Vergasung von Biomasse

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1 E-World 2008, Workshop A: Biomasse u. biogene Kraftstoffe, Essen Vergasung von Biomasse Dr. S. Biollaz Labor für Energie und Stoffkreisläufe, Forschungsbereich Allgemeine Energie Paul Scherrer Institut E-World 2008, Workshop A: Biomasse u. biogene Kraftstoffe, Essen 1

2 Aufbau des Referates Einleitung Biomassevergasung für die Bereitstellung von elek. Energie Biomassevergasung für die Bereitstellung biogener Kraftstoffe Zusammenfassung E-World 2008, Workshop A: Biomasse u. biogene Kraftstoffe, Essen 2

3 Vergasung von Biomasse am PSI Holz, Gras & Gülle zu synthetischem Erdgas (SNG) oder elektrischer Energie Vergasung & BtL Prozesse * ) Vergasung & Methanierung Wärme KWK Strom MeOH, Diesel, etc. Kompogas Hydrothermale Vergasung Biogas KWK Erdgasnetz * ) PSI Projekt BioMeth: 90er Jahre Aktueller PSI Fokus E-World 2008, Workshop A: Biomasse u. biogene Kraftstoffe, Essen 3

4 Biomassevergasung als Schlüsseltechnologie Grundlage für die noch effizientere Bioenergienutzung Verstromung El. Energie Biomasse Thermische Umwandlung Gasreinigung und und -vorbehandlung Gasmotor Gasturbine Brennstoffzelle Konventionelle Vergasung (Luft, Dampf, O 2 /Dampf) Pyrolyse Hydrothermale Vergasung Kraftstoffe Chemische Umwandlung Wasserstoff Methan / SNG Methanol / DME Synthetischer Diesel (FTD) E-World 2008, Workshop A: Biomasse u. biogene Kraftstoffe, Essen 4

5 Einspeisung Bioenergie via Vergasung in Energie-Netze Strom-, Gas- und Wärmenetz Land Gasnetz Stromnetz = Biomasse Region SNG-Anlage Gas-Kombi Biomasse- Kraftwerk GW Stadt Gas-WKK Biomasse- KWK Wärmenetz MW Haus Gas-WKK Kessel kw E-World 2008, Workshop A: Biomasse u. biogene Kraftstoffe, Essen 5

6 Biomassevergasung für die Bereitstellung von elektrischer Energie E-World 2008, Workshop A: Biomasse u. biogene Kraftstoffe, Essen 6

7 Vergasung von Biomasse Erreichbare elektrische Wirkungsgrade Elektrische Wirkungsgrad ηel, Netto [%] Eingeführte und zukünftige Technologien zur Stromproduktion aus Biomasse (Holz) KWK-Anlage 60 Dampfheizkraftwerk 50 Gasmotor * Gasmotor-ORC Kombi * 40 Brennstoffzelle / Brennstoffzellehybrid * 30 Reine Stromerzeugung 20 Dampfkraftwerk 10 Gasturbine * Gasturbinen- & Dampfkraftwerk (GuD) * Brennstoffleistung [MWth] E-World 2008, Workshop A: Biomasse u. biogene Kraftstoffe, Essen 7 Holzgas/Erdgas GuD * *: Stromerzeugung via Holzvergasung

8 Verfahren zur Vergasung von trockener Biomasse Brennstoffleistung: 0.4 bis 200 MW th Biomasse Vergasungsmittel Biomasse Festbettaufbau Biomasse und Bettmaterial in Wirbelschicht Produktgas Trocknung Pyrolyse Vergasung Oxidation Trocknung Pyrolyse Oxidation Vergasung Gegenstrom Gleichstrom Stationäre Wirbelschicht Zirkulierende Wirbelschicht (CFB) E-World 2008, Workshop A: Biomasse u. biogene Kraftstoffe, Essen 8

