sou · GRB338d3 · 2004-01-01 00:00:00 — Elåtgången är omkring , varav merparten går åt vid klortillverkningen. Klortillverkningen medför en vätgasproduktion som säljs till krackeranläggningen. Bland annat eten och bränngas används vid tillverkning av aminer och tensider. Eten, vätgas, propen och bränngas används vid tillverkning av oxoalkoholer. Elkostnadsandelen varierar kraftigt, och är högst i klortillverk- ningen men är mycket låg i vissa andra verksamheter inom kemi- komplexet. Totalt uppgår elförbrukningen till ca . Verkstadsindustrin omfattar företag inom bl.a. data, IT, elenergi, telekommunikation och elektronik, industrimaskiner, instrument och optik, samt bil och transportmedelsindustri. Inom verkstadsindustrin finns både några stora internationella koncerner och en mängd små till medelstora företag. Trots att den svenska verkstadsindustrin inte räknas till energi- intensiv industri, använder den totalt sett betydande mängder energi, i synnerhet elenergi. Verkstadsindustrin är också en stor förbrukare av fjärrvärme. förbrukade man ca 1 400 GWh fjärrvärme, vilket motsvarar knappt hälften av den totala svenska industrins fjärrvämeanvändning. Verkstadsindustrins energiförbrukning, totalt , fördelat på energislag framgår av figur 7. 8 Avsnittet bygger på Energianvändning i industrin, En faktarapport inom Energiframsyn i , 2002. Verkstadsindustrins energiförbrukning, procent per energislag, Källa: Energiframsyn i , 2002. Som framgår av figuren, utgörs av verkstadsindustrins energiförbrukning av elenergi, medan fjärrvärme står för , eldningsolja 1 för , eldningsolja 2–5, liksom gasol, för vardera. Koks, naturgas samt bio- och avfalls- bränslen svarar vardera för av förbrukningen. Syftet med följande avsnitt är att uppdatera den kartläggning av bränsleanvändningen för olika ändamål i skilda industriprocesser som gjorde 1994 (SOU 1994:85). Avsnittet innehåller dessutom översiktliga beskrivningar av hur energi10 används i vissa industriella processer. Det gäller dels enhetsprocesser, exempelvis uppvärmning, som används i många industrier, dels tillverkningsprocesser som är specifika för en viss typ av tillverkning. 9Avsnittet bygger på en rapport från Tentum, samt på kommitténs kontakter med svenska branschorganisationer och enskilda företag. 10Begreppet energi definieras i denna bilagas appendix. Här ingår även en genomgång av vissa energivaror och deras användningsområden. Det främsta syftet är att komma fram till i vilka processer som den insatta energin omvandlas till kemisk energi och i vilka den insatta energin omvandlas till värmeenergi och därmed förbrukas, samt att ge en grov bild av hur stor del av produktionskostnaderna som utgörs av energikostnad. Flera av de processer som avhandlas nedan förbrukar både el och bränslen. Till skillnad från avsnitt B4.1, som koncentrerades på elanvändningen, fokuserar detta avsnitt på bränsleanvändningen i vissa industriella processer. De olika industriella tillverkningsprocesser som beskrivits i denna bilaga kan delas in på följande sätt: Processer där en stor del av insatsenergin omvandlas till kemisk energi i den producerade varan: järn, aluminium och andra metaller och metallegeringar industrigaser som vätgas och acetylen Till denna grupp kan man också lägga produktion av elektrisk energi, men här omvandlas inte energin i det insatta bränslet till kemisk energi utan till elektrisk energi i den producerade varan. Gemensamt för dessa processer är att de försiggår vid hög tempe- ratur. En del av energiinsatsen går åt för att höja temperaturen hos råmaterialet. I flera av processerna i denna grupp, inklusive produktion av elektrisk energi, omvandlas dock av insatt energi till energi i den tillverkade produkten. Processer där ingen eller en liten del av den insatta energin omvandlas till kemisk energi i den färdiga produkten: tillverkning av mekanisk massa B 4.2.1 Framställning av järn och stål Tillverkning av järn är historiskt sett en av de tidigaste industriella