METHANISIERUNG: VERFAHRENSVARIANTEN UND INDUSTRIELLE PERSPEKTIVEN TECHNOLOGIEVERGLEICH IM INDUSTRIELLEN UMFELD - JACHIN GORRE, IET 13. PTG ...
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Methanisierung: Verfahrensvarianten und
industrielle Perspektiven
–
Technologievergleich im industriellen
Umfeld
Jachin Gorre, IET
13. PtG ExpertInnengespräche
13. Juni 2018, Rapperswil
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Innovative large-scale energy STORagE
technologies & Power-to-Gas concepts after
Optimisation
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Industrieller/ grosstechnischer Betrieb von PtG-Anlage
Output orientierter Betrieb Erlöse durch die
– SNG zur Weiterverarbeitung Nutzung von SNG in
– SNG als Treib- und Brennstoff unterschiedlichen
Märkten
Input orientierter Betrieb
– Bereitstellung von Netzdienstleistungen
Zusätzliche Erlöse
– Verwertung von Nebenprodukten, wie Wasserstoff
oder Kohlenstoffdioxid
Stromspeicherung
– Zeitliche Entkopplung von Erzeugung und Verbrauch Speicherprämie
Politische Ziele
Anpassung der
– Substitution von fossilen Treib- und Brennstoffen Rahmenbedingungen
– Erneuerbare Energien im internationalen Handel
weiträumig verfügbar
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Unterschiede bei biol./chem. PtG Anlagen
Renewable Utilisation
Energy Power Grid
sources Power
Water
Electrolysis Heat
source Distribution
H2 and
storage Storage
Biol./chem.
Purification Mobility
Methanation
CO2
storage
Flare
Carbon Chemicals
dioxide CO2 pre-treatment
sources
Reactor
Nitrogen Instrument Cooling Nutrients Waste
Heating/
air Water Water
Cooling
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Technischer Vergleich
Biologische Chemische
Methanisierung Methanisierung
BioCatProject Audi Anlage
Anlage Avedøre (DK) Werlte (D)
Electrochaea Audi/ HZI ETOGAS
Output ca. 500 kWSNG + Biogas Ca. 3’000 kWSNG
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Technischer Vergleich* - Methanisierungsreaktor
Biologisch Chemisch
Abhängig von der weiteren Nutzung
Betriebsdruck
6 – 10 barg
Produktionsrate 5 – 15 1)
100 bis 1000 3)
m3CH4 /(m3Reaktor h) bis 33 möglich 2)
* Alle nachfolgenden Angaben von Gasvolumina beziehen sich auf Standardbedingungen (Standarddruck pn = 101 325 Pa ; Standardtemperatur Tn = 273,15 K)
Quellen:
1) Eigene Berechnungen
2) EBA / GIE / ERGaR Power-to-Methane Joint Workshop; 6.9.2017; Doris Hafenbradl; Electrochaea
3) Eigene Berechnungen
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Technischer Vergleich - Anfahrkurven
Chemisch: Biologisch:
Quellen:
Links: WOMBAT, "Wirkungsgrad-Optimierung von Methanisierungs- und Biogasanlagen-Technologie im Rahmen
eines EE-Speicherungs-Pilotprojekts«; Schlussbericht; Verbundprojekt; Projektzeitraum 01.07.2012-30.06.2016
Rechts: Präsentation Electrochaea, L. Lardon; BioCat - Power to Gas Technology by Biological Methanation; Integration to a resource treatment plant
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Technischer Vergleich – Lastbetrieb
Biologische Methanisierung (0 - ~67 m3/h H2 0 - ~34 % Last)
Quelle: EBA / GIE / ERGaR Power-to-Methane Joint Workshop; 6.9.2017; Doris Hafenbradl; Electrochaea
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Technischer Vergleich – Lastbetrieb
Chemische Methanisierung
Lastwechsel:
– ± 3%/min
– 70 – 100 %
– 910 - 1300 m3/h H2
– Minimale Last vom
Hersteller abhängig
Quelle:
WOMBAT, "Wirkungsgrad-Optimierung von Methanisierungs- und Biogasanlagen-Technologie im Rahmen eines
EE-Speicherungs-Pilotprojekts«; Schlussbericht; Verbundprojekt; Projektzeitraum 01.07.2012-30.06.2016
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Technischer Vergleich - Dauerbetrieb
Biologische Methanisierung 1)
– > 100 h im Lastbetrieb (ca. 34 %)
– 500 h Betrieb mit einer Verfügbarkeit
von > 98 %
Konstante Gasqualität
Chemische Methanisierung 2)
– > 24 h im Volllastbetrieb
– 900 Start/Stop Zyklen (Laborreaktor)
Konstante Gasqualität
Quelle:
1) EBA / GIE / ERGaR Power-to-Methane Joint Workshop; 6.9.2017; Doris Hafenbradl;
Electrochaea
2) WOMBAT, "Wirkungsgrad-Optimierung von Methanisierungs- und Biogasanlagen-
Technologie im Rahmen eines EE-Speicherungs-Pilotprojekts«; Schlussbericht;
Verbundprojekt; Projektzeitraum 01.07.2012-30.06.2016
www.storeandgo.info 10Technischer Vergleich - Betriebsverhalten
Biologisch Chemisch
Anfahren (CH4 > 90 Vol.-%)
Cold Standby Ca. 1.5 h 5 – 6h (max. 50K/h)
Hot Standby 0 - 45 min < 10 min
Keine Spülung Spülung mit Wasserstoff
Start/Stop notwendig sinnvoll
Druck halten Druck halten
Dauerbetrieb Teillast- als auch Volllastbetrieb möglich
www.storeandgo.info 11Unterschiede bei biol./chem. PtG Anlagen
Renewable Utilisation
Energy Power Grid
sources Power
Water
Electrolysis Heat
source Distribution
H2 and
storage Storage
Biol./chem.
