Ska vi göra el av ved, hemma?

Det här är andra artikeln om ved som jag skrivit, den första var Småskalig vedförbränning. Det är egentligen det här ämnet, att göra el av ved, som jag är mest intresserad av, men var tvungen att börja från början för att ha en bra bas att stå på inför den här artikeln!

Att göra el av ved är något jag gått och klurat på i flera år, och ju mer jag tänkt på det desto mer har jag tyckt att det är otroligt att det idag inte finns någon lösning på marknaden som gör el av ved, småskaligt. Ur ett resiliensperspektiv är det oerhört intressant! Tänk att alltid ha tillgång till el, så länge du har tillgång till ved, vad som än händer i världen, i vilket väder och vilken årstid som helst.

På sommaren går det idag bra att få el, värme och varmvatten från solen men för vintertiden finns ingen riktigt bra småskalig lösning. Hans-Olof Nilssons soldrivna hus med långtidslagring av energi i vätgas (https://www.powercell.se/en/cases/self-sufficient-smart-houses/)  är ett dock ett mycket intressant undantag, som fungerar. Hans-Olof såg att det fanns färdiga komponenter på marknaden, men ingen hade satt ihop det till ett fungerande system. Det verkar dock kräva ett lågenergihus för att gå runt vilket inte alltid så lätt att få till med befintliga hus, plus att det finns en del kostnads- och säkerhetsaspekter kring vätgaslagring. Det finns definitivt utrymme för fler lösningar som uppnår samma sak: att bli självförsörjande på energi. 

På det ännu mer småskaliga planet finns idag små vedeldade campingkök som genererar lite ström som kan räcka för att nödladda en mobil. Här finns potential att vidareutveckla, t.ex. i bärbara kaminer där det bör gå att få ut mer ström.

Jag är intresserad av att ta reda på vad potentialen är för elproduktion av ved teoretiskt, och ännu härligare vore att kunna testa praktiskt! Och om det då verkar lovande -ta det till marknaden.

Krav på verkningsgrad

Småhus

Om man vill ha ett hem som via ved är självförsörjande på värme, varmvatten och el vintertid och samtidigt ta tillvara så mycket som möjligt av energin, så behöver vi hamna på tillräckligt hög verkningsgrad i omvandlingen av värmeenergi till el. Om vi har för låg verkningsgrad (liten mängd el i förhållande till mängden värme) så kommer vi få ett värmeöverskott som behöver kylas bort till ingen nytta. För hög verkningsgrad är dock inget problem, det går alltid att sälja elen så att den gör nytta någon annanstans. Vilken är då den minsta verkningsgrad vi behöver för att inte behöva elda för kråkorna? 

En normal vill brukar sägas ha ett totalt energibehov på 25 000 kWh per år för värme, varmvatten och hushållsel. Om man har värmepump så blir behovet av köpt el betydligt lägre, men den totalt använda energin är dock fortfarande 25 000 kWh. Hushållselen brukar sägas stå för 5000 av dessa 25 000 kWh, alltså behöver vi minst ha en verkningsgrad på 20 % för att inte behöva elda för kråkorna. 

MEN -idag lär den som skaffar sig ett hus med egen elproduktion också vara intresserad av att ladda elfordon. 1500 mil per år i en Tesla á 2,5 kWh/mil innebär 3 750 kWh, alltså nästan en fördubblad hushållselanvändning. Då behöver vi isåfall ha en verkningsgrad på 8750/28 750= 30 %. Men detta är inte riktigt sant, eftersom värmebehovet är betydligt större på vintern. Vi behöver titta på vinterförbrukningen för att få rätt verkningsgrad. Energibehovet för värme och varmvatten en vintermånad i Sverige är ca. 3500 kWh, medan hushållselbehovet är samma året om, ca 400 kWh/månad. Elbilen drar också lite mer på vintern, säg 3,5 kWh/mil. 1500/12=437,5 kWh/månad. Det betyder att den minsta verkningsgrad vi behöver på vintern för att slippa elda för kråkorna är 837,5/(3500+837,5)=837,5/4337,5=19 %.

Om man inte har en elbil att ladda så räcker det med 10 % verkningsgrad.

Fält-/nödkamin

En fältkamin för friluftsliv på vintern, som också kan användas i nödsituationer när elnätet är utslaget, bör kunna generera iaf små mängder el. Detta finns redan i mycket små vedkaminer för utomhusbruk, utan skorsten, från företaget Biolite. Den kan leverera max 3 watt. En vanlig mobiltelefonladdare ger 5 watt och en snabbladdande powerbank kan ta emot (och ge) 18 watt.

