Bereitstellung und Nutzung von SNG (Substitute Natural Gas)

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1 5. Kolloquium Sustainable BioEconomy Karlsruhe, KIT/CN, 1-2. Dezember 2011 Bereitstellung und Nutzung von SNG (Substitute Natural Gas) Ludwig Leible, Stefan Kälber, Gunnar Kappler, Oliver Hurtig ITAS Institut für Technikfolgenabschätzung und Systemanalyse KIT Universität des Landes Baden-Württemberg und nationales Forschungszentrum in der Helmholtz-Gemeinschaft Kontakt:

2 Warum SNG? Drei Thesen Ermöglicht eine effizientere Nutzung der Biomasse (Biogas) Erleichtert den Einstieg der Biomasse in den Mobilitätssektor Ist zu teuer Abb. 2

3 Gliederung des Vortrags (1) Stellung von Erdgas die Referenz für biogene Gase (2) Verfahrensketten zur Bereitstellung biogener Gase als Erdgas- Substitut (SNG): Beschreibung und Kosten (3) SNG-Nutzung zur Bereitstellung von Wärme, Strom und Kraftstoff: Kosten, THG-Minderung, THG-Minderungskosten (4) Schlussfolgerungen Abb. 3

4 Erdgas/Biomasse: Stellung als Energieträger in Deutschland 2010 Gesamt 1) : 480 Mio. t SKE PJ Mineralöl 33,6 % Wasser; 0,5 % Wind; 0,9 % Erdgas 21,8 % Anteile EE 9,4 % 2) Biomasse; 7,4 % 3) Braunkohle 10,7 % restl. EE; 0,6 % Steinkohle 12,1 % Kernenergie 10,9 % 1) PEV 2010, nach AGEB Stand: Februar 2011; 2) berechnet nach Wirkungsgradmethode 3) feste, flüssige, gasförmige Biomasse, biogener Anteil des Abfalls, Deponie- und Klärgas; EE: Erneuerbare Energien; Quelle: BMU-KI III 1 nach AGEE-Stat, ZSW, unter Verwendung von Angaben der Arbeitsgemeinschaft Energiebilanzen (AGEB); Stand: März 2011; Angaben vorläufig Abb. 4

5 Erdgas: Stand und Perspektiven der Verwendung in Deutschland Quelle: BMU-Leitstudie 2010 Abb. 5

6 Verfahrensketten zur Bereitstellung biogener Gase als Erdgas-Substitut (SNG): Technische Beschreibung und Kosten Abb. 6

7 Projekt Systemanalyse zur Erzeugung und Nutzung biogener Gase in Baden-Württemberg Arbeitsschwerpunkte des Projekts Systemanalyse biogene Gase Projektpartner Analyse und Charakterisierung der Prozesskettenbestandteile AP1: Potenziale AP2: Bereitstellungspfade für Biomasse AP3: Konversionstechnologien AP4: Aufbereitung und Einspeisung ins Erdgasnetz AP5: Strom-, Wärme- und Kraftstoffbereitstellung aus SNG Evaluierung und Einordnung der Prozessketten in das Energiesystem AP6: Gesamtvergleich Prozessketten SNG aus Biomasse AP7: Szenarien 2020 für biogene Gase in Ba-Wü Jens Lansche, Joachim Müller Institut für Energiewirtschaft und Rationelle Energieanwendung Universität Stuttgart Ludger Eltrop, Maria Stenull Norman Poboss, Mariusz Zieba Bernd Stürmer, Tobias Kelm DVGW-Forschungsstelle am Engler-Bunte-Institut des Karlsruher Instituts für Technologie, Gastechnologie Wolfgang Köppel ITAS: Schwerpunkt bzw. Koordination Ludwig Leible, Stefan Kälber, Gunnar Kappler Abb. 7

8 Verfahrensketten zur Bereitstellung und Nutzung von SNG Detail-Folie folgt Abb. 8

9 Detail-Folie: Verfahrensschritte zur Aufarbeitung von Rohgas und von Biogas zu SNG Abb. 9

10 Ausgewählte Biogas-/Vergasungsverfahren, Biomassen Abb. 10

11 Kosten der SNG-Bereitstellung über Biogas (500 kw el, Substrat (% FM): 10 % Gülle, 70 % SM, 10 % GPS, 10 % Grassilage) Input für Variante 1 Biomassekosten: 113 /Mg TM Biogaskosten: 72 /MWh SNG- Kosten: 103 /MWh Abb. 12

12 Kosten der SNG-Bereitstellung über Biogas (2000 kw el, Substrat: 100 % Silomais) Input für Variante /Mg TM 63 /MWh Biomassekosten: Biogaskosten: SNG- Kosten: 84 /MWh Abb. 13

13 Kosten der SNG-Bereitstellung über Wirbelschichtvergasung (DFB, 50 MW th, Waldrestholz) Input für Variante /Mg TM 58 /MWh Biomassekosten: Rohgaskosten: SNG- Kosten: 106 /MWh *) *) vorläufig Abb. 14

14 Kosten der SNG-Bereitstellung über Flugstrom-Druckvergasung (500 MW th, Waldrestholz) Input für Variante /Mg TM 53 /MWh Biomassekosten: Rohgaskosten: SNG- Kosten: 76 /MWh *) *) vorläufig Abb. 15