Purification Mobility
Methanation
CO2
storage
Flare
Carbon Chemicals
dioxide CO2 pre-treatment
sources
Reactor
Nitrogen Instrument Cooling Nutrients Waste
Heating/
air Water Water
Cooling
www.storeandgo.info 12Technischer Vergleich - Balance of Plant
Biologisch Chemisch
Reactor Temperatur
Cooling
Reaktoraustritt (RA) 35 - 65 °C 240 - 280 °C
Heating/
Water Hot-Spot isotherm bis zu 700°C
Cooling
Abwärme Reaktor max. 60 °C 240-300 °C
2.87 kW/Nm3SNG 2.34 kW/Nm3SNG
Cooling
Water Abwärme < 40 °C ~ 80 - 90 °C
Produktgaskühlung ~ 0.01 kW/Nm3SNG ~ 0.50 kW/Nm3SNG
Mikroorganismen
Nährstofflösung
Nutrients Zusätze Nickelkatalysator
Anti-foam
pH Stabilisator
Waste Salz- und
Abwasser Nickel
Water nährstoffreich (unterhalb des Grenzwerts)
(unterhalb der Grenzwerte)
www.storeandgo.info 13Technischer Vergleich - Gasaufbereitung
Biologisch Chemisch
Schwefelabscheidung - Notwendig
CO2 pre-
treatment
-
CH4 Abscheidung -
unlimitierte Einspeisung
H2S < 3 ppm Notwendig -
Purification Taupunkt < -8°C Trocknung Trocknung
CH4 > 96 Vol.-% Membran Membran
www.storeandgo.info 14Die Zukunft von Power-to-Gas in Europa
Quelle: DNV GL; Breakfast event; Power-to-gas – economic value and technological developments; 06.06.2018; https://bit.ly/2JL0yZz; Zugriff: 12.06.2018
www.storeandgo.info 15CAPEX - Methanisierung
600
500
400
EUR /kW
300
STORE&GO CAPEX
200 Methanisierung EUR/kW
100 dena Leitstudie CAPEX
Methanisierung EUR/kW
0
2015 2020 2025 2030 2035 2040 2045 2050
Jahr
Keine Unterscheidung zwischen biologischer und chemischer Methanisierung
Quellen:
dena Leitstudie – Integrierte Energiewende (2018)
STORE&GO calculated specific investment costs based on PtG-potential in Europe (2018)
www.storeandgo.info 16Einfluss auf die SNG Erzeugungskosten
Quelle: FVEE - Innovationen für die Energiewende (Themen 2017)
www.storeandgo.info 17Synergien industrieller Prozesse und PtM
Biologisch Chemisch
Anaerobe Vergärung Wärmebedarf < 50°C
Biogasanlagen, «Biologie» bekannt -
Abwasserreinigungsanlage Geschultes Personal
Aminwäsche - Wärmebedarf bis 160°C
CO2 Abscheidung aus der
Wärmebedarf bis 100°C
Luft 1)
4. Generation 3. Generation
Fernwärmenetz
(30 - 70°C) (< 100°C)
KVA - Synergie zw. CO2 und
Abwärme der
Zement - Methanisierung
www.storeandgo.info 18Geplantes Industrieprojekt in der Schweiz
Synergie aus KVA (Strom) und ARA (CO2-Quelle)
Betriebsstunden in h/a: 7’000 – 8’000
Technologie: biologische Methanisierung
Quelle: Homepage Swisspower, Factsheet Limeco, Zugriff 06.06.2018
www.storeandgo.info 19Take home messages
Für politische Für wissenschaftliche
ExpertInnen ExpertInnen
der Strombezug von
PtX Anlagen im MW- Abgaben und Steuern technologieoffen geforscht
Bereich sind wirtschaftlich, befreit ist oder wird. Man kann
wenn Marktanreize für SNG voneinander lernen.
geschaffen sind
Keine PtM Technologie ist besser oder schlechter!
