Förstudie bränslecell på biogas från gödselrötning: delprojek 1: Förutsättningar för drift av bränslecell

Sammanfattning av slutrapport
Projektet syftar till att undersöka förutsättningen att med biogas från gödsel driva bränsleceller. Inledningsvis karakteriserades biogassammansättning från 5 gårdsbaserade anläggningar. Resultat visar att biogas från gödsel innehåller totalt sett lägre halter av föroreningar än biogas framställt från andra substrat. Avvikande är svavelhalten som är högre i synnerhet om svinflyt rötas. Om biogasen skall användas i en bränslecell krävs det gasrening, en total avsvavling bör eftersträvas. Möjliga användningsområden för värme från bränslecell har sedan inventerats med fokus på att producera kyla genom ammoniak absorptionsteknik. Beräkningar gjorda för en typgård med 240 mjölkkor visar att värmen från en bränslescell kan användas på ett mer fördelaktigt sätt jämfört med konventionell kraftvärmeproduktion. Dock skulle ett sådant system idag vara dyrt att realisera. Ett experimentellt projekt bör baseras på ett nedskalat system för att begränsa kostnader och risker.

Populärvetenskaplig sammanfattning
Rötning av gödsel där biogasen används till kraftvärmeproduktion minskar animalieproduktionens utsläpp av klimatgaser och dessutom ökar mängden växttillgängligt kväve i den rötade gödseln. Men svenska gårdsanläggningar för biogasproduktion har ofta problem med lönsamhet. Detta kan vara orsaken till att inte fler anläggningar byggts trots vissa ekonomiska stimulanser som tex. Investeringsstödet för biogasanläggningar.
De flesta svenska gårdsanläggningarna har en motor för kraftvärmeproduktion vars storlek är i de flesta fall mindre än 100 kWel. Motorerna har en elektrisk verkningsgrad mellan 25-30 % och en termisk verkningsgrad på ca 50%. Motorns kylvatten används idag endast till uppvärmning av olika slag till exempel för bostadshus. Det är till stor nytta under höst, vinter och vår men avsättningen av kylvärmen från kraftvärmeenheten oftast inte är så stort sommartid. Kraftvärmeenheterna har en relativt kort livslängd, i vissa fall ner mot 10 000 timmar vilket resulterar i att totalkostnad för kraftvärmeanläggningen inklusive kapital- och underhållskostnad äter upp större delen av intäkterna från den producerade elen.
För att förbättra lönsamheten är det högprioriterat att få fram ny teknik för småskalig biogasbaserad kraftvärmeproduktion som har lägre driftkostnader, producerar mer el och producerar värme vid högre temperatur jämfört med dagens kraftvärmeproduktion. Dessa förutsättningar talar för bränsleceller. En bränslecell produceras elektrisk energi/effekt genom en kontrollerad kemisk reaktion. Den fungerar till stor del som ett batteri som inte tar slut eftersom nytt bränsle tillförs hela tiden. Alla bränsleceller har liksom batteriet en anod och en katod. Vid anoden kommer bränslet in i form av t.ex. vätgas och avger elektroner, varpå positivt laddade vätejoner bildas. Dessa vandrar över mot katoden där de tillsammans med syrgas och elektroner bildar vatten. Flera olika typer av bränsleceller förekommer. Skillnaden mellan dessa ligger främst i bränsle och drifttemperatur.
Syftet med detta projekt har varit att undersöka förutsättningarna för småskalig kraftvärmeproduktion med bränslecell som drivs med biogas producerad från gödsel. Inledningsvis karakteriserades biogasen från 5 utvalda biogasanläggningar med avseende på föroreningar i producerad rågas. Anläggningarna valdes ut enligt följande kriterier: anläggningen skall ha en gasproduktion på minimum 0,6-0,7 Nm3 biogas/reaktor/dag, uppehållstider på minst 30-35 dagar, det skall finnas uttag för att ta prov och att olika substrat skall studeras (nötflyt, svinflyt, kycklinggödsel). Resultat visar att biogas från de undersökta anläggningarna innehåller totalt sett lägre halter av föroreningar än biogas framställt från andra substrat såsom matavfall och reningsverksslam och är dessutom fri från siloxaner, en av de mest omtalade föroreningarna i biogas. Undantaget är halterna av svavelämnen som är betydligt högre i synnerhet om svinflyt eller kycklinggödsel rötas. Andra föroreningar som förekommer är terpener (kolväteföreningar som är de viktigaste beståndsdelarna i eteriska oljor och andra naturprodukter) om nötflyt rötas, ketoner och furaner (organiska kolvätesyreföreningar) samt olika kolväten.
