Page 1

HALM TIL ENERGI Status, teknologier og innovation i Danmark 2011


Halm til energi Status, teknologier og innovation i Danmark 2011 Udgivet af Omslag

Agro Business Park A/S, Niels Pedersens Allé 2, 8830 Tjele, www.agropark.dk Flemming Nielsen, Story2Media ApS

Forfatter

Torben Skøtt, BioPress

Redaktør

Henning Lyngsø Foged, Agro Business Park A/S

Layout Dato

Flemming Nielsen, Story2Media, og Mette Toft Christensen, Agro Business Park A/S August 2011

“Halm til energi – status, teknologier og innovation i Danmark 2011” er udarbejdet i regi af projekt “Netværk for biomasse til energi”, der medfinansieres af EUs Regionale Udviklingsfond samt Forsknings- og Innovationsstyrelsen, og har deltagelse af Agro Business Park (projektledelse), Det Biovidenskabelige Fakultet ved Københavns Universitet (KU Life), Institut for Jordbrugs- og FødevareInnovation (AgroTech), Det Jordbrugsvidenskabelige Fakultet ved Aarhus Universitet (DJF) samt Nationallaboratoriet for Bæredygtig Energi ved Danmarks Tekniske Universitet (Risø DTU). Rapporten er også støttet af projektet Enercoast med midler fra Interreg North Sea Regionprogrammet og Region Midtjylland. Yderligere bidrager Innovationsnetværket for Biomasse (INBIOM), som er medfinansieret af Forsknings- og Innovationsstyrelsen.


Indhold

4

Dansk energipolitik.............................................................................................................

6

Halm som energiresurse.................................................................................................

8

Halmh책ndtering...................................................................................................................

12

Halm til g책rden og naboerne.............................................................................................

16

Halm til fjernvarme..............................................................................................................

20

Halm til kraftvarme..............................................................................................................

24

Emissioner og restprodukter.............................................................................................

28

Halm til bioethanol.............................................................................................................

30

Halm til forgasning..............................................................................................................

32

Virksomheder med kompetencer inden for anvendelse af halm til energi..............

34

Halm til energi - status, teknologier og innovation i Danmark 2011


Halm til energi - status, teknologier og innovation i Danmark 2011

5


Dansk energipolitik

Δ

Siden 1976 har Danmark haft en aktiv energipolitik med en betydelig vægt på vedvarende energi. Det langsigtede mål er at blive uafhængig af fossile brændsler, og frem mod 2020 skal

Danmark være blandt de tre lande i verden, der løfter sin andel af vedvarende energi mest. I 1976 fik Danmark sin første energiplan “Dansk Energipolitik 1976”, og siden da har Danmark været kendt som et land med en aktiv energipolitik med vægt på effektiv energianvendelse, energibesparelser og vedvarende energi. I dag er det regeringens langsigtede vision, at Danmark skal være uafhængig af fossile brændsler. Danmark skal være blandt de tre lande i verden, der løfter sin andel af vedvarende energi mest frem mod 2020, hvor målet er, at 30% af energiforsyningen skal være baseret på vedvarende energi.

varmeværker op gennem 1980’erne valgte at skifte olien ud med biomasse. I 1993 indgik et stort flertal af Folketingets partier en biomasseaftale, der pålagde de centrale kraftværker at aftage 1,4 millioner tons biomasse om året, heraf mindst 1 million tons halm. Oprindeligt skulle målet have været nået i år 2000, men aftalen blev revideret flere gange undervejs, og først i 2009 faldt de sidste brikker på plads. Det skete, da Fynsværket indviede en ny kraftværksblok til 170.000 tons halm om året.

Den danske energipolitik i dag er blandt andet baseret på et energiforlig, der blev indgået mellem et stort flertal af Folketingets partier den 21. februar 2008. Ifølge aftalen skal energiforbruget i 2011 være reduceret med 2% i forhold til 2006, og andelen af vedvarende energi skal i 2011 være på 20%. Forliget udløber den 1. januar 2012, så et nyt forlig skal være på plads i løbet af efteråret 2011.

Siden 1980’erne er der sket en decentralisering af den danske energiproduktion, således at produktionen af el og varme finder sted mange steder i landet, hvor det tidligere var elproduktionen på nogle få centrale værker, der dominerede billedet. Kraftvarme og fjernvarme baseret på overskudsvarme har vundet en betydelig udbredelse, og det har bidraget til, at Danmark i dag er et af de mest energieffektive lande i verden. Det er lykkedes at holde energiforbruget stort set konstant, mens der har været en økonomisk vækst på omkring 80% siden 1980.

OMSTILLING AF ENERGISYSTEMET

I 1993 fik de centrale kraftværker et pålæg om at aftage 1,4 millioner tons biomasse om året, heraf mindst 1 million tons halm.

6

I 1990 vedtog det danske Folketing den såkaldte Varmeforsyningslov, som gav energiministeren vidtrækkende beføjelser til at regulere brændselsvalget i fjernvarmeværker og decentrale kraftvarmeværker. På baggrund af den lov er en lang række kul- og naturgasfyrede fjernvarmeværker omstillet til naturgasfyrede kraftvarmeværker, ligesom en række mindre fjernvarmeværker er omstillet til biobrændsler.

Foto: Torben Skøtt/BioPress

Foto: Torben Skøtt/BioPress

Det danske energisystem, der i 1970’erne næsten udelukkende var baseret på importeret olie og kul, er i dag karakteriseret ved en stor spredning på forskellige energikilder. Der er sket en løbende udbygning med vedvarende energi, herunder især vindkraft, bioaffald, biogas og halm. De foranstaltninger, der har fremmet denne udvikling, er blandt andet pristillæg, politiske aftaler om etablering af bestemte former for vedvarende energi samt afgiftsfritagelse på biomasse. Sidstnævnte har blandt andet betydet, at et stort antal husstande, landejendomme og fjern-

Siden 1980’erne er der sket en decentralisering af den danske energiproduktion, således at produktionen af el og varme i dag finder sted på mange mindre anlæg.

Halm til energi - status, teknologier og innovation i Danmark 2011


KYOTO-PROTOKOLLEN Det er ikke mange årtier siden, at energipolitikken primært blev betragtet som et nationalt anliggende, men i dag er det i høj grad internationale forhold, der sætter rammerne for den danske politik på området. Udviklingen på de globale energimarkeder, liberaliseringen af energisektoren og vores klimaforpligtigelser i henhold til Kyoto-protokollen er i stigende grad kommet til at præge den danske energisektor. Målsætningen i Kyoto-protokollen er, at de industrialiserede lande som et gennemsnit over perioden 2008-2012 skal reducere deres udslip af drivhusgasser med mindst 5% i forhold til niveauet i 1990. EU skal samlet set reducere sit udslip med 8%, men der er forskel på, hvor store forpligtigelser de enkelte medlemslande har påtaget sig. Danmark og Tyskland skal således reducere deres udslip med hele 21%, mens andre lande som for eksempel Portugal, Spanien og Grækenland får lov til at øge deres udslip af drivhusgasser.

viser, at Danmark kan blive uafhængig af fossile brændsler i 2050, og det kan vel at mærke ske, uden at det belaster samfundsøkonomien. Klimakommissionens analyser viser, at det vil koste omkring 0,5% af bruttonationalproduktet at lave en fuldstændig omstilling til et grønt energisystem eller nogenlunde det samme, som det vil koste, hvis vi fortsætter med at bruge kul, olie og gas. Det skyldes, at vores nuværende energisystem vil blive dyrere på grund af stigende priser på fossile brændsler og CO2-kvoter, og det vil stort set opveje de investeringer i ny energiteknologi, der skal gøre det muligt at blive selvforsynende med vedvarende energi. Ifølge Klimakommissionen vil de centrale elementer i et grønt energisystem være: • • •

Danmark har som et af de få lande tilsluttet sig artikel 3.4 i Kyoto-protokollen, og dermed skal ændringer i jordens kulstofindhold indregnes i klimaregnskabet. Det kan få betydning for anvendelsen af biomasse, idet for eksempel udnyttelsen af halm reducerer jordens kulstofpulje, mens flerårige energiafgrøder som pil øger mængden af kulstof i jorden. Den manglende kulstoflagring ved at fjerne halm fra landbrugsjorden kan dog kompenseres ved dyrkning af efterafgrøder, og CO2-gevinsten ved at bruge halm til energiformål er væsentligt større end den effekt, som den manglende kulstoflagring medfører. På trods af vanskeligheder med at finde international konsensus om en opfølgning på Kyoto-protokollen efter 2012, vil der fortsat ske en indsats for at reducere udledningen af drivhusgasser.

• • •

Energibesparelser. Havvindmøller, der kan levere en stor del af den elektricitet, som bliver rygraden i et fremtidigt energisystem. Biomasse, der kommer til at spille en vigtig rolle, dels som brændstof i transportsektoren og dels til produktion af el og varme, når vindmøllerne ikke kan dække behovet. Fjernvarme og varmepumper til opvarmning af boliger. El og biobrændsler til transportsektoren. Intelligent anvendelse af el, hvor forbruget i højere grad end i dag er i stand til at følge produktionen.

Danmark er, så vidt Klimakommissionen har kunnet konstatere, det første land i verden, der nu kommer med konkrete bud på at løse klimaproblematikken og energiforsyningen sammen. På baggrund af Klimakommissionens rapport vil den danske regering i 2011 komme med et oplæg på, hvordan visionen om et fossilfrit energisystem kan realiseres.

KLIMAKOMMISSIONEN I september 2010 udgav Klimakommissionen en rapport, der

Produktion af vedvarende energi i PJ 140

Varmepumper mv.

120

Bioaffald Biogas

100

Træ

80

Halm Vind

60 40 20 0 ‘80

‘85

‘90

‘95

‘00

‘05

‘09

Figur 1. Produktion af vedvarende energi i perioden 1980–2009. Kilde: Energistyrelsen.

Halm til energi - status, teknologier og innovation i Danmark 2011

7


Halm som energiresurse

Δ

Halm er en betydelig energiresurse, men det er også et besværligt brændsel, som kan forårsage tæringer i blandt andet kraftværkskedler. Anvendelsen af halm til energiproduktion er

øget markant siden 1980’erne, men der er fortsat over to millioner tons halm i overskud, og med det rigtige sortvalg kan overskuddet blive endnu større. Det er ikke mange årtier siden, halm blev betragtet som et besværligt spildprodukt, som blot skulle skaffes af vejen hurtigst muligt. Den del af halmen, der ikke kunne anvendes til foder og strøelse, blev typisk brændt af på markerne, men i 1991 blev den form for afbrænding forbudt, og siden da er der kommet mere fokus på at bruge halm til energiformål. Den største fordel ved at bruge halm i energisektoren er, at det er et CO2-neutralt brændsel, der ikke bidrager til at forøge atmosfærens indhold af drivhusgasser. I dag bliver halm primært brugt som brændsel i individuelle gårdanlæg, på fjernvarmeværker og i store kraftværker, men i fremtiden vil man formentlig også bruge halm til fremstilling af gas og bioethanol. DONG Energy har således brugt betydelige beløb på at udvikle nye teknologier til energiproduktion fra halm, og man har blandt andet etableret et pilotanlæg til fremstilling af bioethanol og er i færd med at etablere et anlæg til termisk forgasning af halm. Fordelen ved at omdanne halm til gas er, at det giver bedre muligheder for at udnytte brændslet på eksisterende kulfyrede værker.

Asken fra halmfyring kan blive klæbrig allerede ved 600 °C, og det har betydning for kraftværkerne, hvor man ønsker en høj damptemperatur for at opnå en høj elvirkningsgrad. Nye kedeltyper og bedre stållegeringer har dog med tiden reduceret problemet, men kraftværkerne betragter fortsat halm som et mere problematisk brændsel end træ.

RESURSER

Halm indeholder normalt 14-20% vand, der fordamper under forbrænding. Det tørstof, der er tilbage, består af knap 50% kulstof, 6% brint, 42% ilt samt små mængder kvælstof, svovl, silicium og andre mineraler som alkali og klorid.

