Man kan minska koldioxidutsläppen genom att använda mindre bränsle i förbränningskraftverk. För att göra det men ändå bibehålla nivån på produktionen av el och värme behöver förbränningsprocesserna effektiveras.
Text: Nicklas Hägen
FÖRBRÄNNING AV fossila bränslen – olja, kol, torv och naturgas – står för största delen av världens koldioxidutsläpp. Enligt en nästan helt enig forskarkår är därför en minskning av fossila bränslen ett viktigt steg i att komma åt klimatförändringen.
Hur detta görs bäst är öppet för debatt. Sol- och vindkraft är på det stora hela fria från föroreningar, men är en lång väg från att räcka till så länge elektricitet inte kan lagras i tillräckligt stor mängd. Vattenkraft kräver ingrepp i vattendrag som har konsekvenser för den lokala ekologin, och delar därför åsikterna. Kärnkraft kräver uranutvinning och ger ett avfall som är problematiskt i en så lång tid att det är omöjligt att ens börja gissa sig till vad som kunde gå fel.
Över en tredjedel av den i Finland producerade elektriciteten framställdes år 2016 genom förbränning av olika slags bränslen. Dels av fossila bränslen som kol, torv, olja och naturgas, men också förnybara bränslen som biomassa och avfall. Eftersom man i Finland använder kraftvärmeverk som utnyttjar värmen från förbränningen som fjärrvärme och stadigt ökar andelen förnybara bränslen, sköter landet sin bränslepolitik rätt väl vad gäller koldioxid.
Men det finns ändå behov av utveckling. Dels bildas det alltid koldioxid när man eldar – också förnybara bränslen. Dels är behovet av nya lösningar stort på ett globalt plan. Att förbränna miljövänligt är därför ett viktigt forskningsområde.
– Där finns ett stort utrymme för förbättring. Av den energi som finns i de bränslen vi använder i dag lyckas man göra cirka 30–35 procent till elektricitet, resten blir värme och olika förluster, säger Patrik Yrjas, akademilektor i oorganisk kemi vid Åbo Akademi.
– När man kombinerar el- och värmeproduktionen i kraftverk kan man utnyttja upp emot 90 procent av energin, men värmen behövs inte på alla ställen i världen och är ofta ett svinn. Därför är det elektriciteten som är det kritiska.
Det enda sättet att förhindra koldioxidutsläpp vid förbränning är att aktivt rena bort dem, vilket är både dyrt och komplicerat att göra. Att effektivera förbränningen är därför ett mera realistiskt alternativ, och ett som också ligger i industriernas intresse.
– Då du får ut maximal effekt av din förbränning minskar du samtidigt också koldioxidutsläppen, eftersom du behöver bränna mindre för att nå samma effekt, säger Bengt-Johan Skrifvars, verksamhetsledare för projekt inom det till Åbo Akademi kopplade Resurscenter för matematik, naturvetenskap och teknik i skolan.
– Det finns i princip tekniska lösningar för att rena koldioxid ur utsläppen, men att använda dem kostar så mycket att konsumenten inte är beredd att betala det elpris det orsakar. Ekonomin kommer in i bilden och då pratar vi inte bara företagens ekonomi, utan hela samhällets. Vi är alla kopplade till det genom vår konsumtion av el.
Nya bränslen – nya utmaningar
Det finns en stor förbränningskunskap i Finland. Eftersom landet saknar ett ”stort” eget bränsle som olja eller vattenkraft, har det funnits en vilja att använda det mesta man har kommit över som har kunnat ge el och värme.
Men erfarenheten visar snabbt att det inte går att bränna vad som helst utan att stöta på problem. Med ”fel” sorts bränsle riskerar pannorna att stocka igen eller rosta sönder. Ett annat problem är att olika material brinner bäst i olika temperaturer, vilket gör att man riskerar att inte få ut allt man kunde få ur det. Och så finns det naturligtvis risker för direkt giftiga utsläpp, till exempel kvävedioxid eller dioxiner, om man bränner i fel temperatur.
– Man har blandat allt saligt i pannan, vilket sedan har medfört anläggningsproblem. Anläggningarna har stockat igen på grund av korrosion, beläggningar och så vidare, säger Skrifvars.
Han tillägger att målet är att utnyttja allt avfall så långt det går inom olika cirkulärekonomiska kretslopp, så att man till slut bara eldar upp det sista ”bottenslasket”.
– Men det här är också det som är det värsta att bränna. Och eftersom kraftverkets effektivitet är beroende av den producerade ångans temperatur, så kommer vi igen tillbaka till de här frågorna: Kan vi hålla en så hög ångtemperatur som vi vill utan att pannan rostar sönder vart tredje år? Och kan vi göra det utan att förorsaka en massa andra miljöproblem, som för höga kvävedioxidutsläpp eller dioxiner?
