Direkte forbrenning i dampturbinanlegg

De fleste biokraftverkene er basert på direkte forbrenning i et varmekraftverk. Energien som frigjøres i form av varme brukes til produksjon av høytrykksdamp, som produserer kraft i en konvensjonell dampturbin slik figuren under viser.

Prinsippskisse for dampturbinanlegg
Prinsippskisse for dampturbinanlegg. Ill.: Kim Brantenberg 

I turbinen ekspanderer dampen fra et høyt til et lavere trykk samtidig som den driver turbinen. Dette er den samme teknologien som brukes i konvensjonelle varmekraftverk, for eksempel kullkraftverk. Elektrisitetsproduksjon fra biomasse er ofte basert på at man har et restprodukt med opphav i biomasse, for eksempel bark eller svartlut som brukes som brensel. Ikke all energien kan utnyttes til kraftproduksjon; det vil alltid bli produsert spillvarme.

Andelen energi som omgjøres til elektrisitet kalles anleggets elvirkningsgrad. Elvirkningsgraden bestemmes av trykkforholdene inn (potensiell energi) og ut (hvor mye er utnyttet) av turbinen. Ved å bruke en såkalt flerstegsturbin vil utnyttet trykkfall økes og desto flere steg turbinen har, jo høyere blir elvirkningsgraden. Høyest elvirkningsgrad oppnås når dampen ekspanderes til et trykk som er lavere enn atmosfæretrykk gjennom å kondensere dampen til vann. Da vil man kunne oppnå en elvirkningsgrad på ca. 40-45 %. Imidlertid får vannet da så lav temperatur at dette gir begrensninger med hensyn på anvendelse, og det vil si 55-60 % av energien i den innfyrte biomassen går tapt.

Kraftvarmeanlegg (CHP):

Et anlegg som leverer både kraft og varme kalles et kraftvarmeverk, eller kogenanlegg (engelsk: ”combined heat and power”, CHP). I et kraftvarmeverk er elvirkningsgraden gjerne lavere enn i et rent kraftverk, men ettersom også varmeenergien utnyttes, blir anleggets totale virkningsgrad høy.

Kogenanlegg er tilgjengelige i størrelser fra 1 kW opp til noen hundre MW avgitt elektrisk effekt. Det betyr at de i prinsippet kan brukes overalt der man har et samtidig behov for varme og elektrisitet, og tilgang til brensel. Kogenanlegg er derfor spesielt interessante for desentral energiforsyning.

Tilgjengelighet på biomasse og transportkostnader setter begrensninger for størrelsen på kraftvarmeanlegg som kun fyrer med biomasse, typisk størrelse er fra 1 til 100 MW. I følge IEA, ligger elvirkningsgraden for et kogenanlegg som fyrer med tørr biomasse rundt 30 – 34 %, mens totalvirkningsgraden kan komme opp i 85 – 90%.

Konvensjonelle teknologier som dampturbin, forbrenningsmotor og gassturbiner benyttes per i dag i de fleste kogenanlegg, men nye teknologier som brenselceller og stirlingmotor vil bli viktigere for denne typen anlegg fremover.

Forbrenningsteknikker:

På grunn av størrelsen på store kraftvarmeanlegg er det aktuelt med andre forbrenningsteknologier enn for ren varmeproduksjon. Den dominerende forbrenningsteknikken er ristforbrenning i ulike varianter.

Boblende fluidiserte bed (BFB) finnes fra ca. 15–50 MW, mens sirkulerende fluidisert bed (CFB) er aktuelle i større anlegg. I fluidiserte bed skjer forbrenningen i sand som gjennomblåses med luft, slik at den får egenskaper som likner på en væske. Brenslet mates inn i sanden. Fluidiserte bed kan forbrenne mange ulike typer brensler og er også fleksibel med hensyn på brenselets fuktinnhold. Sanden bidrar til en jevn temperatur i forbrenningssonen, og dermed er det mulig å holde god kontroll med dannelse av skadelige stoffer under forbrenningen.

Oversikt over ulike forbrenningsteknikker for bruk til dampproduksjon
Oversikt over ulike forbrenningsteknikker for bruk til dampproduksjon