Fördjupning


Roger Hermansson
  • Principskiss för ett småskaligt kraftvärmeverk som drivs med gengas. Anläggningen har rökgasrening och den här kan producera 5,5 MW elektricitet och 11,5 MW varmvatten.
Stockholms Fria

Småskalig kraftvärme från biobränslen

Det går att optimera utbytet av värdefull energi vid när- och fjärrvärmeanläggningar. Genom att först värma upp vatten till ånga går det att producera el genom ångturbiner. Den 'spillvärme' som kommer ut ur ett sådant system kan distribueras i närvärme- och fjärrvärmenätet för att värma lokaler och bostäder. El och värme - kraftvärme, två flugor i en smäll. Roger Hermansson undervisar i energiteknik och beskriver i sin artikel olika tekniska lösningar och potentialen för elproduktion i anläggningar för småskalig kraftvärme.

Om beslutet att avveckla kärnkraften ska fullföljas krävs kraftfulla åtgärder för att dels minska användningen av el men också för att bygga nya anläggningar för att generera miljövänlig el. El bör bara användas i sådana tillämpningar där dess höga kvalitet verkligen utnyttjas, det vill säga, inte för att skapa värme av rumstemperatur vilket kan göras med mer lågvärdig energi. Även där el används i rätt tillämpningar finns mycket att spara genom energieffektiviseringar. Normalt är det mycket billigare att spara en viss mängd el än att bygga ut kapacitet för att producera motsvarande mängd. Dessutom innebär det att vi tär mindre på jordens begränsade resurser vilket måste vara ett övergripande mål.

Vi har ett sårbart elsystem, vilket har visats under de senaste årens svåra stormar. Genom att decentralisera elproduktionen kan den göras mindre sårbar. Genom att också basera den på inhemska resurser blir vi dessutom oberoende av import vilket också gör oss mindre sårbara i kristider.
Allra längst i decentralisering går man med de minsta anläggningarna för elgenerering som är avsedda för enskilda hus för att ge dem ett uppvärmningssystem som inte är beroende av elnätet. De flesta uppvärmningssystem kräver nämligen tillgång till el för drift av cirkulationspumpar, tillufts- och rökgasfläktar.

Elproduktion med biobränslen bygger normalt på att vi förbränner bränslet och omvandlar värmen till arbete med hjälp av en maskin som i sin tur driver en generator.
Vid all sådan energiomvandling kan enligt fysikens lagar bara delar av värmen omvandlas till arbete, resten måste avges från maskinen i form av värme vid en lägre temperatur.
För att få hög verkningsgrad, vilket betyder att en stor del av värmen omvandlas till arbete, ska temperaturen på värmen man tillför maskinen vara så hög som möjligt.
Värmen ska föras bort vid så låg temperatur som möjligt. Materialet i maskinen begränsar hur höga temperaturer som kan användas och temperaturen på den värme vi vill utnyttja bestämmer den lägre temperaturen.
Fasta bränslen kan eldas direkt i pannor för att producera ånga av högt tryck som sedan får driva en turbin.
Vill vi använda bränslet i en förbränningsmotor måste det förädlas, normalt genom att förgasas till en gas som efter rening kan eldas direkt i till exempel gasturbiner eller gasmotorer. Förgasning är en komplicerad process som för att ge en gas av god kvalitet normalt kräver stora anläggningar med avancerad gasrening, vilket gör tekniken dyr.

Rötning av stallgödsel eller avloppsslam, eventuellt tillsammans med växtdelar eller väl sorterat hushållsavfall är ett annat sätt att åstadkomma en gas. Den kan efter måttlig rening eldas i en gasturbin eller gasmotor. Återstoden av materialet får dessutom bättre egenskaper som gödningsmedel och mindre lukt än den ursprungliga gödseln.
Den värme som avges i processen måste kunna användas på ett lönande sätt för att produktion av kraftvärme ska bli lönsam. Normalt är det behovet av värme som bestämmer hur mycket el man kan producera med god ekonomi. I så kallade kondensanläggningar kyler man bort all avgiven värme till exempel till havsvatten. Detta ger något högre verkningsgrad på elproduktionen men lägre total verkningsgrad eftersom en stor mängd värme 'kastas bort'. Kondenskraft kräver ett billigt bränsle, till exempel kol, och mycket stora anläggningar för att bli lönsam.

