Nachhaltige Biokerosinerzeugung aus Biogas Technik und Ökonomie Jan Peer Gebauer

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1 Institut für Umwelttechnik und Energiewirtschaft Nachhaltige Biokerosinerzeugung aus Biogas Technik und Ökonomie Jan Peer Gebauer Institut für Umwelttechnik und Energiewirtschaft, Technische Universität Hamburg-Harburg (TUHH) Eißendorfer Straße 40, D Hamburg,

2 Inhalt Hintergrund Ziele im Luftverkehr Mögliche Technologien Biomethan Konzept Einspeisung Verfahrenstechnik des GtL-Prozesses Prozessschritte Wirkungsgrade Technische Analyse Ökonomische Analyse Quelle: Dunia NDT & Inspection 7. Niedersächsische Energietage Nachhaltige Biokerosinerzeugung aus Biogas 2

3 Hintergrund - Ziele IATA Quelle: IATA 7. Niedersächsische Energietage Nachhaltige Biokerosinerzeugung aus Biogas 3

4 Hintergrund - ETS für den Luftverkehr Zwei Stufen mit Referenz zu den Jahren (Baseline) 2012 waren 97 % der Emissionsrechte verfügbar, ab 2013 sind es 95 % Quelle: Atmosfair 85 % der verfügbaren Zertifikate werden frei zugeteilt, die verbleibenden 15 % müssen auf Auktionen erworben werden 7. Niedersächsische Energietage Nachhaltige Biokerosinerzeugung aus Biogas 4

5 Hintergrund - Allgemeine Optionen Kraftstoffe der Zukunft

6 Hintergrund - Allgemeine Optionen Kraftstoffe der Zukunft

7 Biomethan - Biomethan-Konzept Die Verwendung des Erdgasnetzes ermöglicht es, auch kleine, dezentrale Anlagen in die Betrachtungen einzuschließen Eine große, zentrale Konversionsanlage wird hierdurch möglich Dezentrale Biomethanerzeugung und -einspeisung Erdgasnetz Zentrale Konversion im Gas-to-Liquid Prozess Biomasse Biomethan Luftzerlegungs -anlage Biomasse Biomethan Sauerstoff Biomasse Biomethan Reformierung FT-Synthese Gasaufbereitung Produktaufbereitung Kraftstoffe Wärme Wärme Wärme Wärme Biomasse Biomethan Dampfkraftprozess Strom 7. Niedersächsische Energietage Nachhaltige Biokerosinerzeugung aus Biogas 7

8 Biomethan - Biomethaneinspeisung Gasgemisch mit Erdgasqualität Erzeugung auf Bio- oder thermo-chemischem Weg Einspeisung in Deutschland 2013 Status Einspeisung in m³/h In Betrieb In Bau In Planung Quelle: Biogaspartner 7. Niedersächsische Energietage Nachhaltige Biokerosinerzeugung aus Biogas 8

9 Biomethan - Entwicklung der Einspeisung 2013 wurden etwa 6,8 TWh (ca. 615 Mio. m³) Biomethan ins Netz eingespeist und ca. 27,4 TWh an Strom über die anaerobe Fermentation bereitgestellt Quelle: BWK 7. Niedersächsische Energietage Nachhaltige Biokerosinerzeugung aus Biogas 9

10 Biomethan - Derzeitige Nutzung Biomethan stellt einen hochwertigen Energieträger dar und kann in vielen verschiedenen Bereichen eingesetzt werden Hierzu gehören unter anderem die Verstromung, der Einsatz im Wärmemarkt, als Kraftstoff sowie die stoffliche Nutzung Etwa 80 % der bekannten Verwendungsmenge werden in BHKW s eingesetzt, 8 % im Wärmemarkt und 9 % m Kraftstoffsektor Entsprechend müssen bei den Überlegungen mögliche Konkurrenzsituationen mit in Betracht gezogen werden 7. Niedersächsische Energietage Nachhaltige Biokerosinerzeugung aus Biogas 10

11 Verfahrenstechnik Grundlagen GtL Prozess Ursprünglich zum Erschließen entlegener Gasvorkommen entwickelt Umwandlung des eingesetzten Biomethans in ein Synthesegas mit den Hauptkomponenten H 2 und CO Erzeugtes Fisher-Tropsch Produkt kann (auch) in einer konventionellen Raffinerie in die gewünschten Endprodukte weiterverarbeitet werden Konversionspfade 7. Niedersächsische Energietage Nachhaltige Biokerosinerzeugung aus Biogas 11

