Forskning i nye materialer skal hjælpe danske centrale kraftværker med omlægningen fra fossile brændsler til biomasse. En af udfordringerne er, at de 100 kilometer rustfrie rør i kraftværkerne korroderer for hurtigt, hvis temperaturen er høj, når biomassen brændes af.
100 kilometer rør snor sig sirligt i kedlen på Avedøreværkets blok 2, som er et af de centrale danske kraftværker, hvor man allerede nu fyrer med biomasse i form af træpiller. Rørene er lavet af rustfrit, stærkt og kromholdigt stål, som er med til at sikre, at dampen kan komme op på 600 grader C. En temperatur, der ved fyring af kul eller naturgas giver en eftertragtet elvirkningsgrad på helt op til 48 pct.af brændslets energi.
Men den igangværende grønne omstilling til et fossilfrit Danmark – og dermed også en omstilling fra fossile brændsler til biomasse på kraftværkerne – byder på nye udfordringer for energisektoren og kraftværkerne. Udfordringer, der kræver mere viden om, hvordan fyring med biomasse påvirker materialerne i kedlerne på de eksisterende kraftværker.
”I 80’erne og 90’erne kom materialeforskningen for alvor i spil i energisektoren, da vi på kraftværkerne skulle omstille os fra olie til kul og gas. Og stigende forbrug af energi krævede udbygning af kapaciteten med nye kraftværker. Vi kunne samtidig øge virkningsgraden ved at hæve kedlernes afgangstryk og temperaturer. Dette primært som en følge af en introduktion af nye materialer med forbedrede styrke- og korrosionsgenskaber. Denne udvikling skete i et tæt samarbejde med DTU, og den betyder, at de danske centrale kraftværker stadig er blandt de mest effektive i verden. I dag har vores område fået behov for en ny form for viden, som hænger uløseligt sammen med Danmarks ambitiøse planer om at være fossilfri i 2035 og øget brug af biomasse,” forklarer Peter Markussen, som er direktør for området teknologiske løsninger i Dong Energy.
Rørproblemer
En af de specifikke udfordringer er, at når man fyrer med biomasse, har man observeret, at der er en øget korrosion på de rustfrie rør, der udsættes for røggassen. Røggassen ser ud til at indeholde komponenter, der går i forbindelse med krom. Normalt er det netop kromet i de rustfrie rør, der er med til at beskytte overfladen og gøre den modstandsdygtig over for korrosion og rust. Processerne i materialerne er komplicerede, og at løse denne udfordring kræver en dyb forståelse af både materialer og de kemiske komponenter og reaktioner (se faktaboks i sidens bund).
På de mest avancerede af de centrale kraftværker modvirker man denne effekt ved at sænke damptemperaturerne til ca. 540 grader C, hvilket desværre også sænker el-virkningsgraden. Det er derfor essentielt, at der udvikles nye overflader (coatings), som kan forlænge levetiden og holdbarheden af rørene.
Brug for skræddersyede overflader På et 400 MW-værk som Avedøreværket er der rustfrie rør med en samlet længde på 80-100 km og en samlet masse på mellem 400 og 500 ton. Og i sidste ende bliver omkostningen ved omstillingen til biomassen højere, hvis rørene skal skiftes for hurtigt. ”De nye typer coatings produceres her i vores laboratorier ved hjælp af en proces, hvor elementerne indsættes i overfladen. På den måde kan man skræddersy en overflade til at indeholde de ønskede elementer. I vores tilfælde er krom et uønsket element. Derfor benyttes i stedet bl.a. nikkel og aluminium. Disse sørger for at beskytte røret ved at danne en anden type lag, som er resistent over for biomassekorrosion,” forklarer professor John Hald, DTU Mekanik.