Opgørelser over de tilgængelige halmresurser har ofte givet anledning til en del debat, og det kan være svært at komme med et entydigt svar på, hvor store resurser der vil være tilgængelige i årene fremover. Landbruget skal jo ikke bare levere råvarer til energisektoren. Der skal også produceres foder og fødevarer, tages hensyn til naturbeskyttelse og udvaskning af næringsstoffer, ligesom der bør tages højde for jordens kulstofpulje. Hvis landmanden vælger at nedmulde halmen, vil det øge jordens indhold af kulstof, og det har betydning for klimaregnskabet som omtalt på foregående side.

Når halm skal bruges som brændsel, må vandindholdet ikke overstige 20%. Ved højere vandindhold er der risiko for, at halmballerne bliver for hårde og kompakte, ligesom et højt vandindhold øger risikoen for kondensdannelse og tæringer.

Der er i årenes løb blevet udarbejdet en lang række analyser af de tilgængelige halmresurser i såvel Danmark som i udlandet, og selvom der kan være stor forskel på de enkelte undersøgelser, er det generelle resultat, at resurserne er langt større end det aktuelle forbrug.

Tilstedeværelsen af klor og alkali i røggassen kan være et problem ved forbrænding, da stofferne bliver til natriumklorid og kaliumklorid, der er stærkt aggressive og forårsager tæringer i kedler og rør – særligt ved høje temperaturer i kraftværker. Det gælder altså om at bruge halm med et lavt indhold af skadelige stoffer, og her spiller vejret en væsentlig rolle. Halm, som efter modning og især efter høst har fået meget regn og er blevet gråt, er langt mindre aggressivt end gul halm, som kun har fået begrænsede mængder regn.

Men håndtering og transport af halm kan være meget omkostningskrævende, så selv om resurserne er til stede, er det ikke det samme, som at der er økonomi i at udnytte halmen. Mens energitræ i dag er blevet en international handelsvare, så er halm fortsat noget, der primært handles inden for de enkelte regioner. I princippet er der dog intet til hinder for, at halmpiller vil kunne handles over landegrænserne, men det er bare ikke sket endnu.

HALM SOM BRÆNDSEL

8

Askeindholdet kan variere mellem 2 og 10%, men i gennemsnit er det på omkring 4%. Halm fra afgrøder dyrket på sandjord har normalt det laveste askeindhold, derefter kommer halm fra muldjord, efterfulgt af halm fra lavbundsjord, der har det største askeindhold. Brændværdien er højest ved det laveste askeindhold, så det kan være en fordel at bruge halm fra sandjord til fyringsformål.

Halm til energi - status, teknologier og innovation i Danmark 2011


Foto: Torben Skøtt/BioPress


Halmproduktion i millioner tons

Halmproduktion i millioner tons

7

7

6

6

5 4

Vinterbyg

4 Vårbyg

3

Til strøelse

3

2

Til foder

2

Til energiformål

1

1 0

Vinterhvede

08

07

20

06

05

20

20

20

04 20

03 20

02

01

20

00

20

99

20

98

19

19

19

97

20 08

20 07

20 06

20 05

20 04

20 03

20 02

20 01

20 00

19 99

0 19 98

19 97

Øvrige

5

Ikke bjærget

Figur 2. Årlig halmproduktion og anvendelse af halm til forskellige formål i Danmark. Kilde: Danmarks Statistik.

Figur 3. Årlig halmproduktion fordelt på afgrøder. Øvrige afgrøder er blandt andet raps og forskellige kornsorter. Kilde: Danmarks Statistik.

DANSKE RESURSER

Arealet med kornproducerende afgrøder har vist sig at være relativt konstant, men der kan være markante variationer på udbyttet fra år til år. Årsvariationer udgør derfor en af de største kilder til usikkerhed i halmmængden.

Et godt pejlemærke for størrelsen af halmresurserne i Danmark kan findes i Danmarks Statistik, der hvert år opgør den samlede årlige produktion af halm samt anvendelsen til forskellige formål (se figur 2). Heraf fremgår det, at der i perioden 2004–2008 i gennemsnit har været en samlet halmproduktion på 5,5 millioner tons om året, hvoraf de 3,4 millioner tons er blevet anvendt i landbruget og til energiformål. Der er således et årligt halmoverskud på omkring 2,1 millioner tons, som ikke bliver bjærget.

UDBYTTET AFHÆNGER AF SORTEN Markforsøg med vinterhvede i høståret 2008 har dokumenteret, at forholdet mellem halm og kerne i høj grad afhænger af sorten. Blandt 10 forskellige sorter vinterhvede blev der således målt fra 35-53 kg halm pr. 100 kg kerne,

Spørgsmålet er imidlertid, hvor sikkert halmoverskuddet er estimeret, og hvor meget overskuddet kan variere fra år til år. Jo større andel af halmen der ønskes anvendt, desto vigtigere bliver det, at forudsigelserne holder stik – ikke mindst af hensyn til forsyningssikkerheden.

så valg af kornsort kan være en af mulighederne for bevidst at tilstræbe et større halmudbytte. Gødningsforsøg har desuden vist, at andelen af halm i vinterhvede reduceres med stigende gødningsmængde, men da gødningsmængden er bestemt ud fra gældende normer, vil det formentlig ikke få nogen større betydning i praksis.

Forbruget af halm til foder og strøelse kan variere en del mellem de enkelte år, men set over en længere periode er der ikke tale om de store udsving. En øget interesse for, at halmen skal blive på jorden, kan reducere udbuddet af halm til energiformål – især hvis der fra politisk side bliver taget initiativer til at fremme nedmuldning af halm.

I figur 3 er vist den samlede halmproduktion for forskellige afgrøder, baseret på tal fra Danmarks statistik. Der skal dog ikke ændres meget på forholdet mellem kerne og halm for at give et betydeligt udsving i produktionen af halm. Hver gang mængden af hvedehalm ændres med 1 kg pr. 100 kg kerne,

Vigtige parametre for brændstofværdien af halm, træflis og kul. Gul halm er bjærget umiddelbart efter høst, mens grå halm har fået lidt regn, inden det bliver presset og bjærget. Gul halm

Grå halm

Træflis

Kul

10-20%

10-20%

40-50%

12%

Aske

4%

3%

1%

12%

Kulstof

42%

43%

50%

59%

Brint

5%

5%

6%

4%

Ilt

37%

38%

38%

7%

Klorid

0,75%

0,20%

0,02%

0,08%

Kvælstof

0,35%

0,41%

0,30%

1,00%

Svovl

0,16%

0,13%

0,05%

0,80%

14,4 MJ/kg

15,0 MJ/kg

10,4 MJ/kg

25,0 MJ/kg

Vandindhold

Brændværdi

10

Halm til energi - status, teknologier og innovation i Danmark 2011


Foto: Torben Skøtt/BioPress

Forholdet mellem halm og kerne afhænger i høj grad af sorten. Hvis man vælger de mest halmrige sorter inden for vinterhvede, vil det teoretisk set være muligt at øge den samlede halmmængde med 800.000 tons om året.

vil det således ændre den samlede produktion af hvedehalm i Danmark med ikke mindre end 47.000 tons. Da halmudbyttet fra vinterhvede som nævnt kan variere mellem 35 og 53 kg halm pr. 100 kg kerne, vil det teoretisk set være muligt at ændre den samlede halmmængde med 800.000 tons om året. I praksis bliver der selvfølgelig dyrket mange forskellige kornsorter, men tallene illustrerer potentialet for at øge den samlede halmmængde ved at vælge sorter med meget halm.

UDENLANDSKE RESURSER På EU-plan udarbejder Eurostat statistikker for anvendelsen af bioenergi i de enkelte medlemslande, men det er desværre ikke muligt at underopdele bioenergien i for eksempel træ, halm og husdyrgødning.

Det europæiske miljøagentur har udgivet et par rapporter, hvor man har beregnet de potentielle biomasseressourcer i EU. Under hensyntagen til at der også skal sikres en fortsat fødevareproduktion og beskyttelse af naturarealer og miljø, er det miljøagenturets vurdering, at det fremtidige bioenergipotentiale vil være på op imod 300 millioner tons olieækvivalenter eller godt tre gange så meget som det samlede forbrug i 2008. I Holland har professor André Faaij fra Utrecht University beregnet, at det teoretisk set vil være muligt at dække hele verdens energiforbrug med biomasse i 2050. Forudsætningen er et langt mere effektivt landbrug end det, vi har i dag. De helt store muligheder for at optimere produktionen af bioenergi findes i blandt andet Østeuropa, Afrika og Sydamerika, men der er også gode muligheder for, at produktionen kan optimeres i de vestlige lande.

Halm til energi - status, teknologier og innovation i Danmark 2011

11


Halmhåndtering

Δ

Halm til energisektoren bliver næsten udelukkende leveret som storballer eller Hesstonballer, som de også kaldes. Et enkelt sted har man dog valgt at lave halmballerne om til piller, inden

de leveres ind til kraftværket. Det er en fordyrende proces, men til gengæld letter det håndterin-

Foto: Torben Skøtt/BioPress

gen på værket, ligesom lagrene kan reduceres væsentligt.

Håndtering af halm har udviklet sig til en selvstændig disciplin inden for landbruget med en maskinpark, som primært større landbrug og maskinstationer investerer i. Siden 1980’erne, hvor storballepressere kom på markedet, har landbruget investeret betydelige beløb i halmpressere, ladvogne og lagerhaller for at kunne levere halm til energisektoren.

12

BALLETYPER I dag anvender kraftværker og fjernvarmeværker næsten udelukkende storballer eller Hesstonballer, som de også kaldes. Småballer, rundballer og ministorballer bliver primært brugt til gårdanlæg og til de landbrug, som anvender halm til foder og strøelse.

Efter høst ligger halmen i lange baner på jorden, parat til at blive presset i baller. De fleste landmænd vil gerne have halmen fjernet hurtigst muligt, så de kan komme i gang med at etablere næste års afgrøde, men det kan faktisk være en god idé at lade halmen ligge et par dage eller uger. Hvis halmen får en regnbyge eller to (grå halm) og vel at mærke når at blive tør igen inden presning, får man et bedre brændsel, fordi flere af de problematiske stoffer som klor og alkali bliver udvasket. I praksis er det dog de færreste landmænd eller maskinstationer, der benytter den metode, da det ikke har nogen indflydelse på afregningen til varmeværker og kraftværker. Her er det udelukkende vægt og vandindhold, der tæller.

Storballer måler cirka 125 × 240 cm, og vægten ligger typisk på lidt over et halvt ton. Længden på ballerne kan dog reguleres fra 110 til 275 cm, men af hensyn til landevejstransport er en længde på 240 cm mest passende.

Halmudbyttet ligger typisk på omkring tre tons per hektar, men det afhænger naturligvis af sorten, jordens frugtbarhed og vejrliget.

Storballer har på mange måder vist sig at være et velfungerende system til håndtering af halm, men det giver desværre en dårlig udnyttelse af lastbilernes kapacitet. Der kan nemlig kun være 24 storballer på et lastvognstræk, svarende til cirka

Der har i en kort årrække været udført forsøg med at bruge snittet halm, opmagasineret i store markstakke for på den måde at reducere omkostningerne til håndtering af halmen. De første undersøgelser pegede på, at man på den måde kunne halvere prisen for halm til energisektoren, men de praktiske problemer var betydelige, og konceptet blev opgivet midt i 1990’erne.

Halm til energi - status, teknologier og innovation i Danmark 2011


Foto: Torben Skøtt/BioPress

Med teleskoplæsser kan halmballerne stables væsentligt højere end med gaffeltruck og frontlæsser.

12 tons halm, og det er under halvdelen af, hvad lastvognen må læsse. Den dårlige udnyttelse af kapaciteten giver ikke kun højere transportomkostninger. Det giver også ekstra udgifter til håndtering af halmballerne og dårlig udnyttelse af lagerkapaciteten.

Omregnet til tons viser det sig, at der er en forskel på 2,5 minutter pr. ton fra læsning med gummiged til læsning med frontlæsser. Det lyder måske ikke af meget, men ved læsning af den ene million ton, som elværkerne aftager om året, kan det medføre en ekstra arbejdsindsats på godt 41.000 timer.

Der har i årenes løb været gjort mange forsøg på at øge storballernes vægt, men det er aldrig rigtig kommet til at fungere i praksis. Nye kraner bliver dog dimensioneret til at kunne klare en ballevægt på omkring et ton, så det er formentlig kun et spørgsmål om tid, før storballer med en vægt på op imod et ton bliver et almindeligt syn på landets halmværker.