Blandningar i pannan
Det pågår en ständig jakt på nya bränslen, vilket gör att processerna hela tiden behöver ses över och forskningen hållas uppdaterad. Dels vill man kunna använda energiskog bättre, dels utnyttja avfall och rester till bränsle. Till exempel har cellulosaindustrin många restprodukter som man inte kan göra cellulosa av.
En del av de här bränslena är mera besvärliga än andra. Samtidigt är det inte lönsamt att transportera biobränslen mer än cirka 200–300 km för förbränning, vilket gör att kraftverken får nöja sig med det de får.
– Det finns inte längre kraftverk som går på fasta bränslen, som bränner bara en sorts bränsle. Det är alltid blandningar. Utifrån analyser och forskning försöker vi optimera blandningen på bränslet, så att den är så bra som möjligt, säger Yrjas.
– Genom att mata in rätt mängder av olika bränslen kan man undvika många problem, till exempel korrosion. Det handlar om optimering, där man med hjälp av olika mätningar och jämförelser, analyser och experiment söker sig fram till den bästa mixen av bränsle. Man bränner oftast inte bara ett eller två bränslen, utan flera.
Vi tar grot som exempel. Grot är spill från skogsavverkning – grenar, kvistar och stubbar – som industrin inte har någon större nytta av och därför ofta används som bränsle. Men om bränsleblandningen innehåller grot, kan det leda till problem.
– Groten innehåller element som kalium och klor, och när den brinner bildas korrosiv kaliumklorid. Den här lägger sig på ytorna och korroderar sönder kraftverkets värmeväxlare, de så kallade överhettarna, säger Yrjas.
– Temperaturerna på överhettarnas ytor är rätt höga, närmare 450–500 grader, ibland kanske lite högre beroende på vilket biobränsle man bränner. Den här temperaturen vill man höja för att få en högre effektivitet, men när man höjer den för högt får man problem med korrosion.
Yrjas hänvisar till Juho Lehmustos doktorsavhandling i oorganisk kemi vid Åbo Akademi. Lehmusto visar hur kaliumklorid reagerar då den får stål att börja rosta.
– Kaliumet börjar sedan reagera med stålets kromat till kaliumkromat, medan kloret hittar ner till stålet och börjar plocka järn ur stålet. Så korroderar det, säger Yrjas.
– Det här sker på alla ställen där kaliumklorid når en stålyta i temperaturer runt 500 grader Celsius – oberoende av om du eldar grot, matrester med salt i sig eller cellulosaindustrins avfallslut, som också kan innehålla kaliumklorid. Eller om du råkar åstadkomma en bränsleblandning där ett bränsle tillför kalium och det andra klor. Då hittar de varandra i eldstaden och vi har samma problem igen. Och då talar vi för exemplets skull bara om två ämnen, men det finns massor som kan ställa till med problem i förbränningen så det blir väldigt fort en mycket komplex helhet.
För att förbättra hållbarheten hos kraftverken kan man tillsätta lite svavel. Detta gör att kaliumet inte bildar klorider, utan mindre korrosiva sulfater. I stället för att tillsätta rent svavel kan man tillsätta ett annat bränsle som i sig innehåller svavel, till exempel kol eller torv.
– Det här är förstås inte bra med tanke på att man vill minimera koldioxidutsläppen, men om man överhuvudtaget vill göra det möjligt att bränna grot behöver man kanske lägga med lite kol. Och det är ändå betydligt bättre att bränna grot med lite tillsatt kol än att bränna rent kol, säger Yrjas.
– Det finns också andra bränslen, till exempel avfall eller slam från städernas vattenreningsverk, som innehåller svavel eller andra bra ämnen.
Kräver det här att man vid kraftverken kontinuerligt analyserar det man bränner?
– Egentligen. Men med erfarenhet lär sig operatörerna vad de ska titta på, till exempel väteklorid- eller svavelemissionerna. Värdena kan antyda om bränslemixen är bra eller dålig, säger Yrjas.
Politiken styr
När det någon gång runt millennieskiftet blev aktuellt att minska på koldioxidutsläppen var det i princip en fortsättning på begränsningarna av svavel och kväve, som sysselsatt forskarna genom nationella forskningsprogram och industrisamarbeten sedan 1980-talet. Visserligen har målsättningarna för forskningen ändrat, men viljan att få ut så mycket som möjligt av det man bränner är bestående.
Kemiteknikerna vid Åbo Akademi har varit starkt involverade i forskningen. Bland föregångarna fanns bland annat nuvarande rektor Mikko Hupa, som skrev sin doktorsavhandling om beläggningar i ångpannor 1980.
