Hvilken rolle kan termisk forgasning spille i fremtidens energiforsyning

Transkript

1 Hvilken rolle kan termisk forgasning spille i fremtidens energiforsyning AgroTech seminar om termisk forgasning i Danmark Anders Bavnhøj Hansen Chefkonsulent, MSc Energinet.dk, afdeling for Energianalyse abh@energinet.dk Hvilken rolle kan termisk forgasning spille i fremtidens energiforsyning 1

2 Energisystemet vurderes ift. samlet performance Energiressource Energisystem Energitjeneste Vind Sol Biomasse Naturgas Olie Kul Osv Vindvariation Olie pris EL Varme Gas Flyd. brændstoffer Opvarmning Procesvarme Køling Lys, it Transport Bæredygtig ressourceanvendelse Integreret energisystem Robust og effektivt (økonomisk og energimæssigt) Minimerede og stabile omkostninger (betalbar forsyning) Forsyningssikkerhed overordnet for energisystem Sandsynlighed for, at der er energitjenester til rådighed til konkurrencedygtige priser, når de efterspørges af forbrugeren uden at Danmark bringes i et uhensigtsmæssigt afhængigheds-forhold til andre lande Udvikling af et konkurrencedygtigt VE energisystem

3 Potentiale og omkostninger til VE-el fra DK ressourcer (2030 priser, excl. integrationsomkostninger) Bio-KV Vind og sol er ressourcer som kan gøre VEenergisystemet konkurrence-dygtigt med fossil energi Landvind Offshore vind (dybde over 30 m) Kystnær og offshore primære arealer Hvilken rolle kan termisk forgasning spille i fremtidens energiforsyning 3

4 Ressourcer og omkostninger til brændstoffer (2030 hvis alt biomasse allokeres til brændstoffer) VEgas pris (DKK/GJ) excl. rensning og opgradering Biomasse bruges i dag primært til varme og KV Halm Affald Energiafgrøder Træ Gylle mv. Elektrolyse (power 2 gas) Brændstof forbrug i dag vil medføre mere end 30 GW ekstra vindkraft hvis power-to-gas skal levere brændstof Forbrug af brændstof (gas+flydende) Brændstof produktion (PJ) 2013 Gasolie + CO2 (2035) Naturgas + CO2 (2035) Der er stort behov for biomassen til brændstoffer undgå unødig brug af biomasse til anvendelse, der effektivt kan erstattes med el Hvilken rolle kan termisk forgasning spille i fremtidens energiforsyning 4

5 Omsætning af biomasse termisk eller anaerob? Proces-type Foder/næringsdele Ligno-cellulose Mulig recycling af stoffer Proteiner Planteolie Sukker Stivelse Cellulose Hæmicellulose Lignin Fosfor Nitrater Lignin Protein svovl selen Biogas (aneorob) ja ja ja ja ja ja nej ja ja ja delvist ja ja Forgæring (etanol) nej nej ja ja ja ja/nej nej ja ja ja ja ja ja Termisk forgasning ja ja ja ja ja ja ja ja nej nej nej nej nej Forbrænding ja ja ja ja ja ja ja jeg nej nej nej nej nej Ressource Konvertering Græs til energiafgrøde Input (PJ) Fuel (PJ) Energipil mv. Termisk 0 0 Træ Termisk Halm Anaerob/Termisk Energi Græs mv. Anaerob Gylle Anaerob Affald Anaerob/Termisk P2G I alt Heraf via biogas/etoh 101 Heraf via syngas 73 Hvilken rolle kan termisk forgasning spille i fremtidens energiforsyning 5

6 Biogas estimerede produktions omkostninger fra Taskforce arbejde 2035 diesel+co2-pris Kilde: Biogas i Danmark status, barrierer og perspektiver, Biogas Taskforce, Januar 2014 Hvilken rolle kan termisk forgasning spille i fremtidens energiforsyning 6

7 Teknologidata (2020+) et eksempel Termisk forgasning, gasrensning og katalyse Traditionel MeOH miodkk /MW CAPEX (DKK/GJ) ved 4%, 8000 timer, 20 år Wood receiving and preparation: 0,36 0,92 Gasification 1,63 4,16 Acid-gas removal (downdraft) 0,77 1,98 Tar reformer 0,81 2,08 ShiftReactor 0,54 1,39 Gas cooling 0,13 0,34 MethanolSynthesis&purif. 0,79 2,01 0,00 Gas compression and expansion 0,53 1,37 Oxygen generator 2,83 7,23 Utilities and offsites 1,36 3,46 Miscellaneousfees 1,37 3,51 Land 0,04 0,09 Start-up costs 0,43 1,09 Samlet 11,60 29,64 Energy Flows [MW] INPUTS OUTPUT S Electricity producers and consumers Tradition al Plant Novel Concept Wood 207,5 207,5 SOEC, Electricity Electricity -3,8-5,6 TOTAL 203,7 342,9 Methanol 120,6 242,7 District heating TOTAL 166,6 279,7 Compressors 7,3 8,1 Oxygen production 3,8 0 Expanders -14,9-13,7 Net electricity* -3,8-5,6 Efficiencies [%] Traditional Plant Novel Concept Methanol Efficiency District Heating Efficiency TOTAL Med disse omkostninger kan SynFuels komme på niveau med fossile flydende brændstoffer! (160 DKK/GJ) Men behov for FUD før teknologien er der!! Scenarier for energibærere