På de større værker foretages aflæsningen normalt med en løbekran, der griber fat om et lag på både forvogn og anhænger samtidig. Det vil sige, at kranen læsser 12 baller ad gangen svarende til to løft for at aflæsse et lastvognstræk. Når ballerne hænger i kranen, vejes de og analyseres for vandindhold. Derefter afsættes ballerne på lageret, så de senere med samme kran kan placeres på transportbåndet, der fører til forbrændingsanlægget.

En anden løsning er de såkaldte mediballer, som Nexø Halmvarmeværk og Præstegårdens Maskinstation har udviklet. Her har man ”skåret” 30 centimeter af højden på storballerne, så der kan være 36 baller med en samlet vægt på 15 tons på hvert lastvognstræk. Systemet kræver blot mindre justeringer af kraner og halmpressere, så normalt vil der ikke være behov for nyinvesteringer.

På de mindre varmeværker anvendes hovedsageligt truck, der aflæsser en-to baller ad gangen. I forbindelse med aflæsningen vejes hele læsset, og der udtages prøver for at bestemme vandindholdet i halmen. Som det fremgår af figur 4, tager det næsten lige så lang tid at læsse af med en kran som med en truck, men for truckens

HÅNDTERING

Teleskoplæssere har derimod en større løfteevne, og de rækker længere, så halmballerne kan stables højt, hvilket reducerer lageromkostningerne. Teleskoplæssere bliver derfor mere og mere udbredte. Minilæsseren er knap så udbredt, men den er meget handy og kan komme ind, hvor andre må give op. Som det fremgår af figur 4 er arbejdsbehovet størst ved læsning med frontlæsser og mindst ved gummiged og teleskoplæsser, der altid er i stand til at læsse to baller ad gangen.

Foto: Torben Skøtt/BioPress

Ved læsning af halm anvendes frontlæsser, rendegraver, gummiged, teleskoplæsser eller minilæsser. Der er i princippet ikke den store forskel på de tre første typer, der alle er baseret på en frontmonteret læsser.

Storballer føres frem til halmsnitteren på Køge Biopillefabrik.

Halm til energi - status, teknologier og innovation i Danmark 2011

13


vedkommende skal der tillægges tid til vejning og analyse af vandindhold, så det samlede tidsforbrug bliver knap 50% højere. Hertil kommer, at der skal bruges ekstra tid på at flytte ballerne, hvis lageret skal fyldes helt op.

HALMPILLER En anden mulighed er at presse halmen i baller, som derefter laves til piller, inden de leveres ind til værket. Produktionen af piller er en fordyrende proces, men til gengæld kan transportomkostningerne minimeres – især hvis halmen skal transporteres over lange afstande. Håndteringen på værkerne kan også simplificeres, ligesom lagrene kan reduceres væsentligt. De store halmlagre, kraner, transportanlæg og halmsnittere kan erstattes af høje siloer med påfyldning i toppen ved hjælp af blæsere og automatisk tømning fra bunden. Det vil medføre besparelser, samtidig med at generne med støv og halmrester helt eller delvist kan elimineres.

af halmpiller foregår via søvejen for at undgå tung lastbiltransport gennem København. Pillefabrikken i Køge har en kapacitet på 130.000 tons halmpiller om året, men i de senere år er der kun blevet produceret 60-70.000 tons piller om året. Halmen leveres som storballer af landmænd på Sjælland og Lolland-Falster, og håndteringen på værket er identisk med de systemer, der findes på et almindeligt kraftværk. Presning af pillerne foregår ved hjælp af damp fra et nærliggende kraftvarmeværk, og energiforbruget til processen udgør kun nogle få procent af pillernes brændværdi.

Amagerværket i København, der er ejet af Vattenfall, har siden 2003 fyret med halmpiller, som bliver fremstillet på Køge Biopillefabrik cirka 50 kilometer syd for København. Transporten

Halmhåndtering i minutter pr. balle 1,0

/ VQLQJ $À VQLQJ Vejning og analyse

0,8

0,6

0,4

0,2

0

U

VVH

O RQW

)U

er rav eg d n Re

U ed VVH mig O S m R Gu HVN 7HO

c Tru

k

ran bek ø L

Figur 4. Arbejdsbehov ved læsning og aflæsning af halm. Ved aflæsning med truck skal der bruges ekstra tid på vejning og analyse af vandindholdet i halmen. Derudover skal der bruges tid på at flytte ballerne, hvis lageret skal fyldes helt op. Kilde: Videncenter for Halm- og Flisfyring.

14

Halm til energi - status, teknologier og innovation i Danmark 2011


Losning af halmpiller ved AmagervÌrket. Foto: Torben Skøtt/BioPress


Halm til gården og naboerne

Δ

Individuelle halmfyr har gennemgået en rivende udvikling, siden de første anlæg kom på markedet sidst i 1970’erne. Virkningsgraden er blevet fordoblet, samtidig med at udslip-

pet af skadelige stoffer er reduceret markant. Flere landmænd vælger i dag at investere i de lidt større fyr, så naboerne også kan få billig og miljøvenlig varme gennem et fjernvarmenet.

Efter den første energikrise i 1973 begyndte mange at se sig om efter en billigere og mere sikker varmekilde end olie, og for landmændene var det naturligt at vende blikket mod de store halmmængder, som hvert år blev brændt af på markerne. Op gennem 1970’erne begyndte flere maskinfabrikker derfor at fremstille små simple halmfyr, der var beregnet til småballer. Senere kom også halmfyr til rundballer og storballer, ligesom der blev udviklet automatiske fyringsanlæg, der krævede minimal pasning.

Overordnet set findes der to typer halmkedler: Manuelt fyrede anlæg eller portionsanlæg, som de også kaldes, og automatisk fyrede anlæg. Portionsfyret er den mest simple anlægstype (se figur 5), hvor hele halmballer fyres ind i kedlen manuelt. Er der tale om anlæg til småballer, foregår det ved håndkraft, mens der typisk bruges en frontlæsser, hvis der er tale om anlæg til rundballer eller storballer.

Ekspansionsbeholder

Lagertank

Pumpe

Røgrør

Forbrændingsluft Blæser

Ildfast murværk Vandfyldt låge

Forbrug

Figur 5. Portionsfyret halmfyr med lagertank.

16

Halm til energi - status, teknologier og innovation i Danmark 2011


Foto: Torben Skøtt/BioPress

Foto: Torben Skøtt/BioPress

Portionsanlæg til storballer.

Automatisk fyret anlæg til snittet halm.

En portionsfyret kedel er relativt billig, driftsomkostningerne er minimale, men der skal bruges en del tid på at fjerne aske og tilføre nyt brændsel.

skorstenen, og det giver en dårlig fyringsøkonomi og et dårligt miljø.

De automatisk fyrede anlæg består af en halmkedel og et doseringsanlæg, som igen består af et transportbånd – en såkaldt halmbane samt en opriver, der findeler halmen, inden den føres ind i kedlen ved hjælp af en snegl eller en blæser. Anlæggene er generelt noget dyrere end de manuelt fyrede anlæg, ligesom driftsomkostningerne er højere, men til gengæld er behovet for pasning minimalt.

VIRKNINGSGRADER OG MILJØFORHOLD Virkningsgraderne for de første halmfyr var kun på 30-40%, og det var ikke altid rart at være nabo, når landmanden fyrede op under halmen. I 1976 begyndte Danmarks Jordbrugsforskning imidlertid at teste halmfyrene og hjælpe fabrikanterne med produktudvikling, og for at sætte yderligere skub i udviklingen indførte Energistyrelsen i 1995 en tilskudsordning, hvor tilskuddets størrelse afhang af, hvor effektiv kedlen var. Det førte til markante forbedringer af halmfyrene, idet virkningsgraderne steg fra de oprindelige 30-40% til over 80% (se figur 6). Samtidig med at fyrene blev mere effektive, faldt udslippet af kulilte markant (se figur 7). Kulilte er ikke i sig selv skadeligt for omgivelserne i små koncentrationer, men det er et udtryk for, hvor meget fyrene forurener. Er der meget kulilte i røgen, vil der også være en række andre skadelige stoffer i røgen. Det drejer sig blandt andet om sod og tjærestoffer, hvoraf sidstnævnte består af diverse organiske syrer og de såkaldte PAHer, der kan være kræftfremkaldende. Tilstedeværelsen af disse stoffer er udtryk for en ufuldstændig forbrænding, og den mest fornuftige måde at fjerne dem på er ved at forbedre forbrændingen, så stofferne afbrændes, samtidig med at varmen udnyttes. Det sker ved at sikre en høj temperatur i brændkammeret. Halm og andre former for biomasse udvikler nemlig gasarter, som først antændes ved en temperatur på 800-900 oC. Bliver temperaturen for lav, ryger gasserne uforbrændt op gennem

Ældre halmkedler består typisk af et vandkølet kammer, hvor skorstenen er koblet på i den ene ende, mens forbrændingsluften tilføres i den modsatte ende. Med en sådan udformning vil der være en tendens til, at gasserne ryger uforbrændt op gennem skorstenen, men det kan heldigvis gøres bedre. Mange nyere kedler er udformet, så gasserne tvinges forbi luftdyserne, og det giver en langt større sandsynlighed for, at gasserne bliver antændt og omsat til varme i stedet for at forurene omgivelserne. Figur 7 viser indholdet af kulilte i røgen fra manuelle og automatisk fyrede halmfyr i perioden 1980–1998. Som det fremgår af figuren, er der stor forskel på udslippet fra de enkelte fyr, men tendensen er ikke til at tage fejl af: Halmfyrene er blevet væsentligt mere miljøvenlige med årene, og de automatisk fyrede anlæg er generelt bedre end manuelt fyrede anlæg.

KEDLEN SKAL VÆRE FOR LILLE Mange fristes til at købe et halmfyr, der er rigeligt stort – bare for en sikkerheds skyld, men det er ikke nogen god idé. Det giver ofte et dårligt miljø og en dårlig økonomi. Det rigtige valg er en kedel, der er for lille til at dække varmebehovet på den koldeste dag. En halmkedel er nemlig mest effektiv ved fuld last, så jo større kedlen er, jo større er risikoen for, at den kommer til at arbejde ved dellast en stor del af året. Den optimale kedelstørrelse vil typisk være på 75% af behovet på den koldeste dag. I de få perioder om året, hvor halmkedlen ikke kan dække forbruget, må oliefyret startes op, eller man kan vælge at lade en elpatron klare opgaven. Manuelt fyrede anlæg bør altid være udstyret med en lagertank, så varmen ikke nødvendigvis skal aftages i samme tempo, som den produceres. Især i sommerhalvåret, hvor varmeforbruget er lavt, kan en lagertank være med til at sikre en fornuftig forbrænding. Lagertanken er ofte en særskilt tank, som placeres oven på kedlen, men der kan også være tale om en færdig unit med kedel og lagertank. Tanken bør normalt kunne rumme 6080 liter vand for hver kg halm, som fyrrummet kan indeholde.

Halm til energi - status, teknologier og innovation i Danmark 2011

17


Virkningsgrader for halmfyr i procent 90 80 70 60 50 40

98 19

19

19

96

94

92 19

90 19

88 19

86 19

84 19

82 19

19

80

30

Manuelle halmfyr

Automatiske halmfyr

Figur 6. Virkningsgrader for manuelle og automatisk fyrede halmkedler i perioden 1980-1998, hvor der regelmæssigt blev udført test af kedler på Forskningscenter Bygholm. Kilde: Danmarks Jordbrugsforskning.

CO-emission i procent 1,2 1,0 0,8 0,6 0,4 0,2

Automatiske halmfyr

99 19

97 19

95 19

93 19

91 19

89 19

87 19

19

85

0

Manuelle halmfyr

Figur 7. Udslippet af kulilte for manuelle og automatisk fyrede halmkedler i perioden 1980–1998, hvor der regelmæssigt blev udført test af kedler på Forskningscenter Bygholm. Er der meget kulilte i røgen, vil der også være andre skadelige stoffer, som kan genere beboerne og de nærmeste naboer.

18

Halm til energi - status, teknologier og innovation i Danmark 2011


Mange af de automatiske anlæg vil også opnå en bedre forbrænding, hvis de bliver tilsluttet en lagertank. Derved kan et helt døgns varmebehov bliver produceret i løbet af måske seksotte timer, og man undgår mange opstarter og nedlukninger, som typisk er det, der generer naboerne.

