheden dog eftermonteret, hvorved man på grund af systembindinger ikke har fået den optimale effekt ud af boostingen. COWIconsult forventer at kunne optimere udlægningen på det næste anlæg, idet pyrolyseenheden medtages i projekteringsfasen. Efter nogle mekaniske problemer under udviklingen ser det ud til at driften er ved at være stabil. Teknikken er klar til at indgå i et nyt dampturbineanlæg i projekteringsfasen. Tjæreproblematikken Efter næsten ti års udviklingsarbejde i Danmark har specielt ét element vist sig at være årsag til problemer: Gassens indhold af tjære. Derfor foregår der ud over de egentlige udviklingsprojekter med forskellige forgasningsteknologier et væsentligt arbejde omkring tjæren. På Dansk Teknologisk Institut (DTI) undersøger man i samarbejde med Vølund mulighederne for at anvende katalytisk tjærekrakning på anlægget i Harboøre. DTI har tillige af Energistyrelsen fået udstyr til måling af tjæren. På Institut for Energiteknik arbejder man også med at analysere tjæren bl. a. ved hjælp af et specialudviklet apparatur. Et af de nyeste tiltag er at forsøge at dekomponere tjæren i biogasanlæg. Som 174

9 udgangspunkt er anvendt tjære fra Harboøreforgasseren, Et projekt under det danske Energiforskningsprogram med titlen "Tjærenedbrydning i lavtemperatur forgassere til biomasse" har haft som overordnet mål at opnå et detaljeret kendskab til dannelse og nedbrydning af tjæreprodukter, der opstår ved pyrolyse og forgasning af biomasse ved lav temperatur. Projektet er udført af Forskningscenter Risø. Problematikken omkring tjære er ikke kun et dansk fænomen, men er et emne til evig debat blandt forgasningseksperter. Derfor er der et behov for en fælles standard for måling af gassens indhold af tjære (og partikler). dk-teknik er den danske deltager i et EU-projekt, der skal lede frem til et forslag til en norm for tjærebestemmelsesmetoder. Fremtiden Der er i Danmark brugt mange millioner kroner på at udvikle anlæg til kraftvarmeproduktion på biomasse. Forgasning er en af de teknologier der satses mest på og med de mange spor, der er i gang, er der grund til at tro at et eller flere anlæg vil kunne købes på kommercielle vilkår indenfor få år. I efteråret 1997 afsluttes et statusarbejde fra Energistyrelsen omkring udviklingen af kraftvarmeteknologier til biomasse, hvori de fleste af de her beskrevne anlægskoncepter er medtaget. Med statusarbejdet håber man at få et bedre overblik over de forskellige teknologiers udviklingsbehov og tidshorisonter for deres kommercialisering. 175