Biologisch oder
Die Rahmenbedingungen (Wärmesenke, CO2-Quelle,
chemisch?
Personal) müssen passen.
www.storeandgo.info 20Vielen Dank für Ihre
Aufmerksamkeit!
www.storeandgo.infoBack Up www.storeandgo.info
Warum braucht es Stromspeicher?
Anteil der EE wächst
mit schwankenden
Erzeugungsmustern
Starke
Schwankungen im
Wochen-/
Monatsbereich
(«Dunkelflaute»)
Hoher Bedarf an
Flexibilität im
Energiesystem
Quelle: DNV GL; Breakfast event; Power-to-gas – economic value and technological developments; 06.06.2018; https://bit.ly/2JL0yZz; Zugriff: 12.06.2018
www.storeandgo.info 23Verbrauch an Erdgas in der Schweiz
Quelle: BFE - Analyse des schweizerischen Energieverbrauchs 2000 - 2016 nach
Verwendungszwecken, Okt. 2017
www.storeandgo.info 24Industriesektor: Entwicklung des Endenergieverbrauchs 2000 bis 2015 nach
Verwendungszwecken, in PJ
Quelle: BFE - Analyse des schweizerischen Energieverbrauchs 2000 - 2016 nach Verwendungszwecken, Okt. 2017
www.storeandgo.info 25Industriesektor: Entwicklung des Brennstoffverbrauchs (inkl. Fern-, Umwelt- und
Solarwärme) nach Verwendungszwecken, in PJ
Quelle: BFE - Analyse des schweizerischen Energieverbrauchs 2000 - 2016 nach Verwendungszwecken, Okt. 2017
www.storeandgo.info 26Zusammensetzung Strompreis CH
Quelle: Eidgenössische Elektrizitätskommission ElCom
www.storeandgo.info 27Vergleich Strompreis CH
Quelle: Eidgenössische Elektrizitätskommission ElCom
www.storeandgo.info 28Technischer Vergleich – Lastbetrieb
Chemische Methanisierung (125 kWSNG) Lastwechsel im Betrieb:
– ± 3%/min
– 70 – 100 %
– 30 – 42 m3/h H2
– Minimale Last vom
Hersteller abhängig
– Anfahrdauer < 5 min
Anfahren aus Hot-
Standby:
– + 100 %/min
– 0 – 42 m3/h H2
– Anfahrdauer < 5 min
Quelle:
Schildhauer, Tilman J.; Biollaz, Serge M.; Synthetic natural gas from coal, dry biomass, and power-to-gas applications
www.storeandgo.info 29www.storeandgo.info 30
CAPEX - Elektrolyse
1800
1600
1400
1200
EUR /kW
1000
800 STORE&GO CAPEX
600 Elektrolyse EUR/kWel
Energy Brainpool CAPEX
400 Elektrolyse EUR/kWel
200 Energy Brainpool CAPEX
Elektrolyse EUR/kWel
0
2015 2020 2025 2030 2035 2040 2045 2050
Jahr
Quellen:
dena Leitstudie – Integrierte Energiewende (2018)
Energy Brainpool: Auf dem Weg in die Wettbewerbsfähigkeit: Elektrolysegase erneuerbaren Ursprungs (2018)
STORE&GO calculated specific investment costs based on PtG-potential in Europe (2018)
www.storeandgo.info 31Biogaspreis - Regio Energie Solothurn
Quelle: Homepage Regio Energie Solothurn; https://www.regioenergie.ch/fileadmin/regioenergie/Erdgas/RZ-_RES_Preisblatt_Erdgas_Januar_2018.pdf ; Zugriff 12.06.2018
www.storeandgo.info 32Biogaspreis – Energie Zürichsee Linth
Quelle: Homepage Energie Zürichsee Linth; https://www.ezl.ch/images/Produkte/Preise/Preisliste_01.2018.pdf ; Zugriff 12.06.2018
www.storeandgo.info 33Erdgaspreis – Erdgastankstelle (EZL, Amag Jona)
2.15 CHF/kg -> ~0.14 CHF/kWh
Quelle: IET und Energie Zürichsee Linth; mündliche Abfrage 12.06.2018
www.storeandgo.info 34The Role of Power-to-Gas for Our Future Energy Supply
Power network Gas network
H2O CO2
PtG CH4
methanation
electrolysis H2
coal natural gas
nuclear biogas
RES SNG
mobility
industry
power plants
CHP
Heat distribution
gas pipeline by SASOL, CC BY-SA 2.0
www.storeandgo.info 35Key - Advantages
Storing surplus of renewable energy
Creating a flexible energy system
Connectivity through PtG (Sector coupling)
Usage of the already existing gas infrastructure
Versatile usage of gas
Balancing and backing up the electricity grid
www.storeandgo.info 36Sie können auch lesen
