Wir schaffen Wissen heute für morgen

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1 Wir schaffen Wissen heute für morgen Paul Scherrer Institut Serge Biollaz, Peter Jansohn Biomassevergasung: Stand der Technik und Trends für Strom und Biotreibstoffe

2 Einleitung Aufbau des Referates Rahmenbedingungen Vergasung - ein elementarer Prozessschritt Holzenergienutzung heute/morgen Wärme & Strom (incl. Holzgas-Zufeuerung) Vergaser-Technologien (> 1MW th ) Weiterentwicklung (European Industrial Bioenergy Initiative, EIBI) Zusammenfassung Seite 2

3 Einsatz von Biomasse zur energetischen Nutzung Seite 3

4 EIBI value chain 1: Herstellung flüssiger Treibstoffe Vergasung mit anschliessender Synthese zu flüssigem Treibstoff: Gemeinsamkeiten: CH 4 -armes Gas, hohe Drücke (30 bis 80 bar) Unterschiede: Eingesetzter Katalysator, erforderliches H 2 /CO-Verhältnis Ethanol Biomasse Vergasung Gasreinigung / Reformierung Synthesegas (H 2 & CO) Methanol DME Benzin FT-crude Kerosin Diesel Seite 4

5 EIBI value chain 2: Herstellung gasförmiger Treibstoffe Vergasung mit anschliessender Aufbereitung zu H 2 / Synthese zu CH 4 : Gemeinsamkeiten: N 2 -armes Gas erforderlich, Nickelkatalysator Unterschiede: Erforderliche Gasqualität für die Synthese, Druck Biomasse Vergasung Gasreinigung / Reformierung Synthesegas (H 2 & CO, CxHy) CH 4 / SNG H 2 Seite 5

6 EIBI value chain 3: energetische Umwandlung Vergasung mit anschliessender Umwandlung zu Strom & Wärme: Gemeinsamkeiten: N 2 -armes Gas erwünscht (Heizwert) Unterschiede: Erforderliche Gasqualität & Druck für den Energiewandler (Kesselfeuerung, Gasmotor, Gasturbine, Brennstoffzelle) Biomasse Vergasung Gasreinigung Synthesegas (H 2 & CO, CxHy) Strom Wärme Seite 6

7 Elektrische Wirkungsgrad ηel, Netto [%] Elektrische Wirkungsgrade bei der Holzverstromung WKK-Anlage 60 Dampfheizkraftwerk (ORC bzw. H2O) 50 Gasmotor Gasmotor-ORC Kombi 40 Brennstoffzelle / Brennstoffzellehybrid 30 Reine Stromerzeugung 20 Dampfkraftwerk (nur H2O) 10 Gasturbine Gasturbinen- & Dampfkraftwerk (Kombi) Brennstoffleistung [MWth] Co-Verbrennung Kombi-Kraftwerk (Erdgas mit Biomasse) Elektrischer Wirkungsgrad hängt sehr stark von der eingesetzten Technologie ab Hohe elektrische Wirkungsgrad können nur über Vergasungsprozesse erreicht werden limitierte Ausnutzung des economy of scale -Effekts für Biomasse (Brennstoff-Logistik) Seite 7

8 Beispiele für die Holzenergienutzung (Wärme & Strom) Seite 8

9 Elektrische Wirkungsgrade bei der Holzverstromung Buggenum (NL) Elektrische Wirkungsgrad ηel, Netto [%] Värnamo (S) WKK-Anlage 60 Dampfheizkraftwerk 50 Gasmotor Gasmotor-ORC Kombi 40 Brennstoffzelle / Brennstoffzellehybrid 30 Reine Stromerzeugung 20 Dampfkraftwerk 10 Gasturbine Gasturbinen- & Dampfkraftwerk (Kombi) Brennstoffleistung [MWth] Güssing (A) Co-Verbrennung Kombi-Kraftwerk (Erdgas mit Biomasse) Lahti Seite 9