12 Verfahrenstechnik - Reformierung Dampfreformer Benötigt externe Wärme Hohes H 2 zu CO Verhältnis Partielle Oxidation / Autothermer Reformer Benötigt Sauerstoff Niedriges H 2 zu CO Verhältnis C n H m nh 2 O n CO m 2 n H 2 ΔH R 0 C n H m n 2 O 2 m 2 H 2 nco ΔH R 0 7. Niedersächsische Energietage Nachhaltige Biokerosinerzeugung aus Biogas 12

13 Verfahrenstechnik - Fischer-Tropsch-Synthese (FTS) Polymerisationsprozess zur Umwandlung von Wasserstoff und Kohlenstoffmonoxid in langkettige Kohlenwasserstoffe Fe Co Ru Verfügbare Katalysatoren Metall α Werte Eisen (Fe) 0,5-0,7 Cobalt (Co) 0,7-0,9 (0,95) Ruthenium (Ru) 0,85-0,95 n CO 2 n 1 H C H n H O Quelle: Spath, Dayton 7. Niedersächsische Energietage Nachhaltige Biokerosinerzeugung aus Biogas 13

14 Verfahrenstechnik - Synthesegasaufbereitung Ziel ist die Anpassung des H 2 /CO Verhältnisses und das Abscheiden von Wasserstoff für die Produktaufbereitung (Hydrocracker) Unter Umständen kann es sinnvoll/notwendig sein, CO 2 abzuscheiden Druckwechseladsorption (PSA) Molverhältnis von Produkt (PT) und Restgas (RG) zu Feed H 2 0,78 (PT) ; 0,22 (RG) N 2 0,05 (PT) ; 0,95 (RG) CO 0 (PT) ; 1 (RG) CO 2 0 (PT) ; 1 (RG) H 2 O 0 (PT) ; 1 (RG) Technische Analyse 7. Niedersächsische Energietage Nachhaltige Biokerosinerzeugung aus Biogas 14

15 Verfahrenstechnik - FTS Reaktoren Wirbelschichtreaktor Wird für HTFT verwendet Stark begrenzter α-wert Slurry Phase Reaktor Wird für LTFT verwendet Trennung von Katalysator und Wachs nötig HTFT: High temperature FTS LTFT: Low temperature FTS 7. Niedersächsische Energietage Nachhaltige Biokerosinerzeugung aus Biogas 15

16 Verfahrenstechnik - Oxford Catalysts / Velocys und Compact GtL Quelle: CompactGTL 7. Niedersächsische Energietage Nachhaltige Biokerosinerzeugung aus Biogas 16

17 Verfahrenstechnik - Oxford Catalysts / Velocys 7. Niedersächsische Energietage Nachhaltige Biokerosinerzeugung aus Biogas 17

18 Technische Analyse - Methodik Bilanzierung ein- und austretender Stoffströme Gewinnung von Daten zum Vergleich verschiedener Varianten, zur Optimierung und zur Bewertung Der Wirkungsgrad für einen Stoffstroms ( ) erfolgt durch bilden des Quotienten aus dem Energiestrom des Stoffstroms ( Q s ) zum insgesamt zugeführten Energiestrom ( Q zu ), jeweils Heizwertbasiert s Q Q s zu g Der Gesamtwirkungsgrad ( ) umfasst alle Stoffströme, sowie die erzeugte elektrische Energie ( Pel). Der Eigenbedarf ( Peigen) wird abgezogen g P el Peigen Q zu Q s 7. Niedersächsische Energietage Nachhaltige Biokerosinerzeugung aus Biogas 18 s

19 Technische Analyse - Referenzfälle Verfahrensschritt Prozess Nur Dampfreformer (100 MW) Nur autothermer Reformer (ATR) (100 MW) Kombination Dampfreformer + POX (100 MW und 500 MW) Reformierung Reformierung Dampfreformer autothermer Reformer Sauerstoffbereitstellung Luftsauerstoff Luftzerlegung Dampfreformer + partielle Oxidation Luftsauerstoff + Luftzerlegung Gastrocknung Kondensation Kondensation Kondensation Synthesegasaufbereitung CO 2 -Abscheidung Aminwäsche - - H 2 -Abscheidung PSA a + Membran PSA a + Membran PSA a + Membran Fischer-Tropsch Synthese FTS-Reaktor Microchannel Reaktor Microchannel Reaktor Microchannel Reaktor Gastrocknung Kondensation Kondensation Kondensation Produktaufbereitung Cracking-Prozess Hydrocracking Hydrocracking Hydrocracking Trennverfahren Rektifikation Rektifikation Rektifikation a : Druckwechseladsorption (engl. Pressure Swing Adsorption) 7. Niedersächsische Energietage Nachhaltige Biokerosinerzeugung aus Biogas 19