Om biogasen skall användas som bränsle till en bränslecell krävs det att gasen först renas. Även om vissa bränsleceller klarar av låga svavelhalter så bör man sträva efter en total avsvavling av bränslegasen. Andra föreoreningar i biogas producerad från gödsel bedöms inte inverka på bränslecellernas prestanda.
Två möjliga system med bränsleceller presenteras i rapport: ett system med en hög temperatur- polymerelektrolytbränslecell (på engelska High Temperature Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell, HT-PEMFC) med en avsvavlingsenhet och ett system med en fastoxidbränslecell (på engelska Solid Oxide Fuel Cell, SOFC) med liknande avsvavlingsenhet. Man borde dock göra ett långtidstest i mindre skala i en verklig bränslecell på aktuella gaser för att klargöra att systemen fungerar i praktiken.
Möjliga användningsområden för den restvärme som uppstår i en bränslecell har sedan inventerats. Bland de identifierade användningsområdena har denna rapport fokuserat på möjligheten att använda värmen för att producera kyla genom vanlig ammoniak absorptionsteknik. Beräkningar har gjorts för en fiktiv typgård bestående av 240 mjölkkor. Gårdens hela gödselproduktion och grovfoderspill rötas, vilket bedöms generera ca 600 Nm3 biogas/dag. Gården antas ha robotmjölkning och den mjölkproduktionen antas ligga på totalt 2160 ton/år.
Med den tekniken anses gårdens elförbrukning kunna minskas med motsvarande 6,8 % av kraftvärmeanläggningens elproduktion jämfört mot om en konventionell eldriven kylanläggning.
Den valda typgården har studerats utifrån tre scenarior. Första scenariot (referensscenario) består av ett konventionellt mjölkkylningssystem och kraftvärmesystem. Andra scenariot byts den konventionella kraftvärmeenheten ut mot en SOFC bränslecell. I det tredje scenariot byts även mjölkkylningsutrustningen ut mot en absorptionskylmaskin. Resultat av beräkningar visar att när absorptionskylmaskinen ersätter den konventionella mjölkkylningsutrustningen förändras både värme- och elbalansen för gården. Scenario ett genererar ett årligt värmeöverskott på ungefär 310 MWh. När kraftvärmeenheten byts ut mot en bränslecell minskas detta värmeöverskott till ungefär 220 MWh på grund av bränslecellens högre elektriska verkningsgrad. Genom att introducera absorptionskylmaskinen i systemet minskar värmeöverskottet från kraftvärmeenheten ytterligare till ungefär 180 MWh/år. Men från kylmaskinen finns det spillvärme på ungefär 230 MWh/år varav 180 MWh/år antas gå att använda till uppvärmning av rötkammaren. Givet att en konventionell kraftvärmeenhet har en el-verkningsgrad på 33 % och en bränslecell på 45 % så innebär ett scenario med bränslecell att den årliga elproduktionen ökar med ungefär 150 MWh/år. När restvärmen från bränslecellen används för att driva en absorptionskylmaskin innebär det att elförbrukningen för gården minskar med ungefär 36-38 MWh/år (baserat på ett elbehov på 19 kWh/ton mjölk för konventionell mjölkkylning). Under förutsättningen att den ökade elproduktionen ersätter fossil kolkraft skulle detta betyda en reduktion av koldioxidutsläpp med 127 ton/år för scenario 2 jämfört med referensscenariot. Om man antar att elbesparingen för kylmaskinen minskar behovet av fossil kolkraft blir den totala minskningen 153 ton/år för scenario 3 jämfört med referensscenariot.
Bedömningen är att det är fullt möjligt, om än dyrt, att utföra ett pilotförsök baserat på resultat från detta projekt. Ett experimentellt projekt bör baseras på ett nedskalat system (1/10 eller liknande) för att begränsa kostnader och risker. Höga krav måste ställas på designen av en sådan pilotanläggning så att det möjliggör test av flera olika systemval och att det är driftmässigt robust.