Forgasning og pyrolyse i fremtidens energiforsyning

Senest opdateret d. 13/4-2012
FORCE Technology
Resultatkontrakt 2013-2015 under temaerne Energi og Materialeteknologi
Torben Lorentzen
Forsknings- og Udviklingschef

Forgasning af biomasse og pyrolyse af affald er to centrale teknologier for at gøre Danmark fri af fossile brændsler og sikre en højere genanvendelse af affald. Visionen indebærer, at gas fra forgasning eller pyrolyse, skal fødes ind i naturgasnettet, hvor der stilles høje krav til gassens renhed. Målsætningen, for FORCE Technology er, med afsæt i vore kompetencer indenfor materiale-, procesteknologi og CFD analyser, at bistå industrien med udvikling af teknologier, der sikre den nødvendige renhed af den gas, der udvindes ved forgasning af biomasse og pyrolyse af affald.

FORGASNING OG PYROLYSE I FREMTIDENS ENERGIFORSYNING

Institut: FORCE Technology

Kontaktperson: Torben Lorentzen

Ny viden og serviceydelser
FORCE Technology vil indsamle og anvende viden om metoder til at opnå den nødvendige kvalitet og renhed af gas fra termisk forgasning og pyrolyse af biomasse og affald. Fokus vil være på både rensningsteknologier, der sikrer den renest mulige gas fra kilden.
Konkret vil indsatsen resultere i:

  • Udvikling af et videnberedskab om tekniske og økonomiske forhold inden for forgasnings- og pyrolyseprocesser, således man på designstadiet kan forudsige og sikre optimal gaskvalitet fra kilden
  • Udvikling af et videnberedskab for gasrensningsteknologier inkluderende teknologiske og økonomiske performanceindikatorer
  • Udvikling af målemetoder og måleudstyr, der kan forbedre styringen af forgasningsprocesserne og som kan indgå i regulering af anlægget samt medvirke til at opretholde en konstant og høj gaskvalitet
  • Udvikling af CFD-metoder til modellering af forgasnings- og pyrolyseteknologiers dynamik, der kan anvendes i forbindelse med detaljeret design og opskalering for at sikre den renest mulige gas
  • Udvikling af processimulatorer, der kan anvendes i forbindelse med procesudvikling og træning af driftspersonale, således der sikres den bedst mulige gaskvalitet

Som en del af udviklingen vil teknologileverandører blive inddraget i forbindelse med udvikling af teknikkerne, der efterfølgende kan benyttes bredt i den fremadrettede udvikling af danske forgasningsteknologier til gavn for målgruppen.
Eksempler på serviceydelser er:  

  • Teknisk og økonomisk rådgivning omkring procesparametre og teknologivalg i forbindelse med opskalering af forgassere og design af gasrensningsenheder
  • Måling af driftsforhold og gaskvalitet for konkrete anlæg med efterfølgende rådgivning om forbedring af drift og gaskvalitet
  • Rådgivning i forbindelse med design og optimering af gasrensningsteknologier (f.eks. posefiltre, cykloner, våd-skrubbere, etc.) i lyset af kritiske produktgaskomponenter (partikler, tjære samt alkali-, svovl- og nitrogenforbindelser)
  • Rådgivning i forbindelse med detaljeret design af forgasnings- og pyrolyseprocesser baseret på CFD-modellering
  • Kursusaktiviteter i forgasningsteknologi og gaskvalitet og metoder til at opretholde gaskvaliteten.
  • Simulatorbaseret træning af driftpersonale med henblik på at sikre optimale processer og gaskvalitet.
  • Betjening af dansk netværk med nyeste internationale viden

Følgende produkter forventes udviklet og tilbudt målgruppen:

  • Densitetssensor, der in-situ kan måle densitetsfordeling (bed-højde/materialefordeling/densitet) i reaktoren og bruge dette som grundlag for regulering (baseret på f.eks. røntgen- eller ultralydsteknologi
  • Sensor, der kosteffektivt kan måle de gaskomponenter, som er mest kritiske for gassens renhed og bruges til regulering af anlægget

Centrale aktiviteter
Følgende aktiviteter er centrale for udvikling af ovennævnte serviceydelser og teknologier:

  • Kortlægning og analyse af eksisterede forgasnings- og pyrolyseteknologier med fokus på gaskvalitet
  • Udvikling af målemetoder og -udstyr til proceskontrol med udgangspunkt i aktørernes dokumenterede behov
  • Udvikling af CFD- og procesmodeller af forgasnings- og pyrolyseprocesser og afprøvning og kalibrering af modellen op mod eksisterende forgasningsanlæg

