Perspektiven und Potentiale von Low-Emission-LNG im Nordwesten

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1 Angewandte Forschung in der Energie- & Umwelttechnik Studie im Auftrag der LNG Initiative Nordwest Perspektiven und Potentiale von Low-Emission-LNG im Nordwesten Prof. Dr. Sven Steinigeweg, Prof. Freerk Meyer, Wilfried Paul EUTEC-Institut, Hochschule Emden/Leer 1

2 Inhalt Herstellung von LowEmission-LNG Techno-ökonomische Bewertung Umwelteigenschaften Nutzung von Bio-LNG, LowEmission-LNG Potenzial für die Region 2

3 Möglichkeiten LowEmission-LNG Supply Chain Biogene CH 4 -Quelle + Verflüssigung Biogene CH 4 -Quelle Bio-LNG Verflüssigung Fossiles LNG Bio-LNG LowE- LNG LowE- LNG 3

4 Inhalt Herstellung von LowEmission-LNG Techno-ökonomische Bewertung Umwelteigenschaften Nutzung von Bio-LNG, LowEmission-LNG Potenzial für die Region 4

5 Verflüssigungstechnologien Verflüssiger Prinzip Bemerkungen Joule-Thomson Geschl. Kreisprozess, Propan oder FCKW als Kältemittel, Expansion durch JT-Ventil Brayton Kaskade Kältemittelgemische Claude Stirling Geschl. Kreisprozess mit Kompressor, Turboexpander und Wärmeübertrager, N 2 als Arbeitsmedium Reihenschaltung von Kühlkreisläufen mit untersch. Kältemitteln. Kühlkreislauf mit mehreren Wärmeübertragern, Ventilen, optimiertes Kältemittelgemisch Offener Kreisprozess, verbindet isentrope und isenthalpe Expansion Geschl. Kreislauf (Stirling) mit He als Arbeitsmedium Einfach, robust, geringe Effizienz. Konzeptioniert für LKW-Betankung Einfach, robust, geringe Effizienz. Hohe Effizienz, hohe Investitionskosten, geringe spez. Kosten Effizienz vergleichbar mit Kaskade, geringere Investitionskosten Keine Kältemittel, offener Prozess, Effizienz bei komplexeren Konfigurationen höher Einfach, robust, besonders für Kleinanlagen, höhere spez. Kosten. 5

6 Industriell eingesetzte Verflüssigungstechnologien 6

7 Mengen- & Energiebilanzen: Jato Input: Jato H-Gas, 658 kwh je Tonne LNG Output: Jato LNG, Jato Heavies (60% Ethan, 30% Propan, Rest: Methan, Butan) Investment: 7,4 Mio (Kostenschätzung gemäß Seider et al.) 7

8 Investitionskosten Prico-Prozess Investitionskosten (gesamt) Investitionskosten (spezifisch) 8

9 Gestehungskosten Bio-LNG /t LNG 1 t Jato 10 t Jato 100 t Jato Kapitalkosten Biomethan Energie Wartung Verschiedenes Gesamt Gestehungskosten Biomethan: 7,5 ct/kwh (Biogasmonitoringbericht der BNetzA) Energie zur Verflüssigung aus Biogas keine Personalkosten Abschreibung über 20 Jahre (ohne Zinsen) Wartung, Versicherung etc.: 5% des Anlagenneuwerts Verschiedenes: 5% des Anlagenneuwerts 9

10 Abschätzung der Materialbilanzen In Niedersachsen: 1480 Biogasanlagen 780 MW el installiert, 527 kw el (2014) Größere (neuere) Anlagen: Installierte Leistung: 1 MW el Jährliche Rohgasmenge: 3,504 Mio. m i.n. 3, Methangehalt: 52,4% Jährliche Biomethanmenge: 1,848 Mio. m i.n. 3 Entspricht einer Masse von ca t/a Entspricht einer Produktion (8.600 Vollaststunden) von ca. 350 L/h bzw. 8,4 m 3 LNG pro Tag. 10