Var finns värmeunderlaget som krävs för lönsam kraftvärme? Vi har en stor mängd fjärrvärmeanläggningar som enbart producerar värme. Här finns ett värmeunderlag som gör att man kan producera flera TWh el. När det är dags att byta panna bör man alltid undersöka möjligheterna att bygga om för kraftvärme.
Även med vissa befintliga pannor finns möjligheter att producera ånga för drift av en ångturbin med så kallad flash-boxteknik. Visserligen en produktion med relativt låg verkningsgrad men också till måttlig kostnad.
Det finns också ett stort antal orter som har så pass tät bebyggelse att man kan motivera utbyggnaden av så kallad närvärme. Härigenom får man ett värmeunderlag som kan utnyttjas för att producera el förutsatt att teknik för småskalig kraftvärmeproduktion kan göras tillgänglig. Vi kommer fortsättningsvis att koncentrera oss på småskalig produktion eftersom det finns etablerad teknik för den storskaliga.

Småskalig kraftvärme avser anläggningar för produktion av både el och värme där den totalt levererade effekten för både el och värme är relativt låg, säg under 10 MW. I vissa sammanhang avses kraftproduktion i små anläggningar för enskilda hus eller hyresfastigheter, det vill säga produktion av ett fåtal kW elenergi och några kW värme.
I Tyskland och England finns en trend mot sådan mikrokraftvärme.
Normalt gäller att verkningsgraden sjunker med minskande storlek på anläggningen. Samtidigt stiger normalt också kostnaden per installerad kW, vilket innebär att det är svårt att få god ekonomi på små anläggningar.
Dessutom kan små anläggningar normalt inte bära kostnaderna för bra rökgasrening.

Gröna elcertifikat har förbättrat möjligheterna att producera el småskaligt men det krävs ändå ytterligare stöd för att kunna demonstrera möjligheterna att producera el i dessa anläggningar. Här kan man titta på exempelvis Österrike som tidigt började stödja införandet av förnybar energi. Redan 1983 infördes stöd till en utbyggnad av småskalig fjärrvärme baserad på biobränslen och man har nu över tusen sådana anläggningar med en medeleffekt av cirka 1 MW. Huvuddelen av dessa drivs kooperativt av bönder och skogsägare på orten. Detta har skapat tusentals arbetstillfällen och gett inhemska tillverkare av modern förbränningsutrustning en konkurrensfördel.
År 2003 började man i Österrike stödja småskalig kraftvärme baserad på förnybara bränslen. Stöd ges till investering och man garanterar dessutom producenterna ett bra pris på levererad el. Om man använder exempelvis skogsflis är det på omkring 1,40 kronor/kWh och det ligger fast under tio år framåt. Detta har också resulterat i ett flertal anläggningar som utnyttjar ny teknik för elproduktion.
Det förefaller troligt att man även här ska skaffa sig en konkurrensfördel eftersom man får demonstrera modern teknik som senare kan säljas även utomlands.
Om vi koncentrerar oss på de tekniker som kan ligga närmast i tiden för att utnyttja biobränslen i småskalig kraftproduktion finner vi följande möjligheter:

* Traditionell Rankinecykel, som arbetar med vatten som förångas vid högt tryck i en panna, och får driva en ångturbin eller ångmotor. Tekniken är mycket vanlig för stora anläggningar och kan tekniskt sett fungera även för småskalig kraftvärme. Problemen är i första hand ekonomiska eftersom mindre anläggningar kräver högre investering per producerad kW och verkningsgraden tenderar att sjunka. I Finland har man byggt anläggningar med eleffekt ned till 1,3 MW och värmeeffekt 8 MW. KMW Energi i Sverige har levererat anläggningar ned till 1,9 MW eleffekt och 10 MW värme. Man ligger alltså vid den övre gränsen för småskalig kraftvärme och verkningsgraden för elproduktionen är cirka 20 procent eller lägre.

* I en Organisk Rankinecykel, ORC, har vattnet som arbetsmedium ersatts med ett organiskt arbetsmedium som arbetar vid lägre tryck och temperatur än vattenånga.
Anläggningarna kan byggas för lägre effekter än vattenångcykeln men det är tveksamt om de blir lönsamma i Sverige med dagens elpriser. Tekniken är kommersiell och ett antal anläggningar har byggts i till exempel Österrike där elpriserna är högre och man dessutom kan få investeringsstöd till anläggningen tillsammans med ett garanterat högt elpris. Cirka 20 procent av tillförd energi kan omvandlas till elenergi.

* Direkteldade gasturbiner kräver normalt relativt rena bränslen i gas- eller vätskeform vilket innebär att till exempel skogsbränslen först måste förgasas och gasen renas för att undvika problem i gasturbinens heta delar. För att kunna användas i småskalig kraftvärme baserat på fasta bränslen måste billig teknik för förgasning och gasrening utvecklas. Gasturbiner i aktuell storlek, så kallade mikroturbiner, finns i dagsläget i små kraftvärmesystem och drivs då av naturgas. Avgaserna från turbinen är heta och används normalt för produktion av värme. Verkningsgraden för elproduktionen är knappt 30 procent.

