Övriga användningsområden
Förstudie av nya användningsområden för biogas i Skåne BIOGASSYS Desirée Grahn, Biogas Syd 2013-03-30 BIOGASSYS – Deliverable 4.1 - New technological opportunities and consumer interest 2 (32) Innehåll Inledning......................................................................................................... 3 Syfte............................................................................................................. 3 Marknadsanalys .............................................................................................. 4 Industri ....................................................................................................... 4 Hushåll ........................................................................................................ 5 Erfarenheter från workshops hösten 2012 ................................................. 7 Tekniker för el- och värmeproduktion ........................................................... 9 Värmeproduktion ........................................................................................ 9 Gaspannor ............................................................................................... 9 Värmepumpar ....................................................................................... 10 Konvertering till gasvärme ..................................................................... 15 Industriella gasdrivna värmeapplikationer ............................................16 Kraftproduktion ........................................................................................ 18 Kraftvärme - Combined heat and power (CHP) ........................................19 Förbränningsmotorer med elgenerator .................................................19 Mikroturbiner .........................................................................................19 Stirling ................................................................................................... 20 Bränsleceller ...........................................................................................21 Hybridsystem - kraftvärmeproduktion ................................................. 24 Hemmatankningssystem .............................................................................. 25 Råvara ........................................................................................................... 25 Övriga användningsområden ....................................................................... 25 Livsmedelsberedning ................................................................................ 25 Varmvattenberedning ............................................................................... 26 Övriga gasapparater .................................................................................. 26 Kylning ...................................................................................................... 27 Terrassvärme ............................................................................................ 27 Gasbrasor .................................................................................................. 27 Ett internationellt perspektiv ....................................................................... 28 EU-projekt................................................................................................. 29 Sammanfattning och diskussion .................................................................. 30 Källor ............................................................................................................. 31 BIOGASSYS – Deliverable 4.1 - New technological opportunities and consumer interest 3 (32) Inledning Biogas är ett förnybart bränsle som tillverkas genom syrefri rötning av organiskt material alternativt termisk förgasning av trädbränslen och annat kolhaltigt material. Biogasen kan distribueras på flera olika sätt, från gasflaskor på lastväxlarflak till distributionsnät. Nätets utbredning är relativt begränsat och sträcker sig längst med västkusten i södra delen av landet. Idag är det stort fokus på möjligheterna att använda biogas som drivmedel och de positiva miljöeffekter som det kan ge inom transportsektorn. I denna rapport görs en översiktlig genomgång av andra möjliga användningsområden där fokus ligger på användning i småhus och flerbostadshus men innefattar även industri och till viss del transporter. Kartläggningen inkluderar dels ny gasteknik som utvecklas men även tekniker där naturgas används i dagsläget vilken kan ersättas mot biogas. Efter uppgradering och propanisering av biogasen har den samma energiinnehåll som naturgas och kan därmed substitueras direkt. De möjliga användningsområden som har studerats är: - Kraftproduktion - Kraftvärmeproduktion - Värmeproduktion - Industriell råvara - Livsmedelsberedning - Övriga användningsområden Även hemmatankningssystem har studerats. I samband med detta arbetet har ett antal workshops arrangerats i samarbete med E.ON, SGC och Sunfleet med målgrupp bygg- och fastighetsbranschen för att sprida kunskap om de tekniska alternativen. Syfte Denna rapport är en översiktlig sammanställning av nya användningsområden för biogas inom kraft- och värmeproduktion. För mer information rekommenderas de källor som omnämns på sidan 31. På grund av den snabba utvecklingen som sker inom detta område kan kostnader som nämns samt prestanda för teknikerna ha förändrats under den tid som följt efter rapportens författande. BIOGASSYS – Deliverable 4.1 - New technological opportunities and consumer interest 4 (32) Marknadsanalys Med den begränsade användning av gas för uppvärmning och elproduktion i hushåll och i industrin som finns idag så är möjligheterna att ersätta fossila källor stora. Varje enskilt fall måste dock bedömas så att det mest optimala alternativet väljs ut utifrån de lokala förutsättningarna. En generalisering kring vilken energikälla och värmeproduktionsteknik som ska användas kan därför inte göras. Denna bedömning av den potentiella marknaden för biogas blir därmed väldigt godtycklig men kan ändå ge en fingervisning på vilka typer av energikällor som används idag, hur de fördelar sig och var det kan finnas behov av förnybara alternativ. Hur stor den tillgängliga marknaden för gasen är beror på ett antal parametrar. Vilken teknik används i dagsläget för el och värmeproduktion? Finns det tillgång till gasnätet? Hur ser prisbilden ut om man jämför el och gas? Hur stort är energibehovet för anläggningen? I ett område där det redan finns tillgång till gas genom ett gasnät eller någon annan lösning kommer tröskeln för att införa andra gastekniker vara lägre. Likaså kommer billig gas i jämförelse med el verka till fördel för gasteknikerna. Så är dock inte fallet och situationen försvåras ytterligare med ett omfattande fjärrvärmenät. Varje situation har dock unika förutsättningar och behöver bedömas utifrån dessa. Industri Den naturgas som används idag inom den skånska industrisektorn används främst i hetvatten- och ångpannor. Det förekommer även i industriugnar vid tillverkning av järn, stål och övriga metaller, i gjuterier och inom glasindustrin. Dessa processer är dock känsligare för variationer i energiinnehåll i olika bränslen. För dessa system krävs