tillämpningarna av en kemisk omvandlingsprocess.11 Masugns- processen är en metallurgisk reduktionsprocess. Totalt går det åt rent (elementärt) kol per producerat ton järn. Detta är också så mycket kol och koks som i praktiken går åt i en modern masugn. av den insatta mängden energi i proces- sen omvandlas till kemisk energi i den färdiga produkten (järn). Produkten är råjärn som till består av rent järn. Det bearbetas vidare till stål av olika sorter genom borttagning av vissa oönskade ämnen i råjärnet och genom tillsats av andra ämnen. Det är i råjärnframställningen som den största energiinsatsen sker. En annan viktig järnråvara är skrot. Detta smältes i elektriska ugnar, s.k. ljusbågsugnar. För såväl malmbaserat som skrotbaserat stål sker numera en slutjustering av stålets kemiska analys i en efterbehandling i skänk efter stålugnen. I ett stålverk bearbetas stålet ytterligare för att få fram produkter med lämpliga egenskaper. Stålämnen valsas sedan till plåt och andra lämpliga former. För denna del av tillverkningen åtgår omkring 300 kWh elenergi per ton stål. Bränslen används också för att upphetta stålämnena före valsning och för andra ändamål i stålverk. Denna del av insatsenergin omvandlas inte i någon större grad till kemisk energi i det färdiga stålet. Den enda process där stålet får sin kemiska energi är i stort sett när malmen omvandlas till järn i masugnen. 11 För processbeskrivningar, se B 4.1.3 samt appendix till kapitel 5. I ett elektrostålverk återanvänder man stålskrot för att producera nytt stål. Inte heller insatsenergin i form av elenergi omvandlas till kemisk energi i det färdiga stålet. På liknande sätt som järn framställs också nickel, kobolt och zink genom reduktion. Vid reduktion av såväl järn som andra metaller kan väte användas i stället för kol för att ta bort syret från malmen. Även elektrolys och andra processer används för tillverk- ning av dessa metaller. När det gäller ståltillverkning är det i stort sett bara i masugns- processen som insatsenergin (kolet) omvandlas till kemisk energi i den färdiga produkten. B 4.2.2 Framställning av bly genom återvinning ur förbrukade blyackumulatorer Bly återvinns ur förbrukade blyackumulatorer samt visst annat högvärdigt blyskrot. Processen baseras på smältning och reduktion av blyråvaran i en schaktugn. Batterierna smälts hela efter tömning av batterisyra, dvs. även plasthöljet och plastseparatorerna ingår i den s.k. ugnschargen12 tillsammans med slagg, slaggbindare, diverse returer från blyraffineringen och koks. Koks tillsätts alltså vid smältning av blyråvaran. Koksens roll i detta fall liknar koksens roll vid framställning av råjärn genom en reduktionsprocess i en masugn. Koksen används för smältning, reduktion av blyoxid till bly samt ger stabilitet åt chargen i smältzonen. Koks är en nödvändig metallurgisk råvara i processen och kan inte ersättas med något annat reduktionsmedel. Tillsatsen av koks sker i en integrerad process, där det är omöjligt att särskilja hur stora andelar av kokstillsatsen som går åt till de olika stegen i processen. B 4.2.3 Framställning av bränd kalk Tillverkning av bränd kalk är en av de äldsta industriprocesserna och kan spåras tillbaka ända till det antika . kalk användes för att tillverka murbruk. Även är det en betydande industri. Förutom för murbruk används bränd kalk vid ståltill- 12 Charge betecknar råvara i kemisk eller metallurgisk process. verkning, vid sockertillverkning, i pappersindustrin (som ett del- steg i pappersmasseprocessen), och i kalciumkarbidprocessen. Tillverkning av bränd kalk sker genom att kalksten (CaCO3=kalciumkarbonat) upphettas till i en ugn där kalksten sönderdelas i bränd kalk (CaO) och koldioxid (CO2) enligt reaktionsformeln CaCO3 + värme CaO + CO2 Processen är endoterm, dvs. det fordras externt tillförd värme- energi för att hålla processen igång. Värmeenergin tillförs genom eldning med bränsle, vanligtvis kol eller olja. Processen kan användas för att illustrera att insats av