Erfaringerne med nabovarme er generelt meget positive. For landmanden vil det typisk være en økonomisk gevinst, forbrugerne er glade for at kunne få billig varme, og når der er billig varme, er lugten fra det nærliggende landbrug måske ikke så slem endda.

NABOVARME 60% af alle danske husstande bliver i dag forsynet med fjernvarme, men markedet for traditionelle fjernvarmeværker er efterhånden ved at være mættet. Det kan være vanskeligt at få økonomi i et fjernvarmeværk til de helt små byer, og derfor er der opstået et nyt begreb kaldet “nabovarme”. I princippet kan det være en hvilken som helst husstand, der forsyner naboerne med varme, men i praksis er det ofte driftige landmænd, som vælger at investere i en større halmkedel end nødvendigt for at kunne levere varme til de omkringboende. Ligesom ved gårdanlæg bør halmkedlen dimensioneres, så den kan levere 70-80% af behovet på den koldeste dag. Derved opnås den bedst mulige fyringsøkonomi både i vinterperioden og om sommeren, hvor forbruget er minimalt. I den kolde vinterperiode suppleres med en oliefyret kedel, der er dimensioneret, så den kan klare hele forbruget, hvis halmkedlen får et driftsstop.

• • •

Ejendommene skal normalt ligge lige så tæt som i almindelig bymæssig bebyggelse for at undgå for store ledningstab. Storforbrugere som skoler, plejehjem og virksomheder kan være afgørende for projektets økonomi. Forbrugerne skal kunne opnå en besparelse ved at skifte oliefyret ud med nabovarme. Forbrugerne skal være sikret stabile og billige varmepriser i minimum 10 år.

De nabovarmeanlæg, der er etableret i Danmark, varierer fra nogle få op til 70-80 husstande. Langt hovedparten er etableret af landmænd, der selv har betydelige mængder halm til rådighed, og som derfor er i stand til at levere billig varme til de omkringboende.

Foto: Maskinfabrikken Faust

For at nabovarme skal være en succes, er der nogle grundlæggende forudsætninger, man skal være opmærksom på:

Portionsanlæg bliver ofte installeret i en særskilt bygning for at undgå, at en eventuel brand breder sig til gårdens bygninger.

Halm til energi - status, teknologier og innovation i Danmark 2011

19


Halm til fjernvarme

Δ

Halmfyrede fjernvarmeværker kan være et billigt og miljøvenligt alternativ til andre opvarmningsformer – især hvis anlægget er placeret i et område med stort halmoverskud. For år

tilbage var der en tendens til, at fjernvarmeværkerne foretrak flis som brændsel, men i dag er der

Foto: Torben Skøtt/BioPress

ikke den store forskel på økonomien i halm- og flisfyrede varmeværker.

Halmfyrede fjernvarmeværker har været opført i Danmark siden 1980, og i dag er der cirka 55 værker i drift. Flere af værkerne er opført i et tæt samarbejde med lokale landmænd, og enkelte steder har det været landmændene, der har stået for såvel etablering som drift af anlægget. Værkernes effekt varierer fra cirka 500 kW op til 12 MW, og den tekniske udformning spænder vidt, selvom der naturligvis er systemer, som bliver brugt på stort set alle anlæg.

20

erandørerne. Mange af de første halmværker havde nemlig valgt at indgå langvarige, indeksregulerede kontrakter med landmændene, og det havde været en dyr fornøjelse for flere af værkerne. I dag bliver halmen primært handlet på det frie marked via licitationer, og det har gjort halmen mere konkurrencedygtig med det resultat, at der igen er begyndt at komme gang i udbygningen af halmfyrede varmeværker.

Når et varmeværk skal investere i et nyt anlæg til biobrændsler, står de over for et grundlæggende valg: Skal det være et anlæg til tørt brændsel som halm eller til vådt brændsel som skovflis? Teknisk set kan det nemlig ikke lade sig gøre at bruge den samme kedel til både våde og tørre brændsler, men derudover er der ret vide rammer for, hvilke brændsler kedlen kan håndtere. Det drejer sig primært om at have de rigtige systemer til håndtering og indfødning af brændslet.

Spørgsmålet, om et halm- eller flisanlæg er mest fordelagtigt, handler især om lokale forhold. Halm handles primært i lokalområdet, hvorimod flis er blevet en international handelsvare. Bliver værket placeret i et område med stort halmoverskud, kan det give lave varmepriser og en kærkommen indtægt til de lokale landmænd. Halm er generelt et billigere brændsel end flis (se figur 8), men til gengæld er værket lidt dyrere, ligesom driftsudgifterne er større end ved et flisfyret anlæg.

På et tidspunkt var der 61 halmfyrede varmeværker i Danmark, men omkring år 2000 valgte flere værker at skifte halmanlæggene ud med nye anlæg til flis. Det hang sammen med, at flisprisen faldt på grund af en betydelig import af træ fra Baltikum, og flere anlæg havde dårlige erfaringer med de kontrakter, der i sin tid var blevet indgået med halmlev-

På samme måde som ved gårdanlæg er det god latin at dimensionere anlægget, så halmkedlen kun kan dække cirka 70% af den maksimale belastning (se figur 9). Med den størrelse vil kedlen skulle præstere cirka 25% af den maksimale effekt i sommerhalvåret, og det giver mulighed for at opretholde en fornuftig virkningsgrad. Bliver halmkedlen for stor,

Halm til energi - status, teknologier og innovation i Danmark 2011


kommer anlægget til at køre på dellast i en stor del af året, og det betyder lavere virkningsgrad og større miljøbelastning. En varmeakkumuleringstank kan være med til at udjævne belastningen hen over året, og i de få perioder om vinteren, hvor halmfyret ikke kan dække behovet, må varmeforsyningen suppleres med et oliefyr.

Inden aflæsning bliver vandindholdet bestemt med et måleinstrument, der er forsynet med et spyd, som stikkes ind i de enkelte halmballer. Et vandindhold på 14-15% er optimalt. Ved et vandindhold på 18-20% vælger nogle værker at reducere prisen, og kommer vandindholdet op på omkring 25%, vælger de fleste værker at kassere halmen. Grønne og våde klumper i halmen vil normalt også føre til, at halmen bliver afvist.

HALMHÅNDTERING PÅ VÆRKET

Et halmlager er pladskrævende, så de fleste værker har kun lager til omkring en uges forbrug ved fuldlast. Der bliver typisk stablet fire baller i højden i afmærkede felter, så kranen automatisk kan placere ballerne på et transportbånd – en såkaldt halmbane, hvorfra ballerne køres hen til opriveren eller direkte ind i fyret. Enkelte af de helt små værker har ikke nogen kran, så her skal ballerne placeres manuelt på halmbanen.

Alle halmfyrede fjernvarmeværker anvender i dag enten storballer eller mediballer, der er cirka 30 cm lavere end storballer. Det er normalt landmanden eller en maskinstation, der sørger for leverancerne af halm til varmeværket, men enkelte steder er det varmeværket, der har ansvaret for transport og opmagasinering af de mange tons halm. Transporten foregår med traktortræk, hvis leverandøren bor tæt på varmeværket og med lastbil ved de lidt større afstande.

KEDLENS UDFORMNING Aflæsning på værket sker typisk med teleskoplæsser eller med truck, der normalt kan tage to baller ad gangen. Flere nyere trucks er endvidere udstyret med specielle ”fangarme”, der kan få fat på de baller, som står længst væk på ladet. På den måde kan et helt lastbiltræk tømmes fra kun den ene side af vognen.

En halmkedel er naturligvis designet til halm, men langt de fleste anlæg vil også kunne håndtere andre former for biomasse, blot der er tale om tørt brændsel. Flere anlæg har således gode erfaringer med at supplere med kornafrens, kirsebærskaller, tørt og rent træaffald etc. Halmkedler kan have forskellige udformninger, men stort set alle anlæg er udstyret med en vibrationsrist i bunden, hvor forbrændingen foregår. Risten er inddelt i flere forbrændingszoner, og den kan bevæges frem og tilbage, så den brændende halm transporteres hen mod askeudtaget. Forbrændingen kan styres i hver zone ved tildeling af større eller mindre mængder primærluft.

Halmen afregnes efter vægt og vandindhold. Vejning af halmlæsset foregår enten på en brovægt eller en såkaldt platformsvægt. Brovægten er langt den hurtigste at arbejde med, da der kun skal foretages to vejninger, mens platformsvægten kræver, at trucken kører op på vægten med hvert læs. En brovægt er til gengæld to-tre gange dyrere end en platformsvægt, så det er en afvejning mellem tidsforbrug og investering, der skal afgøre, hvilken løsning der er mest velegnet til det enkelte værk.

Hovedparten af halmens energiindhold består af flygtige gasser, der afbrændes i fyrrummet over risten. Udformning af fyrrummet og styring af lufttilførslen er afgørende for at sikre

Brændselspriser i kroner/MWh 800

Gasolie

700

Fuelolie

600

Naturgas Naturgas (markedspris)

500

Træpiller 400

Flis

300

Halm

200 100

0

9

201

200

8

7

200

6

200

5

200

200

4

3

200

2

200

1

200

0

200

9

200

8

199

199

199

7

0

Figur 8. Udviklingen i brændselspriser til fjernvarmeværker i perioden 1997 til andet halvår af 2010. Kilde Dansk Fjernvarme.

Halm til energi - status, teknologier og innovation i Danmark 2011

21


Foto: Torben Skøtt/BioPress

Foto: Torben Skøtt/BioPress

Vandindholdet i halmen bliver kontrolleret inden aflæsning. Er vandindholdet på over 25% bliver det normalt afvist.

Halmballerne placeres på lageret med en gaffeltruck. Ballerne skal stilles inden for de gule afmærkninger, så kranen automatisk kan hente ballerne på lageret.

en korrekt forbrænding af de forskellige gasarter, hvoraf flere først antændes ved en temperatur på 800-900 ºC. Bliver gasserne ikke brændt af, ryger de op gennem skorstenen, hvilket betyder dårlig virkningsgrad og forurening af omgivelserne. Efter fyrrummet ledes røggasserne gennem konvektionsdelen, hvor varmen overføres til kedelvandet. Det sker typisk via en række lodrette, vandfyldte rør. De fleste anlæg er endvidere udstyret med en såkaldt economizer – en slags varmeveksler, som er i stand til at trække den sidste varme ud af røgen, inden den ledes op gennem skorstenen.

Kedler med snittet halm har generelt høje virkningsgrader og lave emissioner. Når halmen først er snittet, er det nemmere at styre tilførsel af brændsel og luft, end hvis halmen fyres ind som hele baller. Til gengæld er både anlægs- og driftsomkostninger lidt højere end for helballefyr, men det opvejes normalt af en højere virkningsgrad. Anlæg med snittet halm skal altid være udstyret med en sikkerhedssluse mellem opriveren og kedlen for at undgå, at der går ild i halmen uden for kedlen.

HELBALLER ELLER SNITTET HALM

Miljøbelastningen fra halmfyrede varmeværker har stor bevågenhed fra myndighedernes side, ligesom lokalbefolkningen naturligvis har en klar interesse i, at anlægget ikke generer naboerne. Alle halmfyrede fjernvarmeværker i Danmark er således udstyret med posefiltre, der nedsætter mængden af flyveaske, så der ikke spredes partikler ud over nærområdet.

MILJØFORHOLD Langt hovedparten af de halmfyrede varmeværker anvender snittet halm, men der findes også anlæg med skiveskåret halm, ligesom der er enkelte anlæg, hvor halmballerne fyres direkte ind i kedlen – også kaldet cigarfyring. Sidstnævnte havde især deres storhedstid op gennem 1980’erne, men anlæggene er hastigt på retur, da de har meget svært ved at leve op til nutidens miljøkrav. Systemet med skiveskåret halm består af en indfødningskasse, som vipper halmballen op på højkant. Når der er behov for nyt brændsel, skærer en hydraulisk kniv en skive af halmballen, der efterfølgende skubbes ind i kedlen. Det er et forholdsvist enkelt princip og kan betragtes som en mellemting mellem cigarfyring og fyring med snittet halm. Ved snittet halm er der placeret en opriver mellem halmbanen og kedlen. Opriverne kan have forskellige udformninger, men i princippet går det ud på at bringe halmen tilbage til samme tilstand, som før den blev presset. Der har i tidens løb været udført mange forsøg med at undgå halmpressere og oprivere og i stedet føre den snittede halm direkte fra marken ind til varmeværket. Umiddelbart virker det som en oplagt løsning, men de praktiske problemer med at opbevare og håndtere løst halm har været så store, at systemet nu er helt opgivet.

