Global research surveys

Below is a brief survey of the current status of biomass gasification in the world (in Swedish):

Omvärldsanalys av biomasseförgasning

Rikard Gebart, Hassan Salman, Magnus Marklund (ETC, Box 726, 941 28 Piteå)

Marcus Öhman (Energiteknik, LTU, 971 87 Luleå)

Thord Jonsson (IVAB, Box 702, 941 28 Piteå)

Ann-Britt Edfast (Sveaskog, Furunäsvägen 102 A, 941 52 Piteå)

I denna sammanställning beskrivs nuläget kring förgasning av biomassa.

Nuläge

Kolförgasning

Andelen kol och petroleum utgör 90% av de använda råvarorna i förgasare i världen [GTC 2008]. Kolförgasning har utvecklats sedan andra världskriget för drivmedelproduktion genom Fischer-Tropsch processen. Processen har använts i Sydafrika och utvecklats vidare under apartheidtiden när landet var satt under blockad. Idag står denna process för 30% av landets drivmedelsbehov. Orsakerna till framgången på kolförgasningssidan är många:

- Billig råvara

- Finns i många länder och i mängder som räcker för energibehovet i världen i mer än 150 år. Speciellt i USA räcker landets egna koltillgångar till för att via förgasning och Fischer-Tropsch fullständigt tillfredställa det inhemska behovet av drivmedel.i över 200 år. Kina har också en liknande situation med stora inhemska koltillgångar.

- Enkelt att sönderdela till små fraktioner med liten partikeldiameter(< 100 mm)

- Enkelt att mata som pulver eller slurry

Amerikanska DOE räknar med både miljömässiga och effektivitetsmässiga fördelar med kolförgasning gentemot kolförbränning. Kolförgasning ger en elverkningsgrad som kan vara upp till 50% med dagens teknik jämfört med ca 30% vid förbränningsanläggningar. DOE räknar med ännu högre verkningsgrad i framtiden genom att använda syntesgasen i bränsleceller eller hybrider av bränsleceller/gasturbin. Miljömässigt är det lättare att avskilja svavel och andra farliga ämnen (t.ex. kvicksilver) i en förgasningsanläggning. Emissioner av NOx och SOx kan även kontrolleras effektivare. Vid kolförgasning med O2 kan man enklare lagra CO2 eftersom CO2 finns koncentrerat och vid högt tryck. Energisäkerhet genom att minska oljeberoende och användning av inhemska resurser är ett annat argument som många amerikanska forskare hävdar.

De ekonomiska fördelarna med kolförgasning hävdas starkt genom att visa den låga prisutveckling på kol gentemot olja samt att investeringskostnaderna vid kol till drivmedel(coal to liquid CTL) är hälften av kostnaderna vid biobränslekonvertering (biofuel to liquid) [WCI 2006].

Det finns många tillverkare av kolförgasare i världen, delvis beroende på att det pågår en mycket kraftig utbyggnad av kolförgasning, framförallt i Kina där man tar i drift c:a 3 nya förgasare per år. En av de ledande tillverkarna, tyska Uhde, meddelade på en konferens i oktober 2008 [2008 GTC Conference] att man under perioden jan-aug 2008 tecknat 18 kontrakt på stora förgasare. Kina har också tillverkande företag och egenutvecklad teknologi. Choren som är känd för sin biobränsleförgasningsteknik har också kontrakt för att bygga två anläggningar för kolförgasning i Kina på 500 MW vardera [Peters 2008]. Även om Kina och USA är de ledande länderna på kolförgasning (IGCC och CTL) så planeras många nya anläggningar i Europa. Idag finns det fyra IGCC-anläggningar i Europa med en total effekt på ca 1100 MW. Dock planeras fem nya anläggningar med total effekt på 3600 MW [Higman 2008].

Den nuvarande höga efterfrågan på kolförgasning gör att de stora förgasarleverantörerna är mer intresserade av att leverera lösningar för kolförgasning än att konvertera sin teknik till biobränsleförgasning. Orsaker som logistiken för samling och transport av biobränslen samt inhomogenitet i bränslesorterna är några exempel på vad som anges som hinder för biobränsleförgasning.