11 Nachteile dezentraler Verflüssigung Typische biogene Quellen produzieren ca Jato Methan Konventionelle Verflüssigungstechnologien unter Jato nicht wirtschaftlich. Andere Verflüssigungskonzepte (z.b. Stirling) zeigen meist höhere spezifische Kosten. Bislang wenig Erfahrungen mit Kleinanlagen zur Verflüssigung. LNG Tank vor Ort erforderlich. LNG-Logistik muss etabliert werden. Positive Umwelteigenschaften des LNG werden durch Nachteile bei Logistik und Lagerung aufgezehrt. 11

12 Dezentrales Biogas, zentrale Verflüssigung CO 2 Substrate Gasreinigung Rohbiogas Biogasanlage Biomethan Gasnetz dezentral Wärme Wärme H-Gas Biomethananlangen in Nähe zur Erzeugerfläche Verflüssigungsanalge in der Nähe zum Nutzer Verflüssigung LNG Economy of Scale für Verflüssigung Geringe LNG-Logistik Geringe Substrat-Logistik Geringe prozesstechnische Nachteile zentral Energie 12

13 Inhalt Herstellung von LowEmission-LNG Techno-ökonomische Bewertung Umwelteigenschaften Nutzung von Bio-LNG, LowEmission-LNG Potenzial für die Region 13

14 CO 2 -Bilanz für Bio-LNG t CO 2 / t LNG Bereitstellung Verbrennung Gesamt Fossiles LNG 1,152 2,743 3,895 Bio-LNG at plant 1, ,685 Low Emission LNG (10% Bio-LNG) 1,205 2,469 3,674 Prozesskette fossiles LNG Erdgas aus Qatar Verflüssigung vor Ort Transport nach Rotterdam Bebunkerungsvorgänge Allokation nach Energieströmen Prozesskette Bio-LNG Biomethan aus Silomais Eigenstromversorgung BGA Reinigung über Aminwäsche mit Wärmerückgewinnung Gaseinspeisung Verflüssigung zentral, 10 t Jato- Anlage Massenallokation auf Heavies 14

15 Angewandte Forschung in der Energie- & Umwelttechnik 15

16 Inhalt Herstellung von LowEmission-LNG Techno-ökonomische Bewertung Umwelteigenschaften Nutzung von Bio-LNG, LowEmission-LNG Potenzial für die Region 16

17 Vorgehen: Nutzung von Bio-LNG / LowEmmission-LNG Herkömmliche Schiffsantriebe Landgestützte Antriebe Stationäre Biogasanlagen LNG Schiffsantriebe fossiles Gas Landgestützte Gasmotoren flüssige Biokraftstoffe Natural Gas Gasmotoren für Schiffsanwendungen Liquid Natural Gas Zusammensetzung Differenzen? Differenzen? Bio Gas Motoren Liquid Bio Gas Zusammensetzung Bio Gas Einfluss auf den Betrieb von Gas- Schiffsmotoren? Bio Liquid Gas für Schiffsantriebe

18 Nutzung von Bio-LNG / LowEmmission-LNG Mögliche Auswirkungen bei abweichender Gasqualität auf heutige Gas- Schiffsmotoren: - Auswirkungen auf die Thermodynamik des Motors Otto Prozess: Verdichtungstemperatur und Verdichtungsenddruck - Auswirkungen auf die Verbrennung im Motor Zündtemperatur / Klopffestigkeit des Kraftstoffes Zündfähigkeit und Brennverlauf (Druckaufbau, -geschwindigkeit) Vollständigkeit der Verbrennung/ Verbrennungsprodukte/ Abgas - Auswirkungen auf den Kraftstoffbedarf/ das Leistungsvermögen des Motors Energieinhalt/ Heizwert des Kraftstoffes - Auswirkungen auf den Verschleiß/ die Lebensdauer des Motors Z.B. Einfluss auf die Motorschmierung/ -schmierstoffe 18