22

Indholdet af CO (kulilte) i røgen er et mål for, hvor effektiv forbrændingen forløber. Et højt indhold af CO giver en lav virkningsgrad, røgen lugter, og den vil formentlig indeholde PAHer, som kan være kræftfremkaldende. Det er forholdsvis enkelt at måle indholdet af kulilte, og myndighederne stiller strenge krav til, hvor meget kulilte der må være i røgen. Kvælstofoxider (NOx) i røgen kan transporteres over lange afstande og blive omdannet til for eksempel salpetersyre, der kan medføre skader på skove, søer og bygninger. Derudover kan kvælstofforbindelser fra luften medføre overgødskning af næringsfattige naturområder som højmoser og heder. Kvælstofoxider kan endvidere nedsætte lungefunktionen hos personer med astma og bronkitis, men her er det især NO2 og ikke så meget NO, der er problemet. NOx kan fjernes fra røgen, men anlæggene er kostbare, så de bliver praktisk taget aldrig installeret på fjernvarmeværker.

Halm til energi - status, teknologier og innovation i Danmark 2011


Effektbehov i MW 3,0 2,5

Spidslast

2,0 1,5 1,0

Eftersyn

0,5

00 9.0

00 8.0

00 7.0

00 6.0

00 5.0

00 4.0

00 3.0

00 2.0

00 1.0

0

0

Driftstimer (8.760 timer på et år) Halmfyring

Oliefyring

Figur 9. Halmkedlen bør dimensioneres, så den kan dække cirka 70% af den maksimale belastning. Ved spidslast og eftersyn dækkes varmebehovet af et oliefyr. Kurven viser fordelingen af halm og olie for et 3 MW fjernvarmeværk med en 2 MW halmkedel. Kilde: Videncenter for Halm- og Flisfyring.

Det er også muligt at rense røgen for svovldioxid (SO2), men ligesom for NOx er anlæggene for dyre til, at de halmfyrede

grad, men de fleste steder er anlæggene blevet opgivet efter få års drift. I Høng nord for Slagelse har man imidlertid installeret et helt nyt anlæg til røggaskondensering, som både kan forbedre virkningsgraden med omkring 10% og samtidig fjerne indholdet af svovl. Hvis det bliver en succes, kan det meget vel blive standard på såvel nye som ældre anlæg – især hvis det bliver muligt at fritage anlæggene for svovlafgift, uden at der installeres dyrt og kompliceret måleudstyr.

fjernvarmeværker vil investere i teknologien. Ved at rense røgen for svovldioxid vil man ellers kunne undgå at betale svovlafgift til staten, men det vil kræve investeringer i både afsvovlingsanlæg og måleudstyr, der skal dokumentere, at grænseværdierne overholdes.

Foto: Torben Skøtt/BioPress

Foto: Torben Skøtt/BioPress

Flere anlæg har i perioder udført forsøg med at installere anlæg til røggaskondensering for at opnå en bedre virknings-

Halmlager på Terndrup Fjernvarmeværk. Transporten fra lageret til fyret foregår med en automatisk styret kran. Lageret kan rumme halm til cirka en uges drift i vinterhalvåret.

Aflæsning af halm på Thisted Fjernvarmeværk. Bemærk, at gaffeltrucken er i stand til at at hente de halmballer, der står længst væk på ladet. Med en almindelig gaffeltruck skal aflæsningen ske fra begge sider af vognen.

Halm til energi - status, teknologier og innovation i Danmark 2011

23


Halm til kraftvarme

Δ

Kraftvarmeanlæg baseret på halm er en dansk specialitet. Siden 1980’erne er der brugt betydelige forskningsmidler på at udvikle en teknologi, der gør det muligt at bruge halm på

Foto: Torben Skøtt/BioPress

kulfyrede værker og etablere rene halmfyrede kraftvarmeanlæg.

Et kraftværk består i grove træk af en kedel, et dampkredsløb, en turbine og en elgenerator. I kedlen omsættes brændslet til varme, og energien herfra overføres til et dampkredsløb og videre til turbinen, der er koblet til en elgenerator. Når dampen har passeret turbinen, bliver den kondenseret til vand ved hjælp af kølevand fra havet, inden den igen returneres til kedlen. På et traditionelt kraftværk er det kun 40-45% af brændslet, der omsættes til elektricitet. Resten af energien forsvinder op gennem skorstenen og med kølevandet ud i havet. Et kraftvarmeværk producerer elektricitet på samme måde som et kraftværk, men i stedet for at køle dampen fra turbinen med havvand bruges returvand fra et fjernvarmenet, som dermed bliver opvarmet. Ved både at producere el og varme bliver 85-90% af brændslet udnyttet til energiformål, og da

24

der ikke kræves havvand, kan anlæggene placeres i alle byer, hvor der er et tilstrækkeligt stort varmebehov. I Danmark har kombineret el- og varmeproduktion høj prioritet, også når det gælder kraftværker, der er placeret tæt ved havet. Tidligere var der primært tale om meget store anlæg, placeret tæt på store byer som København, Århus og Odense, men i 1996 indgik Folketinget en energipolitisk aftale, der blandt andet indebar, at der skulle bygges nye decentrale kraftvarmeværker til biomasse, affald og naturgas. Det førte blandt andet til opførelsen af verdens første halmfyrede kraftvarmeanlæg i Haslev i 1989. Siden da er der opført yderligere 10 halmfyrede værker, og i Studstrup ved Århus er et kulfyret kraftværk ombygget, så det kan fyre med en blanding af kul og halm. Udviklingen tog for alvor fart efter 1993, hvor Folketinget vedtog den såkaldte Biomasseplan, der pålagde de centrale

Halm til energi - status, teknologier og innovation i Danmark 2011


Forsknings- og udviklingsindsatsen inden for kraftvarmeanlæg til halm har især været koncentreret om ristefyring, støvfyring, cirkulerende fluid bed anlæg og tilsatsfyring, hvor halm og kul afbrændes i den samme kedel.

HALMHÅNDTERING PÅ VÆRKET Kraftvarmeværkerne håndterer langt større mængder halm end fjernvarmeværkerne. Et anlæg som Fynsværket aftager eksempelvis 150–170.000 tons halm om året, svarende til over 300.000 bigballer. Til at håndtere de store mængder halm er langt de fleste værker udstyret med automatiske kraner, der kan løfte 12 baller ad gangen. Der skal således kun to løft til at tømme en lastbil med anhænger, og da kranen samtidig registrerer både vægt og vandindhold, opstår der sjældent kø ved indgangen til halmlageret. Registrering af vandindholdet foregår ved hjælp af mikrobølger, og en vejecelle på kranen registrerer vægten af hvert løft. Fra halmlageret føres ballerne med kran hen på transportbånd, der sørger for den videre transport hen til opriverne. Antallet af transportbånd kan variere fra værk til værk, men de fleste værker har fire parallelle bånd for at kunne håndtere de store mængder halm.

Foto: Torben Skøtt/BioPress

kraftværker at aftage 1,4 millioner tons biomasse om året, heraf mindst 1 million tons halm. Erfaringerne fra udlandet var på det tidspunkt meget begrænsede og omfattede udelukkende anvendelse af træ som brændsel. Halm til energiproduktion var stort set et ukendt begreb inden for kraftvarmesektoren, så det var nødvendigt at igangsætte et ambitiøst udviklingsog demonstrationsprogram. Programmet har medført, at en række af de børnesygdomme, som prægede de første anlæg op gennem 1990’erne, er historie, og i dag er Danmark et af de førende lande, når det gælder effektiv anvendelse af halm til elproduktion.

Et kik ind i Amagerværkets lagerhal til halmpiller. Halmpillerne bliver knust, inden de blæses ind i kedlen som støv efter samme princip som ved kulfyring.

den ene ende til den anden. En del af halmstråene brænder i rummet over risten, mens andre falder ned på risten, hvor de udbrænder.

STØVFYRING Støvfyrede kraftværksblokke kan ombygges til at fyre med halmpiller i stedet for kul. Det kræver andre lagerfaciliteter, og møllerne skal være i stand til at knuse halmpiller i stedet for kul, men indblæsning af brændslet i kedlen foregår i princippet på samme måde, uanset om der er tale om kulstøv eller halmstøv. Forbrændingen af halm kan give de samme problemer med tilstopning og korrosion af kedlens overhederrør, så det kan være nødvendigt at sænke damptemperaturen for at forlænge kedlens levetid.

RISTEFYRING

CIRKULERENDE FLUID BED

Ristefyring er den mest udbredte teknologi til udnyttelse af halm på de danske kraftvarmeanlæg (se figur 10). Som navnet antyder, foregår forbrændingen på en rist i bunden af fyrrummet. I de fleste tilfælde er der tale om en skrå, vandkølet rist, der vibrerer med jævne mellemrum, hvorved halmen bevæges hen mod askeudtaget. En mindre del af asken (flyveasken) føres igennem kedelanlægget og bliver opsamlet i et posefilter, inden røgen ledes op gennem skorstenen.

I en såkaldt cirkulerende fluid bed (CFB) kedel er det muligt at afbrænde halm sammen med kul. Her foregår forbrændingen i et leje af flydende sandpartikler, og det giver mulighed for at anvende en lavere forbrændingstemperatur end ved tilsatsfyring og ristefyring. Derved reduceres dannelsen af NOx, og

På hovedparten af de ristefyrede anlæg føres halmballerne fra lageret igennem en opriver, hvorefter halmstråene føres ind på risten ved hjælp af transportsnegle. På enkelte af de ældre anlæg fødes ballerne dog direkte ind i kedlen efter det såkaldte “cigarbrænderprincip”. Her foregår der ikke nogen neddeling af halmen, idet ballerne blot brænder fra

det er muligt af fjerne svovl fra røggassen ved at tilføre kalk til kedlen. Fluid bed kedler er fleksible med hensyn til brændselsvalg, men er følsomme overfor aske med lavt smeltepunkt som for eksempel halmaske. Årsagen er, at smeltet aske får sandpartiklerne til at klæbe sammen, så partiklerne ikke længere kan holdes svævende. Derfor kan halmandelen maksimalt udgøre 50%. Ligesom på de ristefyrede forbrændingsanlæg har der været

Halm til energi - status, teknologier og innovation i Danmark 2011

25


Illustration fra rapporten “Bioenergi til el og varme”. DONG Energy og Vattenfall 2007.

Dampturbine

Elgenerator

Fødevandsbeholder

Halmkedel

Posefilter

Snittet halm

Vibrationsrist

Bundaske

Figur 10. Principskitse af ristefyret kraftværksblok på Fynsværket.

mange udfordringer med hensyn til belægningsdannelse og korrosion. Derudover har der også været problemer med mekanisk slid på kedelrørene, men diverse udskiftninger og ombygninger har løst de største problemer. Ved fluid bed forbrænding af kul og halm fremkommer et restprodukt, der ikke kan genanvendes, og det er en meget væsentlig årsag til, at teknologien kun bliver brugt på et enkelt anlæg i Danmark.

Tilsatsfyring blev udviklet i begyndelsen af 1990’erne og blev første gang demonstreret i fuld skala på Studstrupværket uden for Århus. Her blev det dokumenteret, at tilsatsfyring giver en meget effektiv forbrænding, og indholdet af kulstofrester i asken er generelt lavere end ved forbrænding af kul alene. I de første år var der problemer med at afsætte flyveasken, men det problem er nu løst, og i dag er det muligt at bruge asken til fremstilling af både cement og beton. Af hensyn til nyttiggørelse af asken begrænses andelen af halm til 20% af den indfyrede mængde brændsel, svarende til 13% af den indfyrede energi.

TILSATSFYRING

Halmlager på Enstedværket ved Aabenraa. Bemærk kranen, der er i stand til at løfte 12 baller ad gangen.

