Vergleich biogener Gase in der Nutzung

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1 Perspektiven biogener Gase in Baden-Württemberg Tagung, 4. Juli 2011, Stuttgart Vergleich biogener Gase in der Nutzung Schwerpunkt SNG (Substitute Natural Gas, Erdgas-Substitut) Ludwig Leible, Gunnar Kappler, Stefan Kälber und Oliver Hurtig ITAS Institut für Technikfolgenabschätzung und Systemanalyse KIT Universität des Landes Baden-Württemberg und nationales Forschungszentrum in der Helmholtz-Gemeinschaft

2 ITAS eines von 22 Instituten im Campus Nord des KIT KIT = Karlsruher Institut für Technologie = Zusammenschluss von Universität und Forschungszentrum Karlsruhe; seit Oktober 2009 ITAS Campus Nord: 22 Forschungsinstitute (1400 Wissenschaftler), 3500 Mitarbeiter z.b. Physik, Chemie, Biologie, Materialwissenschaften Verfahrenstechnik, EdV ITAS LL/2010 Abb. 2

3 Gliederung (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: Ihre Stellung als Energieträger in 2010 in D 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, Substitute Natural Gas): Beschreibung und Kosten Abb. 6

7 Verfahrensketten zur Bereitstellung und Nutzung von SNG (Substitute Natural Gas, Erdgas-Substitut) Abb. 7

8 Kosten der SNG-Bereitstellung über Wirbelschichtvergasung (DFB, 50 MW th, Waldrestholz) Input für Variante /Mg TM 58 /MWh Biomassekosten: Rohgaskosten: SNG- Kosten: 98 /MWh *) *) vorläufig Abb. 8

9 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. 9

10 Kosten der SNG-Bereitstellung über Flugstrom-Druckvergasung (500 MW th, Waldrestholz) Input für Variante /Mg TM 53 /MWh Biomassekosten: Rohgaskosten: SNG- Kosten: 64 /MWh *) *) vorläufig Abb. 10

11 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. 11

12 (1) SNG-Nutzung zur Bereitstellung von Wärme und Strom: Kosten, THG-Minderung, THG-Minderungskosten Abb. 12

13 Bereitstellung von Wärme und Strom aus SNG (Variante 1) und Erdgas Kosten, THG-Minderung, THG-Minderungskosten Variante 1 SNG-Kostenbasis Ø: 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 ) = 100 /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 0,218 0,192 Mg CO 2 - Äq./MWh el 0,386 0,350 THG-Minderungskosten /Mg CO 2 -Äq Abb. 13

14 Bereitstellung von Wärme und Strom aus SNG (Variante 2) und Erdgas Kosten, THG-Minderung, THG-Minderungskosten Variante 2 SNG-Kostenbasis Ø: Wärme Strom ( + Wärme) 2000 kw el Biogasanlage 500 MW Flugstrom-Vergaser Zentralheizung im Einfamilienhaus Heizwerk mit Nahwärmenetz Blockheizkraftwerk (BHKW) Gas- und Dampfturbinenkraftwerk (GuD) = 74 /MWh SNG (15 kw) (500 kw) (2 MW el ) (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 0,224 0,199 Mg CO 2 - Äq./MWh el 0,401 0,360 THG-Minderungskosten /Mg CO 2 -Äq Abb. 14

15 Vergleich der Stromkosten bei direkter Gas-Nutzung (Biogas, Rohgas), SNG- und Erdgas-Nutzung Gasnutzung zur Stromerzeugung Stromkosten ( /MWh el ) Blockheizkraftwerk (BHKW) Biogas Gas- und Dampfturbinenkraftwerk (GuD) Rohgas Direkte Gasnutzung 500 kw el kw el 50 MW th 500 MW th *) 107 SNG SNG SNG-Nutzung Variante 1 (100 /MWh SNG ) Variante 2 (74 /MWh SNG ) kw el 400 MW el Erdgas Erdgas Erdgas-Nutzung (= Referenz) (43 /MWh Erdgas ) kw el 400 MW el *) Mittelwert aus den drei betrachteten Vergasungsverfahren (Wirbelschicht/DFB, AER, Flugstrom) Abb. 15

