1 Bioenergi - Fakultet for ingeniørvitenskap - IV - NTNU - mer enn...E-post: [email protected] Tlf: 918 97 515 2 Innhold • Biobrensler - definisjon og karakteristikk • Ressurser

1

Bioenergi- mer enn peiskos

Morten Grønli

Institutt for energi- og prosessteknikk

E-post: [email protected]

Tlf: 918 97 515

2

Innhold

• Biobrensler - definisjon og karakteristikk

• Ressurser og bruk i Norge og Norden

• Prosesser og prosessutstyr for konvertering av biobrensel

3

Biobrensler

• Biomasse dannes ved at planter og trær utnytter energien fra sollyset gjennom fotosyntese ved å produsere plantemateriale fra CO2 og vann. Energi fra biomasse er derfor foredlet solenergi, og den er en fornybar ressurs.

• Dette inkluderer plantematerialer og derivater av disse

• trebrensel

• foredla trebrensel

• energiavling

• avfallsprodukt fra landbruk og landbruksindustri

• avfallsprodukt fra dyr

4

Fordeler med bioenergi

• Ingen netto CO2 utslepp

• Tilgjengelig over store deler av verden

• Lokal energiproduksjon er mulig

• Minimering av transportkostnad og -utslipp

5

Kjemisk sammensetningCellulose

Hemicellulose

Lignin

6

Brenselanalyser

Direkte Analyse (Proximate Anlysis)• Fuktighet (moisture content) [vekt%]• Flyktige Bestanddeler (volatile matter) [vekt%]• Fast Karbon (fix-C) [vekt%]• Aske (ash) [vekt%]

Analysen gjøres på rått brensel

Elementanalyse (Ultimate Analysis)• Karbon C [vekt%]• Hydrogen H [vekt%]• Oksygen O [vekt%]• Nitrogen N [vekt%]• Svovel S [vekt%]

Analysen gjøres på tørr og askefri basis (DAF)

Brennverdi (Heating Value) [MJ/kg]

7

Øvre brennverdi (Higher heating value - HHV):Øvre brennverdi angir brennverdien for den tørre bestanddelen i brenselet. Man gjør ingen reduksjon for den energimengden som går med til dannelse av vann-damp fra hydrogenet under forbrenningen. Øvre brennverdi måles i et adiabatisk (bombe)kalorimeter

Nedre brennverdi (Lower heating value - LHV):Ved forbrenning av tørt brensel dannes det vanndamp. Mengden varierer og kommer fra hydrogenet som finnes i brenselet. Vanndampen forsvinner ukondensert opp i skorsteinen, og fordampningsvarmen går derfor tapt. Nedre brennverdi er øvre brennverdi minus tapt fordampningsvarme og kan beregnes dersom hydrogeninnholdet er kjent.

Effektiv brennverdi (Effective heating value - EHV):Med effektiv brennverdi menes nedre brennverdi redusert med fordampnings-varmen for det vann/fuktighet som brenselet inneholder. Effektiv brennverdi kan beregnes fra nedre brennverdi.

Brennverdi

8

Kilde: Morten Grønli (EPT)

Eksempler på brenselanalyser

Proximate analyses Ultimate analyses HHV(wt%) (wt%) (MJ/kg)

VM Fix C Ash C H N O S Ash

Bjørk 87.4 12.4 0.20 48.07 6.00 0.17 45.56 < 0.05 0.20 19.19

Furu 85.0 14.7 0.31 49.41 6.11 0.11 44.07 < 0.05 0.31 19.65

Gran 85.4 14.4 0.26 48.91 6.02 0.12 44.65 < 0.05 0.26 19.56

Skogsavfall 79.3 19.37 1.33 51.30 6.10 0.40 40.85 0.02 1.33 20.67

Salix (energiplante) 79.9 18.92 1.18 49.70 6.10 0.40 42.59 0.03 1.18 19.75

Bark fra gran 75.2 22.46 2.34 49.90 5.90 0.40 41.43 0.03 2.34 19.83

Halm fra hvete 77.7 17.59 4.71 47.30 5.87 0.58 41.49 0.07 4.71 18.94

Halm fra bygg 76.1 18.02 5.88 46.20 5.70 0.60 41.54 0.08 5.88 18.68

Raps frø 79.2 17.94 2.86 48.10 5.90 0.80 42.13 0.21 2.86 19.33

Gress 73.5 17.65 8.85 45.00 5.70 1.40 38.91 0.14 8.85 18.37

9

Pellets

Fyringsolje nr 2(0% fukt)

