​Foto: Oscar Mattsson

Materialet som kan förändra en bransch

​Det var en ren tillfällighet. Men utan ett långvarigt och långsiktigt industriellt samarbete som resulterat i flera hundra manårs forskning hade den knappast kunnat uppstå. Fredrik Lind och Henrik Thunman på avdelningen för Energiteknik på Chalmers har gjort en upptäckt som kan revolutionera förbränningsindustrin.
Fredrik LindFredrik Lind kommer ihåg det exakta tillfället – hur han och Henrik Thunman gick igenom testresultat i sin forskning kring att omvandla fast biomassa till grön fordonsgas. För att rena gas från tjära hade malmen ilmenit använts som katalysator i Chalmers biomassaförgasare. Till deras förvåning efterlämnade sig malmen aldrig några oförbrända komponenter.
– ”Det här borde vi prova i en panna”, sa Henrik. Det var där idén uppstod, säger projektledare Fredrik Lind, doktor i energiteknik.
Eureka!
Eurekaupplevelsen var lika självklar som klockren. På bara tre år har idén vandrat från labb till kommersiell verklighet, vilket i forskningssammanhang ungefär är som att springa hundra meter på 9.58. Och för att ta till ytterligare en friidrottsjämförelse: Själva tekniken kan få en liknande och nydanande effekt som när Richard Fosbury övergav den gängse dykstilen och plötsligt floppade till sig guldmedaljen i höjdhopp i sommar-OS 1968.
Det är inte för inte som samarbetspartnern Eons tekniske expert Bengt-Åke Andersson sagt: ”Detta är en så kallad disruptive technology, den största förbättring jag har varit med om. Lite som att sätta turbo på processen”.
Så vad sjutton handlar det om?


I Sverige och övriga världen är så kallad fluidbäddförbränning en av de vanligaste teknikerna att förbränna biomassa och avfall i större skala. Fördelen är att den har ett så kallat bäddmaterial (vanlig sand) som likt en ökenstorm virvlar runt i pannornas förbränningskammare och sprider värmen och effektiviserar förbränningen. Det innebär att man med fördel kan elda mycket fuktiga bränslen samtidigt som det sker under kontrollerade former.
Tekniken har dock ett problem:
– Den kalla förbränningsluften blandar sig inte bra med de varma gaserna i en panna. Det är lite som att försöka lösa upp sirap i iskallt vatten, säger Fredrik Lind. 
Nytt bäddmaterial 
Detta leder till att allt bränsle inte alltid förbränns, vilket i sin tur leder till att pannorna ständigt behöver rengöras eller ångsotas och att exempelvis värmeväxlar som förstörts av smält aska måste bytas. För att komma åt problemet tillsätter man onödigt mycket kall luft i pannan vilket minskar effektiviteten.
Panntillverkarnas åtgärder mot det här har under alla år fokuserats på luften och hur den ska tillsättas på bästa möjliga sätt. Thunman och Linds idé kommer från en helt annan ände – det handlar om att ersätta bäddmaterialet, sanden, med något annat.
Henrik Thunman
– Ingen har tänkt på den möjligheten. I allas tankevärld så är bäddmaterialet inget annat än en värmebärare som ska jämna ut fluktuationer, säger professor Henrik Thunman.
När ilmenit nu träder in som bäddmaterial kommer sannolikt den bilden att förändras. Malmen har nämligen en syrebärande förmåga, vilket betyder att den kan transportera syre från syrerika till  syrefattiga områden i pannan. Plötsligt behöver ingen tänka på lufttillförsel längre. Förbränningen blir jämn och effektiv ändå och verkningsgraden ökar. Dessutom blir utsläppen av kolmonoxid mindre och pannorna inte lika nedsmutsade. Drift och underhållskostnader minskas.
Forskningsgenombrott med stora vinster
Eon har ett tiotal pannor i Sverige, i Europa och USA finns totalt runt tusen. Exakt hur stora vinsterna blir är för tidigt att säga, men förmodligen handlar det om tiotals miljoner kronor om året på varje panna i 100 MW-klassen, berättar Henrik Thunman.
– Det är inte så många gånger under en forskarkarriär som man stöter på en idé som man direkt förstår helt kommer att förändra synen på vilka möjligheter en teknik har.
Men det handlar inte om en snilleblixt fångad ur tomma intet. Långtifrån. Indirekt är det frukten av ungefär 600 manårs arbete på Chalmers, menar Thunman och Lind. Sedan 1998 har till exempel en annan forskargrupp, under ledning av professor Anders Lyngfeldt, utvecklat ett koncept kring så  kallad kemcyklisk förbränning och i samband med det skannat 500 – 600 material på jakt efter en syrebärare. På så sätt serverades ilmeniten. 
– Vårt bidrag är egentligen att vi flyttat över den till en annan applikation, säger Henrik Thunman.
Vem tar kostnaden?
Men bara för att man har en utmärkt idé är det långt ifrån säkert att den blir till verklighet. 2012 gick en intresseförfrågan ut till samarbetspartnerna Valmet, Göteborgs Energi och Eon. Valmet hoppade på, positiva tester gjordes i Chalmers egen kraftcentral, men istället för kommersialisering förespråkade företaget en vetenskaplig publicering som också blev verklighet 2013.