10 Abfallvergasung Abfallvergasung in Lahti (Fi) Lahti 1 Co-Verbrennung mit Kohle 50 MW th In Betrieb seit 1999 Lahti 1 Lahti 2 2 * 80 MW th, 50 MW el Lahti 2 90 MW Wärme In Betrieb ab 2012 Seite 10

11 Hocheffiziente Strom und Wärmeerzeugung Güssing (A) Vergaser Gasmotor BHKW Anlage in Güssing (A) 8 MW th, 2 MW el, 4 MW Wärme Holz: t/a In Betrieb seit 2002 > h Betriebsstunden seit Inbetriebnahme Vergaser Värnamo (S) IGCC Demoanlage in Värnamo (S) 18 MW th, 6 MW el In Betrieb von h Betriebsstunden während Demobetrieb Gasturbine IGCC: Integrated Gasification Combined Cycle Seite 11

12 Stromerzeugung: Co-Verbrennung & Co-Vergasung Kohlekraftwerk Drax (UK) Co-Verbrennung Kohlekraftwerk Drax (UK) 6 x 660 MW el 10% Biomasse Co-Verbrennung = 400 MW el = t/a Biomasse Buggenum (NL) Co-Vergasung Vergaser Co-Vergasung Kohle IGCC in Buggenum (NL) 580 MW th, total, 250 MW el Biomasseanteil max % (Energie) In Betrieb seit 1998 (Co-Vergasung seit 2006) t/a Holz Gasturbine IGCC: Integrated Gasification Combined Cycle Seite 12

13 Gasturbinen-Kombi-Prozess mit Biogas - Zufeuerung Wirbelschichtfeuerung (Dampfkessel) 5.4 t/h Heizwert: 15 MJ/kg Biomasse-Bedarf (für 10 MW e ) Coal/ Pet Coke Biomass Gasifier Filter Integrated (coal) Biomass Gasification B(iomass)-IGCC Gas- Cleaning H 2 +CO Natural gas Gen ST η e 45% η e 30% 8 t/h Electricity Process Steam Combined Cycle HRSG (nur Biomasse, MW th ) (Biomasse-Zufeuerung: bis zu 50 MW th, Gesamt-Feuerungsleistung: MW th )

14 CFB gasification Direct steam oxygen gasification Demo plant Värnamo (S), previously IGCC Retrofitted demonstration plant for fuel production 18 MW th, 10 bar Paul Scherrer Institut, 5232 Villigen PSI Renewable Energy Technologies I / Chapter 13 / Biomass I / AS 2011 / S. Biollaz 14

15 FICFB gasification Indirect gasification Picture source: TU Vienne, REPOTEC Paul Scherrer Institut, 5232 Villigen PSI Renewable Energy Technologies I / Chapter 13 / Biomass I / AS 2011 / S. Biollaz 15

16 Entrained-flow gasification (I) Carbo-V gasification process for gases and bio-coke from dry biomasses Low temperature gasifier Biomass (wood, etc.) Gas (with tar) Carbo- V gasifier Oxygen Gas conditioning Recuperator Bio-coke Gas (tar-free) Steam Syngas Slag Ash, dust Deduster Gas-scrubber Waste water Paul Scherrer Institut, 5232 Villigen PSI Renewable Energy Technologies I / Chapter 13 / Biomass I / AS 2011 / S. Biollaz 16

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18 Biomass gasification technologies 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 Paul Scherrer Institut, 5232 Villigen PSI Renewable Energy Technologies I / Chapter 13 / Biomass I / AS 2011 / S. Biollaz 18