I en fältsituation så vill man förmodligen ladda sina apparater så snabbt som möjligt när man väl eldar, för att inte använda upp onödigt mycket ved och för att eld måste skötas och man kanske vill göra något annat. Så en snabbladdande powerbank verkar attraktivt, som man sedan i sin tur kan ladda olika elapparater med. Kan man då få ut 18 watt från en fältkamin? På Youtube hittar jag genast videos på folk som får ut ca. 50 watt från konstruktioner som inte ser vansinnigt stora och tunga ut, med termoelektriska element på vanliga kaminer. Så det verkar helt klart vara möjligt att kunna få ut 18 watt. 

Vad är då det i verkningsgrad? Låt oss göra ett grovt överslag. I den förra artikeln lärde vi oss att en vedklabbe ger cirka 2 kWh värmenergi i en modern vedpanna. I en enkel fältkamin blir verkningsgraden lägre, låt oss anta halverad, så att vi får ut 1 kWh värmeenergi från en vedklabbe, resten går ut i skorstenen. I en liten fältkamin kanske man har cirka två vedklabbar inne samtidigt, och låt oss också anta att de brinner i en halvtimme. Då har kaminen effekten 2*1/0,5=4 kW. Verkningraden om man får ut 18 watt el blir då 18/4000=0,5%. Det är alltså låga krav på verkningsgrad om man bara ska ladda sin mobiltelefon, led-lampor m.m. från en fältkamin.

Självklart kan det också vara intressant att kunna ladda mobilen även hemma vid långvariga strömavbrott, genom att montera ett termoelektriskt element på sin kamin.

Olika metoder att göra el av ved, småskaligt

Ångturbin+generator

Ångturbinen är det vedertagna sättet att storskaligt producera el från värme, t.ex. i kraftvärmeverk eller kärnkraftsverk. Vatten hettas upp, förångas och ångtrycket driver en turbin som är kopplad till en generator. Det förefaller också vara den metod som ger i särklass högst verkningsgrad, upp till 50 %. Jag har dock inte hittat någon småskalig lösning på marknaden, det verkar vara för avancerat/dyrt för att göra småskaligt.
https://sv.wikipedia.org/wiki/Kraftv%C3%A4rmeverk

Gas i förbränningsmotor + generator

En helt annan metod att få el från ved än att omvandla värme till el är att förgasa den (gengas) och driva en förbränningsmotor, som man sedan kopplar en generator till. Metoden är beprövad och användes t.ex. under andra världskriget för att driva bilmotorer. Det finns lösningar på “mellanstor” skala idag som verkar fungerar väl och har 27 % verkningsgrad. http://www.fgebiomass.co.uk/wp-content/uploads/2019/05/EN_Froling_CHP_50_2018.pdf

Det finns gott om hemmabyggare som driver förbränningsmotorer med gengas och sedan kopplar generator till, men jag har inte hittat någon småskalig lösning som går att köpa.

Hetluftsturbin+generator

Compower lanserade 2006 sitt småskaliga, hetluftsturbinbaserade system för elproduktion. Jag förstår inte riktigt hur det fungerar, men verkar bygga på att luft som värms upp expanderar och kan då driva en turbin. 20 % verkningsgrad utlovades, men tyvärr verkar det aldrig kommit någon färdig produkt till marknaden. I artikeln nämns också andra företag, men vid närmare undersökning har ingen av dessa någon småskalig lösning att erbjuda.
https://www.nyteknik.se/energi/hembrand-el-fran-villapannan-6413441

Stirlingmotor

Stirlingmotorn är en annan relativt beprövad teknik för att göra o värme till el. En 3 kW stirlingmotor från Genoa Stirling har 13 % verkningsgrad vid 850 grader, alltså den temperatur som uppnås i förbränningskammaren i en modern vedpanna. Deras Stirlingmotorer verkar vara färdigutvecklade men de har ännu inte fått till en integration med vedpanna. Efter samtal med företaget så verkar det som att akilleshälen är att motorn behöver kylas med max rumstemperatur, vilket inte fungerar ihop med en vanlig ackumulatortank som har högre vattentemperatur. Då krävs antingen större ackumulatortankar som kan ha lägre temperatur eller att man helt enkelt får kyla bort överskottsvärmen utomhus -men det är inget effektivt användande av bränsle.