* Externeldad gasturbin medger användning av flera olika bränslen som inte behöver förädlas. Gasturbinen arbetar med ren luft och värmen tillförs luften efter kompressorn med en värmeväxlare. Materialegenskaperna för värmeväxlaren sätter gränsen för hur höga inloppstemperaturer till turbinen som kan användas och begränsar därigenom verkningsgraden för elproduktion, vilken hamnar under verkningsgraden för direkteldad gasturbin. I gengäld slipper man förädlingen av biobränslet vilket innebär en stor kostnad. Tekniken är intressant för framtiden men kräver utveckling av den mest kritiska komponenten som är värmeväxlaren.

* Drift med gengas innebär att man framställer en lågvärdig gas ur till exempel skogs- eller åkerbränslen i med- och motström eller fluidbäddsförgasare. Både gasturbiner och gasmotorer kan användas och det finns ett antal demonstrationsanläggningar i storleksordning 75 kW upp till 5 MW elproduktion. Det finns åtminstone ett par väl fungerande kraftvärmeanläggningar med gengasdriven förbränningsmotor i MW-klassen. Investeringen i dessa pilotanläggningar har varit hög men förväntas sjunka för kommande anläggningar. Ett problem som måste beaktas är att gasen innehåller höga halter kolmonoxid och speciella säkerhetsåtgärder krävs.

* Rötgas kan användas för drift av gasmotorer eller gasturbiner efter måttlig rening av gasen. Tekniken är kommersiell och det finns ett stort antal anläggningar i framför allt Tyskland och Österrike men även i Sverige. Höga elpriser och subventioner har resulterat i tusentals anläggningar i Tyskland och Österrike. Elutbytet är bra för dessa anläggningar men investringen ganska hög. För att få lönsamhet i Sverige krävs att det finns avsättning för restvärmen och givetvis måste man även ha avsättning för det rötade materialet.

* Sterlingmotorn bygger på extern eldning av bränslet och värmeöverföring till arbetsmediet i cylindern vilket betyder att valet av bränsle borde vara fritt. Hittills har dock mest gas använts på grund av risken för nedsmutsning av värmeöverföringsytorna. Åtminstone en pelletseldad sterlingmotor finns i en demonstrationsanläggning och redovisar god prestanda. Sterlingmotorer finns i storlekar från 1 kW producerad el upp till åtminstone 35 kW el.

Flera av teknikerna ovan är kommersiella men deras ekonomi borde förbättras. Det kan vara genom subventioner till investeringar eller ett garanterat elpris under lång tid för att få fart på en utbyggnad. När det gäller tekniker under utveckling förefaller den externeldade gasturbinen vara mycket lovande men den kräver framför allt en vidareutveckling av värmeväxlaren. Alternativt kan billigare förgasningsteknik utvecklas. Den kan då ge en gas som kan driva både gasmotorer och gasturbiner i storleksordning från ett fåtal kW producerad el upp till de största kraftvärmeanläggningarna. Allt inom det vi avser med småskalig kraftproduktion.

Fakta: 

Denna artikel är en del av argumentserien Kärnkraften är stoppad. Läs vidare Tack för det visade intresset.

ANNONSER

Rekommenderade artiklar

Resurser finns för att förverkliga idéerna

Det finns ett stort behov av att öka resandet med kollektivtrafik och det finns gott om idéer för hur det ska gå till. Även branschorganisationen för svensk kollektivtrafik har en offensiv attityd. Men för att lyfta resandet med kollektivtrafik krävs mångmiljardsatsningar och hittills har beslutsfattarna inte velat satsa tillräckligt på kollektivtrafiken.

Fria.Nu

Vanliga argument mot nolltaxa

Undertecknad har vid flera tillfällen försökt att via e-post och telefon nå Christer Wennerholm, styrelseordförande i AB Storstockholms Lokaltrafik. Syftet var att denne skulle få en chans att bemöta innehållet i artikeln om nolltaxa. Wennerholm har dock inte svarat vilket jag tolkar som att han inte vill kommentera texten. För att belysa frågan om nolltaxa på ett mer allsidigt sätt redovisas nedan vanliga argument mot nolltaxa i kollektivtrafiken.

Fria.Nu

Morötter för ökat kollektivt resande

I den första delen av argumentserien Kollektivtrafik för hållbar utveckling resonerar gästredaktör Jarmo Juhani Riihinen kring varför en väl utbyggd kollektivtrafik är viktig för såväl miljö som tillgängligheten i städerna.

Fria.Nu

© 2024 Stockholms Fria