Rationale for indsatsen
Termisk forgasning af biomasse og pyrolyse af affald er to af de centrale teknologier, der skal medvirke til at opfylde visionen om at gøre Danmark fri af fossile brændsler og sikre en højere genanvendelse af affald. Pyrolyse af både husholdningsaffald og specifikke affaldsfraktioner rummer et stort potentiale mod at kunne sikre betydeligt større kemisk genanvendelse til produktion af nye materialer. Visionen indebærer, at gas fra forgasning eller pyrolyse kan fødes ind i naturgasnettet, hvor der stilles høje krav til gassens renhed. Gas-rensning er derved en central kompetence for danske anlæg!
Et oplæg til en national handlingsplan for F&U aktiviteter inden for termisk forgasning fra 2011 peger på et stort behov for at gennemføre udviklingsaktiviteter, der forbedrer renheden af produktgasserne. Oplægget er udarbejdet af FORCE Technology på vegne af Dansk Industri (DI), EUDP og Energinet.dk og er baseret på interviews med et bredt udsnit af branchen.
Leverandørvirksomhederne er overvejende SMV’er. Aktiviteten understøtter behov i hele forsyningskæden for modellering, højteknologisk design, styringsløsninger og målemetoder, så energisystemet kan opnå den ønskede fleksibilitet frem mod omlægning til vedvarende energi.
Den nyeste viden om termisk forgasning hjemtages især via FORCE Technology' rolle som dansk repræsentant i IEA Bioenergy Task 33 Thermal Gasification of Biomass samt gennem internationale projekter, konferencer og besøg på parallelle initiativer i vore nabolande og endeligt via aktivitetens samarbejdsrelationer.

Mulige samarbejdspartnere
Leverandører af forgasningsteknologier, herunder: Weiss, BioSynergi, B&W Vølund og Pyroneer.
Universiteter og vidensinstitutioner, herunder: DGC, DTU, Internationale eksperter i IEA mv.

14 kommentarer

Herunder er indlæg og kommentarer fra interessenter på aktiviteter og aktivitetsforslag.

Keg
Mandag d. 21/5-12 kl. 11:31

Med forgasningsanlæg kan der hurtigt skrues op og ned for elproduktionen, og hvis der ikke er brug for strømmen, kan gassen konverteres til flydende brændstoffer og syntetisk naturgas. Det giver en hidtil uset fleksibilitet og mulighed for at indpasse en stor mængde vindkraft i energisystemet. Det er derfor essentielt at der indsamles og fremskaffes viden om metoder til at opnå den nødvendige kvalitet og renhed af gas fra termisk forgasning og pyrolyse af biomasse og affald.

Erik B. Winther
Mandag d. 21/5-12 kl. 15:25

De nævnte serviceområder giver god mening i forhold til de behov kommende anlægs-/og driftsansvarlige har, når de skal beslutte at etablere et forgasnings- eller pyrolyseanlæg.
Det må anbefales, at FORCE skaber mulighed for at involvere sig i en række aktiviteter, der giver en praktisk og solid erfaring med disse anlægskoncepter. Selv om der fokuseres meget på gaskvalitet, kommer man ikke uden om at skulle forstå de grundlæggende forhold i hovedprocesserne. Det vurderes som vigtigt, men ikke tilstrækkeligt at gennemføre den (under centrale aktiviteter) nævnte videnopbygning "Kortlægning og analyse af eksisterede forgasnings- og pyrolyseteknologier med fokus på gaskvalitet".
Det kunne være interessant at læse, hvorledes FORCE forestiller sig at komme i gang med de praktiske aktiviteter, som gasrensnings-, måle- og CFD/processimulerings-aktiviteterne skal hænge sammen med.
De danske aktører har primært udviklet teknologier til biomasse og enkelte biomasseoverskudsprodukter, som FORCE har deltaget i udviklingen af i en række projekter. Undertegnede bekendt, har FORCE dog ikke ambitioner mhp. decideret teknologiudvikling, men har gennem andres teknologiudvikling opbygget en betydelig viden om de udfordringer denne type aktiviteter indebærer.
Konvertering af affald i bredere forstand, er et område som eksisterende danske teknologier kun dækker i begrænset omfang. Da FORCE netop på dette område har en særlig kompetence, kunne det anbefales prioritere dette område, fordi det er stort, komplekst og har stor samfundsmæssig betydning. Behovet for denne viden vil hænge direkte sammen med, hvordan man politiske vælger at strukturere affaldssektoren og gøre op med den særdeles veludbyggede affaldsforbrændingsteknologi.
Teknologi til forgasning og pyrolyse af affaldsfraktioner vil sandsynligvis blive leveret af store udenlandske leverandører, hvorfor FORCE nødvendigvis behøver at tilegne sig viden om relevante teknologier gennem en deltagelse i de potentielt mest interessante.
Med venlig hilsen
Erik B. Winther

Anders Evald
Mandag d. 21/5-12 kl. 16:24

Tak for konstruktive kommentarer.