8 Årlige energistrømme (Idag) Hvilken rolle kan termisk forgasning spille i fremtidens energiforsyning 8

9 Årlige energistrømme (2035 reference optimeret) Hvilken rolle kan termisk forgasning spille i fremtidens energiforsyning 9

10 Årlige energistrømme (2035 feasibility med olie reduktion) 6 mio ton CO2 pr. år Hvilken rolle kan termisk forgasning spille i fremtidens energiforsyning 10

11 VE-gas som byggesten for brændstoffer VE-gas Næringsstoffer (N,P,K, humus mv.) Biogas Anaerob + rensning Metan Metan El/varme Industri Transport >500 C Biogas Termisk + rensning Katalyse SR Syntesegas ell. H2 lager C Methanol Transport Industri mv. Næringstoffer (P mv.) C DME Elektrolyse Alkal./SOEC >200 C -Benzin -Diesel -Kerosene Hydrogen Signatur: PE plast etc. CH4 H2 CO >800 C Ammoniak (VE-gødning) Hvilken rolle kan termisk forgasning spille i fremtidens energiforsyning 11

12 Samspil mellem overordnede og lokale gasnet F.eks industri-klynge ell. kraftværks områder F.eks Ringkøbing-Skjern Nye typer af VE-gasser skal integreres vigtigt at håndtere del-net med andre gas-kvaliteter i samspil med det overordnede gasnet 12 Hvilken rolle kan termisk forgasning spille i fremtidens energiforsyning

13 Integration with heat is essential - building heating and proces heat District heating demand (120 PJ) Sector Total Low and medium high temp proces (PJ) Very high temp (PJ) Proces heating demand (60-65 PJ) Cement Agriculture Milk products Paint and soap Mining and quarrying Sugar Wood Green houses etc Concrete, bricks etc Food/slaughterhouses Paper Mineral wool Other food Metal Bitumen etc Tiles/bricks etc Beverages Bakery Medicin Glass and ceramics Feed production Furniture Fish industry etc Metal products Enzymes and fertilizers Basic chemicals

14 Forgasning og syntese til methanol Forgasning+katalyse til methanol Forgasning+katalyse men incl. Varme brugt til SOEC-elektrolyse Kilde: Haldor Topsøe dialogmøde med ENDK

15 Forskning Demonstration - Implementering Hvilken rolle kan termisk forgasning spille i fremtidens energiforsyning 15

16 Opsummering Der er behov for effektiv udnyttelse af biomasse ressourcen i samspil med power-to-gas til produktion af brændstoffer Termisk forgasning og brændstof katalyse er nøgle-teknologier for at realisere fleksibel brændstofproduktion (Diesel, MeOH, DME osv.) DK har styrkepositioner i forhold til at realisere denne udvikling (vind, restbiomasse, integreret energisystem, teknologi mv.) Et særligt skisma at få teknologien moden og indfaset i forhold til traditionel varme/el teknologiers brug af biomasse og forsyning af varme-markedet Hvilken rolle kan termisk forgasning spille i fremtidens energiforsyning 16

17 Tak for opmærksomheden Hvilken rolle kan termisk forgasning spille i fremtidens energiforsyning 17

18 Nogle potentielle fremtidige VE brændstoffer Fuel Formel Tæthed (GJ/ton) Tæthed (MJ/l) CO2 ratio (GCV) Trans/distr. omk. *1) (DKK/GJ) Fuelcell egnet Toxicitet 9/24 Metan CH4 56 (CNG/LNG) Metanol CH 4 O , Etanol C 2 H 6 O , DME CH3OCH , Synt. benzin C6Hxx ,6 28 Synt. diesel C12H ,6 20 (+) + H2 H ,6 (700 bar) Der er ikke én energibærer, der er perfekt. Formodentlig behov for flere der sameksisterer Metan har samlet set gode egenskaber. På sigt kan Metan med mindre dele H2 være en mulighed (low carbon fuel) Syntetisk benzin eller ethanol eller metanol er let at håndtere i eksisterende motorer Sams pillet melle m ener