det därför individuell utformning och anpassning. För vissa processer skulle förvärmning med naturgas kunna höja verkningsgraden för systemet medan de i andra fall skulle krävas för höga temperatur för att naturgas skulle lämpa sig.1 1 Svenskt Gastekniskt Center [2004] BIOGASSYS – Deliverable 4.1 - New technological opportunities and consumer interest 5 (32) Figur 1. Slutlig energianvändning (TWh) inom Industri och byggverksamhet i Skåne mellan 1990 och 2010. Källa: Länsstyrelsen i Skåne län/Strand, Magnus [2013]. Ur Figur 1 kan utläsas att det finns en stor del fossil energi som används inom industrin som eventuellt hade kunnat substitueras med exempelvis biogas. Biogasen kan inte ersätta alla typer av energikällor men kan relativt okomplicerat substituera den naturgas som används. Hushåll Större delen av uppvärmningen av skånska hushållen sker med fjärrvärme, resterande med el eller fasta förnybara ämnen. En försvinnande liten del värms med flytande icke-förnybara ämnen, det vill säga olja. Se Figur 2. Figur 2. Hushållens slutliga energianvändning (TWh) i Skåne per bränslekategori i Skåne mellan 1990 och 2010. Källa: Länsstyrelsen i Skåne län/Strand, Magnus [2013]. Vid en närmare titt på fjärrvärmeproduktionen i Skåne så kan det utläsas att den största delen av värmen produceras från förnybara bränslen. Det finns dock en viss potential kvar som hade kunnat substitueras. Ökningen i BIOGASSYS – Deliverable 4.1 - New technological opportunities and consumer interest 6 (32) användningen av icke förnybara energikällor 2009 – 2010 beror på uppstarten av Öresundsverket i Malmö som använder sig av naturgas i processen. Figur 3. Insatta bränslen i fjärrvärmeproduktionen i Skåne fördelat på förnybar, icke förnybar och övrig energi mellan 1990 och 2010. Källa: Länsstyrelsen i Skåne län/Strand, Magnus [2013]. När det gäller uppvärmning av hushåll kan man ha en diskussion kring vilket som är det bästa alternativ. Som vi kan se ovan i Figur 3 så tillverkas fjärrvärmen i vissa fall genom förbränning av fossila energikällor, då kan ett byte till biogasuppvärmning vara ett steg mot ett hållbarare alternativ. I andra fall kan en fortsatt användning av en centralt producerad fjärrvärme vara ett grönare och effektivare alternativ. BIOGASSYS – Deliverable 4.1 - New technological opportunities and consumer interest 7 (32) Figur 4. Slutanvändning av energi, 2010, Källa: Statistiska Centralbyrån (SCB) [2012]. I Figur 4 redogörs för slutanvändningen av energi i Skåne 2010. Denna statistik inkluderar fritidshus, flerbostadshus, småhus, offentlig verksamhet, industri/byggindustri och jordbruk/skogsbruk/fiske. I övriga tjänster ingår elförsörjning av kontor, lager, gasförsörjning, försörjning av värme och kyla, parti- och detaljhandel, hotell- och restaurang, magasinering och stödtjänster till transporter, post och kurirverksamhet, finans- och försäkringsverksamhet, fastighetsförvaltning, uthyrning, leasing, databehandling o.a. företagstjänster, annan serviceverksamhet, informations- och kommunikationsverksamhet. Bland annat kan det utläsas att industrin står för en stor del av energianvändningen och att användningen av förnybara flytande och framförallt gasformiga bränslen är tillsynes obefintliga i jämförelse. Användningen av icke-förnybar gas (vilket till största delen består av naturgas) är dock stor vilket innebär en potential att ersätta naturgasen med biogas. Erfarenheter från workshops hösten 2012 Under hösten 2012 hölls två workshops om nya användningsområden för biogas. Träffarna riktade sig till bygg- och fastighetsbranschen och hölls med föreläsare från SGC, E.ON och Sunfleet. Intresset för arrangemangen var begränsat. Uppfattningen inom branschen tycks vara att de gasdrivna lösningarna för el- och värmeproduktion ännu inte är en tänkbar lösning. I BIOGASSYS – Deliverable 4.1 - New technological opportunities and consumer interest 8 (32) vissa fall beror detta på att de ännu inte finns på marknaden, i andra fall att kunskaperna om biogas och dess tillgänglighet som ett bränslealternativ för uppvärmningen är begränsat. BIOGASSYS – Deliverable 4.1 - New technological opportunities and consumer interest 9 (32) Tekniker för el- och värmeproduktion De energilösningar som omnämns i rapporten är i de flesta fall applicerbara i både industrier och hushåll. Störst fokus ligger dock på hushållen och den storleksordningen som förekommer där. I slutet av detta kapitel följer en genomgång av tekniker som är mest intressanta i industriella miljöer. En del av de tekniker som omnämns i rapporten drivs med andra bränslen i dagsläget men hade kunnat anpassas till gasdrift. Andra är tekniker som redan idag använder naturgas som hade kunnat substitueras med biogas. Värmeproduktion Ren värmeproduktion med gas som bränsle sker idag främst genom gaspannor eller värmepumpar antingen som ensamma tekniker eller i kombination med något annat energislag. Gaspannor Gaspannor är internationellt sett den vanligaste uppvärmningsmetoden där olja, kol och naturgas används som bränslen. Av dessa tre har naturgas en stor fördel vid hushållsnära uppvärmning på grund av de låga utsläppen av kväveoxider, kolväten och partiklar, något som ytterligare minskar om biogas används. På 80-talet utvecklades den så kallade kondensationstekniken för gaspannor som tar till vara energin i avgaserna och vattenångan däri kondenseras. Med denna teknikutveckling har systemets möjliga verkningsgrad ökat till 110 %. Denna effektiva uppvärmning är bäst lämpad för moderna byggnader med ett lågt värmebehov.2 Kondenserade gaspannor har låga emissioner och är bränsleflexibla. De finns tillgängliga som vägghängda- och golvpannor med och utan integrerad varmvattenberedare. Produktionskapacitet finns tillgänglig från några kW till några hundra. Dessa kan även kaskadkopplas upp till en effekt på ca 1MW. Priset ligger på ca 60 000 kr (10 – 20 kW) inklusive installation och moms.3 Under utveckling finns också katalytiska gaspannor där en patenterad katalysatorteknik används. Med denna teknik minskar volymbehovet och blir 85 % lägre än för motsvarande konventionella pannor. Därmed blir materialåtgången och produktionskostnaden mycket lägre. Det förekommer även att gaspannor kombineras med förnyelsebar energi, exempelvis solvärme, se Figur 5. När solen skiner kan värme tas från solpanelerna, därmed minskar energibehovet. Kombinationen av gaspanna med biogas och sol är en intressant helhetslösning för att integrera förnybar energi. 