Mht. at indsamle solide praktiske erfaringer fra forgasningsanlæggene, så er en af de ideer vi arbejder med, at genoplive det tidligere opfølgningsprogram, netop for at disse erfaringer bliver opsamlet, bearbejdet og videreformidlet.

Mht. affald, så har du helt ret i at det er særdeles interessant, og at det vil være givtigt at aktivere danske virksomheder mere på dette område. Særligt for fraktioner i grænseområdet mellem biomasse og affald er der potentialer, f.eks. for at reducere investeringer og forbedre effektivitet sammenlignet med affaldforbrænding, og mulighed for at indrette processerne så aske og slagge har bedre muligehd for at kunne bruges f.eks. i recikulation af næringsstoffer.

Mvh.

Anders Evald
Mandag d. 21/5-12 kl. 17:22

Tak for gode kommentarer.

Et interessant aspekt ved udviklingen af systemer, hvor man både kan bruge gassen til el (og varme) og til flydende brændsler/syntetisk naturgas er økonomi. Begge koncepter involverer betydelige investeringer, og derfor bliver der hurtigt fokus på, at f.eks. gasrensning ikke bare er effektiv men også billig.

Mvh.
Anders Evald, FORCE Technology

Ole Kristensen
Fredag d. 25/5-12 kl. 14:54

Forgasning af biomasse er en forholdsvis enkel proces, idet der normalt er tale om homogene brændsler med et veldefineret energiindhold. På trods af de sidste 30 års udvikling, findes der i dag kun ganske få kommercielle igangværende anlæg med el-produktion. Den primære årsag til dette er, at teknologien stadig er for dyr i forhold til forbrændingsløsninger. Der findes kun ganske få forgasningsanlæg til forgasning af affald. Det største problem her er, at brændslet er vådt og energiindholdet svingende, således at det er vanskeligt at opnå en konstant gaskvalitet.

I den sidste ende afhænger succesen af økonomi og fleksibilitet for det enkelte anlæg. Forbrændingsanlæggenes økonomi er typisk afhængig af varmesalget. Da anlæggene ofte er byggede til at kunne klare varmebehovet om vinteren, betyder det, at man en stor del af året har overinvesteret i kapacitet, man ikke udnytter. Forgasningsanlæg har som udgangspunkt den samme problemstilling, men har gassen den rigtige kvalitet, vil der i perioder, hvor der ikke er behov for varmeproduktion, kunne tilføres gas til naturgasnettet. Det vil betyde, at den installerede effekt udnyttes fuldt ud året rundt, hvorved økonomien kan forbedres radikalt.

Dette vil kræve en fremtidig stor udviklingsindsats, og her er det vigtigt at kunne udnytte tidligere resultater samt at have stærke partnere, der kan deltage på højt niveau. Derfor er det vigtigt, at der nu sker en koncentration af viden, så der ikke spildes unødig tid på at opfinde den dybe tallerken forfra. Initiativet fra FORCE er derfor en vigtig brik i den fortsatte udvikling af teknologier til en fleksibel energiproduktion.

Jørgen Overgaard
Tirsdag d. 29/5-12 kl. 11:22

Pyrolyse af shredderaffald har vist sig at være en effektiv metode til genvinding af jern og metaller i ikke ubetydelige mængder ved sortering af koksen. En efterfølgende forgasning af koksen og olien vil kunne frigive betydelige energimængder (10-15 GJ/ton Shredderaffald). Shredderaffald er et komplekst affald. For at opnå en ensartet og høj gaskvalitet kræver det en god proceskontrol Højere videns niveau og udvikling af bedre målemetoder kan derfor kun hilses velkommen.

Iøvrigt kan jeg fuldt ud tilslutte mig de af Ole Kristensen fremførte bemærkninger.