värme- energi kan ha två skilda syften i en kemisk process. Sönderdelningen av kalciumkarbonat sker endast om temperatu- ren överstiger . Ändamålet med en del av tillför- seln av värme till processen är därför att uppvärma kalkstenen till denna temperatur. När temperaturen väl har nåtts är ändamålet med ytterligare tillförsel av värmeenergi att underhålla den kemiska processen, dvs. att sönderdela kalkstenen i sina två beståndsdelar bränd kalk (CaO) och koldioxid (CO2). Denna ytterligare tillförsel av värme sker utan att temperaturen höjs, dvs. utan att det sker någon uppvärmning. Den värmeenergi som tillförts initialt för att höja temperaturen kan till viss del återvinnas i samband med att den heta brända kalken och den heta koldioxiden som bildas används för att för- värma den nya kalksten som går in i ugnen. Den värmeenergi som går åt för att underhålla processen där kalkstenen sönderdelas lagras som kemisk energi i den producerade brända kalken. Detta exempel visar att det är viktigt att skilja på begreppen uppvärmning och värmetillförsel. Med uppvärmning menas att temperaturen hos ett material höjs. Uppvärmning av ett föremål kan ske genom att tillföra värmeenergi. Det sker exempel- vis i en hetvattenpanna genom att man låter de heta rökgaserna vid förbränning uppvärma vatten. Tillförsel av värmeenergi till ett material leder emellertid inte i alla sammanhang till att temperatu- ren hos materialet höjs. I stället omvandlas den tillförda värmeener- gin till kemisk energi i materialet. Detta är exempelvis fallet vid till- verkning av bränd kalk. Värmeenergi tillförs kalkstenen men tem- peraturen blir inte högre än . Vid denna tempe- ratur sönderdelas kalkstenen kemiskt. som tillförs när denna temperatur nåtts lagras som kemisk energi i den brända kalken. Hur stor del av energin i det insatta bränslet som går till upp- värmning av kalkstenen beror av vilken princip beräkningen görs efter och på vilken teknik som används. Det kan röra sig om 15– om man tar hänsyn till värmeåtervinningen. Vid tillverkning av bränd kalk går den största delen, uppskatt- ningsvis runt 40–, av den värmeenergi som tillförs pro- cessen till den kemiska omvandlingsprocessen och lagras som kemisk energi i den brända kalken. Den del av den insatta energin som åtgår för att uppvärma kalkstenen år svår att beräkna, eftersom denna uppvärmning till viss del sker genom att man återvinner värmen från den heta brända kalken. Hur stor denna värmeåtervin- ning är skiljer sig från anläggning till anläggning. B 4.2.4 Framställning av cement Processen för tillverkning av cement är till viss del densamma som för tillverkning av kalk. Råmaterialet utgörs främst av kalksten, lera och sand. Den producerade cementen utgörs av kemiska föreningar av kalcium, syre, kisel, aluminium och järn. Den kemiska omvand- lingen fordrar insats av värmeenergi, vilken vanligtvis sker genom förbränning av kol. Även här har insatsen av värmeenergi två ända- mål, dels att höja temperaturen hos råmaterialet så att den kemiska processen startar, dels att underhålla den kemiska processen där de ingående kemiska beståndsdelarna omvandlas till cement. Den största delen av värmetillförseln går åt för att underhålla den kemiska omvandlingsprocessen. Det går åt ungefär kol per ton producerad cement. Ur värmebalansberäkning av nu gällande process inom cementindust- rin i framkommer, enligt Kemikontoret, att av kolets energi omvandlas till kemisk energi i cementen. Eftersom råmaterialet förvärms genom att utnyttja värmen hos den heta rökgasen och den färdiga cementklinkern är det svårt att beräkna hur stor del av den insatta energin som går till uppvärm- ning. Det rör sig dock om väsentligt . B 4.2.5 Framställning av industrigaser Tillverkning av industrigaser som vätgas, syrgas, kvävgas och acetylen är en viktig del av den kemiska industrin. Vätgas och syr- gas kan tillverkas med elektrolys. När det gäller vätgas sker emellertid tillverkningen till största delen med naturgas (metan=CH4) eller