26

Under udvikling af teknologien med tilsatsfyring var der stor opmærksomhed på risikoen for forøget korrosion i kedlen, som det er kendt fra de ristefyrede anlæg. Det har dog vist sig, at kulasken har en meget gunstig indvirkning på de korrosive bestanddele i halmen. Såfremt halmandelen ikke er for høj, dannes der ikke kloridholdige belægninger i kedlen, og korrosionsrisikoen er derfor begrænset.

Foto: Torben Skøtt/BioPress

Foto: Torben Skøtt/BioPress

Ved tilsatsfyring forbrændes halm sammen med kul i en støvfyret kraftværkskedel. Ved denne løsning skal der ikke etableres et nyt kedel- og turbineanlæg, og anlægsomkostningerne er derfor meget begrænsede i forhold til et ristefyret anlæg. Samtidig er udslippet af skadelige stoffer til atmosfæren begrænsede, da de kulfyrede kraftværker i forvejen er udstyret med effektive anlæg til rensning af røgen.

Halmballerne føres frem til opriverne via transportbånd – også kaldet halmbaner.

Halm til energi - status, teknologier og innovation i Danmark 2011


Foto: Torben Skøtt/BioPress

Studstrupværket ved Århus, hvor man fyrer med en blanding af halm og kul. Erfaringerne har vist, at kulasken har en meget gunstig indvirkning på de korrosive bestanddele i halmen. Såfremt halmandelen ikke er for høj, dannes der ikke kloridholdige belægninger i kedlen, og korrosionsrisikoen er derfor begrænset.

Kombinationen af halm og kul har også en gavnlig effekt på de katalysatorer, der skal reducere mængden af NOx i røggassen. På ristefyrede anlæg bliver katalysatorerne ofte ødelagt af kaliumforbindelser, men ved tilsatsfyring indbindes kalium i kulasken og bliver dermed mindre skadelig.

for, hvor højt man kan nå op, hvis man vil sikre en fornuftig levetid for anlæggene. På de første anlæg var damptemperaturen på omkring 450 °C, men i dag er man nået op på 540 °C. Det har givet en mærkbar forøgelse af elvirkningsgraden, men man er dog ikke helt på højde med de nyeste kulfyrede værker, der har damptemperaturer på 580-600 °C.

UDFORDRINGER En af de største udfordringer ved halmfyrede kraftvarmeværker har været design af de såkaldte overhederrør i kedlen. For at sikre en høj elvirkningsgrad er det nødvendigt, at dampen har tilstrækkelig høj temperatur og tryk, men da halmaske har et lavt smeltepunkt, er der stor risiko for, at der opstår tæringer og belægninger på rørene. På de første anlæg var det ofte nødvendigt at stoppe kedlen med jævne mellemrum for at rense rørene, men på nyere halmanlæg er afstanden mellem overhederrørene så stor, at der er plads til opbygning af en tyk belægning af halmaske. I kombination med sodblæsere er det på den måde lykkedes at forbedre driftstiden for halmfyrede kraftværker. Belægninger ved halmfyring kan være meget aggressive, og problemet stiger med temperaturen, så der er grænser

Der er forsket meget i belægningsdannelse og korrosion ved ristefyring af halm. Det er blandt andet kortlagt, hvordan kaliumklorid fra halm fordamper under forbrændingen og afsættes på overhederrørene. Tilsvarende er korrosionsmekanismerne blevet nøje undersøgt. Overhederrør indeholder jern, krom og nikkel, og det har vist sig, at kloriderne ved høje temperaturer selektivt fjerner krom fra stålet og dermed svækker den mekaniske styrke af rørene. Et indhold af krom på 12-18% har vist sig at give den bedste beskyttelse af rørene. Endelig har der været udført forsøg med at tilføre forskellige additiver til forbrændingen for at reducere korrosionsangrebene. Den teknologi har vist sig at fungere fint ved fyring med træ, men ved halmfyring er askemængderne så store, at forbruget af additiver bliver for højt til, at det er økonomisk rentabelt.

Halm til energi - status, teknologier og innovation i Danmark 2011

27


Emissioner og restprodukter

Δ

En stor del af halmasken indeholder gødningsstoffer, der kan føres tilbage til landbrugsjorden, men der er også tungmetaller, som skal behandles med stor forsigtighed.

Ved alle former for energiproduktion gælder det om at udnytte restprodukterne bedst muligt for på den måde at reducere miljøbelastningen. Ved traditionel kulfyring anvendes asken til produktion af cement og beton, mens gips fra afsvovlingen anvendes til produktion af gipsplader. Ved forbrænding af biomasse afhænger mulighederne for at nyttiggøre asken af den anvendte fyringsteknologi.

Flyveasken udgør cirka 20% af den samlede mængde halmaske, men den indeholder store mængder værdifuld gødning i form af kaliumklorid og kaliumsulfat. Kaliumsaltene frigøres under forbrændingen til røggassen og opkoncentreres derfor i flyveasken. Det samme er dog også tilfældet for tungmetallet cadmium, hvilket medfører, at flyveasken ikke kan opfylde kravene i bioaskebekendtgørelsen. Hos Kommunekemi i Nyborg har man imidlertid udviklet en proces,

Ved ristefyring af halm udtages asken som henholdsvis bundaske fra risten og som flyveaske fra røggassen. Begge typer aske indeholder gødningsstoffer, primært kalium, som afgrøderne har optaget fra jorden. Tilbageføring af asken til land- og skovbruget kan sikre, at en del af gødningsstofferne bliver i kredsløbet, og at der kan spares på importen af kunst-

der gør det muligt at udvinde flydende kaliumgødning fra flyveasken stort set uden indhold af tungmetaller. Gødningsproduktet kan leveres enten til en gødningsproducent eller direkte til landmanden.

gødning. Udspredning af halmaske reguleres efter ”Bekendtgørelse om anvendelse af aske fra forgasning og forbrænding af biomasse og biomasseaffald til jordbrugsformål” – i daglig tale kaldet “bioaskebekendtgørelsen”. Her er der fastsat regler for, hvor store mængder aske der må udspredes pr. hektar, og hvilke krav asken skal opfylde. I dag udspredes bundasken fra de halmfyrede værker på landbrugsjorden, og dermed bliver hovedparten af asken nyttiggjort.

28

Ved tilsatsfyring af halm udgør halmasken kun en mindre del af askemængden – hovedparten er fortsat kulaske. Indsatsen har derfor været koncentreret om at sikre, at den traditionelle nyttiggørelse af asken til beton- og cementproduktion kan bibeholdes, selvom der tilføres store mængder kalium med halmen. I et samarbejde med aftagerne af flyveaske i industrien er det lykkedes at demonstrere, at flyveaske fra tilsatsfyring kan anvendes på lige fod med den kendte kulaske under forudsætning af, at halmandelen ikke er for høj, og/eller der anvendes kul med et lavt indhold af alkali.

Halm til energi - status, teknologier og innovation i Danmark 2011


Foto: Torben Skøtt/BioPress


Halm til bioethanol

Δ

Produktion af bioethanol ud fra halm kan blive et spændende alternativ til anvendelse af halm i kedelanlæg. Teknologien er dog endnu ikke kommercielt tilgængelig, men Danmark

har et af de største pilotanlæg i verden, og der vil formentligt ikke gå mange år, før de første fuldskalaanlæg er i drift.

Anvendelse af halm som brændsel i kedler er i dag den mest gennemtestede teknologi, når det drejer sig om at bruge halm til energiformål. Det er samtidig en af de mest effektive metoder til at opnå en høj virkningsgrad – især hvis der er tale om kedler i forbindelse med kraftvarmeanlæg. Der findes dog andre teknologier, som på sigt kan vise sig at blive lige så interessante som simpel afbrænding. Bioethanol fremstillet ud fra halm kan erstatte benzin og på den måde være med til at reducere transportsektorens udledning af drivhusgasser. Transporten står globalt set for 25% af CO2udledningerne, andelen er stigende, og det har vist sig overordentlig vanskeligt at knække den kurve. Her kan bioethanol være en løsning, især på kort sigt, da det er muligt at blande op til 10% bioethanol i benzinen, uden at det kræver ændringer af motorerne. Fremstilling af bioethanol på basis af korn, majs eller sukkerrør er kendt teknologi. En lang række af disse 1. generationsanlæg er etableret i blandt andet USA og Brasilien, hvor de leverer store mængder bioethanol til erstatning for benzin.

2. GENERATIONS BIOBRÆNDSTOFFER Halm og andre restprodukter kan nemlig godt bruges som råvarer, da de indeholder sukkerstoffer i form af cellulose og hemicellulose. Det er blot mere besværligt, fordi sukkerstofferne er svært tilgængelige. Det kræver en kompliceret forbehandling, hvor halmen varmes op under tryk, ligesom der skal tilsættes enzymer for at nedbryde biomassen. Processen kan sammenlignes med det, der sker, når vi selv indtager føde. Spiser vi for eksempel en kartoffel, er vi ved hjælp af vores spyt i stand til at nedbryde kartoflen til sukkermolekyler, som kroppen efterfølgende kan omdanne til energi. Forsøger vi derimod at spise et halmstrå, kan vi ikke få fat på energiindholdet, på samme måde som man heller ikke kan få fat på sukkerindholdet ved hjælp af gær og de enzymer, der anvendes på 1. generations ethanolanlæg.

Foto: Torben Skøtt/BioPress

Tidligere har der ikke været pålidelige teknologier til forbehandling af biomassen, og enzymomkostningerne har været alt for høje. På begge områder er der imidlertid sket en betydelig udvikling, og danske virksomheder er nu tæt på at kunne levere kommercielle anlæg til produktion af 2. generations bioethanol. Det skyldes ikke mindst DONG Energys datterselskab Inbicon, der har et stort pilotanlæg i drift, samt Novozymes og Genencor, der på verdensplan er førende inden for udvikling og fremstilling af enzymer, som kan omdanne cellulose og hemicellulose til sukker.

Forsøg med fremstilling af bioethanol på Skærbækværket ved Fredericia. Resultaterne herfra er blevet brugt til at etablere et stort pilotanlæg ved Kalundborg.

30

Anvendelse af landbrugsprodukter til produktion af bioethanol har imidlertid været udsat for en betydelig kritik gennem de senere år. Mange frygter, at en massiv anvendelse af bioethanol vil medføre drastiske prisstigninger på fødevarer og forværre sultproblemerne i de fattige lande. Det har ført til en betydelig udviklingsindsats inden for de såkaldte 2. generationsteknologier, hvor produktionen af bioethanol sker på basis af restprodukter fra landbruget og skovbruget.

Generelt kræver produktion af bioethanol en del energi, og derfor vil det ofte være en fordel at integrere processen med andre energianlæg eller industrivirksomheder. Det kan for eksempel være et kraftværk, der i perioder har et stort energioverskud.

Halm til energi - status, teknologier og innovation i Danmark 2011


Produktion af bioethanol medfører en række biprodukter, der kan anvendes til blandt andet foder og brændsel. Hvis anlægget er opført i tilknytning til et kraftværk kan biprodukterne anvendes som brændsel på kraftværket i stedet for kul. Andre restprodukter kan omdannes til biogas, brint, metanol kemikalier eller plastic.

opførte selskabet det første pilotanlæg, og siden da er teknologien blevet udviklet, så man i dag mestrer hele produktionsforløbet fra råmateriale til den færdige bioethanol. Udviklingsindsatsen har dog især haft fokus på forbehandling af biomassen, hvor selskabet i dag er blandt de førende i verden. Arbejdet er foregået i samarbejde med iværksætteren Børge Holm Christensen og danske vidensinstitutioner som Risø DTU samt Københavns Universitet.

INBICONS ANLÆG I KALUNDBORG I november 2009 kunne DONG Energys datterselskab Inbicon indvie et anlæg ved Kalundborg, der på årsbasis kan omdanne 30.000 tons halm til bioethanol, foder og brændselspiller. Ifølge Inbicon er der tale om et af verdens største anlæg til produktion af 2. generations biobrændstoffer, men der er dog ikke tale om et produktionsanlæg i traditionel forstand. Skal der være økonomi i den type anlæg, skal man op på en kapacitet på omkring 500.000 tons halm om året, så det primære formål er at kunne videreudvikle teknologien og sælge licenser til andre projekter rundt om i verden.

