Transitietechnologie - Factsheets energietechnologieën

Biomassa-centrales

Stand van de techniek

Technologiebeschrijving
Indeling in categorieen

De installaties om elektriciteit te produceren uit biomassa zijn in te delen in een aantal hoofdcategorieen en subcategorieen.

• installaties voor de inzet van biomassa in kolen- en gascentrales:
• meestoken van zuivere biomassa
• bijstoken van mengstromen
• zelfstandige biomassa installaties:
• verbrandings-, vergassings- en pyrolyse-installaties
• vergistingsinstallaties
• afvalverbrandingsinstallaties.

Korte beschrijving van de categorie?n

Bij de inzet van biomassa in kolencentrales wordt in de praktijk veelal gebruik gemaakt van brandstoffen die op eenvoudige wijze mee te stoken zijn via de kolenband. Het betreft daar veelal specifieke zuivere biomassastromen zoals olijfpitten, cacaodoppen, diermeel of speciaal geprepareerde hout- en/of papierpellets. Voor vervuilde niet-zuivere biomassastromen, voor stromen die niet zo eenvoudig mee te stoken zijn en bij de inzet van biomassa in gasgestookte centrales wordt er vaak gebruik gemaakt van een voorgeschakelde vergasser. In dat geval wordt er gesproken over bijstoken.

Bij de zelfstandige biomassa-installaties gaat het op dit moment veelal om kleinschalige verbrandingsinstallaties die overwegend lokaal hout uit bossen, plantsoenen of landschap inzetten. Er zijn verschillende brandstof-technologiecombinaties mogelijk: naast houtachtige producten kan bijvoorbeeld ook kippenmest worden ingezet en naast verbranding zijn er ook ontwikkelingen op het gebied van vergassing en pyrolyse. Dit is een proces waarbij houtachtige biomassa onder afwezigheid van zuurstof bij een temperatuur van ca. 400-600 ?C omgezet wordt in een mix van houtskool, pyrolyse-olie en brandbare gassen. Vergassing vindt plaats bij een hogere temperatuur (ca. 850 ?C) en onder een (beperkte) toevoer van lucht of zuurstof. Het voornaamste product bij vergassing is een midden- tot hoogcalorisch gas. (Ruijgrok en van Sambeek, 2003).

Daarnaast zijn er nog enkele vergistingsinstallaties in Nederland. Hierbij gaat het vooral om de winning van stortgas en gistingsgas bij Rioolwater Zuiverings Installaties (RWZI?s) en Industriele Afvalwater Zuiveringsinstallaties (AWZI?s). Dit gas wordt in gasmotoren als brandstof ingezet wordt om elektriciteit te produceren. Daarnaast vind er op beperkte schaal nog vergisting van GFT en (co-)vergisting van mest plaats.

Tenslotte zijn er nog de AfvalVerbrandingsInstallaties (AVI?s) waarvan er in Nederland 11 operationeel zijn. Bij al deze installaties wordt de vrijkomende warmte nuttig gebruikt, bij 10 is er sprake van elektriciteitsopwekking. Hoewel er geen juridische basis is voor het benutten van de vrijkomende energie, is dit wel de gangbare praktijk in Europa. In Nederland wordt 50% van de opgewekte elektriciteit als duurzaam beschouwd, omdat ca. 50% van het verwerkte afval van biogene oorsprong is.

Huidige toepassing
De Tabel geeft een overzicht van de elektriciteitsproductie uit biomassa in 2002. De elektriciteitsproductie in kolencentrales is het grootst, in totaal gaat het naar schatting om zo'n 160 MW_e (Ruijgrok en van Sambeek, 2003b). Het totale ge?nstalleerde productievermogen aan kleinschalige verbrandingsinstallaties bedraagt ca. 30 MW_e. Daarbij gaat het om drie zeer kleine installaties van ca. 1 MW_e en een grotere van 25 MW_e (Cuijk). Het aantal stortplaatsen in exploitatie is de laatste tien jaar sterk gedaald, zodat na verloop van jaren ook de stortgasproductie terug zal lopen. Bovendien is er een trend waarbij de organische fractie in het afval afneemt. Eind 2001 waren er nog 32 stortplaatsen in exploitatie. Wat de AWZI?s en RWZI's betreft gaat het om ca. 200 installaties die in Nederland in bedrijf zijn (Koppejan, 2001). Verder zijn er nog enkele mest- en GFT-vergistingsinstallaties in bedrijf (Joossen, 2002).