2 3 Svenskt Gastekniskt Center [2011] Jannasch, Anna-Karin/SGC [2012] BIOGASSYS – Deliverable 4.1 - New technological opportunities and consumer interest 10 (32) Figur 5. Integrerat solvärme och gasvärme - system. Källa: Anna-Karin Jannasch, SGC. Värmepumpar Värmepumpar används för att producera värme, kyla och varmvatten i byggnader. Olika typer av värmepumpar använder sig av olika medier. Luft/luft värmepumpar använder luft som medium för ändra temperaturen och är standard för luftkonditioneringsenheter. Luft/vattenvärmepumpar (ASHP = air source heat pump) använder sig av vatten och luft och fungerar normalt sett ner till ca - 25 C. En bergvärmepump (GSHP = ground-source heat pump) använder sig av vattenkällor i marken för att höja temperaturen. Detta vatten värmeväxlas sedan med antingen vatten eller luft men kan även växlas direkt. Jämfört med ASHP åstadkommer GSHP en högre verkningsgrad i kalla klimat. System med värmepumpar har hög effektivitet men för att få den totala verkningsgraden och miljöpåverkan måste även produktionen av elen som används tas med i beräkningarna. Tekniken är kommersiellt etablerad och tillgänglig och anses ge upphov till begränsade utsläpp eftersom den använder energi från sin omgivning (vatten, luft eller mark) och el för att höja temperaturen.4 När det gäller gasdrivna värmepumpar finns det två principsystem som används. Nedan följer en kort beskrivning av två typer av gasdrivna värmepumpar: - Kompressionsvärmepump Absorptionsvärmepump Gasvärmepumpen anses fungera bäst då den får agera baslast och arbeta med långa drifttider. Enligt en holländsk rekommendation så är det optimala att den står för 30 % av maxbelastningen, motsvarande 88 % av energibehovet.5 4 5 International Energy Agency [2011] Näslund, Mikael/Dansk Gastekniskt Center [2012] BIOGASSYS – Deliverable 4.1 - New technological opportunities and consumer interest 11 (32) Kompressionsvärmepump I en kompressionsvärmepump är kompressionen av köldmediet mekaniskt och drivs i gasvärmepumpens fall av en gasmotor. Värmen tas ifrån kondensationen men även spillvärmen från gasmotorn tas tillvara och värmefaktor blir då runt 1,6 för hela installationen. Detta är i samma storleksordning som för en värmepump där kompressionen drivs av elektricitet från ett fossileldat kraftverk. Arbetsprincipen finns beskriven i Figur 6. Figur 6. Arbetsprincip för en gasdriven kompressionsvärmepump. Källa: Jannasch, AnnaKarin/SGC [2012]. I Figur 7 finns en principskiss över hur en gasmotordriven kompressionsvärmepump fungerar. Den stora skillnaden från andra typer av värmepumpar är den förbränningsmotor som driver hela processen. BIOGASSYS – Deliverable 4.1 - New technological opportunities and consumer interest 12 (32) Figur 7. Principschema för en gasmotordriven kompressionsvärmepump. Källa: Svenskt Gastekniskt Center [2004]. Absorptionsvärmepump I en absorptionsvärmepump används samma princip som i en kompressionsvärmepump men den sista temperaturhöjningen görs inte med hjälp av en kompressor utan en gaspanna. Termisk energi används för att förånga ett medium, vanligtvis ett lösningsmedel. Köldmediet värmeväxlas mot värmekälla (luft, vatten, berggrund) förångas och förs sedan in i en absorbator där den blandas med ett lösningsmedel (exempelvis litiumbromid). Den är då i flytande form och pumpas vidare för ytterligare uppvärmning med gaspannan som värmekälla. Där förångas köldmediet och förs till kondensatorn där värmen plockas ut medan lösningsmedlet cirkuleras tillbaka. Fördelen med denna typ av teknik är att det är färre rörliga delar samt ett lågt elbehov.6 Processen beskrivs i Figur 8 och Figur 9. 6 Svenskt Gastekniskt Center [2004] BIOGASSYS – Deliverable 4.1 - New technological opportunities and consumer interest 13 (32) Figur 8. Arbetsprincip absorptionsvärmepump med gaspanna. Källa: Jannasch, AnnaKarin/SGC [2012]. Värmefaktorn för absorptionsvärmepumpen är 1,5 – 1,7 vilket kan bibehållas vid dellast. Pumpen har låga kostnader i drift och underhåll tack vare att den har få rörliga delar. Dessa system är anpassade för villastorlek och uppåt och svarar sällan för hela behovet av uppvärmning utan en baslast. Vid effekttoppar används sedan en värmepanna.7 Under 2012 installerade E.ON Sveriges första gasdrivna absorptionsvärmepump i Limhamn i Malmö. Installationen består av en värmepump och en kondenserande gaspanna som ska fungera som spetslast vid höga temperaturdifferenser. Under de första två veckorna den var i drift uppnåddes en verkningsgrad på 120 %, något som tros kunna höjas upp till 140 %. Värmepumpen är en luft/värmepump på 35 kW som installerades i en före detta brandstation som innan ombyggnation hade en energianvändning på 190 MWh värme per år och 50 MWh el per år. Enligt angivelserna ska denna värmepump klara temperaturer ner till -20C men det finns en gaspanna ifall behovet blir för stort för att kunna tillgodoses av 7 Svenskt Gastekniskt Center [2004] BIOGASSYS – Deliverable 4.1 - New technological opportunities and consumer interest 14 (32) pumpen. Ljudnivåerna kring installationen är 70 dB på 1 meters avstånd och 42 dB på 9 meters. Kostnaden för ett sådant system är ca 170 000 kr.8 I flerbostadshuset Hållbarheten i Västra hamnen testar E.ON en annan gasdriven värmepump som har kombinerats med solfångare. En zeolitvärmepump, absorptionsvärmepump ska värma två lägenheter och är även här kombinerade med en kondenserade gaspanna. Denna installation uppges ha samma verkningsgrad som den i Limhamn, mellan 130 – 140 %.9 Figur 9. Uppbyggnaden av en absorptionsvärmepump. Källa: Svenskt Gastekniskt Center [2004]. Hybridsystem - värmeproduktion För biogas kan ett hybridsystem med en kombination av värmepump och annan energikälla vara intressant för villaägare. En sammankoppling med en gaspanna skulle troligtvis kunna minska energibehovet med mellan 20 – 30 % och systemet skulle då kunna hantera extremt låga temperaturer med högre totalverkningsgrad. Effektiviteten i en värmepump sjunker vid högre temperaturdifferenser och kräver alltså stora mängder el när temperaturen sjunker under vissa temperaturer. Men en kombination av gaspanna och värmepump skulle göra att värmebehovet täcks i dessa situationer. Energibehovet skulle i dessa lägen då inte bli lika stort.10 Ett annat exempel på hybridsystem är kombinationen solvärme och värmepump. Principen vid olika lägen beskrivs i Figur 10. När solpanelen är tillräckligt varm värmer den huset direkt annars används den som spetsvärme i värmepumpen. När solpanelen är för varm kyls den med vatten från berggrunden och värmen lagras därmed i marken. Utförande av ett system av detta slag kan variera och tekniken kan anpassas efter olika Näslund, Mikael/Dansk Gastekniskt Center [2012] & Jannasch, Anna-Karin/SGC [2012] 9 Jannasch, Anna-Karin/SGC [2012] 10 International Energy Agency [2011] 8 BIOGASSYS – Deliverable 4.1 - New technological opportunities and consumer interest 15 (32) värmepumpar och värmekällor, Figur 10 är bara ett av alla exempel på en lösning.11 Figur 10. Kombinerad kompressionsvärmepump och solvärmepaneler. Källa: EMT Energi & Miljöteknik. Konvertering till gasvärme Konverteringen av äldre uppvärmningssystem till gasvärme är olika komplicerade beroende på utgångsläge och behov. Konverteringen från oljeeldning är relativt enkelt och kräver gasbrännare och ledningsdragning. Om oljepannan ersätts med en konventionell gaspanna med atmosfärsbrännare ökar energianvändningen med ca 10 – 15 % på grund av ökade stilleståndsförluster när uppvärmd rumsluft rör sig genom pannan och dragavbrottet. Det kan åtgärdas med hjälp av avgasspjäll.12 11 12 EMT Energi & Miljöteknik Svenskt Gastekniskt Center [2004] BIOGASSYS – Deliverable 4.1 - New technological opportunities and consumer interest 16 (32) Ett byte från vattenburen elvärme till gasvärme är relativt okomplicerat och ger många fördelar, bland annat på grund av ett enklare avgassystem. Verkningsgraden är dessutom hög och ger därmed låga emissioner. Konverteringen av en byggnad utan ett vattenburet system blir dock mer komplicerat.13 När det