20 DESIGN-SPEC Technische Analyse - Bsp.: Simulationsmodell Dampfkraft- Prozess HIERARCHY Sämtliche Wärme- und Arbeitsströme werden für eine später Auswertung gesammelt Biomethan Reformierung Aufbereitung FTS Produktaufber eitung HIERARCHY HIERARCHY HIERARCHY HIERARCHY Produkte CALCULATOR Gliederung in Hierarchieblöcken, welche entsprechende Untermodelle enthalten DES IGN-S PE C CALCULATOR 7. Niedersächsische Energietage Nachhaltige Biokerosinerzeugung aus Biogas 20

21 Technische Analyse - Bsp.: Parametereinfluss auf Dampfreformer Temperatur und Druck haben Einfluss auf die Lage des chemischen Gleichgewichts Insbesondere der Druck stellt einen Kompromiss zwischen Methanumsatz und volumetrischer Produktivität dar 0,5 0,5 Anteil in mol/mol 0,4 0,3 0,2 0, Reformertemperatur in C H2 CO CH4 CO2 H2O Anteil in mol/mol 0,4 0,3 0,2 0, Reformerdruck in bar H2 CO CH4 CO2 H2O Technische Analyse 7. Niedersächsische Energietage Nachhaltige Biokerosinerzeugung aus Biogas 21

22 Technische Analyse - Bsp.: Pinch-Analyse Heizbedarf Kühlbedarf Kühlbedarf Energieeinsparung durch anheben der FTS Temperatur um 10 C 7. Niedersächsische Energietage Nachhaltige Biokerosinerzeugung aus Biogas 22

23 Technische Analyse - Wirkungsgrade Vergleich verschiedener Reaktorkonzepte Bei der Kombination werden die Vor- und Nachteile der beiden Reaktoren ausgeglichen Hoher Wirkungsgrad beim Dampfreformer durch Wasserstoff Wirkungsgrad in % Elektrischer Strom Diesel Kerosin Naphtha Wasserstoff 10 0 Nur Dampfreformer (100 MW) Nur autothermer Reformer (ATR) (100MW) Kombination Dampfreformer + POX (100 MW) Kombination Dampfreformer + POX (500 MW) 7. Niedersächsische Energietage Nachhaltige Biokerosinerzeugung aus Biogas 23

24 Technische Analyse - Produzierte Kerosinmengen Der Jährliche Kerosinbedarf in Deutschland liegt bei etwa 4,5 Mio. Tonnen Mit den untersuchten Analgenkonzepten können zwischen und t pro Jahr produziert werden Produktions menge [t/a] ATR 100 DR 100 Kombi 100 Kombi Dies entspricht etwa 0,25 bis 2,1 % des Gesamtbedarfs bzw. 1,36 bis 11,5 % des Niedersächsischen Bedarfs (gemessenan der Bevölkerung von ca. 7,7 Mio. Einwohnern 7. Niedersächsische Energietage Nachhaltige Biokerosinerzeugung aus Biogas 24

25 Ökonomische Analyse - Methodik Parameter Biomethan Biokerosin Abschreibungszeitraum 10 15a 20 a Kalkulationszins 4 % 4 % Auslastung Niedersächsische Energietage Nachhaltige Biokerosinerzeugung aus Biogas 25

26 Ökonomische Analyse - Gestehungskosten Biomethan Abschätzung für die Szenarien 2020 und 2030 spiegeln nur den ermittelten Substratinput wider. Eine Entwicklung der Substratpreise ist aufgrund politischer Entscheidungen nicht absehbar (ggf. fallen zukünftig auch Kosten für Wirtschaftsdünger und Reststoffe an). Die Entwicklung des Marktes im Bereich der Biomethanerzeugung ist daher unsicher 7. Niedersächsische Energietage Nachhaltige Biokerosinerzeugung aus Biogas 26