19 Nutzung von Bio-LNG / LowEmmission-LNG Zusammensetzung von BioLNG versus fossilem LNG Typische Zusammensetzung von ungereinigtem, rohem Biogas 1 ca % Methan (CH 4 ) ca % Kohlendioxid (CO 2 ) ca. 0-1% Ammoniak (NH 3 ) ca. 0-10% Wasserdampf (H 2 O) ca. 0-5% Stickstoff (N 2 ) ca. 0-2% Sauerstoff (O 2 ) ca. 0-1% Wasserstoff (H 2 ) + Schwefelwasserstoffe (H 2 S) Niedriger Heizwert Stark korrosiv Zusammensetzung von fossilem LNG (Beispiel: Herkunftsland Ägypten) 2 98,6 % Methan (CH 4 ) 1,18 % Ethan (C 2 H 6 ) 0,2 % Butan (C 3 H 8 ) 0,01 % Propan (C 4 H 10 ) 0,01 % Stickstoff (N 2 ) Heizwert: 36,27 MJ/Nm³ = 50 MJ/kg In dieser Form nicht kompatibel!

20 Nutzung von Bio-LNG / LowEmmission-LNG Zusammensetzung von BioLNG versus fossilem LNG Bei der Reinigung und Verflüssigung von Biogas zu BioLNG werden unerwünschte Begleitelemente weitestgehend entfernt rohes Biogas Reinigung/ Verflüssigung CO 2, H 2 S, H 2 O, O 2, N 2 BioLNG > 98 % Methan (CH 4 ) 1 Rest: Sauerstoff, Wasserstoff + Stickstoff Heizwert: ca. 36 MJ/Nm³ = 50 MJ/kg Bio-LNG weitestgehend identisch mit fossilem LNG! LowEmmission-LNG ist identisch mit fossilem LNG! Der Einsatz von Bio-LNG bzw. LowEmmission-LNG wird keinen negativen Einfluss auf LNG- Schiffsantriebe haben. 1 Laut Firmenangaben von AirLiquid ( 20

21 Inhalt Herstellung von LowEmission-LNG Techno-ökonomische Bewertung Umwelteigenschaften Nutzung von Bio-LNG, LowEmission-LNG Potenzial für die Region 21

22 Potenzial für die Region Niedersachsen hat eine starke Landwirtschaft Nachwachsende Rohstoffe und eine bedeutende Maritime Wirtschaft Bio- LNG Welchen Anteil könnte Bio-LNG an der Schifffahrt unserer Region bekommen?

23 Potenzial für die Region Nachwachsende Rohstoffe in Niedersachsen 1 2 Insgesamt werden in Niedersachsen 2, ha Fläche landwirtschaftlich genutzt. Auf ha werden Energiepflanzen angebaut. (= 11,8 %) Dabei entstehen ca. 16,7 mio. t Festmasse pro Jahr. (Energiemais = ha) Maisanbau und Ernte in Ostfriesland 2014 Foto: Eigen 1 Die niedersächsische Landwirtschaft in Zahlen 2011 (Stand: November 2013), Niedersächsisches Ministerium für Ernährung, Landwirtschaft und Verbraucherschutz 2 Biogas in Niedersachsen Inventur

24 Potenzial für die Region Biogasertrag unterschiedlicher landwirtschaftlicher Quellen Milchkuh (17 m³ Gülle/a): 289 Nm³ Methan/a 1 ha Silomais (40-60 t Festmasse): Nm³ Methan/a 1 ha Zuckerrüben (55 75 t FM): Nm³ Methan/a 1 ha Sudangras (35 55 t FM): Nm³ Methan/a Foto: Eigen 1 ha Grünland (23 43 t Festmasse): Nm³ Methan/a Bei einem durchschnittlichen Ertrag von 50t FM Silomais ergibt sich ein Methanertrag von 4945 Nm³ Methan/a pro Hektar Vergleichstabelle Deutscher Wasserstoffverband www. dwv-info.de 24