BIOGASOL Det danske udviklingsselskab BIOGASOL har udviklet et andet dansk koncept til produktion af bioethanol, hvor biprodukterne foruden fast biobrændsel også omfatter gasformige brændsler i form af metan og brint. Princippet i processen er vist i figur 12. Først gennemføres en termisk forbehandling af halmen under tilførsel af ilt, hvorefter biomassen nedbrydes ved hjælp af enzymer. Den efterfølgende fermentering udføres i to trin, hvor det første trin omsætter cellulose, og det andet trin omsætter hemicellulose til bioethanol. I processens afsluttende trin føres procesvand og rester af biomasse til en reaktor, hvor der produceres metan og brint.

En af de helt store udfordringer har været udviklingen af en teknologi, der gør det muligt at foretage en kontinuerlig indfødning af halmen i en reaktor, hvor der er et tryk på 15 bar og en temperatur på omkring 185 grader. Her bliver halmen forbehandlet, hvorefter den nedbrydes til sukkerstoffer ved hjælp af enzymer. Resten af processen minder om et traditionelt 1. generationsanlæg, hvor det centrale i processen er gærceller, der omdanner sukker til bioethanol (se figur 11).

Et pilotanlæg med betegnelsen Maxi-Fuel blev indviet i september 2006 på Danmarks Tekniske Universitet, og der er planer om at etablere et større pilotanlæg til 200 millioner kroner på Bornholm i 2011.

DONG Energy har forsket i bioethanol siden 1990’erne. I 2003

Halm

Helsæd

Vådoxidering

Forbehandling Vand

Enzymer

Fibre

Damp Separation

Enzymer Biobrændsel

Forflydning

El og varme

Illustration: Inbicon

Kraftvarmeværk Destillation

Ethanol

Fermentering SFF

Flydende fibre Gær

Illustration: Danmarks Tekniske Universitet

C5 melasse

Fermentering Biogasreaktor

Fermentering

Figur 11. Principskitse af Inbicons ethanolproduktion.

Figur 12. Principskitse af Biogasols ethanolproduktion.

Et af de centrale elementer er forbehandling af halmen, der foregår ved et tryk på 15 bar og en temperatur på omkring 185 grader. Anlægget er opført i tilknytning til et kraftværk, så overskudsvarmen kan bruges til fremstilling af ethanol, og kraftværket kan udnytte en del af biomassen fra ethanolanlægget som brændsel.

Ved Biogasols forbehandling “åbnes” biomassen ved trykkogning i en svag syre- eller baseopløsning. Derved bliver sukkerkæderne tilgængelige for den videre behandling med enzymer og/eller fermentering. BioGasol har endvidere udviklet en genmodificeret termofil mikroorganisme, der er i stand at omsætte C5 sukker til ethanol, hvilket øger ethanoludbyttet fra halm med 30-40%.

Halm til energi - status, teknologier og innovation i Danmark 2011

31


Fra halm til gas

Δ

I Kalundborg har DONG Energy opført et stort forgasningsanlæg, hvor halmen først omdannes til gas, inden den brændes af på et eksisterende kraftværk. Hvis det bliver en suc-

ces, kan det ende med at blive fremtidens teknologi til udnyttelse af de mere problematiske biobrændsler som halm og gyllefibre. En anden mulighed er at bruge halm i biogasanlæg, men erfaringerne på det område er forholdsvis begrænsede.

I en cirkulerende fluid bed forgasser (CFB) omsættes biomassen til gas, hvorefter gassen kan afbrændes i en kraftværkskedel. På den måde kan asken holdes ude af fyrrummet, og det giver mulighed for at udnytte en lang række forskellige biobrændsler, uden at der opstår kraftige og korrosive belægninger i kedlen. Systemet kan for eksempel benyttes til samfyring af halm og affald i eksisterende kulkedler, da de forskellige typer aske holdes adskilt og dermed kan genbruges hver for sig. Traditionelle CFB forgassere forudsætter dog typisk temperaturer på 850-900 °C, og derved er der stor risiko for, at asken smelter, når der anvendes biomasse fra landbruget, ligesom

Primær cyklon

Sekundær cyklon

Gas

høje koncentrationer af fordampede askekomponenter kan give problemer, når gassen afkøles og renses. I Danmark har Danish Fluid Bed Technology derfor udviklet en særlig udgave af anlægget med det ikke særlig mundrette navn Lav Temperatur Cirkulerende Fluid Bed (LT- CFB). Her omsættes biomasse til gas ved en temperatur, der ligger lige under askens smeltepunkt, og det gør anlægget velegnet til blandt andet afgasning af halm. Ligesom i en traditionel CFB-forgasser føres biomassen ind i et reaktionskammer, hvor det hurtigt varmes op ved hjælp af sand- og askepartikler, der cirkulerer rundt i anlægget (se figur 13). I LT-CFB forgasseren er det primære reaktionskammer mindre, og temperaturen er sænket, da hensigten er at opnå en hurtig pyrolyse og ikke den mere tidskrævende forgasning af koks. Da der ikke er ilt til stede, bryder biomassen ikke i brand, men omdannes til cirka 80% pyrolysegas og 20% koks. Kokspartiklerne bliver forgasset ved tilførsel af luft og eventuel vanddamp i en særskilt koksreaktor.

Pyrolysegas

Konceptet blev første gang testet i et lille forsøgsanlæg på Danmarks Tekniske Universitet i år 2000. Tre år senere blev der etableret et 500 kW anlæg, der kan forgasse op til fire tons brændsel i døgnet, og for nylig har DONG Energy startet et seks MW demonstrationsanlæg op i Kalundborg, hvor gassen skal udnyttes på et nærliggende kraftværk.

Koksrest

Aske

650 °C

Halm

730 °C

Pyrolysereaktor

Koksreaktor

Luft

Figur 13. Sådan omdannes halm til gas i en LT-CFB forgasser.

32

I LT-CFB forgasseren tilføres halmen i bunden af pyrolysekammeret, hvor det opvarmes til cirka 650 °C. Da der ikke er ilt til stede, bryder halmen ikke i brand, men omdannes i stedet til 80% pyrolysegas og 20% koks. En strøm af cirkulerende sandpartikler river kokspartiklerne med sig, hvorefter de udskilles af en primærcyklon og recirkuleres til bunden af pyrolysekammeret via en reaktor, der omdanner koksen til gas. Ved forgasning af koksdelen i et separat kammer er det muligt at holde procestemperaturerne lave, så asken ikke smelter. Derved kan asken inklusive alkalisalte og fosfor skilles fra, så man får en gas, der ikke forårsager belægninger og korrosion. Den næringsrige aske kan efterfølgende genbruges som gødning.

Halm til energi - status, teknologier og innovation i Danmark 2011


BILLIG OG FLEKSIBEL LØSNING LT-CFB forgasseren er forholdsvis enkel i sin opbygning, og derfor er anlægsomkostningerne væsentlig mindre end for andre typer forgasningsanlæg. Samtidig har anlægget vist sig at være utrolig fleksibel, hvad angår valg af brændsel. I tidens løb har der således været gennemført vellykkede forsøg med: • • • • •

Træ, men kun kortvarigt, da træbrændsler også kan indfyres direkte i kedelanlæg. Flere slags halm, herunder halm med et betydeligt indhold af aske-, kalium og klor. Flere slags gyllefibre fra biogasanlæg. Flere slags tørret gødning fra høns og svin. Tørrede restfibre fra produktion af fortykkelsesmidler fra citrusskaller og tang.

Kunsten består i at kunne styre temperaturen i forgasseren, så man aldrig kommer op på det niveau, hvor asken begynder at smelte – det er lykkedes i alle forsøgene. Under de seneste forsøg på Danmarks Tekniske Universitet har det vist sig muligt at rense gassen i en cyklon, afkøle den til 300 °C og derefter foretage en yderligere rensning i et posefilter. Her er det vigtigt, at aske og tunge tjærestoffer ikke kondenseres i hverken køler eller filter. Posefiltrering af den meget tjæreholdige gas åbner mulighed for at anvende gassen i naturgasfyrede anlæg og i kedler, der udelukkende er beregnet til forgasningsgas. Uden posefiltrering vil gassen primært kunne anvendes på kulfyrede kraftværker. Et kort forsøg med tjærekrakning af den filtrere-

de gas viser dog, at forgasseren med tiden også vil kunne anvendes til processer, der kræver en tjærefattig gas.

FRA GAS TIL FLYDENDE BRÆNDSTOF En af de helt store udfordringer i et fremtidigt energisystem baseret på vedvarende energi er at få indpasset elproduktionen fra solceller og ikke mindst de mange vindmøller, der kommer til at stå for halvdelen af elproduktionen i 2050. Det kræver superfleksible kraftværker, og det er her, forgasningsanlæggene har sin helt store styrke. De fleste forgasningsanlæg kan hurtigt skrue op og ned for effekten, og gassen kan omdannes til flydende brændstof i form af methanol, der blandt andet kan bruges som brændstof i bilerne. I perioder med megen vindkraft kan man således lade forgasningsanlæggene producere lagerstabile brændstoffer til transportsektoren, og omvendt kan man i perioder med meget lidt sol og vind bruge en større mængde biomasse til elproduktion. I dag bruges methanol især som frostvæske, opløsningsmiddel og i den kemiske industri, men det kan også bruges i forbrændingsmotorer, ligesom det kan anvendes til brændselsceller.

HALM I BIOGASANLÆG Mange biogasanlæg bruger i dag energiafgrøder til produktion af gas, og flere anlæg er blevet opmærksomme på, at halm måske kan blive en fremtidig råvare til produktion af biogas. Energiudbyttet ligger ganske vist kun på cirka 60% af det udbytte, man kan opnå ved afbrænding, men gassen har langt flere anvendelsesmuligheder, og næringsstofferne bliver ført tilbage til landbrugsjorden sammen med det kulstof, som ikke blev omsat i anlægget.

Foto: Torben Skøtt/BioPress

Problemet har hidtil været, at det kan være besværligt at få blandet halmen op med gylle, men der bliver løbende udviklet nye indfødningssystemer, som letter håndteringen, ligesom der også findes forskellige forbehandlingsteknologier, der kan øge gasudbyttet med omkring 50%. En af de mere kendte teknologier er trykkogning, som også bliver brugt til produktion af 2. generations bioethanol, men der bliver også forsket i mekaniske processer, hvor halmen komprimeres så hårdt, at der nærmest sker en eksplosion. Fordelen ved det system er, at det er langt mindre energikrævende end trygkogning.

Forgasningsanlægget i Kalundborg, hvor halmen omsættes til gas, inden den brændes af på det nærliggende kraftværk.

Halm til energi - status, teknologier og innovation i Danmark 2011

33


POMI Industri ApS www.pomi.dk

e-mail: pomi@pomi.dk

A g r o l i n e

CVR. nr.: 25263383

Fasterholt Maskinfabrik A/S Ejstrupvej 22 7330 Brande Tlf.: 9718 8066 www.fasterholt.dk

Hovedprodukter er: • Vandingsmaskiner til det professionelle markbrug • Halmballesamlevogne til efterspænding på presseren til både firkantede og rundballer

• •

FarmerTronic Industries A/S Nyskovvej 13 6580 Vamdrup Tlf.: 7692 0200 www.farmertronic.com

Udvikler og producerer fugtighedsmålere til landbrug og industri. Til professionelle brugere tilbydes en kalibreringsprocedure der sikrer at Instrumenterne lever op til de strengeste krav, som er reflekteret i kraftvarmeværkers kvalitetsstyringssystemer.

Guldhammer Engineering Aps Gl. Silkeborgvej 33, Ø. Velling 8920 Randers NV Tlf.: 8646 1462 www.guldhammer.net

Produktion af halmvogne til professionel transport af alle typer storballer.

Johs. Randløvs Maskinfabrik A/S Vroldvej 49 8660 Skanderborg Tlf.: 8652 1022 www.randloev-maskin.dk

Produktion af halmvogne til professionel transport af bigballer.

Parkland Maskinfabrik A/S Vejlemosevej 14 4160 Herlufmagle Tlf.: 5764 2105 www.parkland.dk

Produktion af ballesamlevogne, til at efterspænde storballepresser, således man får en hurtig og effektiv indsamling af storballer ved den efterfølgende fragt fra marken. Vognene kan også udstyres med vægt for vejning af ballerne.