9 Vergleich von Gaskenngrössen Erdgas, Biogas & Gase aus der Holzvergasung Gaskenngrösse Erdgas Biogas Gas aus der Holzvergasung Gegenstrom Gleichstrom CFB FICFB H 2 [Vol.-%, tr] CO [Vol.-%, tr] CH 4 [Vol.-%, tr] C 2 H x [Vol.-%, tr] CO 2 [Vol.-%, tr] N 2 [Vol.-%, tr] H u [kwh/m 3 n] H 2 /CO [-] CO 2 /CO [-] minimal [g/m 3 n ] Partikelbeladung Teerbeladung maximal [g/m 3 n ] Die trockene Holzgaszusammensetzung hängt ab vom Vergasungsmittel, weniger von der Vergasungstechnik typisch [g/m 3 n ] minimal [g/m 3 n ] < 0.1 < 1 maximal [g/m 3 n ] typisch [g/m 3 n ] E-World 2008, Workshop A: Biomasse u. biogene Kraftstoffe, Essen 9

10 Erstanlage für die FICFB-Vergasung mit Gasmotor Güssing (A) KWK Anlage Erstanlage 8 MW th, 2.0 MW el Betriebsstunden Vergaser: > h Gasmotor: > h Weitere Informationen: E-World 2008, Workshop A: Biomasse u. biogene Kraftstoffe, Essen 10

11 Holzgas KWK Anlagen mit GE Jenbacher Gasmotoren Betriebserfahrungen für unterschiedliche Vergaser/Gasreinigungsverfahren liegen vor Nennleistung im Holzgasbetrieb [MWel] Anlage Vergasertyp Bisherige Laufzeit Güssing (A) Wirbelschicht > Bh Harboore (Dk) Gegenstrom > 2 * Bh Spiez (CH) Gleichstrom > Bh Nennleistung von Gasmotor im Erdgasbetrieb [MW el ] J620: Güssing, A Harboore, Dk (2*J320) J320: Harboore, Dk J208: Spiez, CH Gasmotoren können im Betrieb flexibel auf die verschiedenen Vergaser /Gasreinigungsverfahren eingestellt werden Die spezifische Leistung des Gasmotors nimmt etwas ab. E-World 2008, Workshop A: Biomasse u. biogene Kraftstoffe, Essen 11

12 Erstanlage für Druckvergasung mit GuD Prozess Värnamo (S) CFB-Vergasung Biomasse Input: 18 MW th GuD Output: 6.0 MW el Heissgasfilter p: 20 bar T: 350 C Betriebsstunden während Pilotierungsbetrieb (1993 bis 1999) Vergaser: h Gasturbine: h E-World 2008, Workshop A: Biomasse u. biogene Kraftstoffe, Essen 12

13 Erstanlage für Kohle/Biomasse Co-Vergasung mit GuD Buggenum (NL) Flugstromvergasung Anteil Biomasse: Bis zu % Elektrische Gesamtleistung: 250 MW el Weitere Information: E-World 2008, Workshop A: Biomasse u. biogene Kraftstoffe, Essen 13

14 Biomassevergasung für die Bereitstellung biogener Kraftstoffe E-World 2008, Workshop A: Biomasse u. biogene Kraftstoffe, Essen 14

15 Kraftstoffproduktion aus Synthesegas Flüssige und gasförmige Kraftstoffe Biomasse / (Kohle) Methanol FTD Vergasung DME Reformierung Synthesegas (H 2 & CO) CH 4 / SNG Erdgas (CH 4 ) H 2 * * Third Generation Fuel E-World 2008, Workshop A: Biomasse u. biogene Kraftstoffe, Essen 15

16 Kraftstoffproduktion aus Synthesegas Prozessschritte für die Umwandlung von Biomasse in Kraftstoffe Gasaufbereitung Kraftstoffsynthese Biomasse Kraftstoffe Vergasung Gasreinigung & - aufbereitung Synthese Aufbereitung S, Cl, Staub, etc. CO 2, H 2, etc. Was ist ein gutes Synthesegas für die Kraftstofferzeugung? Welche Einspeisebedingungen müssen Kraftstoffe erfüllen? E-World 2008, Workshop A: Biomasse u. biogene Kraftstoffe, Essen 16

17 Was ist ein gutes Synthesegas für die Kraftstofferzeugung? Vergasungsverfahren für die Kraftstoffherstellung Gasification Pressure Temperature H 2 /CO Composition technology [bar] [ C] [-] [LHV-%] Indirect CFB CH4 C2Hx H2 CO BFB, CFB CH4 C2Hx H2 CO Entrained flow CH4 C2Hx H2 CO E-World 2008, Workshop A: Biomasse u. biogene Kraftstoffe, Essen 17