gäller byte till värmepump kan en villa med ett maximalt effektbehov på 15 kW spara 10% vid byte från kondensationspanna till absorptionsvärmepump. Byte från en äldre icke-kondenserande panna till en absorptionsvärmepump ger däremot en besparing på 40 %. Dessa uppgifter gäller för en absorptionsvärmepump med en uteffekt på 3,6 kW och en 19 kW kondensationspanna.14 Industriella gasdrivna värmeapplikationer Strålningsvärme Funktionen för en gaseldad IR-strålare är i princip densamma som för en terrassvärmare i den mening att man låter förbränna gas som värmer upp en yta som i sin tur strålar ut värme i det infraröda området. Strålningsapplikationer kan användas för uppvärmning eller torkning, exempelvis med hjälp av IR-tekniker. IR-strålare har de största fördelarna i lokaler som inte används kontinuerligt utan måste kunna värmas upp snabbt vid behov. Dessa tekniker kräver normalt sett hög luftomsättning. Eftersom en IR-strålare värmer människor och objekt istället för att värma upp luften i lokalen så uppfattar man att det blir varmt i lokalen mycket snabbt efter att man startat strålaren. Det finns två typer av IR-strålare, de av svart typ och de av röd typ. De svarta systemen är helt slutna och avgaserna leds ut via en ordinär avgaskanal. Effekten och yttemperaturen är lägre än för röda IR-strålare vilket innebär att det krävs en större strålaryta än om röda strålare används. I en röd IR-strålare sker förbränningen öppet och rökgaserna leds ut i den lokal där strålaren är monterad. Det innebär att man måste beakta vilka halter av olika ämnen som det maximalt får lov att vara. Exempel på en teknik för strålningsvärme är mörkerstrålare där gasbrännaren är monterad i ett rör där avgaserna värmer röret som utstrålar värme med en temperatur på ca 400°C. På övre delen finns en reflektor som riktar strålningen mot golvet och hindrar att luften ovanför värms. Mörkerstrålarna har generellt en effekt på 15 – 40 kW.15 Glödstrålare arbetar vid en högre temperatur, ca 1000°C, och består av en brännare som direkt avger IR-strålning. Dessa strålare placeras på minst 4 m höjd och är utrustade med reflektorer. Effekten är mellan 5 – 40 kW. Här är det viktigt med hög luftomsättning eftersom förbränningsprodukterna är i direktkontakt med inomhusluften.16 Svenskt Gastekniskt Center [2004] Svenskt Gastekniskt Center [2004] 15 Svenskt Gastekniskt Center [2004] 16 Svenskt Gastekniskt Center [2004] 13 14 BIOGASSYS – Deliverable 4.1 - New technological opportunities and consumer interest 17 (32) Exempel på byggnader där IR-strålare är lämpliga är kyrkor, sporthallar, lager, fabrikslokaler, museer med flera. För de lokaler som avses i detta avsnitt, det vill säga lokaler för icke-industriell verksamhet är det uteslutande svarta strålare som används. Luftvärmare Kondenserade luftvärme finns tillgängliga från Robur, Ambirad och Reznor med effekter på mellan 30 – 100 kW. Inget vattendistributionssystem krävs för att sprida värmen och de verkar med en verkningsgrad på kring 100 %. Detta uppvärmningssätt är bränsleflexibelt och finns tillgänglig för bland annat biogas, naturgas och gasol. Övriga användningsområden - Industrier Industriell vätskevärmning skulle kunna decentraliseras, vilket skulle komplettera ett centralt system. Verkningsgraden skulle då kunna höjas samtidigt som systemet skulle blir flexiblare. Fördelarna med en förändring av detta slag gäller främst för processer med medelmåttiga temperaturer men är vanligtvis inte ett lämpligt alternativ till fjärrvärme.17 Växthus är ett intressant användningsområde för biogas. Både energiförsörjningen och växtnäringsbehovet kan tillgodoses genom förbränningen av gasen. Värmebehovet är oftast stort och är normalt sett vattenburet vilket gör småskalig kraftvärmeproduktion intressant. Koldioxiden från förbränningen kan sedan föras till växthuset där det fungerar som växtnäring för odlingen.18 Gas kan även användas för att driva industriella torkningsapplikationer. Gasflamman kan användas direkt på exempelvis ytor som ska härdas tack vare att den är så ren. När det gäller livsmedelsindustrin kan avgaserna användas för att torka till exempel spannmål. De måste dock kontrolleras först så att inga skadliga ämnen som NOx eller polyaromatiska kolväten kommer i kontakt med livsmedlet.19 Svenskt Gastekniskt Center [2004] Svenskt Gastekniskt Center [2004] 19 Svenskt Gastekniskt Center [2004] 17 18 BIOGASSYS – Deliverable 4.1 - New technological opportunities and consumer interest 18 (32) Kraftproduktion Ren elproduktion sker i dagsläget normalt sett främst i storskaliga anläggningar med ett stort elbehov, exempelvis industrier. Det sker då i exempelvis kondenskraftverk med en eleffekt på tiotals MW eller kombianläggningar med eleffekter från 100 – 500 MW. Lägsta effekterna som kan uppnås är ett par MW i mottrycksanläggningar och ett par kW i förbränningsmotorer. För kondenskraftverk avgörs oftast valet av bränsle utifrån hanteringskostnaderna för detta substrat samt behovet av gasrening. Om gas används innebär det oftast att verkningsgraden blir högre. I kombikraftverk används normalt sett en kombination av gasturbin- och ångcykel med en elverkningsgrad på 55 – 60 %, vilket anses vara den högsta verkningsgraden för termisk kraftproduktion. Låga investeringskostnader, låga emissioner och kort byggtid är andra fördelar med denna teknik. Dessa kraftverk har i de flesta fall en effekt på 100 – 500 MW där två tredjedelar av produktionen genereras i gasturbincykeln och resterande i ångcykeln. I framtiden hoppas man kunna kombinera gasturbins- eller ångcykeln med en högtempererad bränslecell vilket skulle kunna höja verkningsgraden avsevärt.20 20 Svenskt Gastekniskt Center [2004] BIOGASSYS – Deliverable 4.1 - New technological opportunities and consumer interest 19 (32) Kraftvärme - Combined heat and power (CHP) I kraftvärmeverk kombineras produktionen av elektricitet och värme. På så vis utnyttjas primärenergin i bränslen bättre och totalverkningsgraden ökar. Därmed blir det effektivare energiproduktion än separata enheter för el och värmeproduktion. Totalverkningsgraden är normalt sett mellan 75 – 85 % men moderna anläggningar kan uppnå uppåt 90 %. Elverkningsgraden är kraftigt beroende av storleken på anläggningen.21 Mikro- eller minikraftvärme skulle kunna fylla behovet för enskilda hushåll, där det krävs en kapacitet på mellan 1 till 10 kWe medan större multifamiljshus är mellan 30 till 500 kWe. Ett antal beprövade tekniker finns på marknaden, exempelvis ångpannor, gasturbiner eller förbränningsmotorer, men förhoppningar finns för att i framtiden kunna använda bränsleceller och stirlingmotorer för energiproduktionen.22 I dagsläget är det dock vanligast med en kombination av förbränningsmotor och elgenerator för anläggningar under 1 MW. Elproduktionen blir dock inte hög och det kan därmed vara intressant med andra alternativ. Det primära bränslet som används i småskaliga kraftvärmeverk idag är naturgas på grund av att det ger en friskare närmiljö.23 Det skulle kunna förbättras ytterligare om naturgasen ersätts med biogas. Förbränningsmotorer med elgenerator Kraftvärmeproduktion med en förbränningsmotor är den mest mogna tekniken med en redan utbredd användning. Vanligtvis används en ottocykel men kompressionstända dieselmotorer förekommer också. Motorn är kopplad till en generator som ger el. Värmen, som bildas som en biprodukt i processen, fångas med hjälp av värmeväxling. Det finns en stor bredd på storlekar för dessa produktionssystem med totalverkningsgrader på 75 – 85 %. Elverkningsgraden ökar med storleken men ligger normalt sett mellan 25 till 48 %. Systemen kan designas för gasdrift vilket har funnits i flera år. Elverkningsgraden är då 20 – 30 % med en termisk verkningsgrad på mellan 60 – 65 %. 