Klimatdebatten och politiken

Debatten om människans påverkan på klimatet har intensifierats och de flesta vetenskapsmän och politiker är överens om att utsläppen av växthusgaserna pga av människiga aktiviteter är en av faktorerna. Ett antal överenskommelser och avtal har slutits pga denna diskussion och Kyotoavtalet har ratificerats av de flesta länderna i världen. I den andan har EU tagit fram ett antal mål för att nå målen i Kyotoavtalet. I ett antal dokument såsom Vita pappret 1997, gröna pappret 2001 och direktiv för biodrivmedel 2003 har EU kommissionen angett ett antal mål som syftar till minskade utsläpp av växthusgaser genom ökad användning av biobränsle. För biodrivmedel gäller målet på 5,75% av energianvändningen i EU-länderna år 2010. Även om 5,75% verkar vara en liten siffra så ska man betänka att år 2000 var enbart 0,26% av drivmedel av förnyelsebart ursprung.

Dessa mål i samband med andra incitament gör att de stora förgasarleverantörerna har börjat agera. Den väg man har valt är dock att blanda in en liten andel biobränsle i kolförgasare. Nuon som äger Buggenum-anläggningen anger följande tekniska begränsningar med biomassa i deras förgasare som är baserad på Shells teknologi [se Nuon]:

- Processen kräver ett lager av smälta som enbart kan åstadkommas med kol med tillsatt flussmedel. När det gäller bränslemix krävs det minst 50% kol för att få tillstånd en fungerande process. I praktiken använder man i Buggenum bara maximalt 12% inblandning av andra bränslen än kol [se Nuon].

- Biomassa har lägre energitäthet än kolet och därför krävs större volym av bränslet för att få samma effekt. Kvarnar och bränsletransportsystemet är också begränsande faktorer.

Sasol har testat inblandning av 9% bark och returpapper i kolet till en kolförgasare [Tail 2006]. Resultatet av dessa försök visar på vissa svårigheter såsom lägre stabilitet i förgasare, högre CO2-utsläpp och högre belastning av matningssystemet eftersom man behöver mata mer material (högre matningshastighet).

Förgasning av biomassa

Trots den mognad som kolförgasning har hunnit nå så är biobränsleförgasning fortfarande i ett utvecklingsstadium. Figur 1 visar att enbart 2% av de råvaror som används för förgasning i världen är biomassa. Det finns ett 50 tal leverantörer av biomassaförgasare i Europa, USA och Kanada, vilka har identifierats i en inventering som gjorts på uppdrag av EU [Maniatis 2001]. Dessa levererar olika tekniker:

- 75 % fastbädd nedströmsförgasare

- 20 % fluidiserad bädd förgasare

- 2,5 % fastbädd uppströmsförgasare

- 2,5 % andra typer av förgsare.

Maniatis hävdar att ingen leverantör kunde lämna fullständiga garantier för sina förgasningsleveranser. Han drar slutsatsen att det finns för lite erfarenheter på området och att förtroendet för tekniken är lågt som ett resultat av dåliga prestanda av olika prototyper. Denna uppfattning delas med andra forskare [Zuberbuhler et al 2005]. Zuberbuhler konstaterar att ingen av de då förslagna processerna för biomassaförgasning uppfyller kraven på syntesgas produktion. Dock har de senaste åren visat på ett antal lyckade projekt i Europa såsom Güssing i Österrike (fluidiserad bäd), Värnamo och Chemrecs svartlutförgasare i Piteå.

En annan teknik som har utvecklats de senaste åren är Chorens CarboV Process. Det tyska bolaget producerar biodiesel som marknadsförs under namnet "SunDiesel" via Fischer-Tropsch processen. I CarboV processen används en tvåstegs förgasare. I det första steget "förkolas" biobränslet (fukthalt på 15-20%) i en lågtemperatur förgasare (pyrolys). Den tjärrika gasen skickas till en högtemperartur förgasare där temperaturen stiger till ca 1400 °C genom syrgasförbränning. Koksen som bildas i första steget blåses in i gasströmmen där den förgasas i endotermiska reaktioner som sänker gastemperaturen till 800 °C. Gasen går därefter genom ett antal reningssteg innan den går genom en katalytisk process för drivmedelproduktion. Företaget meddelar att deras beta-anläggning i Freiberg ska producera 15000 t/år Sundiesel [Peters 2008].