18 Vergasung von Biomasse Flugstromvergasung von Carbo-V für Holz Demonstration von FT-Diesel (Shell) im 50 MW Massstab geplant für 2008/09 Oxygen Biomass Combustion gas (containing tar) Heat exchanger Raw gas Biocoke Low temperature gasifier (NTV) (tar-free) Steam Syngas Carbo- V gasifier Deduster Solid-bonded vitrified slag E-World 2008, Workshop A: Biomasse u. biogene Kraftstoffe, Essen 18 Residual coke, ash, dust

19 Flugstromvergasung von Chemrec für Schwarzlauge Demonstration von DME/MeOH (Haldor Topsoe) im MW Massstab geplant für 2008/09 p = 31 [bar a ] T = 32 [ C] Gas comp. [mole%] H CO CO CH N H 2 O 0.18 H 2 S 1.88 COS 0.06 E-World 2008, Workshop A: Biomasse u. biogene Kraftstoffe, Essen 19

20 FICFB-Vergasung von Repotec/TUV für Holz Demonstration von SNG (CTU/PSI) im MW Massstab geplant für 2008/09 Bildnachweis: TU Vienne, REPOTEC E-World 2008, Workshop A: Biomasse u. biogene Kraftstoffe, Essen 20

21 SNG Pilot- & Demonstrationsanlage in Guessing Design, Aufbau und Betrieb im Rahmen des EU Projekts Bio-SNG H 2, H 2 O, CO 2 Abscheidung Schwefel Abscheidung Status der Montage: E-World 2008, Workshop A: Biomasse u. biogene Kraftstoffe, Essen 21

22 Kostenvergleich synthesegasbasierter Kraftstoffe Well-to-Tank WTT und Well-to-Wheel WTW Kosten well-to-tank (FT-Diesel & SNG) Kosten well-to-wheel (Bezogen auf H 2 ) production cost [ cents/kwh] FT liquids Bio SNG konservativ optimistic optimistisch conservative konservativ optimistic optimistisch conservative biomass input [MW th, input ] Für vergleichbaren Produktionskosten kann eine SNG Anlage deutlicher kleiner gebaut werden > Vorteil bei der Versorgungssicherheit mit Biomasse E-World 2008, Workshop A: Biomasse u. biogene Kraftstoffe, Essen 22

23 Herausforderung Biomasselogistik für BtL-Anlagen Überlegungen zur überregionalen Biomasselogistik am Bsp. Osteuropa (CEEC) Wirtschaftlichkeitsrechnungen zeigen, dass BtL-Anlage eine Brennstoffleistung von mindestens 400 MW th haben sollten. Die Brennstofflogistik wird zu einem entscheidenden Faktor Ferntransport von Gütern per Eisenbahn oder Schiff gewinnen an Bedeutung. Weitere Informationen unter: VIEWLS: Clear Views on Clean Fuels Data, Potentials, Scenarios, Markets and Trade of Biofuels E-World 2008, Workshop A: Biomasse u. biogene Kraftstoffe, Essen 23

24 Zusammenfassung Vergasung von Biomasse Die Biomassevergasung ist eine Schlüsseltechnologie zur noch effizienteren Bioenergienutzung. Vergasung und Gasreinigung sind als Einheit zu betrachten. Es gibt eine Vielzahl von Verfahren zur Vergasung, bedingt durch die Vielzahl von Biomasse und der angestrebten Endprodukte. Bisher hat noch kein Verfahren die Marktreife erreicht. Methanreiche Vergasung ist vorteilhaft für die Strom- und SNG-Erzeugung Methanarme Vergasung ist gefordert für die Synthese von Flüssigkraftstoffen In den nächsten 12 Monaten sollten Ergebnisse aus dem Betrieb von Pilotanlagen zur Kraftstoffsynthese von FT-Diesel, DME und SNG vorliegen. E-World 2008, Workshop A: Biomasse u. biogene Kraftstoffe, Essen 24