gasol som råmaterial. Processen, ångreformering, går till så att naturgasen upphettas med vattenånga så att metanmolekylerna och vattenmolekylerna slås sönder och kombineras till väte (H2) och koldioxid (CO2). Processen är endoterm, dvs. den fordrar insats av värmeenergi. Både denna process och elektrolytiska processer innebär en kemisk omvandling av de ingående råmaterialen. En del av den energi som sätts in i dessa processer omvandlas till kemisk energi i de gaser som produceras. När det gäller frågan hur stor del av den insatta energin som går åt för att upphetta råmaterialet så att den kemiska processen äger rum, saknas tillgängliga uppgifter. Produktion av syrgas och kvävgas sker som regel inte genom en kemisk process. I stället sker produktionen via syrgasen och kväv- gasen i luften genom att man komprimerar och kyler luften till en vätska så att syrgas och kvävgas kan separeras genom s.k. fraktione- rad destillation. Denna process innebär inte en kemisk omvandling utan är en separering av två gasformiga ämnen som finns naturligt i råmaterialet, luften. Den kemiska sammansättningen av det ingå- ende ämnet (luft) är densamma som den kemiska sammansätt- ningen hos de utgående ämnena, syrgas och kvävgas13. Syrgastillverkning är ett exempel på att en viss produkt både kan tillverkas genom en kemisk omvandling, vid elektrolytisk omvand- ling av vatten, och genom en separationsprocess utan kemisk omvandling, vid tillverkning från luft. B 4.2.6 Framställning av väteperoxid Väteperoxid framställs med utgångspunkt från vätgas, som erhålls till följd av sönderdelning (spaltning) av naturgas eller gasol. Sönderdelningen sker vid hög temperatur i tuber i ett slag av krackugn (vätgasreformer). I två steg, i en exoterm och en endo- 13 Det föreligger en viss, liten, skillnad i den kemiska energin hos luft (en blandning av syrgas och kvävgas) och samma mängd ren syrgas och ren kvävgas. term reaktion, sker sönderdelningen till vätgas och koldioxid. Det är i tuberna som själva förändringsprocessen – som resulterar i vätgas – äger rum. Det bränsle som tillsätts i tuberna går i allt väsentligt åt till den egentliga framställningen av vätgas. Endast en smärre mängd av bränslet alstrar värme. B 4.2.7 Framställning av alkohol Alkohol, etanol, framställs från växter. Detta sker genom att växt- sockret omvandlas till etanol blandad med vatten och koldioxid. I processen bildas värme. Denna process är alltså exoterm. Koncen- trerad alkohol produceras genom att vattnet och etanolen separeras genom destillation. Denna process är endoterm och en del av den energi som går åt vid destillationen omvandlas till kemisk energi i etanolen. Detta är emellertid en liten del av den totala energi som sätts in i produktion av etanol. B 4.2.8 Framställning av oljeprodukter Med oljeprodukter menas ämnen som tillverkas av råolja. Råolja består till allra största delen av olika typer av kolväten, dvs. mole- kyler av kol- och väteatomer. Ofta innehåller råolja också icke önskvärda ämnen såsom till exempel svavelföreningar som avskiljs och används som råvara i den kemiska industrin. Råolja från olika delar av världen har olika sammansättning. Valet av råolja har därför stor betydelse beroende på vad som skall framställas bräns- len, smörjolja eller asfalt. I regel produceras bränslen, smörjolja och asfalt vid olika raffinaderier. Råolja används som råvara vid pro- duktion av olika bränslen, plaster och ett stort antal andra kemiska produkter. Produktionen sker i oljeraffinaderier och i petro- kemisk14 industri. Det gäller att ur råolja producera bensin, diesel, lätta eldningsoljor, tunga eldningsoljor etc. i proportioner som motsvarar marknadens krav. Flera olika processer används. Processerna syftar till att ur de kolväten som ingår i råoljan framställa ämnen som har lämpliga egenskaper som bränslen, t.ex. bensin, lätt eldningsolja och tung eldningsolja. Vid raffinaderier kan också råvara för den petrokemiska industrin produceras. 