1 m3

840 kg

Skogsflis

Foredlede Biobrensler

Pellets(12% fukt)

3.2 m3

2200 kg

Skogsflis(40% fukt)

12 m3

3800 kg

Ved

10

11

0

2000

4000

6000

8000

10000

1860 1880 1900 1920 1940 1960 1980 2000Sources: BP Stat. Rev. of World Energy 2000 and earlier editions. Scientific American, Sept. 1990

J. Watt M. Faraday T.A. Edison N.A. Otto R. Diesel H. Ford Æ. Elling1736-1819 1791-1867 1847-1931 1832-1891 1858-1913 1863-1947 1861-1949

Globalt forbruk av energiråvarer 1860 – 2000Millioner tonn olje ekvivalenter

Kull

Uran

Bio-masse

Naturgass

Olje

Vann-kraft

12

0

2000

4000

6000

8000

10000

12000

14000

16000

1860 1880 1900 1920 1940 1960 1980 2000 2020

Globalt forbruk av energiråvarer 1860 – 2000med framskrivninger til 2020 (Mtoe)

Kilder: BP Stat. Rev. of World Energy 2000 og tidligere utgaver. Scientific American, Sept. 1990. Framskrivninger: DoE Internat. Energy Outlook, UNEP (befolkning)

Kull

Uran

Bio-masse

Naturgass

Olje

Vann-kraft

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

1860 1880 1900 1920 1940 1960 1980 2000 2020

Utviklingsland

Industrialiserte land

Befolkningsutvikling, milliarder

13

Bioenergi i Norge (TWh/år)

Ref. Handlingsplan for biomassesatsningen innenfor jordbruksavtalen – November 2002

Forbruk ca 15 TWh

Potensiale ca 35-40 TWh

Økende strømpris og reduserte tømmerpriser øker potensialet for skogsbrensel

Ved utgjør størsteparten av skogsbrensel

14

33 TWh

20 TWh

Biomasseressurser i Norge

Kilde: SSB, NIJOS, Petter Heyerdahl (UMB)

15

Bioenergi i Norden: ca 225 TWh

5% kraft og 95% varme

3.7 0.5

8.3

5.8

5.2

0.8

7.2

53.7

1.514.3

21.5

49.5

3.2

4.733.5

Biprodukter skogindustri

Skogsbrensel

Avfall

Halm

Torv

Biogass

Sverige (95 TWh) Finland (95 TWh)

Norge (15 TWh)Danmark (18 TWh)

NoBio

16

Morten Grønli, Institutt for energi- og prosessteknikk

Energiforbruket i husholdningene

Ref. Energibedriftenes Landsforening – EBL

17

Biobrensel – konvertering

• Ønska produkt er:

• varme

• elektrisitet

• brensel for transport (biofuel)

• kjemikalier

• Mulige konverteringsmetoder:

• termokjemisk (forbrenning, gassifisering, pyrolyse)

• biokjemisk (hydrolyse/fermentering)

• mekanisk (ekstraksjon)

18

Biobrensel – foredling og produkt

Kilde: UNDP

19

Konvertering av biobrensel – bruk og produkt

• Termokjemisk konvertering:

• forbrenning i husholding: varme til matlaging og romoppvarming

• forbrenning industrielt: prosessvarme, damp, elektrisitet

• gassifisering: elektrisitet, varme (hydrokarboner, metanol, hydrogen –ved vidare prosessering)

• pyrolyse: bio-oljer, trekull (kjemikalier ved videre prosessering)

• Biokjemisk konvertering:

• hydrolyse/fermentering: etanol

• fermentering: biogass (metan)

• Mekanisk konvertering:

• ekstraksjon: biodiesel

20


Termokjemisk konvertering

Pyrolyse Gassifisering ForbrenningPyrolyse

21


Pyrolyse av biomasse

FORBRENNING PYROLYSE

LUFT LUFT

TJÆRE + TREKULL

Ved pyrolyse varmes brenselet opp i en oksygenfri atmosfære og det dannes bio-olje/tjære, brennbare gasser (CH4, CO, H2) og

fast karbon (trekull).