27 Ökonomische Analyse - Investitionskosten GtL Höhere kosten beim Reformierungsschritt der Anlagen mit POX aufgrund benötigter Luftzerlegung Investitionen in Mio Reformierung Synthesegasaufbereitung FTS Produktaufbereitung Dampfkraftprozess 50 0 ATR 100 DR 100 Kombi 100 Kombi 500 Der Economy of Scale Effekt wird bei der 5 Mal größeren Anlage deutlich 7. Niedersächsische Energietage Nachhaltige Biokerosinerzeugung aus Biogas 27

28 Ökonomische Analyse - Gestehungskosten Kerosin Diesel Gestehungskosten in /t Kerosin Marktpreis Kerosin 750 /t November 2013 Naphtha Wasserstoff Elektrischer Strom Betriebsgebundene Kosten Verbrauchsgebundene Kosten ohne Biomethan Kapitalgebundene Kosten Biomethan Gestehungskosten Fossil Bio Fossil Bio Fossil Bio Fossil Bio Autothermer Reformer Dampfreformer Kombination Kombination 500 MW 7. Niedersächsische Energietage Nachhaltige Biokerosinerzeugung aus Biogas 28

29 Ökonomische Analyse - Sensitivitätsanalyse (Kombi 100 / fossil) Gestehungskosten in /t Kerosin Naphthapreis (0,76 /kg) Strompreis (6,5 ct/kwh) Wasserstoffpreis (4,5 ct/kwh) Dieselpreis (0,78 ct/kwh) % 40% 20% 0% 20% 40% 60% Variation 7. Niedersächsische Energietage Nachhaltige Biokerosinerzeugung aus Biogas 29

30 Ökonomische Analyse - Sensitivitätsanalyse (Kombi 100 / fossil) Gestehungskosten in /t Kerosin Biomethan (6,3 ct/kwh) Volllaststunden (7000 h/a) Nutzungsdauer (20 a) Investitionskosten (96,5 Mio. ) 0-60% -40% -20% 0% 20% 40% 60% Variation 7. Niedersächsische Energietage Nachhaltige Biokerosinerzeugung aus Biogas 30

31 Ökonomische Analyse - Alternative Abwärmenutzung Auskopplung von Abwärme zur Prozessdampf-erzeugung (200 C, 16 bar) am Standort Bomlitz 3000 Gestehungskosten in /t Kerosin Referenz Prozessdampf 0 Fossil Bio Fossil Bio Kombi 100 Kombi 500 Es wurde ein Erlös von 0,03 ct/kwh (fossil) bzw. 0,041 ct/kwh (Bio) Wärme angenommen 7. Niedersächsische Energietage Nachhaltige Biokerosinerzeugung aus Biogas 31

32 Ökonomische Analyse - Alternative Abwärmenutzung Auskopplung von Abwärme zur Prozessdampferzeugung (200 C, 16 bar) am Standort Stade 3000 Gestehungskosten in /t Kerosin Referenz Prozessdampf 0 Fossil Bio Fossil Bio Kombi 100 Kombi Niedersächsische Energietage Nachhaltige Biokerosinerzeugung aus Biogas 32

33 Schlussbetrachtung Die Konzepte mit einer zweistufigen Reformierung (partielle Oxidation mit Dampfreformierung) weisen die höchsten Wirkungsgrade auf (66-67 %) Bei einer ausschließen Betrachtung von Biomethanpotenzialen aus Rückständen, Nebenprodukten und Abfällen ist mit Ausnahme der Szenarien Referenz 2011 und Agrar 2020 der Betrieb einer Anlage auf 100 MW Basis möglich Die ermittelten Gestehungskosten für das Biokerosin liegen beim 1,6 - bis 5- fachen (1.213 bis /t) des derzeitigen Marktpreises für fossiles Kerosin Mit den getroffenen Annahmen können jährlich bis t Kerosin produziert werden. Dies entspricht in etwa 0,25 bis 2,1 % des jährlichen Bedarfs in Deutschland bzw. 1,36 bis 11,5 % des jährlichen Bedarfs in Niedersachen. Aus Rückständen und Reststoffen könnten maximal etwa t/a (1 % des deutschen bzw. 5,7 % des niedersächsischen Bedarfs) erzeugt werden. 7. Niedersächsische Energietage Nachhaltige Biokerosinerzeugung aus Biogas 33

34 Institut für Umwelttechnik und Energiewirtschaft Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! 34