16 (2) SNG zur Nutzung als Kraftstoff: Kosten, THG-Minderung, THG-Minderungskosten Abb. 16

17 SNG als Kraftstoff, verglichen mit Erdgas, FT-Diesel und Diesel: Jährliche Kosten Allzweck Fahrzeug basierend auf Opel Zafira Jährliche Fahrleistung km, gesamte Fahrleistung km Jährliche Kosten ( /Jahr) Mehrwertsteuer Kraftstoffsteuer Kraftstoff Fixkosten Abschreibung (Fahrzeugkauf) 0 SNG (Biomasse) Erdgas FT Diesel (Biomasse) Abb. 17 Diesel Kraftstoffkosten fuel an Tankstelle: costs at filling station: filling 10,0 station 10.1 ct/kwh costs: ct/kwh* 10.1 ct/kwh* 4.5 ct/kwh 4,5 ct/kwh 4.5 ct/kwh 6.5 ct/kwh , ct/kwh* ct/kwh** 10.9 ct/kwh** 6,0 ct/kwh (ohne Steuern) Heizwert: 13,4 kwh/kg 13,4 kwh/kg 9,6 kwh/l 9,4 kwh/l Quelle: Auto, Motor & Sport, 2010; *, 2007; Opel, 2011; Spritmonitor.de, 2010; eigene Abschätzungen

18 SNG als Kraftstoff, verglichen mit Erdgas, FT-Diesel und Diesel: THG-Emissionen (g CO 2 -Äq./km) Allzweck Fahrzeug basierend auf ecoinvent Datenbank Jährliche Fahrleistung km, gesamte Fahrleistung km Fahrbetrieb, vorher durch Pflanzen gebunden THG Emissionen (g CO 2 Äq/km) Fahrbetrieb Kraftstoffherstellung, transport und Betankung Fahrzeugherstellung, wartung und entsorgung Gesamt 0 SNG (Biomasse) Erdgas FT Diesel (Biomasse) Diesel Annahme: Kraftstoffe aus Biomasse werden energieautark produziert Quelle: Hischier et al., 2010; eigene Abschätzungen Abb. 18

19 SNG als Kraftstoff, verglichen mit Erdgas, FT-Diesel und Diesel: THG-Minderungskosten ( /Mg CO 2 -Äq.) 250 Allzweck Fahrzeug (Kosten Opel Zafira, Emissionen ecoinvent) Jährliche Fahrleistung km, gesamte Fahrleistung km 242 THG Minderungskosten ( /t CO 2 Äq) SNG (Biomasse) Erdgas FT Diesel (Biomasse) Diesel Annahme: Kraftstoffe aus Biomasse werden energieautark produziert Quelle: siehe vorherige Folien Abb. 19

20 Zusammenfassung und einige Schlussfolgerungen Die Produktion von SNG als Erdgas-Substitut ist aufwändig Die Kosten von SNG sind deutlich höher als bei Erdgas SNG-Produktion, ausgehend von Biogas, ist vielfältig erprobt SNG-Produktion über Vergasung (Rohgase) muss dagegen noch demonstriert werden SNG ist wie Erdgas vielseitig einsetzbar Über SNG kann Biomasse an Orte effizienter Nutzung gebracht werden SNG bzw. Erdgas sind interessante Kraftstoff-Varianten Abb. 20

21 Projektpartner Jens Lansche Joachim Müller Institut für Energiewirtschaft und Rationelle Energieanwendung Universität Stuttgart Ludger Eltrop Maria Stenull 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 Gefördert durch das Ministerium für Ernährung und Ländlichen Raum, mit Mitteln der Landesstiftung Baden-Württemberg Jahrestagung ForstBW, , Rust Abb.: 21 Dr. Gunnar Kappler ITAS

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