22



Pyrolyse Gassifisering Forbrenning

Trekull Bio-olje Brennbar gass

Fjernvarme

Elektrisitet

Grillkull Metallurgisk industri Motor Gassturbin Kjel

GeneratorDampturbin

Drivstoff

23

Produktsammensetning

Hurtig pyrolysebio-olje

Sakte pyrolysetrekull

24

Norge år 1900

Afrika år 2000

Trekull - Teknologi

Earthmound Kiln

25

Trekull - Teknologi

Missouri Kiln

VMR-prosess

Lurgi

26


Bio-olje - Prinsipp

27


Bio-olje - Anvendelse

Electricity Transport fuel

Heat

Bio-oil

Extract

Upgrade

Boiler

Chemicals

28


Bio-olje - egenskaper

29




30


Gassifisering av Biomasse

Ved gassifisering (= forbrenning med luftunderskudd) omformes biomasse til et gassformig brensel som kan utnyttes i

flere systemløsninger for produksjon av kraft og varme.

Forbrenning

C + O2 -> CO2

H2 + O2 -> H2O

Gassifisering

C + CO2 -> 2CO

C + H2O -> CO +H2

31




Brennbar gass

Fjernvarme

Elektrisitet

Motor Gassturbin Kjel

GeneratorDampturbin

32

Gassifisering - Prinsipp

FEEDSTOCK

FEEDSTOCKASH

ENGINE

FUEL CELL

GAS CLEANING/UPGRADING

FEEDSTOCKLCV-GAS

GASTURBINE

COMBUSTION

FEEDSTOCKAIR

H2O

DRYING

PYROLYSIS

Char, Tar, CO, CO2, H2, H2O, CxHy,NOx

CO, CO2, H2, H2O,,,NOx

HETEROGENEOUSREACTIONS

HOMOGENEOUS REACTIONS

CO2, H2O,,,NOx

LCV: 3-10 MJ/Nm3

Naturgass: 40 MJ/Nm3

33

Gassifiseringsanlegg

Integrated Gasification Combined Cycle (IGCC)

34



35

Forbrenning av biomasse

Forbrenning vil si endelig oksidasjon av de flyktige komponentene og karbonfraksjonen framkommet fra pyrolysen

LUFT LUFT

36



Varme

Fjernvarme

Elektrisitet

Kjel Vedovn

GeneratorDampturbin

37



Trekull Bio-olje Brennbar gass Varme

Fjernvarme

Elektrisitet

Grillkull Metallurgisk industri Motor Gassturbin Kjel Vedovn

GeneratorDampturbin

Drivstoff

38

Forbrenningsanlegg

39


Vedovner

Luftkammer Katalysator To-trinns forbrenning

Effekt: 4 – 12 kW Pris: 4 – 30.000 NOK

40

Pelletskaminer


41


Vedkjeler


42


Effekt: 10 – 500 kWPris: varierer

Pelletsbrenner

43

Undermaterstoker 50 -2.000 kW

Ristfyring: 500 – 10.000 kW

Flisfyringsanlegg

Kilde: Morten Grønli

44

5 – 100 MW

Fluidisert bed

45

Forbrenningsanlegg for kommunalt avfall

Kilde: Morten Grønli

46

Biodrivstoff (biofuels) - konverteringsprinsipper

Kilde: Øyvind Vessia

47

Kilde: Judit Adam

Biodrivstoff (biofuels) - konverteringsprinsipper

48

Førstegenerasjons biodrivstoff:

• bioetanol

• biodiesel

Disse er laget av deler av planten: oljeholdig frø eller sukker/stivelse – i

Norge er det umulig å dyrke disse plantene i storskala på en

bærekraftig og kostnadseffektiv måte.

Andregenerasjons biodrivstoff

Er laget av lignocellulose, dvs. alle type planter (hele planten), trevirke

og div rester. Større utbytte per hektar. Storskala muligheter.

Biodrivstoff (Biofuels)

Kilde: Judit Adam

49

Utfordringer knyttet til førstegenerasjons biodrivstoff

Norsk målsetning: 4% biodrivstoff innen 2010

Bioetanol• Hvis vi ikke spiser potetene men lager etanol klarer vi nesten 3% innblanding i bensin

Biodiesel (raps)• 9% av norsk jodbruksarealet trengs for 4% innblanding

100% biodiesel istedenfor fossil diesel• trenger mer enn dobbelt av jorbruksareal kun for å dyrke raps (hvor dyrker vi potetene da?)

Kilde: SSB (2004 data)

50

Gassifisering + FT

51

Oppsummering

• Biomasse/biobrensel har et stort bruksområde og potensiale:

• Oppvarming

• Elektrisitetsproduksjon

• Brensel til transport

• Kjemikalier

• Bærekraftig bruk av biomasse gir ingen netto utslipp av CO2

Documents

1 Bioenergi - Fakultet for ingeniørvitenskap - IV - NTNU - mer enn...E-post: [email protected] Tlf: 918 97 515 2 Innhold • Biobrensler - definisjon og karakteristikk • Ressurser