Omvänd värmepump

Värmepumpar är väldigt vanligt för att flytta värme från ett ställe till ett annat för att ge antingen värme (t.ex. byggnader) eller kyla (t.ex. kylskåp). Processen inkluderar förgasning och kondensering av en vätska och pumpen som driver processen kräver el. 

Climeon har vänt på processen och kan få ut el från cirka hundragradig vätska med ca. 10 % verkningsgrad, vilket ger enorma möjligheter för att ta tillvara på spillvärme och geotermisk energi. Climeon har dock inga tillräckligt småskaliga lösningar att erbjuda för att det ska passa för hushållsbruk. 

Ångmaskin+generator

Ångmaskiner är minst sagt en beprövad teknologi och att koppla en generator till en ångmaskin kan man tycka borde vara en smal sak. Jag har dock inte kunnat hitta någon tillverkare av ångmaskiner för småskalig elproduktion, det enda jag hittat är hemmabyggen.

Verkningsgraden (hur mycket värmeenergi som omvandlas till rörelseenergi) är också relativt låg, max. ca. 8 %. 
https://www.dn.se/debatt/hogtekniska-angmaskiner-ar-en-forbisedd-energikalla/#:~:text=Dessa%20och%20andra%20sk%C3%A4l%20gjorde,endast%20ligger%20kring%208%20procent.

Termoelektriska element

Termoelektriska element, även kallade Peltierelement, är vanligt i kylväskor för konsumentbruk. Genom att tillföra ström så blir ena sidan av elementet kallt och det andra varmt, med 30-60 graders temperaturskillnad. Det går också att vända på processen så att temperaturskillnaden genererar ström. En stor fördel är att det är mekaniskt okomplicerat, det enda som behövs är kylning av den kalla sidan för att upprätthålla temperaturskillnad (genom kylfläns, kanske också med luftfläkt eller till och med cirkulerande vätska), men verkningsgraden är låg, max. ca. 4 %, vilket är långt från de 10-20% vi konstaterat behövs för att bli helt självförsörjande på energi i ett småhus. 

Något jag funderar på är dock och det går att öka verkningsgraden genom att använda elementen på många olika temperaturnivåer, från en möjlig maxtemperatur på 850 grader till när rökgaserna lämnar skorstenen och kanske ligger på 60 grader.

4 % är dock fullt tillräckligt för en fältkamin som ska ge ström till mobiltelefoner och led-lampor.
https://odr.chalmers.se/bitstream/20.500.12380/224186/1/224186.pdf

Min slutsats om vilka lösningar som har störst potential

Vi behöver alltså 20 % verkningsgrad för att slippa behöva elda för kråkorna om man vill ha energi till både hus och elbil. Jag kan se en, kanske två potentiella systemlösningar för detta som ligger någorlunda inom räckhåll: Vedgas i förbränningsmotor + generator är beprövat och finns tillgängligt kommersiellt i mellanstora lösningar och borde inte vara omöjligt att skala ned ytterligare -många gör-det-självare har lyckats. Jag vet iofs inte vilken verkningsgrad de har uppnått och hur driftsäkra lösningarna är.

Kanske kan också termoelektriska element vara en lösning, om min teori om att kunna ta ut el vid flera olika temperaturer på rökgaserna stämmer, så att man så att säga plussar låga verkningsgrader (4%) tills man till slut kommit upp till 20 %.  

Nästa steg

Jag gillar utveckling som sker i små steg. Då kan kostnader hållas nere och feltänk kan upptäckas innan för mycket arbete är gjort. Därför är jag intresserad av att lära mig mer om termoelektriska element och se hur stor verkningsgrad jag kan få ut från en fältkamin. Kan jag få ut mer verkningsgrad än verkningsgraden hos ett enstaka termoelektriskt element -då blir det intressant att även titta på lösningar för småhus. Om inte så är en fältkamin som kan ladda elutrustning mycket intressant det också!

Kul! Jag har också funderat lite kring detta tidigare.

Utöver de tekniker du listar finns även termofotovoltaiska element (TPV), ett slags solceller som utnyttjar värmestrålningen om jag fattat det rätt.
https://en.wikipedia.org/wiki/Thermophotovoltaic

Vet att Mälardalens Högskola gjort tester på ett sådant element, men de skulle behöva en industriell partner för att kunna prioritera fortsatt forskning kring detta. Kontakta [email protected].

