Sand ger turboeffekt i kraftverk
Forskare på Chalmers har upptäckt att en viss typ av bäddmaterial ökar effektiviteten och sänker drifts- och underhållskostnaderna kraftigt vid förbränning av sopor och biomassa.
Upptäckten av hur metalloxiders syrebärande förmåga kan användas i pannor med fluidiserade bäddar har verifierats och skalats upp från forskarnas labb till kommersiell verklighet på rekordtid.
Under hela vintern, från november 2014 till maj 2015, har chalmersforskarna och Eons personal gjort långtidsförsök med ett nytt bäddmaterial i en av Sveriges modernaste kraftvärmeverk, Händelöverket i Norrköping.
I en av de fem pannorna på Händelöverket, P14, en fluidbäddspanna på 75 megawatt, ersattes den normala kiselsanden med ett ilmenitbaserat bäddmaterial. Bäddmaterial i form av sand behövs för att sprida ut värmen och effektivisera förbränningen av avfall och biomassa.
Järntitanoxiden ilmenit och andra metalloxider har en stor fördel jämfört med vanlig sand: de kan bära med sig syre från platser inuti förbränningskammaren som har syreöverskott, till förbränningspunkter där det är ont om syre. När syrebärande bäddmaterial virvlar runt med bränslet blir resultatet att syret sprids jämnt i kammaren.
– Det ger en mängd positiva effekter i ett enda slag, som testerna i Norrköping bekräftar. Förbränningen blir jämnare och effektivare. Pannans verkningsgrad ökar. Utsläppen av kolmonoxid blir radikalt lägre, och askbeläggningarna i pannan minskar, säger Fredrik Lind, doktor i energiteknik och projektledare från Chalmers sida.
– Vi vet nu att vi kan sänka drifts- och underhållskostnaderna kraftigt, sannolikt i de flesta av de tusentals kraftvärmeverk som idag är i drift internationellt, säger han.
Exakt hur stora vinsterna blir är för tidigt att säga, men att det rör sig om en betydligt förbättrad vinstmarginal årligen för varje panna står redan klart.
Eon hoppas kunna gå över till det nya ilmenitbaserade bäddmaterialet i två pannor i Norrköping redan under 2015, men har fler anläggningar på tur. Eon kommer också att använda den erfarenhet som byggts upp genom åren för att erbjuda ett servicekoncept som möjliggör övergång till det nya bäddmaterialet.
– Detta är den största förbättring som jag har varit med om. Lite som att sätta turbo på processen, säger Bengt-Åke Andersson, adjungerad professor i förbränningsteknik och Eons tekniske projektledare, som har arbetat med fluidbäddsteknologi under lång tid.
– En av vinsterna är att kunna elda svåra bränslen som riktigt svåra avfall. Det kommer att bli en vardag i framtiden om vi ska klara våra klimatmål, säger Fredrik Lind.
Idén till att pröva metalloxider som bäddmaterial fick professor Henrik Thunman från ett helt annat projekt, där ilmenit användes som katalysator för att rena gas från tjära i Chalmers biomassaförgasare. Plötsligt hade han hittat en lösning på ett problem som hade gäckat Chalmers forskare i årtionden: Hur slippa oförbränt bränsle i en vanlig panna? De första vetenskapliga resultaten publicerades i juni 2013. Sedan dess har forskningen rört sig snabbt mot att bli omsatt i verklig tillämpning.
– Detta visar hur viktigt det är att ha en kritisk massa av forskare och att snabbt kunna skala upp grundläggande och tillämpade resultat. Konceptet är en avknoppning från mer än hundra manår av forskning och de erfarenheter som vi har byggt upp på Chalmers inom energiteknik över 10-15 år, säger Henrik Thunman.
Vinterns fullskaleförsök är det senaste i en lång rad testkörningar som har skett under två-tre års tid, först i Chalmers egen kraftcentral och sedan 2014 parallellt i Eons kommersiella anläggning. Avgörande för framgången har varit att Chalmers har världens största forskningspanna, men också själva samarbetsformerna i sig som Chalmers har utvecklat ihop med Eon sedan 2007. Idag arbetar Chalmers på liknande vis med drygt tio andra globala företag.
– Vi arbetar alltid med konkreta hållbarhetsutmaningar i fokus. Det kräver systemtänk och multikopplad samverkan. Då kan långsiktiga utmaningar hanteras i konkreta samarbetsprojekt där forskning, utbildning och nyttiggörande ingår, säger Stefan Bengtsson, rektor och vd för Chalmers, och fortsätter:
– Arbetssättet ger en stabil förankring mellan Chalmers och vår industriella partner som gynnar skapandet av ny kunskap och ger snabb innovationshastighet. Vi kan förnya och vara snabbrörliga tillsammans.
Eon bekräftar den här bilden.
– Många års forskning ligger till grund för kunskapen som utvecklats i samarbetet mellan Chalmers och Eon. Utan den löpande nära kontakten och Chalmers grundläggande förståelse för industrins behov hade vi inte nått dit där vi är idag. Med den erfarenhet som byggts upp under åren tar Eon nu steget från lyckad forskning till kommersialisering och ger marknaden tillgång till en lösning som gynnar miljö och ekonomi, säger Fredrik Rosenqvist, chef för Business Innovation på Eon Sverige.
Resultaten av fullskaleförsöken publiceras vetenskapligt inom kort.
Fakta: Forskningspannan värmer Chalmers
I Chalmers egen kraftcentral finns världens största panna för forskningsändamål, en 14 meter hög cirkulerande fluidbäddspanna på tolv megawatt. Storleken är i princip industriell, men forskningspannan kan man bland annat öppna på åtskilliga ställen för att ta prover på härden för kemisk analys.
Förutom att fungera som laboratorium producerar den tillräckligt årligen för att försörja Chalmers campus på Johanneberg i Göteborg med värme. Pannan drivs av Akademiska Hus i samarbete med Göteborg Energi. Från Göteborg Energis sida ligger huvudintresset i att skapa ett forskningsmässigt stöd till Gobigas-projektet på Hisingen, där Göteborg Energi producerar biogas direkt från fast biomassa.
Fakta: Bäddmaterial i en CFB-panna
I en cirkulerande fluidiserad bädd, CFB, skapas en cirka 850 grader Celsius het ökenstorm av bränsle och bäddmaterial genom att förbränningsluften blåses genom pannan nerifrån. De fasta partiklarna antar ett vätskeliknande tillstånd och fyller förbränningsrummet. Partiklar som når toppen skiljs av i cyklonen, återvinns från rökgasen på väg ner och återförs i botten på pannan. Bäddmaterialet håller värmen jämn, och fungerar ungefär som heta stenar i en eldstad.
Denna typ av panna är vanlig i moderna kraftvärmeverk som använder olika former av biobränslen. En tumregel säger att det krävs sex kilo kiselsand per producerad megawattimmar. En kommersiell panna på typiskt hundra megawatt gör av med 10-15 ton sand per dygn, som i regel läggs på deponi efter användning.