Småskalig biobränsleförgasning utvecklas även i Asien. I Indien verkar ett antal leverantörer och förgasarutvecklare. Förgasaranläggningar på 10-500 kWel levereras både till landsbygden och till industrin [Salman 2008]. De fastbäddförgasar som är i drift i industrin fungerar bra och vissa av dem har varit i drift i tusentals timmar. Dock finns vissa brister i tekniken som gör att det svårt att tillämpas dessa i Europa såsom beroende av manuell drift och utsläpp av tjära i vattendrag eller avlopp.

Projekt i Världen

Nedan följer en kort sammanställning över de mest relevanta pågående eller planerade förgasningsprojekt för biomassa som pågår i Världen utom Norden.

Karlsruhe BIOLIQ (2006-)

I Karlsruhe har Lurgi och Forschungszentrum Karlsruhe GmbH en trycksatt pilotanläggning för medströmsförgasning av bio-slurries och en efterföljande FT-syntes till bio-diesel. Förgasaren (3 MWth) körs på syrgas vid 30-100 bar och 1200 C (ovan askans smälttemperatur).

Carbona/GTI Chicago (2007-)

Andritz/Carbona har tillsammans med GTI modifierat en FB pilotanläggning (Flex-Fuel Test Facility - FFTF) utanför Chicago i USA för produktion av FT-diesel. I projektet deltar också UPM Kymmene.

Choren Freiberg (2008-)

Choren har uppfört världens första BTL anläggning i Freiberg, Tyskland. Tekniken är en trestegs process där det första steget är en direkt lågtemperatur pyrolys. I det efterföljande steget bryts de flyktiga tjärkomponenterna som bildats under pyrolysen ned i en brännkammare. Därefter sammanförs den bildade heta gasen med koksen från första steget i en endoterm slutförgasning där den slutliga produktgasen bildas. Av produktgasen tillverkas sedan deras Sundiesel. Anläggningen förväntas producera 15000 m3 varje år.

Güssing (2001-)

I Güssing, Österrike, har Institute of Chemical Engineering och Austrian Energy & Environment AG en FB förgasningsanläggning på ~10 MW. Allmänt är anläggningen känd som FICFB (Fast Internal Circulating Fluidized Bed) där grund tanken är att fysiskt separera förgasningen och förbränningen. Förgasningen sker indirekt i en stationär ång-fluidiserad bädd som är sammankopplad med förbränningszonen i form av en snabbt fluidiserad bädd. I förbränningsdelen så förbränns den oförgasade delen av bränslet som transporteras med bäddmaterialet. Bäddmaterialet som värmts upp i förbränningsdelen används sedan i förgasningsdelen.

Projekt i Norden

Nedan följer en kort sammanställning över de mest relevanta pågående eller planerade förgasningsprojekten för biomassa som pågår i Norden.

Växjö-Värnamo CHRISGAS (2004-2009)

En demonstrationsanläggning för förgasning av biomassa, med bränsleeffekten 18 MW, byggdes av Sydkraft i Värnamo under 1990-talet. Ett omfattande försöks- och utvecklingsprogram genomfördes vid anläggningen under perioden 1996-2000, finansierat av EU och nergimyndigheten. Tekniskt var projektet framgångsrikt men anläggningen var för liten för kommersiell drift utan fortsatt finansieringsstöd. Förgasaren och förgasningstekniken är dock fortfarande intressant för framställning av syntesgas för produktion av biodrivmedel varav en omstart av anläggningen delvis tog fart inom EU-projektet CHRISGAS (Clean Hydrogen Rich Synthesis Gas). Bolaget VVBGC (Växjö Värnamo Biomass Gasification Centre) bildades för att äga och driva anläggningen där stora investeringar för att bygga om anläggningen till produktion av syntesgas för drivmedelsframställning är beslutade. Anläggningen är en trycksatt, luftblåst CFB-förgasare (cirkulerande fluidbädd) designad för maximalt 30 bar och 1000 °C. Efter ombyggnad för syntesgasproduktion ska ånga och syrgas användas istället för luft och förgasaren ska arbeta vid 10-15 bars tryck. Efter förgasaren ska gasen renas och kylas varpå vätgas och kolmonoxid ska produceras i en ångreformer. Därefter följer vattengasskiftreaktion och hydrogenerering innan syntesgasen är färdig. Projektet har dock lagts i malpåse i nuvarande form p.g.a. uteblivet industriellt intresse. Dock får Växjö Universitet använda fyra miljoner kronor av redan beviljade medel (beslut 2006) för att fortsätta verksamheten kring förgasning i Värnamo. Därmed kan arbetet med att hitta industriella parter fortsätta året ut.