Birgitte Holm Christensen
Torsdag d. 31/5-12 kl. 15:15

Tak for gode kommentarer
Vi er enige i at affald byder på særlige udfordringer, i og med det er så sammensat og har varierende fugtindhold og brændværdi.
Vi deler derfor dit synspunk om at et stærkt samarbejde på tværs af flere aktører vil være en styrke for danske virksomheder og at den internationale videnhjemtagning er en vigtig del af det fremadrettede arbejde så man, som du skriver, ikke skal opfinde den dybe tallerken flere gange.

Med venlig hilsen
Birgitte Holm Christensen, FORCE Technology

Birgitte Holm Christensen
Torsdag d. 31/5-12 kl. 15:18

Tak for relevante kommentarer

Den større fokus på ressourcer motiverer til at se på, hvordan affald kan udnyttes bedre. Forskellige initiativer til ændret affaldssortering får indflydelse på de fraktioner, som kan energiudnyttes.

Mht. forbedrede målemetoder er vi enige i, at det vil bidrage til at kunne skabe en god proceskontrol i pyrolysering af shredderaffald. Hvis det lykkes, er der store perspektiver i både at opnå energiudnyttelse og forbedret udnyttelse af de ressourcestoffer i form af metaller, der findes i shredderaffaldet frem for at deponere det.

Med venlig hilsen
Birgitte Holm Christensen, FORCE Technology

Jens Dall Bentzen
Lørdag d. 2/6-12 kl. 22:04

Dall Energy vil gerne støtte at Force Technology opbygger en endnu bedre kompentence indenfor forgasningsteknologi. De nævnte emner er alle relevante. Kan de f.eks. lykkes at opbygge CFD kode der kan beregne (tilnærmelsesvis) gassens renhed (tjærekomponenter) vil det være meget nyttigt, og hvis der endvidere kan udvikles en sencor der kosteffektivt kan måle de gaskomponenter, som er mest kritiske for gassens renhed og bruges til regulering af anlægget vil det være super

MVH

Jens Dall Bentzen, Dall Energy

Robert Heeb
Mandag d. 4/6-12 kl. 12:04

At opbygge bedre kompetencer omkring forgasningsteknologi vil Babcock & Wilcox Vølund gerne støtte op om. Det er interessant omkring opgraderingsanlæg der kan sikre en tilfredsstillende gaskvalitet til naturgas nettet. Da de danske forgasningsaktiviteter i høj grad har fokuseret på de mindre anlægskoncepter vil BWV foreslå at det også er her indsatsen koncentreres. Vi har en unik mulighed med kraftvarmekobling at drive udviklingen. En række større og mindre fjernvarmeanlæg vil kunne udnytte forgasnings teknologi med deraf følgende fortrængning af fossile brændsler. At fortsætte udviklingen indenfor forgasning i kombination med biomasse og biomasse restprodukter giver god mening.
Alle danske anlæg er, mig bekendt, bygget med investeringsstøtte som i længden ikke er holdbar hvorfor der bør sigtes mod løsninger der ikke har dette behov.
Der ligger en række opgaver i de eksisterende teknologier som kan forfølges yderligere for at optimere og forbedre anlægsøkonomien. Disse bør prioriteres.

Venlig hilsen
Robert Heeb

nbkrasmussen
Torsdag d. 7/6-12 kl. 17:13

Der er ingen tvivl om, at i Danmarks energifremtid vil biomasse spille en stor rolle i energiforsyningen. Sol og vind kan ikke til alle tider dække den fulde efterspørgsel på energi, og der er derfor behov for energibærere, som kan lagres.

Her vil forgasning spille en stor rolle i frembringelse af rågasser til fremstilling af gasformige og flydende brændsler. Det er almindelig kendt, at en af flaskehalsene ved udviklingen af forgasningsteknologier er rensning af rågasserne før den videre forarbejdning. Dette gælder både svovl, klor, partikler, tjære osv.

Såvel styring af forgasningsprocesserne som rensning og filtrering af rågasser er derfor vigtige elementer for den fremtidige udvikling af forgasningsteknologier, og DGC kan derfor i høj grad støtte fastholdelsen og opbygningen af kompetencer i FORCE inden for de nævnte områder.

Venlig hilsen
Niels Bjarne Rasmussen, DGC

Anders Tange
Mandag d. 11/6-12 kl. 00:11

Effektiv Sublimering:
Som "gylleseparatist" i mere end 20 år (world-wide), har vi (nu PurFil ApS) arbejdet med prisbillig, non-kemisk, effektiv opkoncentrering og forædling af organiske biprodukter: ”BioWaste to BioFuel”, (som dog af nogen fejlagtigt omtaltes som ”affald”) – Specialet er behandlingsmoduler til separation og opkoncentrering af husdyrgødning og spildevands næringsstoffer og energiindhold,

Heldigvis er der nu i de seneste år ved ”stædig” innovativ produktudvikling, fremkommet flere spændende (og forskellige) termiske forgasningsteknologier fra innovative danske miljøteknologiske virksomheder. De positive resultater fra fysisk-/kemisk (ikke-biologisk) energikonvertering af mange forskellige typer ”brændsel” viser entydigt, at det er denne teknologi, der skal opprioriteres i den fremadrettede energiforsyning med biobrændsler!

