Wir schaffen Wissen heute für morgen Paul Scherrer Institut Peter Jansohn (trockene) Biomasse: Umwandlung zu Wärme, Strom und (synthet.) Erdgas Einleitung Aufbau des Referates Rahmenbedingungen, Potentiale Vergasung - ein elementarer Prozessschritt Nutzung trockener Biomasse (heute/morgen) Wärme & Strom (incl. Holzgas-Zufeuerung) Synthetisches Erdgas, flüssige Treibstoffe Zusammenfassung, Ausblick Seite 2
Biomass potential (in CH) Total primary energy consumption: 1 131 PJ (CH, 2011) Source: Steubing et.al., Renewable and Sustainable Energy Reviews 14 (2010) Seite 3 Thermal/Hydrothermal Gasification Process efficiency vs. water content thermal hydrothermal G. Schuster, G. Löffler, K. Weigl, H. Hofbauer, Bioresource Technology 2001, 77, 71-79.
energetische Umwandlung (EIBI value chain #3) 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 5 Herstellung gasförmiger Treibstoffe (EIBI value chain #2) 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 6
Herstellung flüssiger Treibstoffe (EIBI value chain #1) Vergasung mit anschliessender Synthese zu flüssigem Treibstoff: Gemeinsamkeiten: CH4-armes Gas, hohe Drücke (30 bis 80 bar) Unterschiede: Eingesetzter Katalysator, erforderliches H2/CO-Verhältnis Ethanol Methanol Biomasse DME Kerosin Vergasung Benzin Diesel Gasreinigung / Reformierung Synthesegas FT-crude (H2 & CO) Seite 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) 0 0.1 1 10 100 1000 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 8
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) 0 0.1 1 10 100 Co-Verbrennung Kombi-Kraftwerk (Erdgas mit Biomasse) 1000 Brennstoffleistung [MWth] Güssing (A) Lahti Seite 9 Gasturbinen-Kombi-Prozess mit Syngas - Zufeuerung Coal/ Pet Coke Biomasse-Bedarf (für 10 MWe) GasCleaning H2+CO Heizwert: 15 MJ/kg Wirbelschichtfeuerung (Dampfkessel) Filter Gasifier 5.4 t/h B(iomass)-IGCC Biomass Biomass Integrated (coal) Gasification Gen Gen ST ST Natural gas ηe 45% Combined Cycle Electricity ηe 30% HRSG HRSG Process Steam 8 t/h (Biomasse-Zufeuerung: bis zu 50 MWth, Gesamt-Feuerungsleistung: 300-500 MWth) (nur Biomasse, 10-100 MWth)
Strom und Wärmeerzeugung Güssing (A) Vergaser Gasmotor BHKW Anlage in Güssing (A) 8 MW th, 2 MW el, 4 MW Wärme Holz: 15 000 t/a In Betrieb seit 2002 > 60 000 h Betriebsstunden seit Inbetriebnahme Vergaser Värnamo (S) IGCC Demoanlage in Värnamo (S) Gasturbine 18 MW th, 6 MW el In Betrieb von 1996-1999 7 000 h Betriebsstunden während Demobetrieb IGCC: Integrated Gasification Combined Cycle Seite 11 FICFB gasification Indirect gasification Picture source: TU Vienne, REPOTEC http://www.ficfb.at, http://www.renet.at Paul Scherrer Institut, 5232 Villigen PSI Renewable Energy Technologies I / Chapter 13 / Biomass I / AS 2011 / S. Biollaz 12
Biomass gasification technologies Gasification Pressure Temperature H 2 /CO Composition technology [bar] [ C] [-] [LHV-%] Indirect CFB 1 900.. 1.5.. CH4 C2Hx H2 CO BFB, CFB 1 30 850 950.. 1.6.. CH4 C2Hx H2 CO Entrained flow 5 80 1000 1300 0.6 1.0 CH4 C2Hx H2 CO Paul Scherrer Institut, 5232 Villigen PSI Renewable Energy Technologies I / Chapter 13 / Biomass I / AS 2011 / S. Biollaz 13 SNG Technology Platform in Guessing, A PDU realized in the framework of EU DG-TREN project Bio-SNG separation FICFB biomass gasifier 1 MW SNG PDU (product gas-to-sng) Commissioned in June 2009 400 h SNG production Part load and full load operation PDU Paul Scherrer Institut, 5232 Villigen PSI Renewable Energy Technologies I / Chapter 13 / Biomass I / AS 2011 / S. Biollaz 14