24, 25 Emissioner kan vara ett problem för denna typ av system men kan minskas med exempelvis ett högt luftöverskott (så kallat lean burn eller mager drift) eller trevägskatalysator.26 Mikroturbiner Turbiner utnyttjar rörelseenergin i strömmande förbränningsgaser för att generera elektricitet och består av kompressor, brännkammare och själva turbinen, se Figur 11. Komprimerad inluft och bränsle antänds vars avgaser sedan trycks ut genom turbinen. Mindre versioner av gasturbiner med en effekt på 25 till 250 kWe räknas till mikroturbiner. Denna teknik utvecklades på 1990-talet men finns ännu bara i begränsad omfattning.27 Genom att International Energy Agency [2011] International Energy Agency [2011] 23 Svenskt Gastekniskt Center [2004] 24 Jannasch, Anna-Karin/Catator AB [2011-A] 25 International Energy Agency [2011] 26 Svenskt Gastekniskt Center [2004] 27 International Energy Agency [2011] 21 22 BIOGASSYS – Deliverable 4.1 - New technological opportunities and consumer interest 20 (32) kombinera elgenereringen i turbinen med en värmeväxlare blir installationen en kraftvärmeanläggning. Med en så kallad recuperator återvinns även värmen i avgaserna vilket höjer den totala verkningsgraden. Generellt ligger elverkningsgraden kring 25 – 31 % och den totala verkningsgraden uppåt 80 %.28 Figur 11. Principskiss för en mikroturbin. Källa: Bioenergiportalen [2010]. Se hur en mikroturbin fungerar här: http://www.capstoneturbine.com/prodsol/techtour/index.asp Bland fördelarna med mikroturbiner kan räknas lång livslängd (ca 60 000 h) jämfört med exempelvis en dieselmotor (ca 35 000 h). Dessutom kan värmen utvinnas vid höga temperaturer vilket möjliggör generering av ånga. Temperaturen efter rekuperatorn kan nå uppåt 250 – 350°C. Turbinen har en låg ljudvolym vid drift och lägre rökgasemissioner. En nackdel är dock att de små seriestorlekarna leder till att investeringskostnaderna är höga jämfört med mängden installerad effekt. De återstår även en del teknikutveckling för att det ska fungera optimalt med biogas, bland annat ger förbränningen höga halter av svavelväten.29 Genom forskning och utveckling i nya material, recuperators, rotordesign, högre temperaturer och tryck finns förhoppningar om att öka verkningsgraden och minimera emissionerna. Det finns endast ett fåtal mikroturbiner i drift i Sverige som använder biogas som bränsle. En av dessa finns på gården Hagavik utanför Malmö. Denna installerades 2006 och har en effekt på 100 kW. I denna anläggning förbränns rågasen direkt från biogasproduktionen. Stirling I stirlingmotorer sker förbränningen externt, till skillnad från förbränningsmotorer. Användningen av denna teknik är begränsad men den ökar i takt med att utvecklingen går framåt. Stirlingmotorer har stor 28 29 Svenskt Gastekniskt Center [2004] & Bioenergiportalen [2010] Brown, Nils et al/JTI [2010] BIOGASSYS – Deliverable 4.1 - New technological opportunities and consumer interest 21 (32) bränsleeffektivitet och uppnår höga totalverkningsgrader mot 95 %. Elverkningsgraden är däremot låg, neråt 8 till 20 %. Jämfört med traditionella förbränningsmotorer är de tystare, har längre livslängd, lägre underhållskostnader och lägre emissioner. Tekniken kräver dock mer utveckling och installationskostnaderna är fortfarande höga. Kostnaderna och verkningsgraden kan dock variera stort från fall till fall.30, 31 Bränsleceller Principen för en bränslecell är densamma som för ett batteri. I en elektrokemisk process frigörs den kemiskt lagrade energin i exempelvis vätgas och genererar elektricitet. Värmen blir en biprodukt till processen. Vid normaldrift tillförs det bränsle till anoden kontinuerligt. Vätgasmolekylerna oxideras där och omvandlas till vätejoner och elektroner. Elektronerna rör sig mot katoden genom den externa strömkretsen samtidigt som vätejonerna förflyttar sig genom elektrolyten till katoden där den omvandlas till vatten. Se Figur 12.32 Figur 12. Principskiss för ett batteri. Källa: Wikimedia Commons [2007]. Driften av detta system sker vid lägre temperaturer, har inga friktionsförluster och är tyst. Det är dessutom bränsleflexibelt, har högre verkningsgrad och anses vara ett miljövänligt alternativ.33 Bränslecellssystemen är skalbara, flexibla och har ett brett reglerområde med hög prestanda för alla storlekar. Produktionen ger värme och el i förhållande ett till ett vilket är en stor fördel i moderna hus där värmebehovet är lågt. Det är dock en omogen teknik som kräver mer forskning och utveckling innan den blir kommersiellt gångbar. Hittills finns Jannasch, Anna-Karin/Catator AB [2011-A] International Energy Agency [2011] 32 International Energy Agency [2011] 33 Jannasch, Anna-Karin/Catator AB [2011-A] 30 31 BIOGASSYS – Deliverable 4.1 - New technological opportunities and consumer interest 22 (32) det endast till specialapplikationer och i demonstrationssyfte på svenska marknaden.34, 35 Bränsleceller Smältkarbonatbränsleceller (Molten Carbonate Fuel Cell, MCFC) Fastoxidbränslecell (Solide Oxide Fuel Cell, SOFC) Fosforsyrabränslecell (Phosphoric Acid Fuel Cell, PAFC) Polymerelektrolytbränslecell (Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell, PEMFC) Det finns fyra huvudsakliga typer av bränsleceller: smältkarbonatbränsleceller (Molten Carbonate Fuel Cells, MCFC), fastoxidbränslecell (Solide Oxide Fuel Cells, SOFC), fosforsyrabränslecell (Phosphoric Acid Fuel Cell, PAFC) och polymerelektrolytbränslecell (Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell, PEMFC). Störst fokus är på PEMFC och SOFC där omfattande demonstrationer i storleksordningen 50 – 200 kW har utförts. PEMFC testas främst i applikationer till kraftvärmeproduktion i byggnader och fordon medan SOFC även testas som mikrokraftvärme men vid en högre temperatur. Den skulle då kunna lämpa sig som del av ångcykeln i ett kombikraftverk.36 När biogas ska användas i bränsleceller behålls den i sin rena form eller så reformeras den till en vätgasrik blandning. På grund av cellernas känslighet för föroreningar är reformeringen generellt sett att föredra. Polymerbränsleceller är den vanligaste typen av cell i dagsläget men förhoppningarna är stora på keramiska celler som tros vara mindre känsliga. I Figur 13 beskrivs en bränslecellsinstallation med reformering. Figur 13. Blockdiagram – från bränsle till el (DC) & värme. Källa: Jannasch, AnnaKarin/Catator AB [2011-C]. Det finns ett antal olika metoder för reformering av gas, till exempel ångreformering, autoterm reformering eller partialoxidation. Gasreningen kan sedan ske kemiskt eller fysikaliskt. Kraven på rening varierar sedan International Energy Agency [2011] Svenskt Gastekniskt Center [2004] 36 Svenskt Gastekniskt Center [2004] 34 35 BIOGASSYS – Deliverable 4.1 - New technological opportunities and consumer interest 23 (32) mellan olika typer av bränsleceller när det gäller bränsle, gaskvalité och driftsvillkor.37 För att bränslecellen ska kunna bli ett kommersiellt gångbart alternativ krävs forskning och utveckling för att förbättra hållbarheten och livslängden. Dessa enheter behöver ha en driftstid på 40 000 – 80 000 timmar för att kunna vara konkurrenskraftiga. Bland annat behöver den omnämnda toleransen mot föroreningar i bränslet förbättras.38 En möjlighet för bränslecellen är att koppla samman den med en gasturbin på grund av att bränslet inte konsumeras till 100 %. Bränsleresterna skulle då kunna användas för att driva gasturbinen.39 När det gäller emissioner från bränsleceller så avger de ca 75 – 90 % mindre mängd NOx och ca 75 – 80 % mindre mängd partikelutsläpp jämfört med andra småskaliga kraftvärmetekniker. De har även de högsta elverkningsgraderna.40 I Sverige har tillgången till billig kärn- och vattenkraften begränsat utbyggnaden av denna typ av teknik för energiproduktion. Fallet är annorlunda i exempelvis Japan, där tillgång till gas och de höga elkostnaderna har lett till en stor utveckling inom bränslecellstekniken och utbredning av denna. Mer om det på sidan 28. För mer information om bränsleceller och sammanställning av tillgängliga tekniker se rapporten Möjlighet och potential för bränslecellssystem för energiförsörjning i byggnader, Rapport SGC 228 (Jannasch, Anna-Karin/Catator AB [2011A]). Sammanfattning – kraftvärmeproduktion Tillgänglig data för olika tekniska alternativ för kraftvärmeproduktion finns sammanställt i Tabell 1. Tabell 1. Teknisk och ekonomisk data för små- och storskaliga kraftvärmeverk 2007. Källa: International Energy Agency [2011]. Storlek (kWe) Ekonomisk livslängd (år) Elverkningsgrad (%) Totalverkningsgrad (%) Förbränningsmotorer Stor skala Mindre skala 100 – 3000 1 – 100 15 – 20 15 – 25 30 – 40 20 – 40 75 – 85 75 – 85* Storlek (kWe) Ekonomisk livslängd (år) Elverkningsgrad (%) Totalverkningsgrad (%) Gasturbiner och mikroturbiner Stor skala Mindre skala 1000 – 5000 30 – 250 15 – 20 10 – 20 25 – 40 25 – 30 70 – 80 65 – 70 Bränsleceller Jannasch, Anna-Karin/Catator AB [2011-C] International Energy Agency [2011] 39 Svenskt Gastekniskt Center [2004] 40 Jannasch, Anna-Karin/Catator AB [2011-A] 37 38 BIOGASSYS – Deliverable 4.1 - New technological opportunities and consumer interest 24 (32) Storlek (kWe) Ekonomisk livslängd (år) Elverkningsgrad (%) Totalverkningsgrad (%) Stor skala 200 – 2500 8 – 15 40 – 50 70 – 80 Mindre skala 1 – 100 8 – 10 30 – 37 70 – 75 Hybridsystem - kraftvärmeproduktion Det finns andra möjligheter till hybridsystem för kraftvärmeproducerande enheter. Ett exempel på ett sådant system är en kombination av ett värmepumpsystem tillsammans med bränsleceller. Catator har utvecklat ett system som heter Comfortpower som kombinerar högtempererade polymerbränsleceller (HT-PEM) med ett värmepumpsystem från NIBE. Systemet kan drivas med gas eller vätskeformigt bränsle men olika bränslen kräver olika reningssteg. Elverkningsgraden är även den beroende på bränslet och är mellan 25 – 32 %. Elen som används för att driva värmepumpens kompressordel och bränslecellsstackens värmeproduktion förbättrar värmepumpens driftpunkt gör att COP – värdet (coefficient of performance) ökar från 3 till 5. Systemverkningsgraderna från gas till värme är i storleksordningen 225 – 250 %. Jämfört med en konventionell gaspanna är detta systemet 2,5 – 3 ggr så effektivt. Långtidsförsök visar dock på en prestandaförlust hos bränslecellen som troligtvis beror på bristfällig tätning och tros kunna åtgärdas med ytterligare utveckling.41 Inom EU-projektet H2Ome har det utvecklats ett system som heter SIDERA 30 som lämpar sig för lägenhetshus med 20 – 25 lägenheter och en produktion på 28 kWe/48 kWth. Elverkningsgraden är 33 % och den termiska är 50 % och är uppbyggd av fem segment:42 - Gasrening och bränsleomvandling där avsvavlad naturgas reformeras via ångreformering. Gasen måste renas från kolmonoxid. Här skulle naturgasen kunna ersättas med biogas. - 4 st LT-PEMFC bränsleceller. - Elkonditionering som förser byggnaden med anpassad elkraft. - Värmeåtervinningssystem som rekupererar värmen som producerats i olika systemkomponenter som bränslecellsstackar och bränsleomvandlingssteg. - Kontrollsystem.43 Svenskt Gastekniskt Center [2012] Jannasch, Anna-Karin/Catator AB [2011-A] 43 Jannasch, Anna-Karin/Catator AB [2011-A] 41 42 BIOGASSYS – Deliverable 4.1 - New technological opportunities and consumer interest 25 (32) Hemmatankningssystem Gastillgång i ett hushåll ger upphov till många intressanta mervärden till exempel möjligheten till hemmatankning av ett fordon. Med en station hemma kan man, förslagsvis under natten, tanka sin bil inför nästa dag. Tankningen sker långsamt, någonstans mellan 1,5 – 1,8 m3 per timme och det tar då några timmar innan bilen är fulltankad. BRC Fuelmaker erbjuder ett antal varianter på sin Phill, där specifikationerna finns listade i Tabell 2. Inom E.ON:s bostadshus tillika energiprojekt Hållbarheten i Västra hamnen i Malmö har en hemmatankning installerats och kommer utvärderas inom projektet. Dessa enheter kan även tänkas bli intressanta för exempelvis bilpooler där bilen ”kopplas in” efter användning och fordonsparkerna finns tillgängliga i nära anslutning till större bostadsområden. Tabell 2. Teknisk information om hemmatankningssystem. Källa: BRC Fuelmaker. P30 @50Hz Elanvändning Flöde Temperaturintervall Tryck Spänning Ljud Dimensioner Vikt 0,85 kW 1,5 m3/h P30 P36 @60Hz @50Hz 1,0 kW 0,90 kW 1,8 m3/h 1,5 m3/h da -40°C a +45°C 207 bar 110/220 Volt 40 dBa a 5 m 762 x 356 x 330 mm 43 kg P36 @60Hz 1,1 kW 1,8 m3/h Hittills finns störst antal hemmatankningssystem installerade i länder där många hushåll har tillgång till gas och den redan befintliga användningen av gas i hushållet gör det till ett lättillgängligt och enkelt alternativ. Råvara Ett tänkbart användningsområde för biogas är som råvara i industriella processer. Exempelvis används metan för att producera metanol och ammoniak men kan även omvandlas till alkoholer, bensin och diesel. Eten kan separeras från gasen vilket är en råvara för många kemikalier. Genom ångreformering kan biogasen omvandlas till syntesgas vilket kan användas i fler industriella processer. Ett hinder för biogasens utbredning som råvara inom den kemiska industrin är priset. Den prishöjning som det kan innebära att substituera naturgas med biogas kan komma att utgöra ett hinder. Övriga användningsområden Det finns några otraditionella användningsområden för biogas som kan vara intressanta att titta närmare på om det redan finns tillgång till gas. En villa med tillgång till gasnät kan få ut mer av sin ”uppkoppling” inom diverse områden. Livsmedelsberedning Gasspisar är vanligare i andra länder och finns i större utbredning i svenska städer med tillgång till stadsgas. Spisplattorna är uppbyggda av BIOGASSYS – Deliverable 4.1 - New technological opportunities and consumer interest 26 (32) cirkelformade atmosfärsbrännare och har samma effektivitet som en elspis. På grund av den snabba och goda regleringen används gasspisar ofta inom restaurangbranschen. Eftersom förbränningen sker på spisen cirkulerar avgaserna kring maten vilket har orsakat debatt kring NOx – nivåerna som i vissa fall är över godtagbara nivåer. Det kan dock motverkas med en väl fungerande och utformad spiskåpa. Förutom gasspis kan gasen även kopplas till en gasgrill. 