– De såg inte hur de kommersiellt skulle kunna dra nytta av ett patent då vinsten framförallt skulle hamna hos användaren av utrustningen de levererar. Så varför skulle man då ta kostnaden för det? säger Henrik Thunman.
I dagens befintliga fluidbäddspannor behöver inga större justeringar göras för att de ska kunna köras på ilmenit.
– Den största utmaningen blir att överföra ingenjörskunnandet, säger Fredrik Lind. Inom branschen har man kört på ett sätt i 50 år och här kommer vi från Chalmers och berättar att anläggningen måste köras på ett helt nytt sätt, ibland nästan tvärtom mot man är van vid. Att få det förtroendet tar tid, säger Fredrik Lind.
Eon satsade
Ilmenit.Men det fick man av Eon, energibolaget som Chalmers samarbetat med sedan 2008 genom ett så kallat COINS-avtal, ett brett strategiskt samarbete. Eon hade just ändrat sin affärsidé och konceptet med ett syrebärande bäddmaterial låg nu helt i deras linje, ja så pass att man gjorde det till ett av sina huvudprojekt.
– Det var ett stort ögonblick när vi presenterade konceptet för Eons styrgrupp för produktion och för vd:n och de slutligen säger att vi ger er tillstånd att köra det i våra anläggningar, säger Fredrik Lind.
Inget litet beslut, förklarar Henrik Thunman.
– Man riskerar utrustning i miljardklassen där själva produktionskostnaden ligger på 30 000–40 000 kronor i timman. En veckas stopp och man förlorar 5–6 miljoner.
Resultaten övertygade
Så varför vågade Eon? Forskarnas trumfkort fanns på Campus Johanneberg. I Chalmers egen kraftcentral finns världens största panna för forskningsändamål, en 14 meter hög fluidbäddspanna på 12 MW. Den drivs i samarbete med Akademiska hus och Göteborg Energi och förutom att fungera som laboratorium försörjer den hela Campus Johanneberg med värme.
– Med våra resultat från den i ryggen så var det ganska lätt att övertyga dem, säger Fredrik Lind.
Under 2013 provade man att köra pannan med ilmenit som bäddmaterial i full skala – ett annat stort ögonblick, enligt Henrik Thunman.
– Jag minns hur vi pulsade in bränsle, som med den gängse tekniken skulle spränga alla gränser för tillåtna utsläpp, men som här plötsligt var borta. Det visade med tydlighet att vår tes stämde.
Ytterligare ett stort ögonblick var givetvis första gången man körde i kommersiell skala. Det gjordes snart. Mellan november 2014 och maj 2015 gjordes långtidsförsök på ett av Sveriges modernaste kraftvärmeverk, Händelöverket i Norrköping. Försöket har nu övergått i kontinuerlig drift och Eon planerar dessutom att införa tekniken i flera av sina fluidbäddspannor.
Några trösklar kvar
Och nästa stora ögonblick kanske blir när tekniken etableras längre ut i världen. När det blir är dock svårt att säga. Två trösklar står i vägen. För det första finns ingen som helst logistik ännu. Ilmenit eller järntitanoxid finns i så gott som hela världen med de största producenterna i länder som Kanada, Norge, Sydafrika, Indien och Australien.
– Det är en jättemarknad. Allt vitmedel i till exempel målarfärg och tandkräm innehåller titanoxid, och det vi har använt i våra försök har varit av så hög kvalitet att du kan stoppa den i munnen. Det är inte särskilt dyrt, men klart dyrare än sand, säger Fredrik Lind.
Den andra tröskeln handlar om hanteringen, om kompetensen som saknas för att köra pannor med den nya tekniken. Det finns ett enormt informationsbehov.
– Å andra sidan blir ju det också en affärsmöjlighet för Eon. Vilket är bra ur vårt perspektiv. För varför ska ett bolag annars finansiera vår forskning om det inte kan skapa egna mervärden ur den? säger Henrik Thunman.
Det snabbt utvecklade konceptet ser han som en effekt av det långsiktiga samarbete Chalmers har med Eon genom COINS-avtalet. Utan den ramen hade startsträckan blivit mycket längre.
– Här kunde vi i princip diskutera vad vi ville göra med vår idé istället för att lägga massa krut på att presentera den i jakt på externa finansiärer.
Långvarig forskning grunden
Och själva idén må vara en snilleblixt, men ändå ett naturligt stickspår i en forskningsverksamhet som utvecklats under mer än 30 år och som i mångt och mycket bygger på ett långt samarbete med Göteborg Energi och Akademiska hus.
– Chalmers var ju egentligen med och introducerade den här tekniken när den svenska kraftsektorn skulle ställa om från fossila bränslen till biomassa. Vår panna var en av de första i världen som byggdes som fluidbäddspanna. Så det kanske inte är så konstigt att Chalmers nu utvecklar tekniken ett steg till, säger Fredrik Lind.
Ja, högskolans ställning är speciell i dessa sammanhang. Åtminstone i Kina där chalmersprofessorn Bo Leckner anses vara den som introducerade fluidbäddstekniken.
– Vi hade en delegation från Tsingua University på besök härom året, säger Henrik Thunman.
– Professorn där tog mig åt sidan och sa: ”För dem som håller på med fluidbäddsforskning är ett besök på Chalmers som att komma till Mekka!”

Text: Lasse Nicklasson.

Texten är publicerad i Chalmers Magasin.

Läs också nyheten om genombrottet: Ny typ av sand sätter turbo på kraftvärmeverk



Publicerad: on 14 okt 2015. Ändrad: to 15 okt 2015