14 Se avsnitt B 4.1.5. Råvaran vidareförädlas till olika ämnen (plaster) lämpade som konstruktionsmaterial. De olika beståndsdelarna i råolja används på två olika sätt i ett oljeraffinaderi. Den allra största delen används som råvara för de oljeprodukter som raffinaderiet levererar. Den andra typen av användning består i att en del av den gas som separeras vid raffine- ringsprocessen samt tung eldningsolja används som bränsle för att omvandlas till värmeenergi, exempelvis för att hetta upp och för- ånga råolja i destillationsprocesserna. Framställningen av oljeprodukter i ett oljeraffinaderi kan å sin sida uppdelas i två typer. Den första, destillation, innebär att man separerar ut olika typer av kolväten som finns naturligt i råoljan i fraktioner. Dessa är bland andra propan (gasol), bensin, nafta, fotogen, dieselolja, lätta eldningsoljor, tunga eldningsoljor, smörj- oljor och asfalt. Destillationen innebär inte att man skapar nya kemiska ämnen utan att man sorterar ut de olika beståndsdelarna i råoljan. Den andra typen är omvandlingsprocesser. Denna förädling sker i så kallade uppgraderingsanläggningar. Eftersom bensin och andra kolväten med mindre molekyler ofta är mer värdefulla på markna- den omvandlar man en del av de tyngre fraktionerna, som man får vid destillation av råoljan, till bensin och dieselolja. Det sker bland annat genom krackning, som innebär att man slår sönder de större kolvätemolekylerna i mindre molekyler. Krackning kräver insats av energi, vilket främst sker genom att man eldar raffinaderigas eller tung eldningsolja. För att få fram kolväten med lämpliga egenskaper, exempelvis för bensin, använder man väte som får reagera med de kolväten man får fram genom destillationen. Det sker till exempel vid hyd- rokrackning. Insats av väte görs också i processer för att ta bort oönskade ämnen såsom svavelföreningar. En del av de lätta produkterna från separations- och från omvandlingsprocesserna används sedan för omvandling till olika former av plastmaterial i petrokemisk industri. En stor del av de bränslen som förbränns i raffinaderier och kemisk industri går åt i omvandlingsprocesser. Det innebär att den kemiska energin i de förbrända bränslena omvandlas till kemisk energi i de producerade bränslena. För drift av pumpar i raffinaderier åtgår elektrisk energi. Denna energi går emellertid förlorad och återuppstår alltså inte som kemisk energi i de produkter som framställs. Svenska raffinaderier levererar i vissa fall spillvärme till fjärrvär- meverk. I levererar t.ex. två raffinaderier spillvärme som täcker en tredjedel av stadens fjärrvärmebehov. Till viss del omvandlas alltså en del av den kemiska energin i de bränslen som förbränns i raffinaderier till hetvatten för fjärrvärmedistribution. Hur stor del av energin i de bränslen som förbränns och den elektriska energi som används i oljeraffinaderier som omvandlas till kemisk energi i de färdiga oljeprodukterna finns inga uppgifter om. På grund av att det sker så många kemiska processer i ett oljeraffi- naderi och så många olika produkter tillverkas är det vanskligt att göra sådana beräkningar. Svenska () poängterar att det som hänt under de som gått sedan (SOU 1994:85) påbörjade sitt arbete, är att utvecklandet av miljö- klassade motorbränslen fortgått samt att mer restriktiva miljökrav avseende utsläpp till luft och vatten från raffinaderiverksamheter tillkommit. Som bränsle i raffinaderiernas ångpannor och ugnar används raffinaderigas, som härrör från raffinaderiernas olika pro- cesser och består av butan, propan, etan, metan och vätgas. Även eldningsolja används som raffinaderibränsle. Ökade miljökrav har medfört att mängden olja minskat och ersatts med gas (främst raffinaderigas)15. Raffinaderiets utformning, tillsammans med de råoljekvaliteter som processas är av avgörande betydelse för energiförbrukningen. Allmänt kan sägas som en approximation att för ett enkelt raffina- deri (raffinaderi utan krackerenheter) förbrukas i volym lätt råolja och tjock råolja i processen. Motsvarande förbrukningstal för ett mer komplext raffinaderi (raffinaderi med krackerenheter) är lätt råolja och tjock råolja. Energiförbrukningen genom uppvärmning syftar till att starta en fysikalisk separation (destillation) eller en kemisk (biologisk) process, till exempel avsvavling, refomering, avaromatisering eller krackning (sönderdelning). I syfte att klara tillståndskraven för utsläpp finns även exempel på att naturgas används som processbränsle. Användningen av bränslen för andra uppvärmningsändamål och som drivmedel är dock av marginell betydelse i sammanhanget. 