PurFil har det seneste år med tørstofprodukter fra vores behandlings-moduler - relateret til udvikling af mindre bedriftsløsninger - udført mange forgasningsforsøg i samarbejde med Frichs EcoMill. Forsøg der har omhandlet Sublimering (non-oxidativ termisk forgasning) af alt fra tjære, shredder-affald, valle, flis, korn, halm, hønsemøg, rå og biologisk afgassede gyllefibre og vi må blot erkende, at testresultaterne er blevet bedre end forventet – Eksempelvis har vi konverteret rå svinegylletørstof, hvor brændværdien i den samlede konverterede gasmængde er mere end 75% højere end hvad de bedst fungerende biogasanlæg i dag kan præstere.

Samtidigt har vi konverteret gyllens organisk kvælstof, (der medvirker til landbrugets udvaskning til grundvand og vandløb), til frit kvælstof og brint. Og plantetilgængeligheden er 100% for både fosfor og kali i den producerede Biochar, hvor næringsstofferne er koncentreret mere end 50 gange i forhold til rå gylle.

Sublimeringsforsøgene viser entydigt, at brændslets vandindhold og øvrige molekylære sammensætning samt reaktortemperaturen påvirker såvel gassens kemiske sammensætning (og dermed brændværdien), som konverteringsprocenten. Vores forsøg viser, at termisk forgasning vil kunne opnå samme fleksibilitet, (on-/of –funktion, miks af brændselstyper, m.v.), som for traditionelle forbrændingsanlæg og med betydeligt lavere anlægspriser end f.eks. biogasanlæggene. Derfor er udvikling og etablering af de nødvendige processensorer altafgørende for en optimeret drift. Vi støtter derfor kraftigt, at Force støttes med midler til at effektuere denne opgave i samarbejde med industrien.

Med venlig hilsen
Anders Tange

Steen Hansen
Mandag d. 11/6-12 kl. 22:25

Forgasning og pyrolyse

Forgasning og pyrolyse kan blive en afgørende brik, så fx shredderaffald kan nyttiggøres i meget højere grad. Materialet er meget komplekst og der vil - trods løbende udvikling af sorteringsteknikker – være brug for en teknik som dels kan nyttiggøre den tilbageværende brandværdi og som dels gør den resterende mængde metal tilgængelig.

I dag er omkostningerne ved teknikken en meget væsentlig barriere og det giver derfor rigtig god mening, såfremt der kan udvikles mere enkle – og billigere – teknologier til forgasning mv. Om muligt bør det være et ”modul” til eksisterende anlæg, således at faststofdelen nemmere kan nyttiggøres.

Stena Recycling A/S vil i de kommende år have stor fokus på at nyttiggøre shredderaffald frem for deponering. Det er en iterativ proces med mange løsningsmuligheder, og vi kan derfor varmt støtte mere forskning og udvikling på dette område.

Frichs
Tirsdag d. 12/6-12 kl. 10:45

Frichs A/S er i øjeblikket i færd med at installere et termisk forgasningsanlæg ( Sublimator) på en gård nord for Randers.
Anlægget skal omdanne 10.000 T halm til gas, som skal anvendes i et Frichs CHP anlæg til fremstilling af el og varme.
Anlægget er det første af sin art og forventes køreklart i løbet af august måned.
Vort samarbejde med FORCE er i den sammenhæng meget vigtig, idet vi fremover vil kunne anvende alle former for kulbrinteholdigt affald i anlægget.
For at kunne gennemføre dette kræves der gennemført en række forsøg med efterfølgende analyser af gassammensætning samt analyse af restprodukter fra produktionen, således at vi sikrer at restprodukterne anvendes på den mest hensigtsmæssige måde.
Tilpasning af CHP anlægget til den gas , der aktuelt fremstilles er et vigtigt element i opbygning af vore anlæg.
Vi støtter derfor FORCEs bestræbelser på at skaffe yderligere viden på dette område og på andre områder, der vedrører håndtering og måling af gasproduktionen
Venlig hilsen
Jørgen Krabbe
Frichs A/S