Forschungsplattform X-PDU Methan aus Biomasse Biomasse- Vergaser Brennstoff- Lager BHKW Bild: agnion (Pilotprojekt Biomassehof Grassau, D) P&D Forschungsplattform X-PDU P&D Forschungsplattform X-PDU Produktionsanlage HPR-BHKW, Demoanlage (1 300 kw th ) Holz, etc. HPR Produktionsanlage HPR-BHKW Wasser Vergasung Rohgas Kaltgasreinigung Reingas Druckhalteventil Anfahrfackel Koks Luft Verbrennung Gasmotor Abgas Abgas Wärme Strom Heissgasreinigung Methanisierung Brennstoffzelle Abgas (Wärme) Pilot- & Forschungsanlagen (150 kw th ) Strom
Herstellung gasförmiger Treibstoffe Isotherme Wirbelschicht: nur ein Apparat, nahezu voller CO-Umsatz Holz EU-Projekt BioSNG, Güssing C 2 H 4 + H 2 C 2 H 6 + CH 4 CO + H 2 O H 2 + CO 2 3 H 2 + CO CH 4 + H 2 O Vergasung Gasreinigung und Konditionierung Wirbelschicht Methanisierung Methanisierung Gasaufbereitung SNG C x H y O H 2 + CO H 2 S, Teere, org. S H 2 O, CO 2, (H 2 ) Flexibilität bei der Gasreinigung, z.b. Heiss-Gasreinigung für noch höheren Wirkungsgrad! T. Schildhauer, S. Biollaz, PSI Seite 17 Optionen der Methanisierung für die SNG Synthese Festbett + Stand der Technik für SNG aus Kohle (z.b. Lurgi, Haldor-Topsoe, DPT) - Adiabater Reaktor hot spots - Bildung von C-Nano-Fasern bei Anwesenheit von C 2 H 4 Produktgas Wirbelschicht + Isothermer Reaktor gute Temperaturkontrolle + Keine Bildung von C-Nano-Fasern bei Anwesenheit von Olefinen (C 2 H 4 ) + Hydrierung von Olefinen (C 2 H 4 ) - Abriebfester Katalysator erforderlich - Hochskalierung anspruchsvoller Roh-SNG Roh-SNG Fuel 2010, J. Kopyscinski, T. J. Schildhauer, S.M.A Biollaz Produktgas T. Schildhauer, S. Biollaz, PSI Seite 18
SNG - Gasqualität Influence of reaction temperature on gas composition of raw-sng 50 5 45 CO 2 40 35 CH 4 4 30 25 C 2 H 6 3 20 15 N 2 2 10 H 2 CO 1 5 0 Temperature 0 Seite 19 Flexibilität der Methanisierung erlaubt H 2 -Einkoppelung Windkraft Stromnetz Erdgasnetz Solar Elektrolyse Gasspeicher Methanisierung H 2 CH 4 CO, CO 2, CH 4 Vergaser Holz, Stroh etc. Holz-zu-SNG-Anlage kann Methanisierung im Power to Gas-Konzept ersetzen interne H 2 -Erzeugung kann entfallen, CO- und CO 2 Methanisierung möglich
Strom- und Wärmeerzeugung mittels HeatPipeReformer-BHKW X-PDU Standortevaluation für die X-PDU Fernwärme PSI Hightech-Zone Villigen (HTZ) Entscheid bis Ende 2012 REFUNA Netzwerktopologie Projektpartner Die Konkretisierung der Zusammenarbeit zwischen den verschiedenen Partnern ist Gegenstand laufender Verhandlungen und weit fortgeschritten. Diverse Katalysatorhersteller als Lieferanten. Zu ausgewählten Herstellern werden Partnerschaften aufgebaut. 10.9.2012 22
European Industrial Bioenergy Initiative (EIBI) Seite 23 EIBI value chains: Thermochemische Prozesse Quelle: http://www.biofuelstp.eu/ Seite 24
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. Die Gestehungskosten der Sekundärenergie wie Wärme, Strom oder Treibstoff hängen wesentlich vom Biomassepreis und dem Umwandlungswirkungsgrad ab; ohne Sonderkonditionen/Förderung sehr schwer wirtschaftlich darstellbar. Zusammenfassung II 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.
Allgemeine Energie - Labor für Verbrennungsforschung Wir schaffen Wissen heute für morgen Verbrennungsforschung @ PSI Weiterentwicklung effizienter und emissionsarmer Energieumwandlungs-Prozesse Peter Jansohn, Labor für Verbrennungsforschung (LVF) PSI, 20. März 2013