15 Trots att denna industrigren är befriad från koldioxidskatt genom mineraloljedirektivet, har raffinaderier genomgått en kraftig energieffektivisering. har raffinaderierna minskat sitt energiindex till hälften. B 4.2.9 Framställning av koks Koks används främst i masugn för järnframställning. Koks fram- ställs från kol genom upphettning, varvid en del gaser och vätskor drivs ut ur kolet. På det sättet får man fram en produkt som, jämfört med vanligt kol, är mer lämpad som reduktionsmedel vid järn- och annan metallframställning. En del av gaserna är brännbara och används som bränslen. Den kemiska processen är komplicerad. Större delen av den kemiska energin hos det ingående kolet finns kvar som kemisk energi hos den utgående koksen och hos gaserna. Hur stor del denna är varierar mycket beroende på teknik och på kolkvalitet. I de flesta fall torde av den kemiska energin i det kol som används som insats finnas kvar som kemisk energi i den producerade koksen och gaserna. Den insats av värmeenergi som går till upphettning av kolet är liten i förhållande till energin i det tillförda kolet, . B 4.2.10 Framställning av kimrök Kimrök är kol i finfördelad form, erhållen genom ofullständig för- bränning av organiska ämnen. Vanligtvis utgår man från petrole- umprodukter, men naturgas eller andra organiska ämnen kan också användas. Kimrök består av ytterst små partiklar, med diameter från mindre än 1µm, vilka under tillverkningsprocessen slår sig samman under bildning av mer eller mindre förgrenade aggregat. Ytan på kimrökspartiklarna är aktiv och förmår binda olika ämnen. Det finns tre huvudsakliga användningsområden för kimrök. Det volymmässigt största är som förstärkande fyllningsmedel i gum- mimaterial. Den enskilt största produktsektorn är däck, som glo- balt svarar för ca 2/3 av alla gummiprodukter. Kimrökshalten i gummidäck är normalt vilket innebär att ett personbils- däck innehåller 2–kimrök. Ett annat viktigt användningsområde är som pigment i färglack och olika polymermaterial. I polymermaterial ger kimrök även ett UV-skydd genom att de finfördelade kimrökspartiklarna hindrar solstrålarna att tränga in i materialet och bryta ned det. I det tredje användningsområdet utnyttjas kimrökens elektriskt ledande för- måga, t.ex. vid tillverkning av produkter som avleder statisk elekt- ricitet. Tabell 14 visar huvuddata för tillverkning av kimrök i . produceras 15 olika produktslag, och tillverkarna planerar att öka antalet . Den totala produktionen av dessa 15 produktslag uppgick till . På grund av teknikutformningen, är det inte möjligt att ange hur mycket energi som används vid produktion av respektive produktslag. Kimröksproduktion, huvuddata för anläggning och drift Energitillförsel (olja + naturgas) ca 1 040 GWh/år Källa: Kemikontoret och . Det finns 5–6 olika kommersiella metoder att tillverka kimrök. I produceras kimrök genom en termisk process där olja sön- derdelas i en slags krackugn vid en temperatur av 1 300– 2 . För att uppnå rätt reaktorbetingelser tillsätts en sekundär råvara, naturgas eller olja, samt förvärmd luft i reaktorns front. I reaktorn, där syreunderskott råder, tillförs den primära råvaran, dvs. oljan, vilket resulterar i att kimrök och processgas (en brännbar gas med blandat innehåll av kolväteföreningar) bildas. Figur B4.8 nedan illustrerar tillverkningssystemet. Tillförseln av respektive råvara är nära integrerad.