Skrifvars jämför dagens behov att minska koldioxidutsläppen med när man på 1970-talet insåg att man blev tvungen att begränsa utsläppet av bly. Blyhalterna i luften steg stadigt tills amerikanerna började övergå från blyhaltig bensin till blyfri.
– Ingenjörerna hade med en mun deklarerat att övergången från blyhaltig bensin till blyfri är omöjlig. Jag är själv ingenjör och talar varmt för ingenjörskap, men om man låter oss bestämma ser jag nog att vi kan vara ganska fyrkantiga, säger Skrifvars.
– Vad var det då som hände på 1970-talet? Ja, inte var det så att man från industrin kom på att börja rena bort blyet, utan det kom politiska incentiv och gränser. Så man ska inte underskatta politikens möjlighet att påverka genom beslut.
Statistik: energia.fi/ajankohtaista_ja_materiaalipankki/tilastot/sahkotilastot.
Så fungerar ett kraftvärmeverk
Kraftvärmeverk producerar el och värme. Det finns flera olika förbränningstekniker, till exempel pulvereldning, rostereldning och fluidiserade bäddar. Vid ämnet oorganisk kemi vid Åbo Akademi har man studerat alla dessa tekniker, men främst fokuserat på fluidiserade bäddar. Dessa bygger på att man eldar ett bränsle i en sandbädd, som kan vara ”bubblande” eller ”cirkulerande”. Sanden behåller värmen bättre, och är i fluidiserade bäddar kring 900–1000 grader Celsius.
Schema över avfallsförbränningsanläggning. Bild: Valmet Technologies Oy.
Förbränningen startas med startförbrännare. I sanden i bottnen blåser man in luft underifrån, vilket får sanden att börja bubbla och bli som en vätska. När temperaturen uppnått cirka 400 grader påbörjas inmatningen av bränslet i bädden.
Aska och heta rökgaser stiger upp genom pannan och når en överhettare, som innehåller vattenånga som leds tillbaka mot värmekällan under tryck för att tillföra ytterligare energi till ångan. Ångan går vidare till en turbin som driver en generator som i sin tur skapar elektricitet. Ju högre temperatur på ångan, desto högre effektivitet på kraftverket. Den resterande värmen tas tillvara som fjärrvärme.
I biokraftverk är ångans temperatur kring 500 grader.
– Tumregeln är att tio grader högre ångtemperatur ger två procentenheter högre effektivitet på pannan. Det betyder ganska mycket, det är stor skillnad på om man har 30 eller 32 procents effekt i kraftverket, säger Yrjas.
– Men om du höjer temperaturen till närmare 550 grader eller högre får du problem med korrosion eller andra problem. Så det är hela tiden en balans mellan hur hög effekt man vill ha och hur hög korrosionshastighet man kan acceptera.
Skrifvars tillägger att rören är dyra.
– Priset är horribelt när man går från ett vanligt material som stål till ett ädlare material som håller bättre, det stiger i tiopotenser. Och det är tiotals kilometer med överhettarrör i ett kraftverk, så man sitter nästan och räknar metrar.
Biofficiency
Åbo Akademi deltar i Biofficiency, ett EU H2020-projekt som pågår 1.11.2016–31.10.2019. Projektets mål är att utveckla högeffektiva, av biomassa drivna kraftvärmeverk med låga utsläppsnivåer.
– Vår roll är att göra korrosionsexperiment med material som är typiska i kraftverk. Tanken är att vi ska använda bränslen som anses vara besvärligare än normalt. Biomassan som vi bränner i Finland är ganska bra – det är bark och grot, som nu börjar anses som bra bränsle. Utmaningarna kommer ute i Europa där man bränner mera halm och andra rester, säger Patrik Yrjas.
– Vi fokuserar på forskningen i fluidiserade bäddar tillsammans med Valmet och teknologiska forskningscentralen VTT. Andra partners tittar mera på pulvereldade pannor, en annan sorts teknik.
I projektet deltar förutom nämnda parter DONG Energy, Energy research Centre of the Netherlands, Laborelec, Metsä Fibre, Mitsubishi Hitachi Power Systems Europe, National Technical University of Athens, Technical University of Denmark, Technical University of Munich.
Vissa parter inom projektet är sådana som Åbo Akademi samarbetat med länge. Forskningen bygger nämligen vidare på kunskaper och kontakter som man arbetat fram i tidigare projekt, nu senast till exempel CLIFF (Clustering Innovation Competence of Future Fuels in Power Production) och EU-finansierade OnCord (Online Corrosion Diagnostics).
– Vi har ofta haft konkurrenter som suttit vid samma bord, de samarbetar gärna om du arbetar med tillräckligt grundläggande frågor. Det är när du börjar utveckla något som ska bli en produkt som samarbetet upphör.