Tabel Elektriciteitsproductie uit biomassa in 2002 (Joosen, 2003)

Ontwikkelingsfase en verbeteropties
Op de vergassings- en pyrolyse-installaties na gaat het bij alle (sub)categorieen om uitontwikkelde technologieen die onder voorwaarden op commerci?le wijze te bedrijven zijn.

Voor de inzet van biomassa in kolencentrales bestaat op dit moment een duidelijke voorkeur voor de meestookroute waarbij de kapitaalsrisico's relatief gering zijn en de brandstofinput weinig technische risico's oplevert voor de centrale. Afhankelijk van de kwaliteit van de brandstof, zullen er slechts in beperkte mate operationele problemen optreden. Deze problemen zijn o.a.

• problemen met de aanvoerkwaliteit, de voorbehandeling (inclusief het vermalen met gevaar van stofexplosies) en de voeding naar de branders,
• potenti?le problemen met de capaciteit van diverse componenten, zoals de vliegasventilatoren, de vliegasreinigingssectie, het gipsafvoersysteem, de luchtvoorverwarmers e.d.,
• potenti?le problemen in de ketel: hoge temperatuur corrosie, slakvorming, vervuiling en erosie (door as),
• potenti?le problemen met de kwaliteit van de vloeibare afvalstromen (waswater) en vaste bijproducten (vliegas, gips).

Hoewel er de nodige aandacht gegeven dient te worden aan de oplossing van deze problemen, gaat het hierbij niet om fundamentele ontwikkelingen en kan er is er slechts in beperkte zin nog sprake van nieuwe ontwikkelingen. Het concept waarbij biomassa middels separate vergassing of pyrolyse bijgestookt wordt is veel minder ver ontwikkeld en er zijn nog substantiele R&D-inspanningen nodig om dit concept te ontwikkelen tot een commerci?le en betrouwbare technologie.

Ontwikkelingen op gebied van kleinschalige vergassing en pyrolyse gaan niet erg snel omdat ontwikkelaars en investeerders geen duidelijk perspectief hebben voor commerci?le toepassing van kleinschalige installaties op de langere termijn. Wat daarbij o.a. speelt zijn de strenge emissie-eisen en stringente eisen aan bijv. de opslag van specifiek risicomateriaal (bijv. in geval van een brandstofmix die bestaat uit kippenmest en diermeel).

In de jaren 90 was er duidelijk sprake van technologische ontwikkelingen om te komen tot een betere installatie voor het verbranden van afval. Daarbij ging het om zaken als bedrijfszekerheid, efficiency, kosten en milieu. Op dit moment is dat veel minder het geval, mede ook omdat het aantal leveranciers voor AVI-systemen krimpende is. Wel is er nog aandacht voor vermindering van de exploitatiekosten door verbeteren van de bedrijfsvoering. Door schaalvergroting (meerdere lijnen en vergroting van de capaciteit per lijn) is nog wel een kostenreductie mogelijk.

Technische gegevens en kostenaspecten
Kolencentrales zetten op dit moment vooral biomassa in via de meestookroute. Daarvoor zijn betrekkelijk weinig investeringen nodig. Op de lange termijn zou de bijstookroute belangrijker kunnen worden. De investeringskosten daarvoor zijn hoger, maar dit wordt gecompenseerd door lagere (of zelfs negatieve) brandstofkosten omdat ook gemengde afvalstromen ingezet kunnen worden. In het kader van de MEP is door ECN en Kema een referentie-installatie gedefinieerd voor het meestoken van houtpellets. De investeringskosten daarvoor bedragen 590 €/kW_e bij een brandstofprijs van 6,5 €/GJ. Het conversierendement van de kolencentrale zal door de inzet van biomassa iets dalen en is bij de referentie-installatie op 37,5% vastgesteld. Voor de bijstookroute geldt een investeringsniveau van 2380 €/kW_e bij brandstofkosten van -3 €/GJ. Het rendement ligt daar iets lager op 31,5%.