25 Potenzial für die Region Der Leistungs- und damit Kraftstoffbedarf von Schiffen ergibt sich aus - der Schiffsgröße - der Form des Rumpfes - der Zuladung (Tiefgang) Antrieb Kraftstoff v Widerstand - dem Wirkungsgrad der Antriebsanlage - den äußeren Bedingungen (Wassertiefe, Strömung, Wetter ) - und wesentlich aus der Geschwindigkeit (in 3. Potenz!) Im Folgenden soll der Energiebedarf von drei Beispielschiffen am Energieertrag aus Silomais gespiegelt werden. 1 1 Es werden die Nettoenergieerträge aus Silomais verwendet, d.h. der Energiebedarf zum Anbau, Ernte und Verarbeitung des Mais, sowie zur Verflüssigung wird nicht einbezogen. 25

26 Potentialanalyse für die Region Beispielschiff 1: Borkumfähre der AG Ems 3 RoRo Fährschiffe 1 Länge: ca. 80 m, Breite 12 m, Tiefgang: 2,5 m Ø Geschwindigkeit durchs Wasser: 13 kn Leistungsbedarf bei 13 kn: ca kw Kraftstoffbedarf bei LNG-Betrieb: 170 g Gas/KWh ² (+ 1% MGO bei DF Antrieb) Münsterland (Foto: Eigen) Einfache Strecke Emden Borkum: 26,4 sm 2x täglich Emden - Borkum bzw. Eemshaven - Borkum 1 Die Werte geziehen sich stark gerundet auf die MS Ostfriesland vor dem Umbau sowie ihre Schwesterschiffe 2 Bezogen auf die Ostfriesland vor dem Umbau und Werksangaben Wärtsilä für 20 DF Motoren Emsmündung Emden - Borkum

27 Potentialanalyse für die Region Beispielschiff 1: Borkumfähre der AG Ems 1 Gasbedarf pro Betriebsstunde: ca. 255 kg Gas/h Betriebsstunden pro Tag (2 Fahrten): Betriebsstunden pro Jahr: ca. 9 Std. ca. 2500h Münsterland (Foto: Eigen) Pro Fahrt (Emden Borkum, ca. 2h 15 min.) werden ca. 575 kg Gas benötigt. Das entspricht ca. 800 Nm³ 2 0,16 ha Maisanbaufläche Pro Jahr benötigt ein Schiff ca kg Gas. Das entspricht ca Nm³ 180 ha Maisanbaufläche Das sind ca. 1,3% der 2011 in Niedersachsen eingespeisten Biogasmenge 1 Schätzwerte, keine offiziellen Reedereiangaben! 2 Dichte von BioLNG: ρ= 0,72 kg/m³)

28 Potentialanalyse für die Region Beispielschiff 2: Projekt eines Multi Purpose Dry Cargo Ships Länge: 106 m, Breite 16 m, Tiefgang: 6 m LNG- Antrieb mit einem Wärtsilä 9L20 DF Motor (1584 kw SMCR) Leistungsbedarf bei 12,5 kn = ca kw mit kj /kwh 1 Leistungsbedarf bei 10,0 kn = ca. 810 kw mit kj /kwh Fahrtgebiet: Hauptsächlich Nord- und Ostsee (somit ECA- Zone!) sowie Atlantikküste und Mittelmeer 1 Bezogen auf DF Betrieb /Werksangaben von Wärtsilä für 9L20 DF Motoren