POMI Industri ApS Abildvadvej 5, Thorup 9610 Nørager Tlf.: 9855 2000 www.pomi.dk

Produktion af ballesamlevogne, til at efterspænde storballepresser, således man får en hurtig og effektiv indsamling af storballer ved den efterfølgende fragt fra marken. Vognen kan samle alle typer firkant-baller.

Supertech Agroline Hestehaven 5 5400 Bogense Tlf.: 6481 2000 www.supertech.dk

Producerer udstyr til måling af fugtighed og temperatur i hø, halm, ensilage og træflis, med måleområde fra 8,5% til 60% vand.

C. F. Nielsen A/S Solbjergvej 19 9574 Bælum Tlf.: 9833 7400 www.cfnielsen.com

34

Mekaniske og hydrauliske presseanlæg til fremstilling af briketter. Træ- og agroprodukter som strå forvandles til værdifulde biomassebriketter. Komplette produktionslinjer til fremstilling af briketter af alle former for træ, agroprodukter herunder strå, miscanthus, risskaller m.fl.

Forskning, rådgivning, brancheorg. etc.

Energiudnyttelse

Holder lokale landbrugscentres konsulenter ajour med den nyeste faglige viden om markdriften, samt udvikler værktøjer til styring af planteproduktionen. Ny viden produceres gennem Landsforsøgene®, FarmTest og i samspil med forskningen, og formidles fortrinsvis gennem landbrugsInfo.dk og landmand.dk.

Konvertering

Videncentret for Landbrug Agro Food Park 15 8200 Århus N Tlf.: 8740 5000 www.vfl.dk

Forbehandling

Beskrivelse

Kontaktdetaljer

Logistik

Logo

Produktion

Virksomheder med kompetencer inden for anvendelse af halm til energiformål

Halm til energi - status, teknologier og innovation i Danmark 2011


Lin-Ka Maskinfabrik A/S Nylandsvej 38 6940 Lem St. Tlf.: 9734 1655 www.linka.dk

Producerer og udvikler biomasseanlæg til produktion af varme eller damp. Disse anlæg er komplette anlæg indeholdende kedel, halmopriver samt halmbane.

• • •

Passat Energi A/S Vestergade 36, Ørum 8830 Tjele Tlf.: 8665 2100 www.passat.dk

Producerer fuldautomatiske biobrændselsanlæg fra 140-1000 kW til bl.a. halm. Har teknologi og knowhow til at håndtere halm i stor-skala industriløsninger til blandt andet 2. generations bioethanolanlæg, både vedrørende kedler og logistik.

• • •

Skelhøje Maskinfabrik A/S Møllegårdsvej 52 8600 Silkeborg Tlf.: 8695 1590 www.skelhoje.dk

Producent af halmkedler for opvarmning til landbrug og industri.

Alcon A/S Frichsvej 11 8464 Galten Tlf.: 8666 2044 www.alcon.nu

Fremstilling af manuelle fyringsanlæg til alle typer biobrændsler, stålskorstene, akkumuleringstanke samt mindre kedler til fyring med halmballer og anden fast brændsel med underforbrænding og modstrøms forbrænding. Forhandler også stokeranlæg til de fleste brændselstyper.

• •

Faust Vester Fjordvej 2 9280 Storvorde Tlf.: 9831 1055 www.faust.dk

Faust arbejder især med udvikling og produktion af flis og halm kedler, både manuelle og automatiske, med fokus på høj energiudnyttelse af brændslerne og med kedelydelser på 150 kW til 1,5 MW.

• •

Kaas Staalbyg A/S - KF Halmfyr Hjulmagervej 12-16 9490 Pandrup Tlf.: 9618 3232 www.kaasstaalbyg.dk

Udvikler og producent af større halmfyringsanlæg med manuel indføring. Alle typer har høj virkningsgrad og er DTI godkendte mht. overholdelse af gældende normer for CO2. Disse danskproducerede anlæg kan alle håndtere et stort vandindhold, hvilket sikrer en stabil fyring.

• •

Overdahl Kedler ApS Hjallerupvej 21 9320 Hjallerup Tlf.: 9828 1606 www.overdahl.dk

Arbejder især med at producere stoker og kedler, herunder stoker til forbrænding af affaldskorn, træpiller, flis etc., evt. kombineret med fast brændsel i form af træstykker og/eller halm.

• •

REKA Vestvej 7 9600 Aars Tlf.: 9862 4011 www.reka.com

Fremstiller både manuelle kedler og fuldautomatiske fyringsanlæg til udnyttelse af de fleste former for faste brændsler (biobrændsel), bl.a. automatiske anlæg fra 10-6.500 kW for halm, træflis, spåner, savsmuld, piller, kul samt korn og afrens.

• •

Scanboiler Varmeteknik A/S Vangvedvænget 1 8600 Silkeborg Tlf.: 8682 6355 www.scanboiler.dk

Speciale inden for salg og dimensionering af biobrændelsesanlæg, hvad enten det drejer sig om træpiller, flis, fastbrændsel eller halm, med kedler fra 10,5 kW til 600 kW. Scanboiler kan ligeledes være behjælpelige med sol- og jordvarmeanlæg.

• •

Halm til energi - status, teknologier og innovation i Danmark 2011

Forskning, rådgivning, brancheorg. etc.

Energiudnyttelse

Konvertering

Forbehandling

Beskrivelse

Logistik

Kontaktdetaljer

Produktion

Logo

35


Danske Halmleverandører

Forskning, rådgivning, brancheorg. etc.

Energiudnyttelse

Konvertering

Forbehandling

Beskrivelse

Logistik

Kontaktdetaljer

Produktion

Logo

Aarhus Universitet Institut for Biosystemteknologi Blichers Allé 20 8830 Tjele Tlf.: 8999 1900 www.agrsci.au.dk

Forskning i maskinteknologier og metoder til bjærgning, høst og håndtering af halm og energiafgrøder. Gennemfører test af halmfyringsanlæg, der omfatter bestemmelse af nyttevirkningsgrad samt måling af røgens indhold af ilt, kulilte, støv mm.

AgroTech A/S Agro Food Park 15 8200 Århus N Tlf.: 8743 8400 www.agrotech.dk

Viden om: • Halmudbytter i forskellige afgrøder og halmressourcer i et geografisk område samt halmkvalitet til forbrændingsformål. • Teknik til bjærgning og transport af halm fra mark til aftager.

Con Terra Niels Pedersens Allé 2 8830 Tjele Tlf.: 8999 2540 www.conterra.dk

Målrettede, geografisk baserede oversigter og statistikker, fx til dokumentering af markedsanalyser og forundersøgelser, på basis af opdaterede offentlige registre, fx over halmproduktionen på basis af data om afgrødevalg på markniveau.

Dansk Fjernvarme Merkurvej 7 6000 Kolding Tlf.: 7630 8000 www.danskfjernvarme.dk

Interesseorganisation for de danske fjernvarmeværker. 62% (svarende til 1,6 mio.) af de danske husstande opvarmes med varme fra Dansk Fjernvarmes medlemsværker. Medlemmerne tæller både små, lokale fjernvarmeværker, og de helt store firmaer som DONG (www.dongenergy.dk) og Vattenfall (www.vattenfall.dk).

Danske Halmleverandører Axeltorv 3 1609 København V. Tlf.: 3339 4990 www.danskhalm.dk

Privat leverandørforening, der har til formål at tjene medlemmernes interesser. Der følges tæt med i de politiske rammer for anvendelsen af halmen, holdes tæt kontakt med aftagerne af halmen, samt følges med i udviklingen af nye teknologier til udnyttelse af halmen.

Landbrug og Fødevarer Axeltorv 3 1609 København V. Tlf.: 3339 4000 www.lf.dk

Erhvervsorganisation, hvis formål er at varetage fælles opgaver og erhvervsmæssige interesser for landmænd og fødevarevirksomheder, inklusive alt fra produktion af biomasse til bioenergi, energibesparelser og energiafgifter.

KU-life - Skov & Landskab Købehavns Universitet Rolighedsvej 23 1958 Frederiksberg C Tlf.: 3533 1500 www.sl.life.ku.dk

Grundforskning vedrørende anvendelse af halm til energi, omfattende emner som genetisk variation og udvælgelse, halmens struktur og kemiske sammensætning, enzymatiske interaktioner, bæredygtighedsproblematikker, samt bioraffinering.

PlanEnergi Jyllandsgade 1 9520 Skørping Tlf.: 9682 0400 www.planenergi.dk

Planenergi tilbyder rådgivning i alle faser af anlægsetableringen, herunder forstudier, planlægning, design, ansøgninger, udbudsmateriale samt tilsynsopgaver.

Beskæftiger sig med forskningsprojekter og andre aktiviteter vedrørende analyser og analysemetoder, forbehandlings- og konverteringsteknologier som fx enzymatisk hydrolyse og forgæring, samt massebalancer.

Instituttets kompetencer omfatter ressourceopgørelser, logistik og håndtering, organisering af leverancer, etablering af halmfyrede anlæg fra gård- til kraftværksstørrelse, forbrændingsteknologi og anden konvertering samt håndtering af restprodukter.

Risø DTU Nationallaboratoriet for Bæredygtig Energi

Danmarks Tekniske Universitet Frederiksborgvej 399 4000 Roskilde Tlf.: 4677 4677 www.risoe.dtu.dk Teknologisk Institut Kongsvang Alle 27 8000 Aarhus C Tlf.: 7220 2000 www.teknologisk.dk

36

Halm til energi - status, teknologier og innovation i Danmark 2011


Foto: Flemming Nielsen/Story2Media


Noter

Δ

________________________________________________________________________

____________________________________________________________________________ _____________________________________________________________________________ _____________________________________________________________________________ _____________________________________________________________________________ _____________________________________________________________________________ _____________________________________________________________________________ _____________________________________________________________________________ _____________________________________________________________________________ _____________________________________________________________________________ _____________________________________________________________________________ _____________________________________________________________________________ _____________________________________________________________________________ _____________________________________________________________________________ _____________________________________________________________________________ _____________________________________________________________________________ _____________________________________________________________________________ _____________________________________________________________________________ _____________________________________________________________________________ _____________________________________________________________________________ _____________________________________________________________________________ _____________________________________________________________________________ _____________________________________________________________________________ _____________________________________________________________________________ _____________________________________________________________________________

38

Halm til energi - status, teknologier og innovation i Danmark 2011


_____________________________________________________________________________ _____________________________________________________________________________ _____________________________________________________________________________ _____________________________________________________________________________ _____________________________________________________________________________ _____________________________________________________________________________ _____________________________________________________________________________ _____________________________________________________________________________ _____________________________________________________________________________ _____________________________________________________________________________ _____________________________________________________________________________ _____________________________________________________________________________ _____________________________________________________________________________ _____________________________________________________________________________ _____________________________________________________________________________ _____________________________________________________________________________ _____________________________________________________________________________ _____________________________________________________________________________ _____________________________________________________________________________ _____________________________________________________________________________ _____________________________________________________________________________ _____________________________________________________________________________ _____________________________________________________________________________ ____________________________________________________________________________ _____________________________________________________________________________

Halm til energi - status, teknologier og innovation i Danmark 2011

39


Som resultat af en målrettet og visionær politik om innovative teknologier til konvertering af halm til energi, der blev sat i gang som en reaktion på oliekrisen i 1973, indtager Danmark i dag en førende, international position på markedet. I dag anvendes halm i vid udstrækning som biobrændstof i centrale og decentrale kraftvarmeværker, mens halm i de første år primært blev brugt til egen produktion af varme på gårde. Samtidig tilbyder nye teknologier, såsom pyrolyse og produktion af 2. generations biobrændstoffer, nye perspektiver i at give halm en mere fleksibel rolle i fremtidens energiforsyning, kombineret med andre vedvarende energikilder, og i at opfylde kravet om klimavenlige brændstoffer i transportsektoren. Denne pjece gør status over brugen af halm til energiformål i Danmark og giver en gennemgang af teknologier, politikker og innovative løsninger. Den indeholder også en liste over virksomheder og organisationer med særlige kompetencer og teknologier i forsyningskæden for halm til energi, lige fra produktion, logistik og indledende behandling til konvertering og udnyttelse, under hensyntagen til forskellige discipliner såsom produktion af udstyr, rådgivning, forskning og innovation.

Halm til energi - status, teknologier og innovation i Danmark 2011  

Halmpjece med fokus på halm til energi