Värmlandsmetanol (2011-)

VärmlandsMetanol planerar att i Hagfors bygga världens första kommersiella förgasningsanläggning (teknik okänd) för produktion av metanol (träsprit) av skogsråvara. Metanolen skall användas som motorbränsle för bilar genom inblandning i bensin. Fabriken är avsedd att framställa 300 000 liter metanol per dygn, och är kostnadsberäknad till 2 miljarder kronor. Den kommer också att förse Hagfors kommun med fjärrvärme. Driftstart är planerad till 2011. Mark har förvärvats för fabriken i Hagfors kommun. Arbete med detaljplan pågår. Mer information om Värmlandsmetanol finns på http://www.varmlandsmetanol.se/

Chalmers, 2009-

Vid Chalmers har man kompletterat en 12 MW CFB för fjärrvärmeproduktion med en 2 MW indirekt förgasare till en tvåstegsprocess i form av två fluidiserade bäddar med sand som bäddmaterial (liknande Güssings teknik). Poängen med att hänga förgasaren på den befintliga pannan är att man kan utnyttja den 900-gradiga värmen från den fluidiserande sandbädden i pannan i förgasningsprocessen.

GoBiGas (2011-)

Göteborg Energi planerar en uppskalning av Chalmersförgasaren ovan till 100 MW. Förgasningsanläggningen är planerad att byggas i två etapper, där den första etappen (ca 20 MW) byggs under åren 2009-2011. Den andra etappen (ca 80 MW) är planerad att byggas under åren 2013-2015.

StoraEnso/Neste Oil Varkaus (2008-)

StoraEnso och Neste Oil går tillsammans in i ett demonstrationsprojekt (€14.000.000) för produktion av värme, elektricitet och rå bio-diesel vid Stora Ensos Varkaus fabrik i Finland. Efter demonstrationsfasen planeras en fullstor anläggning vid någon av StoraEnsos fabriker.

Carbona, Skive (2005-)

Carbona har en 2 bars luftblåst 20 MWth fluidbäddsförgasare i Skive, Danmark, med pellets som råvara. Anläggningen ägs av Skive Fjernvarme och levererar kraftvärme. Eftersom förgasaren är luftblåst är den inte lämplig för drivmedelsyntes.

Referenser

DOE; 2008; http://fossil.energy.gov/programs/powersystems/gasification/index.html

GTC (Gasification Technology Consul); GASIFICATION; Redefining Clean Energy, GTC 2008

Higman C.; European Gasification Projects, FutureGen WorkshopTokyo, 25th February, 2008

Maniatis K.; Progress in Biomass gasification; An Overview, Progress in Thermochemical Biomass Conversion, Av A. V. Bridgwater (Editer) Publicerad av Blackwell Publishing, 2001, ISBN 0632055332

Nuon http://www.nuonpower.nl/www_en/home/content_home.html, oktober 2008

Peters C. CHOREN Industries: Company Presentation, Purdue University, vår 2008

Salman H.; Förgasningsteknik för värme och kraftproduktion i Indien (STEM - Programmet för småskalig uppvärmning med biobränsle), ETC-rapport 2008-02

WCI (World Coal Institute); Coal: Liquid Fuels, http://www.worldcoal.org/pages/content/index.asp?PageID=4282006

Zuberbuhler et al; Gasification of biomass- An overview of available technologies 1st European Summer School on Renewable Motor Fuels, München 2005.