19 European Industrial Bioenergy Initiative (EIBI) Seite 19

20 EIBI value chains: Thermochemische Prozesse Quelle: Seite 20

21 Ziele, Aktivitäten und geplantes Budget von EIBI Ziele Schaffung der Voraussetzung für die kommerzielle Einführung der neuen Technologien Stärkung der Europäischen technologischen Führerschaft, insbesondere bei der Herstellung von Biotreibstoffen wie Diesel & Flugtreibstoffe 4 % Biotreibstoffe der 2ten Generation bis 2020 Aktivitäten Auswahl und Finanzierung von Demonstrations- und Referenzanlagen: Demonstrationsanlage liefert die Designgrundlage für die Konzipierung der erster kommerzielle Anlage Referenzanlage ist erste kommerzielle Anlage Geplantes Budget für die nächsten 10 Jahre M für 15 bis 20 Demo- und/oder Referenzanlagen (50/50 Public/Privat) Seite 21

22 EIBI 1: Anlage zur Herstellung von FT-Diesel Kompressoren FT-Synthese Freiberg (D) Freiberg (D) CHOREN & SHELL β-anlage 55 MW th, 1.8 t/h FT-Diesel Mechanische Fertigstellung 2008 Inbetriebnahme sistiert (2012) Vergaser Brennstoff-Silo Schwedt (D) Σ-Anlage 600 MW th, 225 Mio l/a t/a Biomasse In Betrieb ab 2014/15? Eine Vielzahl weiterer Pilot- und Demonstrationsprojekte zur Herstellung flüssiger Treibstoffe. Schwerpunkt bisher in Deutschland, Finnland, Schweden. Projektankündigungen in Frankreich & USA Seite 22

23 EIBI value chain 2: Herstellung gasförmiger Treibstoffe Göteborg (S) GoBIGas I 20 MW SNG Betrieb ab 2012/13 GoBIGas II 2 x 40 MW SNG Betrieb ab 2016 Güssing (A) PDU-Anlage im Teilstrom von Vergaser 1 MW SNG Kampagnen-Betrieb 2009 GoBIGas I GoBIGas II Demonstrationsanlage in Güssing, mit PSI Technologie

24 Ausblick FICFB-Vergasung: Beispiel Anlage in Ulm Ulm (D) 14 MW th, 4.5 MW el, 6.4 MW wärme 2 Gasmotoren à 2 MW el 1 ORC Turbine à 0.5 MW el 6800 h/a t/a 33 M Investition

25 Zusammenfassung I Biomasse, wie z.b. Holz, kann über verschiedene Umwandlungsprozesse energetisch genutzt werden (Wärme, Strom, Treibstoff). Welche Nutzungspfade sich am Markt durchsetzen, hängt sehr stark von den politischen Rahmenbedingungen ab Die Anzahl der Verfahrenslieferanten (z.b. Vergasung, Synthese) ist überschaubar. Verschiedene Verfahrensketten können beinahe nach dem Baukostensystem zusammengesetzt werden. Entwicklungsziele: Flugstromvergaser bessere Wärmenutzung Wirbelschichtvergaser katalyt. unterstützte Prozesse indirekt beheizte Vergasung (gekoppelte Wirbelschichten, Heatpipes)

26 Zusammenfassung II Die Gestehungskosten der Sekundärenergie wie Wärme, Strom oder Treibstoff hängen wesentlich vom Biomassepreis und dem Umwandlungswirkungsgrad ab; ohne Sonderkonditionen/Förderung sehr schwer wirtschaftlich darstellbar. Industrielle Referenzanlage für neue Technologien sind erforderlich. Mit den bisherigen (regionalen, nationalen) Instrumenten sind die Ausbau-Ziele kaum erreichbar. Mit einer Initiative auf europäischer Ebene (EIBI) kann die erhoffte Beschleunigung eintreten.

27 Allgemeine Energie - Labor für Verbrennungsforschung Wir schaffen Wissen heute für morgen PSI Weiterentwicklung effizienter und emissionsarmer Energieumwandlungs-Prozesse Peter Jansohn, Labor für Verbrennungsforschung (LVF) PSI, September 16, 2012