Företaget JC Crystals verkar också  utveckla en kommersiell produkt inriktad mot campare. https://jxcrystals.com/wp/

Själv är jag annars mest inne på metanol som ett e-bränslealternativ till vätgas.
Precis som i Hans-Olof Nilssons hus är jag inne på att göra bränsle av solelöverskottet på sommaren för att kunna använda det i en bränslecell på vintern. Fördelen med metanol är att det är en vätska, och därmed mycket enklare att lagra. Bygger vi upp en infrastruktur för metanol i stället för vätgas (typ byter bränsle i dagens infrastruktur för bensin), så kan man också enkelt fylla på metanollagret vid behov. Inte riktigt lika robust som ved, men nästan.

Verkningsgraden är hyfsat låg i omvandlingen el-->metanol-->el så det är viktigt att ta tillvara så mycket som möjligt av värmen som du är inne på. (Lite värmeförluster tror jag dock vi får räkna med.)

Det finns också ett svenskt initiativ kring storskalig metanolproduktion i Örnsköldsvik som jag följer med spänning. https://www.liquidwind.se/ 

Fanns ju ett företag i Gävle, Inresol. Jag var på studiebesök där en gång. Tveksam konstruktion av värmeväxlare då den såg ut att kunna sättas igen av smutsiga rökgaser ganska snabbt. De började sälja den, eller förskottsbeställningar i alla fall, men utan att ha testat i drift länge tror jag. Den höll helt enkelt inte måttet. 

Jag har även varit även på besök hos All Power Labs och sett deras Power Pallet. Deras ställe i Italien, för huvudkontor är i Kalifornien. Det är en förgasare kopplad till en Otto-motor. Det är dock långt ifrån en mogen produkt, och jag tror inte de kommer lyckas få ihop något vettigt heller. Så resan dit var ganska bortkastad i studiesyfte. Jag var i Rom för annat möte egentligen, och det låg i en fin liten by någon timme norrut, så en trevlig tripp i alla fall. 

https://www.oekofen.com/en-gb/pellematic-condens_e/

Tack David för dessa tillägg! Hade inte hört talas om thermofotovoltaiska element innan. Kollade på JC Crystals hemsida men den var rätt fattig och inte uppdaterad sen typ 2019. Har du någon tanke om hur man praktiskt skulle kunna plocka upp strålningsvärmen från en kamin/panna med ett sånt element?

Håller med om att LiquidWind är spännande, bra namn också! Vad är verkningsgraden på att köra el till metanol och tillbaks till el? Vet att det är rätt kass redan vid vätgas.

Wow Dan-Eric! Tänk att du alltid ligger steget före! Vilket gedigen research du har gjort!

Och vad fantastiskt att det finns någon med en typ färdig produkt! Tycker ändå att jag googlade rätt rejält, knäppt att jag missade ÖkoFEN. Jag lyckas inte hitta några data på den, t.ex. vad den har för verkningsgrad. Kan du hitta något?

Hej!
Jag heter Klaus Lorenz och undrar om man kan få mer information om företaget Termofor som ju tydligen har tagit fram en prototyp av vedkamin som ger el via TEG elementen. Är det ett rysk företag?

Jag tror att jag bara hittade denna när jag bildsökte. Termofor har en hemsida och verkar vara lettländskt. Tyvärr har de inte kvar kaminen med termoelektriska element på hemsidan. Du kan ju höra av dig till dem och fråga!

http://www.termofor.lv/home/

Johan; nej, jag har inte tänkt vidare kring praktisk tillämpning för TPV-elementen. MdH var inne på att integrera dem inne i vedpannan, men detta skulle behöva utvecklas ihop med en panntillverkare.

Nu har jag också fått tips om att Sunnytek saluför både pelletspanna och vedpanna i kombination med stirlingmotor. Tror det var en holländsk produkt som verkar hyfsat väl utprovad.
http://sunnytek.se/solenergi/termoelektrisk-energiteknik/electro-pellet-panna.pdf

Verkningsgraden el-metanol-hjul lär vara 17% enligt en presentation från Maria Taljegård på Chalmers (avser bränslecellsfordon) och motsvarande el-vätgas-hjul 24%. (Utifrån detta tror jag fortsatt starkt på i första hand batteridrift (73%) och elvägar (77%)/eljärnvägar för fordon, men tror att metanol är ett rimligt alternativ till vätgas för vissa transporter och för att säsongslagra energi.)

Finns det någon nyare uppgift om Sunnytek tro? Den pdf:en var från 2016.

Fortsättning följer här!
https://www.ecoprofile.se/thread-3505-Producera-egen-el-med-ved%2C-flis-eller-pellets.html