Kraftvärmens revolution sker från insidan. Sand av metallisk mineral kan höja avfallsförbränningens verkningsgrad med nästan tio procent och påverka både elnät och fjärrvärme.
– Bättre syrehantering i pannan gör kraftvärmen mer flexibel i energisystemet, säger Fredrik Lind.

– Om driften av en kraftvärmeanläggning kan bli mer flexibel och kostnadseffektiv så kan också driftperioden utvidgas, säger Fredrik Lind, deltidsforskare på Chalmers och teknisk specialist på Eon Energilösningar.

Bild: Ilmenit. Foto: Chalmers.

Kraftvärme behövs som reglerbar beredskap i energisystemet. Många kraftvärmeverk står däremot overksamma under delar året medan de väntar på vindstilla och kalla dagar så de kan balansera upp den intermittenta elproduktionen från främst vindkraft. Varmare vintrar, ökad konkurrens från värmepumpar och sjunkande elpriser bidrar till kraftvärmens behov för nytänkande.

– Ny brännkammarteknologi kan göra det lönsamt att hålla driften igång också andra tider på året, säger Fredrik Lind. Det gynnar både elnätet och fjärrvärmen.

Fredrik Lind

Tio procents ökning
Hemligheten ligger i några triljoner små sandkorn. Längst där inne i mitten av kraftvärmen pågår nämligen en pytteliten revolution som på sikt kan få stora konsekvenser om sanden i kraftvärmeverkens brännkammare byts ut.

– Vi har sett att vi har ökat effekten med nästan tio procent i kraftvärmeanläggningar. Det är väldigt mycket i de här sammanhangen, säger Fredrik Lind.

Det började med att Fredrik Lind och professor Henrik Thunman på Chalmers av en händelse uppmärksammade mineralet ilmenit i ett annat projekt. De tog med sig sanden till högskolans 12 MW forskningspanna.

Ångan måste upp
Chalmers kraftvärme drivs av en CFB-panna för cirkulerande fluidiserad bädd. Där flyter sand, bränsle och aska runt i brännkammarens brinnande inferno vid hjälp av en luftström som kommer in underifrån. Sandens uppgift är att blanda bränslet med syre och bidra till jämn temperatur.

Sedan fluidiseringsteknologin slog genom på sjuttiotalet har det gått sådär halvbra. En CFB-panna används främst till avfallsförbränning men även om metoden är effektiv så sliter driften ofta med ofullständig förbränning.

Branschen har därför fått lära sig att se förbränningsprocessens plågor som något oundvikligt. Det hjälper om ångtemperaturen hålls nere så forskningen och leverantörerna har därför jobbat mycket med både luftintaget och storleken på bränslebitarna för att hålla ångan uppe, men utan större framgångar.

Ilmenit flyttar syret
Lind och Thunman kunde se att titanmetalloxiden ilmenit (FeTiO3) hade en större syrebärande förmåga än den vanligtvis använda kvartssanden. De nya sandkornen flyttade syret runt från platser med överskott till punkter med för lite syre.

Kort sagt blir resultatet att avfallet brinner bättre. En kemisk process på miniatyrnivå bidrar till att luftöverskottet kan reduceras, ångtemperaturen höjas och pannans belastning ökas. Det ger ringverkningar långt upp i energisystemet.

Det tekniskt spektakulära är att ilmeniten samtidigt rensar systemet från insidan som kraftvärmens eget ”detox”. Till exempel kan vanlig kletig aska förstöra både överhettare och värmeväxlare.

Återvinns med magnet
Med ilmenit minskar risken för ihopsmältning (sintring) av askan då materialet har högre smälttemperatur än kvartssand. Askhanteringen blir enklare och sotningsbehovet lägre då askan inte längre klumpar sig, eller agglomererar. Till de minskade driftstörningarna kommer reducerade emissioner och att topparna av koloxid uppträder mer sällan.

Med ilmenit kan också förbrukningen av sand reduceras med uppåt 90 procent. Avfallsförbränning i fluidiserad bädd gör idag av med stora mängder kvartssand som efter användning läggs på deponi. En 100 MW-anläggning kan göra av med 10–15 ton per dag.

Nu har Eon utvecklat en teknik för återvinning av bäddmaterialet genom magnetseparation som utnyttjar ilmenitens metallhalt. Sanden lyfts med det bort ur askan och läggs tillbaka i härden.

Kraftvärmens tekniksprång
Hittills har ilmeniten testats i åtta olika kraftvärmeverk som har radat upp ett antal bonuseffekter. Ilmenit minskar också korrosionen eftersom sanden fungerar som en offeranod istället för att själva pannan korroderar.

– Vi har sett att det sker men behöver jobba mer med just den delen. Kan man reducera korrosionen, speciellt i avfallsförbränning så är det givetvis en väldigt stor vinst, säger Fredrik Lind.

Konceptet har tagits fram i samarbete mellan Chalmers och Eon, för att sedan kommersialiseras i utvecklingsbolaget Improbed som nu tar det vidare ut i energibranschen. Även om ilmenit är dyrare än kvartssand blir summan av alla fördelar att konverteringen till ny brännkammarteknologi blir kostnadseffektiv i det långa loppet, menar Lars Bierlein, vd i Improbed.

Lars Bierlein

– Kraftvärmen står med detta framför ett stort tekniksprång. Det är ett nytt sätt att tänka där själva bäddmaterialet blir ett multiverktyg för bättre drift och produktion, säger Lars Bierlein.

Kräver lokala beslut
– Med återvinning av materialet kan vi komma upp i de höga koncentrationer som krävs för att optimeringen ska bli kännbar på riktigt. Syremängden kan pressas ned, avfallet bränns ordentligt och ångtemperaturen kan höjas, säger Fredrik Lind.

Ilmeniten är däremot inget mirakelmedel, påpekar han. Den ger en möjlighet till optimering men det krävs också en hel del handpåläggning. En fysisk förutsättning är att anläggningen kan ta emot ökade mängder ånga.

– Dagens pannor är ofta trånga i konvektionsstråket där värmen tas upp och då klarar inte rökgasfläkten att suga ut alla gaser som bildas. Bara en sådan sak blir i sig en begränsning, säger Fredrik Lind.

Ny kapacitet till energisystemet
Den framtida kraftvärmerevolutionen hänger därför mycket på lokala initiativ, förutsättningar och tillpassningar, menar Fredrik Lind. Frågan blir hur stora möjligheter man har på driftområdet där det finns många parametrar som styr hur högt en anläggning kan gå i last.

Man får se de små sandkornens roll i en större sammanhang, tycker Fredrik Lind. Mer flexibel och kostnadseffektiv drift av kraftvärmeverken kan bredda potentialen mot både elnätet och fjärrvärmen.

– Omläggning till ilmenit kan bidra till elektrifieringen och stödja de lokala energinätens kapacitet med både el och värme i situationer som idag är för tunga att gå in i för ett kraftvärmeverk, säger Fredrik Lind.

* * *