44 Varmvattenberedning Uppvärmningen av vatten sker normalt sett med en värmepanna där pannvattentemperaturen justeras så den är tillräckligt hög för att ladda varmvattenberedaren. En termostat styr en trevägsventil som växlar mellan radiatorerna och varmvattenberedaren. I vissa fall värmeväxlas tappvarmvattnet direkt, vilket kräver effektiv utrustning. Gas kan användas för att driva en separat varmvattenberedare där vattnet värms vid behov utan lagringsmöjligheter.45 En förrådsberedare kan vara kopplad till en gaspanna eller vara ett fristående system. I kombination med gaspannan blir den avgörande för systemets årsverkningsgrad, tillsammans med de eventuella förlusterna från varmvattenberedaren. Den stora skillnaden blir då att det inte finns en stor och tung panna med konstant förbränning utan en lättare som startas vid behov. De system som finns installerade finns i nybyggda småhus med ett lågtemperaturssystem och lågt behov av värme. I dessa system klarar även förrådsberedaren att tillgodose husets uppvärmningsbehov.46 En separat förrådsberedare med gasbrännare är lik en elvärmd varmvattenberedare, utan koppling till en värmepanna. Dessa applikationer är oftast uppbyggda med atmosfärsbrännare men det förekommer även fläktbrännare. Med atmosfärsbrännare är systemet uppbyggt med ett centralt rör som fungerar som värmeväxlare och avslutas med ett dragavbrott. Lägre avgastemperaturer och högre verkningsgrad uppnås om flera rör kombineras och kan vara uppåt 60 % för enklare konstruktioner. Med kondensationsteknik kan verkningsgraden bli i samma storleksordning som för en traditionell kondensationspanna.47 Övriga gasapparater Följande applikationer används inte i någon större omfattning i Sverige men har viss utbredning internationellt. Särskilda disk- och tvättmaskiner använder sig av gas för att värma vatten via brännare och värmeväxling. Torktumlare finns även där luften värms direkt med avgaserna, vilket dock ger högre energianvändning per laddning tvätt jämfört med eldrivna tumlare. Svenskt Gastekniskt Center [2004] Svenskt Gastekniskt Center [2004] 46 Svenskt Gastekniskt Center [2004] 47 Svenskt Gastekniskt Center [2004] 44 45 BIOGASSYS – Deliverable 4.1 - New technological opportunities and consumer interest 27 (32) Kylning Kylanläggningar har ännu ingen större utbredning i Sverige men har stor marknad internationellt. Naturgasdrivna installationer finns och används främst i USA och Japan. Den vanligaste tekniken är absorption men även adsorption förekommer. Absorptionskylmaskinen tros kunna ta en ökad del av marknadsandelarna på grund av att tekniken är fri från freoner, till skillnad från kompressionsmaskiner.48 Terrassvärme Infrastrålare har länge använts för att värma kyliga kvällar men har på senare år övergått mer och mer från att vara el- till gasdrivna. En värmare kan fördela värme över ca 20 – 25 m2 och har normalt sett en värmeeffekt på mellan 3 – 15 kW. Hittills har dessa strålare främst använt gasol men nu finns ett flertal som använder sig av naturgas. I områden där det finns tillgång till gasnät är det en stor fördel.49 Gasbrasor Med tillgång till gas i en villa kan gasen användas, förutom till värmeproduktion i till exempel en gaspanna, uppvärmning ske i en öppen spis, kakelugn eller kamin. Eller om inte behovet av värme är så stort, kan en trevlig miljö uppnås på detta sätt. I jämförelse med brasved bildas ingen aska eller sot, inga gnistor och det finns inget behov av att fylla på ved. Illusionen av en ”vanlig” brasa kan skapas med hjälp av keramiska vedträn. En brasa eller kamin är dessutom ett bra sätt att snabbt kunna värme en kall lokal. Dessa typer av applikationer är dessutom alltid utrustade med säkerhetsåtgärder som ska förhindra till exempel en för hög halt förbränningsgaser i rummet. Förutom praktiska kaminer och brasor finns dessutom rent estetiska tillämpningsområden som möjligheter till diverse flamdekorationer. 48 49 Svenskt Gastekniskt Center [2004] Svenskt Gastekniskt Center [2011] BIOGASSYS – Deliverable 4.1 - New technological opportunities and consumer interest 28 (32) Ett internationellt perspektiv 2011 genomförde SGC studien ”Möjlighet och potential för bränslecellssystem för energiförsörjning i byggnader” (Jannasch, AnnaKarin/Catator AB [2011-A]) där utgångsläget och möjligheterna för mikrokraftvärme i Sverige och internationellt undersöktes. Här följer en kort genomgång av resultatet. Största spridningen av mikrokraftvärmeverk med bränsleceller återfinns i Japan med 90 000 enheter installerade. Majoriteten av dessa byggs på Hondas ICE-baserade EcoWill-system. Japan har även det i särklass största demonstrations- och utvecklingsprojektet för bränslecellsbaserade system: METI-NEDO-NEF programmet (www.nedo.go.jp/ alt www.nef.or.jp/happyfc/index.html). Generellt fungerar denna typ av system så att när effektbehovet blir för stort (> 700 W) används el från det fasta nätet. För värmebehovet finns dock en ackumulatortank på 50 – 200 L, 60/80 C och en gasbrännare (40 kWth). Dessa system blev kommersiella 2009 och tillverkas av Toshiba, Panasonic och ENEOS Celltech under logotypnamnet ENE-FARM (www.itcenex.com/english/business/totallife/enefarm/). Miljömässigt fås stora fördelar då energiåtgången minskar med 15 – 18 % samtidigt som minskningen av koldioxidutsläpp kan bli upp till 30 %. Denna teknik har utvärderats med naturgas men inte biogas. Förutom PEMFC-baserade system finns även ca 80 st SOFC-enheter i drift med en effekt på 0,7 – 1 kWe. Elverkningsgraden för dessa ligger på 41 – 43 % medan den termiska är 35 – 49 %. Tester som genomförts hittills indikerar en livslängd på ca 18 000 timmar, vid kontinuerlig drift. I Sydkorea finns även ett demonstrationsprojekt med ca 200 LT-PEMFC och SOFC-enheter. Under 2012 ska det förhoppningsvis utökas till 500 enheter. Dessa tester görs inom ramarna för projektet ”Green Home Project”. Inom Europa leder Tyskland, Storbritannien och Nederländerna utvecklingen och introduktionen av dessa tekniker. I Storbritannien och Tyskland handlar diskussionerna främst om stirlingmotorer och bränsleceller. För att gynna användningen har Tyskland infört lagstiftning till fördel för småskalig CHP. Ett par tusen finns i Tyskland, till största delen ICE (EcoPower Marathon/Vaillant) men denna siffra tros öka till 850 000 den närmaste tiden vilket motsvarar ca 5 % av totala antalet hushåll. Här finns dessutom ett stort samarbetsprojekt, Callux, sedan 2008 där större tillverkare och energileverantörer deltar. På så vis ska mognadsgraden för bränslecellssystem kunna demonstreras. I Storbritannien fanns det statliga programmet ”Micro-CHP accelerator” mellan 2003 – 2007 där potentialen för småskalig CHP undersöktes. Redan 2002 fanns tusen installationer i drift, till största delen ICE och stirlingmotorer. Här är bland annat Ceres Power och Intelligent Energy viktiga drivkrafter för utvecklingen. I ett joint-venture företag (Scottish and Southern Energy: Intelligent Energy CHP (IE CHP)) utvecklas och installeras anläggningar i privatbostäder. Kapacitetet för dessa system ligger på ca 10 kWe/10 kWth och baseras främst