In vergelijking met opties voor de inzet van biomassa in grootschalige installaties ligt het conversierendement van kleinschalige installaties relatief laag. Voor elektriciteit ligt dit in de range tussen 15 en 30%. Het totale conversierendement kan hoger liggen als naast elektriciteit ook warmte wordt geleverd. Een verbetering van het rendement lijkt op termijn mogelijk, maar hangt o.a. af van het tempo van marktimplementatie en het niveau van investeringskosten. In het kader van de MEP is door ECN en Kema een tweetal referentie-installaties gedefinieerd voor het meestoken van houtchips. De investeringskosten voor een Bio-WKK-installatie met een maximum vermogen van 5 MW_e bedragen 4000 €/kW_e. Voor een wat grotere installatie met een maximum vermogen van 30 MW_e zijn die kosten 2900 €/kW_e. Het elektrisch rendement van een bio-WKK-installatie van 5 MW_e of 30 MW_e is respectievelijk 20% en 30%.

Voor de vergistingopties lopen de investeringskosten uiteen van 1000 ?/kW_e voor stortgas tot 7450 €/kW_e voor het (co-) vergisten van mest.

De huidige AVI's hebben een gemiddeld rendement van energieopwekking van 22,2%. Een nieuw te bouwen zogenaamde ?hoog rendement AVI? haalt een elektrisch rendement van 30% (VVAV, 2002) De investeringskosten bewegen zich tussen de 6478 €/kW_e voor een hoog rendement AVI en 7200 €/kW_e voor een AVI met een elektrisch rendement van 20% (Pfeiffer en de Lange, 2003). De hoog rendement AVI laat lagere investeringskosten zien uitgedrukt in €/kW_e in verband met het hogere rendement (30% versus 22%). Uitgedrukt in €/ton verwerkingscapaciteit of in €/kW_th input is de HR-AVI duurder.

In de Figuur zijn op basis van kengetallen de productiekosten van elektriciteit bij de verschillende opties grafisch weergegeven. Daarbij zijn de productiekosten opgesplitst in een investeringsdeel en een operationeel deel (inclusief de brandstofkosten). In sommige gevallen is er sprake van negatieve operationele kosten als gevolg van negatieve brandstofprijzen. Dit is bijvoorbeeld bij afvalverbrandingsinstallaties het geval, maar komt ook voor bij de verwerking van mengstromen of mest. In dat geval is de resulterende kostprijs de resultante van de twee kolommen. In alle andere gevallen zijn zowel de kosten van het operationele deel als van het investeringsdeel positief en zijn ze reeds 'gestapeld', zodat de kostprijs meteen uit de figuur kan worden afgelezen.

De warmte is gewaardeerd als zijnde vermeden brandstofkosten met een waarde van 0,12 €/m³ aardgas (conform MEP-aannames) en als inkomstenpost meegenomen in de cash-flow berekening waarmee de productiekosten bepaald worden. Alle uitgangspunten zijn gelijk aan advisering over de MEP-tarieven 2004-2005 (Sambeek et al, 2003a en Sambeek et al, 2003b).

Figuur  De productiekosten van elektriciteit uit biomassa

Uit de figuur valt af te leiden dat met name elektriciteitsopwekking door middel van het mee- en bijstoken van diermeel en mengstromen in centrales en de opwekking van elektriciteit in een afvalverbrandingsinstallatie (20% rendements AVI) productiekosten kennen die nauwelijks hoger zijn dan de commodity-prijs die momenteel voor elektriciteit betaald wordt (zo'n 3 €ct/kWh).

Bron: ECN-rapport ECN-C--04-020, 2004