29 Potentialanalyse für die Region Beispielschiff 2: Projekt eines Multi Purpose Dry Cargo Ships Bei einer durchschnittlichen Geschwindigkeit von 10 kn benötigt das Schiff: Pro Betriebsstunde ca. 170 kg Gas/h ² Das entspricht ca. 235 Nm³ 0,05 ha Maisanbaufläche Pro Seetag ca kg Gas/d ² Das entspricht ca Nm³ 1,13 ha Maisanbaufläche Bei einer Reise von Danzig (Polen) nach Sevilla (Spanien) = 2149 sm Fahrtdauer bei 10 kn Durchschnittsgeschw.: 215 h = ca. 9 Tage Das entspricht ca Nm³ 10,15 ha Maisanbaufläche (= 83 m³ LNG) 2 Gerundet, bei einem Energieinhalt des Gases von: 50 MJ/kg (+ 1% MGO Anteil), ohne E- Bedarf

30 Potentialanalyse für die Region Beispielschiff 3 Containerschiff CS 3400 (gebaut bei den Nordseewerken 2008) Länge: 228,5 m, Breite 32 m, Tiefgang: 10,5 m Antrieb: MAN/B&W, 8 K 80, Festpropelleranlage 2T Kreuzkopfmotor, Leistung (MCR): kw CSAV Rungue (Foto: Eigen) Leistungsbedarf bei 23,75 kn: ca kw (angenommener Gasbedarf: 160 g/kwh) Leistungsbedarf bei 19 kn: ca kw (angenommener Gasbedarf: 165 g/kwh) Containerschiff für weltweite Fahrt

31 Potentialanalyse für die Region Beispielschiff 3 Containerschiff CS 3400 Bei einer durchschnittlichen Geschwindigkeit von 19 kn benötigt das Schiff: Pro Betriebsstunde ca kg Gas/h ² Das entspricht ca Nm³ 0,65 ha Maisanbaufläche Pro Seetag ca kg Gas/d ² Das entspricht ca Nm³ 15,5 ha Maisanbaufläche Bei einer Reise von New York (USA) nach Hamburg ca sm Fahrtdauer bei 19 kn Durchschnittsgeschw.: 176 h = ca. 7,5 Tage Das entspricht ca Nm³ 114 ha Maisanbaufläche (= 900 m³ LNG) 2 Gerundet, bei einem Energieinhalt des Gases von: 50 MJ/kg (+ 1% MGO Anteil), ohne E- Bedarf

32 Fazit: In Niedersachsen werden erhebliche Mengen von Pflanzen zur Bioenergiegewinnung produziert. Die Aufbereitung und Verflüssigung von Biogas ist aufwendig und teuer. Deshalb ist es sinnvoll, dezentral entstehendes Biogas in vorhandene Erdgasnetze einzuspeisen und als Gemisch zu verflüssigen = LowEmmission- LNG. Verflüssigungsanlagen für Bio-LNG bzw. LowEmmission- LNG sind technisch verfügbar, jedoch in Niedersachsen noch nicht realisiert. Bio-LNG bzw. LowEmmission- LNG ist als Treibstoff für LNG- Schiffantriebe grundsätzlich unproblematisch und ohne Einschränkungen geeignet. Schiffe benötigen abhängig von ihrer Größe und ihrem Einsatzzweck erhebliche Energiemengen. Dieser Bedarf kann für einzelne Schiffe durch nachwachsende Kraftstoffe gedeckt werden. Die dazu notwendigen Anbauflächen werden diese Möglichkeiten limitieren. 32

33 Fachbereich Seefahrt 33

34 Die Gesamtergebnisse der Studie: Perspektiven und Potentiale von Low-Emission-LNG im Nordwesten werden Ende Oktober auf der Webseite der LNG Initiative- Nordwest ( veröffentlicht. Danke für Ihre Aufmerksamkeit! Diskussion 34

35 Small-Scale / Linde 35

36 Wärtsilä Bio-LNG 36

37 Biogasanlage 1 MW / NaWaRo 37

38 Zuschlagfaktoren in der chemischen Industrie 38

39 Kalkulation der Gestehungskosten 39