på vätgasdrivna LT-PEMFCenheter. BIOGASSYS – Deliverable 4.1 - New technological opportunities and consumer interest 29 (32) Även Danmark har ett nationellt bränslecellsprogram som startades 2006. Här är enskilda småhus den primära marknaden och inkluderar system med både LT-PEMFC och SOFC som drivs med både vätgas eller naturgas. Den totala verkningsgraden för drift med vätgas är 86,2 % med en elverkningsgrad på 47,2 %. Med naturgas hoppas man kunna uppnå ca 35 % elverkningsgrad och en total på 90 – 95 % med en livslängd på 40 000 timmar. Tack vare skattelättnader hoppas USA kunna underlätta för etableringen av småskalig kraftvärmeproduktion. Utvecklingen fokuserar på SOFC med kommersiella enheter med en effekt på 3 – 10 kWe. Den amerikanska utvecklaren Acumentrics rapporterade en elverkningsgrad på 35 – 40 % och total verkningsgrad på 85 % för sitt vägghängda kraftvärmeverk. Den har hittills visat en livslängd på över 5000 timmar med en degradering under 5 %. EU-projekt Projektet ”Virtual Fuel Cell Power Plant” finansierades inom ramprogrammet FP5 och pågick 2004 – 2005. Under projektets gång installerades och utvärderades 31 LT-PEMFC baserade anläggningar med en effekt på 4,6 kWe/9 kWth. Dessa placerades i Tyskland, Spanien och Portugal och drevs med naturgas. Totalt uppnåddes 38 000 driftstimmar och 400 000 kWh elproduktion med en elverkningsgrad på ca 30 %. Detta projekt följdes av NextGenCell (www.nextgencell.eu) som var verksamt mellan 2006 – 2009 och hade som syfte att utveckla ett reglerbart 1 – 5 kWe kraftvärmeverk med HT-PEMFC bränsleceller för den globala marknaden. Andra exempel med PEMFC-tekniker i mCHP är H2SuBuild och H2ome. ”Flame SOFC” (www.flamesofc.org/) hade som syfte att utveckla 2 kWe bränsleflexibla system med partialoxidation och SOFC-teknologi. Inom ramen för projektet testades gasformiga bränslen som olika kvalitéer av naturgas och gasol/LPG samt vätskeformiga bränslen som exempelvis biodiesel. Tre bränslecellssystem installerades i Hammarby Sjöstad, i GlasHusEtt. Dessa drivs av vätgas som tillverkas ur biogas, är baserade på LT-PEMFC teknik och har en kapacitet på 4 kWe och 6,5 kWth. Detta är bland det första i sitt slag och har en elverkningsgrad strax över 10 % och termisk verkningsgrad på ca 50 %. Driften av denna anläggning har kantats av en hel del problem, bland annat om bullernivåer, otillräcklig kylning och byttes därför ut mot ett system som drivs med ren vätgas. Projektet avslutades 2008 efter en drifttid på 1 600 timmar. BIOGASSYS – Deliverable 4.1 - New technological opportunities and consumer interest 30 (32) Sammanfattning och diskussion Det finns idag en bred variation av gastekniker med varierande teknisk utvecklingsgrad och lämplighet för olika tillämpningar. I moderna hus med ett stort elbehov men mindre värmebehov lämpar sig exempelvis ett system med bränsleceller bättre medan mer traditionella och konventionella tekniker lämpar sig för hus med större värmebehov än el. Många av teknikerna finns inte ännu på den svenska marknaden men testas i andra länder och kommer med erfarenheten till svenska hem och industrier. Bedömningen är att det finns potential för en utbyggnad av biogastekniker på den svenska marknaden. Gas kan vara en helhetslösning som täcker el och värmebehovet samt ger möjligheter att tanka bilen och extra värden i form av spis och diverse gasinstallationer i hemmet. Kunskapen och intresset är dock begränsat i dagsläget. Det finns en stor teoretisk potential att använda gas inom diverse områden, där det kan ersätta andra energikällor. Men jämfört med många andra länder är incitamenten och behovet att satsa på dessa förhållandevis dyra tekniker låga på grund av det låga energipris och den stora andel förnybar energi som finns i dagsläget. BIOGASSYS – Deliverable 4.1 - New technological opportunities and consumer interest 31 (32) Källor Bioenergiportalen [2010], El med mikroturbin, nedladdat 2013-03-26 från http://www.bioenergiportalen.se/?p=1802&m=1215 BRC Fuelmaker, BRC Fuel Maker – PHILL, nedladdat 2013-03-13 från http://www.brcfuelmaker.it/eng/casa/phill.asp Brown, Nils et al/JTI [2010], Utvärdering av gårdsbiogasanläggning med mikroturbin för kraftvärmeproduktion, nedladdat 2013-03-26 från http://www.jti.se/uploads/jti/r-46%20nb,%20med_lag.pdf EMT Energi & Miljöteknik, Energi och Miljöteknik: Värmepump, nedladdat 2013-03-26 från http://www.emteknik.se/varmepumpar.html International Energy Agency [2011], Technology Roadmap: Energyefficient buildings: Heating and Cooling Equipment, nedladdat 2012-04-20 från http://www.iea.org/publications/freepublications/publication/buildings_r oadmap-1.pdf Jannasch, Anna-Karin/Catator AB [2011-A], Möjlighet och potential för bränslecellssystem för energiförsörjning i byggnader, Rapport SGC 228, nedladdat 2012-11-16 från http://www.sgc.se/ckfinder/userfiles/files/SGC228.pdf Jannasch, Anna-Karin/Catator AB [2011-B], Möjlighet och potential för bränslecellssystem för energiförsörjning i byggnader, presentationsmaterial från 2011-03-30, nedladdat 2012-11-16 från http://www.catator.se/wp-content/uploads/2011/04/Catator-Anna-KarinJannasch.pdf Jannasch, Anna-Karin/Catator AB [2011-C], Lokal, småskalig kraftvärmeproduktion av bränslecellsteknik & Demonstrationsprojektet COMFORTPOWER, presentation [2011-10-24], nedladdat 2012-11-16 från http://www.hassleholm.se/34597 Jannasch, Anna-Karin/SGC [2012], Biogas för värme- och elproduktion, nedladdat 2012-11-15 från http://biogassyd.se/download/18.49955727139d0ce5f5d9def/20121115+El+och+v%C3%A4rmeproduktion%2C+SGC.pdf Länsstyrelsen i Skåne län/Strand, Magnus [2013], Energibalans för Skåne, nedladdat 2013-03-13 från http://www.lansstyrelsen.se/skane/Sv/miljooch-klimat/klimat-och-energi/klimat-energistatistik/Pages/energibalansfor-skane.aspx Näslund, Mikael/Dansk Gastekniskt Center [2012], Erfarenheter av gasdrivna absorptionsvärmepumpar, presentation [2012-10-25], nedladdat 2013-03-13 från http://www.energigas.se/Aktuellt/Kalendarium/Arr1210Gasdagarna/GD2 Statistiska Centralbyrån (SCB) [2012], Slutanvändning (MWh), efter län och kommun, förbrukarkategori samt bränsletyp. År 2009-2010, nedladdat 2012-04-15 från http://www.ssd.scb.se/databaser/makro/Visavar.asp?yp=tansss&xu=c9233 001&omradekod=EN&huvudtabell=SlutAnvSektor&omradetext=Energi&ta belltext=Slutanv%E4ndning+(MWh)%2C+efter+l%E4n+och+kommun%2C BIOGASSYS – Deliverable 4.1 - New technological opportunities and consumer interest 32 (32) +f%F6rbrukarkategori+samt+br%E4nsletyp.+%C5r&preskat=O&prodid=E N0203&deltabell=&deltabellnamn=Slutanv%E4ndning+(MWh)%2C+efter +l%E4n+och+kommun%2C+f%F6rbrukarkategori+samt+br%E4nsletyp.+ %C5r&innehall=BransleForbKv&starttid=2009&stopptid=2010&Fromwher e=M&lang=1&langdb=1 Svenskt Gastekniskt Center (SGC) [2004], Energigasteknik, Malmö: Svenskt Gastekniskt Center Svenskt Gastekniskt Center (SGC) [2011], Gasanvändning i bostäder och lokaler, Malmö: Svenskt Gastekniskt Center Svenskt Gastekniskt Center (SGC) [2012], Energigasteknisk utveckling 2011, nedladdat 2012-11-16 från http://www.sgc.se/?pg=1445683&PHPSESSID=5250a410d7deb74e82a415f 934772b1f Wikimedia Commons [2007], Solid oxide fuel cell, nedladdat 2012-11-16 från http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Solid_oxide_fuel_cell.svg
© Copyright 2024