15 SNG-Nutzung zur Bereitstellung von Wärme und Strom: Kosten, THG-Minderung, THG-Minderungskosten Abb. 16

16 Bereitstellung von Wärme und Strom aus SNG (Variante 1) und Erdgas Kosten, THG-Minderung, THG-Minderungskosten Variante 1 SNG-Kostenbasis Ø aus: Wärme Strom ( + Wärme) 500 kw el Biogasanlage 50 MW Wirbelschicht- Vergaser Zentralheizung im Einfamilienhaus (15 kw) Heizwerk mit Nahwärmenetz (500 kw) Blockheizkraftwerk (BHKW) (2 MW el ) Gas- und Dampfturbinenkraftwerk (GuD) (400 MW el ) = 105 /MWh SNG Energieträger SNG Erdgas SNG Erdgas SNG Erdgas SNG Erdgas SNG-/Erdgaspreis /MWh Kosten /MWh Wärme /MWh el THG-Minderung Mg CO 2 - Äq./MWh Wärme 0,237 0,213 Mg CO 2 - Äq./MWh el 0,433 0,382 THG-Minderungskosten /Mg CO 2 -Äq Abb. 17

17 Bereitstellung von Wärme und Strom aus SNG (Variante 2) und Erdgas Kosten, THG-Minderung, THG-Minderungskosten Variante 2 SNG-Kostenbasis Ø aus: Wärme Strom ( + Wärme) 2000 kw el Biogasanlage 500 MW Flugstrom-Vergaser = 80 /MWh SNG Zentralheizung im Einfamilienhaus (15 kw) Heizwerk mit Nahwärmenetz (500 kw) Blockheizkraftwerk (BHKW) (2 MW el ) Gas- und Dampfturbinenkraftwerk (GuD) (400 MW el ) Energieträger SNG Erdgas SNG Erdgas SNG Erdgas SNG Erdgas SNG-/Erdgaspreis /MWh Kosten /MWh Wärme /MWh el THG-Minderung Mg CO 2 - Äq./MWh Wärme 0,225 0,200 Mg CO 2 - Äq./MWh el 0,403 0,362 THG-Minderungskosten /Mg CO 2 -Äq Abb. 18

18 Verfahrensketten zur Bereitstellung und Nutzung von SNG: Direkte Gasnutzung Abb. 19

19 Vergleich der Stromkosten bei direkter Gas-Nutzung (Biogas, Rohgas), SNG- und Erdgas-Nutzung Gasnutzung zur Stromerzeugung Stromkosten ( /MWh el ) Blockheizkraftwerk (BHKW) Biogas aus Biogasanlage Gas- und Dampfturbinenkraftwerk (GuD) Rohgas aus Vergaser Direkte Gasnutzung 0,5 MW el 2 MW el 50 MW th 500 MW th *) 107 SNG SNG SNG-Nutzung Variante 1 (105 /MWh SNG ) 2 MW el 400 MW el Variante 2 (80 /MWh SNG ) Erdgas-Nutzung (= Referenz) (BHKW: 52 /MWh Erdgas GuD: 32 /MWh Erdgas ) Erdgas Erdgas 2 MW el 400 MW el *) Mittelwert aus den drei betrachteten Vergasungsverfahren (Wirbelschicht/DFB, AER, Flugstrom) Abb. 20

20 SNG zur Nutzung als Kraftstoff: THG-Minderung, THG-Minderungskosten Abb. 21

21 SNG als Kraftstoff, verglichen mit Erdgas: THG-Emissionen und THG-Minderungskosten Opel Zafira (Jahresfahrleistung km) ,3 3 / t CO 2 Äq t CO 2 Äq / (Jahr * Pkw) SNG Erdgas SNG Erdgas THG Minderungskosten THG-Minderungskosten THG Minderung THG-Minderung Annahme: Energieautarke Produktion von SNG, Kraftstoffkosten o. Steuern an Tankstelle: SNG 8 ct/kwh, Erdgas 4,5 ct/kwh 0 Quelle: Auto, Motor & Sport 2010; Opel 2011; Spritmonitor.de 2010; ecoinvent 2010; eigene Berechnungen Abb. 22

22 Zusammenfassung und einige Schlussfolgerungen Die Produktion von SNG als Erdgas-Substitut ist technisch aufwändig Die Kosten von SNG sind deutlich höher als die von Erdgas SNG-Produktion über Biogas, ist vielfältig erprobt (ca. 60 Anlagen in Deutschland) SNG-Produktion über Vergasung (Rohgas) muss dagegen noch demonstriert werden SNG ist wie Erdgas vielseitig einsetzbar Über SNG kann Biomasse an Orte effizienter Nutzung gebracht werden SNG ist ökonomisch interessant für dezentrale Wärmebereitstellung nach den Anforderungen des EWärmeG von Baden-Württemberg SNG bzw. Erdgas sind interessante Kraftstoff-Varianten Abb. 23

23 Jens Lansche Joachim Müller Jens Lansche Joachim Müller Projektpartner Institut für Energiewirtschaft Projektpartner und Rationelle Energieanwendung Universität Stuttgart Institut für Energiewirtschaft Ludger und Rationelle Eltrop Maria Energieanwendung Stenull Universität Stuttgart Ludger Eltrop Maria Stenull DVGW-Forschungsstelle am Engler- Bunte-Institut des Karlsruher Instituts für Technologie, Gastechnologie Wolfgang Köppel DVGW-Forschungsstelle am Engler- Bunte-Institut des Karlsruher Instituts für Technologie, Gastechnologie Wolfgang Köppel Norman Poboss, Mariusz Zieba Bernd Stürmer, Tobias Kelm Ludwig Leible, Stefan Kälber, Gunnar Kappler Norman Poboss, Mariusz Zieba Bernd Stürmer, Tobias Kelm Ludwig Leible, Stefan Kälber, Gunnar Kappler Gefördert durch das Ministerium für Ernährung und Ländlichen Raum, mit Gefördert Mitteln durch der Landesstiftung das Ministerium Baden-Württemberg für Ernährung und Ländlichen Raum, mit Mitteln Abb. der Landesstiftung 24 Baden-Württemberg