Resultater viser allerede nu, at en række af de nye overflader er særdeles resistente over for biomassekorrosion ved 600 grader, og dette tyder på, at vi har fat i noget af det rigtige, uddyber John Hald, og tilføjer, at der stadig venter en opgave med at få optimeret overfladerne, prøve dem af på forskellige grundmaterialer, langtidsteste dem osv. Der er altså et stykke vej endnu, før disse overflader kan implementeres i kraftværkerne, men det er en god start.
”Vi har gennem 30 år arbejdet tæt sammen med DTU, og sammen satset langsigtet på at øge el-virkningsgraden. Den grønne omstilling, der er i gang, har været drevet af de ændrede krav fra samfundet og indtoget af bl.a. vind og biomasse i systemet. Vi fokuserer i dag på, hvordan vi tilpasser de nuværende kraftværker til brugen af biomasse frem mod 2020. Det, vi har brug for, er derfor målrettede forskningssamarbejder og viden om, hvad biomassen gør ved de eksisterende materialer, som kan implementeres i vores biomasse-konvertering frem mod 2020 og holde vores driftsomkostninger nede,” forklarer Peter Markussen, Dong Energy.
John Hald understreger, at han anser det for meget vigtigt, at universiteterne holder fast i den mere langsigtede forskning på området, så den opbyggede viden ikke går tabt. Dette gælder i endnu højere grad i den igangværende omstilling, hvor vi ser flere af de centrale værker skifte ejere.
I midten af 1980’erne begyndte man målrettet at anvende biomasse i form af halm og træ til produktion af el og varme på danske decentrale kraft-varme-værker. Biomasse er dels et indenlandsk overskudsbrændsel, der mindsker energiafhængigheden, og dels anses den for at være CO2-neutral, idet planterne optager CO2 fra atmosfæren under deres vækst.
Udfordringen er bl.a., at røggassen fra den afbrændte biomasse korroderer rørene i kedlerne: ”Når den varme forbrændingsgas rammer kedlens såkaldte overhederrør, udsættes rørene for korrosionsangreb både direkte fra gassen og fra salte, som aflejres på rørene. Ved afbrænding af biomasse får man såkaldt klorkorrosion pga. aflejring af klorholdige salte. Klorkorrosionen nedbryder det beskyttende lag, som ellers dannes på de rustfrie stålrør. Hæver man damptemperaturen til over 540 grader, bliver korrosionen så hurtig, at man ikke længere har tilstrækkelig levetid af overhederen,” forklarer professor på DTU Mekanik John Hald.
Røggas med reaktive salte
Der er i de seneste år kommet et øget fokus på rollen af alkalielementer i de salte, som aflejres på rørene ved biomassefyring. Tidligere har man primært fokuseret på klors rolle, som beskrevet oven for, men alkali-elementerne er særligt reaktive og går let i forbindelse med andre stoffer. Elementerne har derfor tiltrukket sig interesse både i danske og internationale forskergrupper.
”Det er blandt andet et stof som kalium, der har vist sig at kunne reagere med kromet i rørene. Forbindelsen har vist sig at kunne spille en vigtig rolle i tidlige stadier af korrosionsangrebet. Normalt vil man øge indholdet af krom i de rustfrie rør for at bevare rørenes styrke og øge deres modstandsdygtighed over for korrosion. Men da kromets reaktion med kalium netop ser ud til at være problemet, er dette ikke en mulighed. Vi har derfor ikke nogen rørmaterialer, der både kan klare det høje tryk og den kraftige korrosion,” forklarer John Hald.
Forskningen på DTU sigter nu mod at udvikle et coating-materiale til at overfladebeskytte kedelrørene mod biomassekorrosion. Det sker igennem konsortiet GR EEN, som er et samarbejde mellem bl.a. Dong Energi, Vattenfall og DTU, hvor man arbejder på at opnå en dybere forståelse af korrosionsmekanismerne. Desuden gennemføres systematiske forsøg, hvor man afprøver materialekombinationer, der kan modstå den kraftige korrosion ved høje temperaturer.