19 Termisk forgasning GreenSyn Fuels CAPEX Scaled, currency converter from Mignard et al. Traditio nal Electrol yzer Hybrid Hybrid (alkaline) Source/ comments Plant Component MM M EUR M EUR Wood receiving and preparation: 4, Estimated Gasification 7,2 53, Carbona, including piping, setup, 45 excluding foundation Acid-gas removal (downdraft) 2,9 21,4 21,4 21,4 21,4 21,4Mignard et al. Tar reformer 2,9 21,4 22,5 22,5 22,5 22,5Estimated ShiftReactor 7,8 57, Estimated Gas cooling 0,5 3,7 3,7 3,7 3,7 3,7Mignard et al. MethanolSynthesis&p 50% cost - only 50% throughput in 5,9 43,6 21,8 43,6 43,6 43,6 urif. traditional type Electrolysis 48, ,2 77,2 122, DKK per 7,5 kw, Mogensen, 2x system price Gas compression and Removed due to pressurized fluedized gas 2 14,8 14,8 14,8 14,8 14,8 expansion type reactor Oxygen generator 10,6 78,3 78, Utilities and offsites 10,3 76,1 37,5 37,5 37,5 37,5Mignard et al. Miscellaneousfees 5, Mignard et al. Land 0,5 4,4 0,97 0,48 0,97 0,485 acre, 50,000m2 (4x price farming land) Start-up costs 1,6 11,8 11,8 11,8 11,8 11,8Mignard et al. CAPEX (1): Energy Flows [MW] INPUTS OUTPUT S Electricity producers and consumers Tradition al Plant Novel Concept Wood 207,5 207,5 SOEC, Electricity Electricity -3,8-5,6 TOTAL 203,7 342,9 Methanol 120,6 242,7 District heating TOTAL 166,6 279,7 Compressors 7,3 8,1 Oxygen production 3,8 0 Expanders -14,9-13,7 Net electricity* -3,8-5,6 Efficiencies [%] Traditional Plant Novel Concept Methanol Efficiency District Heating Efficiency TOTAL Scenarier for energibærere

20 Termisk forgasning -> MeOH CAPEX (DKK/GJ meoh out) 50,07 Heat (DKK/GJ meoh out) -26 Wood (DKK/GJ meoh out) 101 D&V forgasser (DKK/GJ)? 8 D&V øvrigt (DKK/GJ)? 30 Total (DKK/GJ) Scenarier for energibærere

21 Biogas til MeOH Biogas til MeOH miodkk/m W Levetid (år) Driftstimer CAPEX (4%) (DKK/GJ) Wood receiving and preparation: ,00 Gasification 1, ,16 Acid-gas removal (downdraft) ,00 Tar reformer ,00 ShiftReactor 0, ,39 Gas cooling 0, ,34 MethanolSynthesis&purif. 0, ,01 Electrolysis ,00 Gas compression and expansion 0, ,37 Oxygen generator ,00 Utilities and offsites 1, ,46 Miscellaneousfees 1, ,51 Land 0, ,09 Start-up costs 0, ,09 CAPEX (DKK/GJ ind) 6, ,41 Virkningsgrad (Fuel/Input) 0,78 CAPEX (DKK/GJ meoh out) 22,33 Heat (DKK/GJ fuel out) -14 Biogas (DKK/GJ in) 85 Biogas (DKK/GJ MeOH out) 109 D&V forgasser (DKK/GJ) 8 D&V øvrigt (DKK/GJ) 10 Total (DKK/GJ) Scenarier for energibærere

22 Vækst i energitjenester transporten vokser! Proces varmepumper Fjernvarme Overskudsvarme Sektorer med stort brændstof-behov Behov for brændstoffer til transport-sektoren vigtigt at andre sektorer omlægges til el hvor det er muligt, herunder i varmesektoren Økonomisk-teknisk analyse af Power-to-gas i energisystemet

23 Lagerkapacitet i energisystemet Scenarie ,3 TWh Gaslagre (11 TWh metan-gas) vist som el input ved Power-to-gas Udlandsforbindelser årlig akkumuleret case 2035 (2,3 TWh) Fjernvarme m. lager Individuel varmep. El- og plugin hybrid case 2035 Interconnectors til balancering helt afgørende. Hvilken rolle kan Fleksibilitet fra varme og transport ikke tilstrækkeligt termisk forgasning 23 spille i fremtidens energiforsyning

24 VE-el ressourcer i DK (mængde og cost of energy for 2030 excl. integration) Landvind Bio-KV Beregnet ved 4% diskontering og teknologidata-katalog 2014/2015 For sol er ikke vist barmarks anlæg. Potentiale til at gøre vindkraft konkurrencedygtigt med fossil elproduktion Landvind i DK er i særlig grad en omkostningseffektiv VE-ressource Hvilken rolle kan termisk forgasning spille i fremtidens energiforsyning 24

25 Et scenarie frem mod fuld VE omstilling VP EV/PHEV P2G i-vp HT- VP El Fluktuerende el fra vind- og sol 4-dobles Elforbrug næsten fordobles Udvikling af et konkurrencedygtigt VE energisystem

26 Denmark situated in a windpower area Electricity transmission Gas transmission Scenarios for the future energy system

27 Hovedbudskaber Energiressourcer Kul, olie, naturgas, Vind,sol, Biomasse Energisystem El,varme,gas, brændstoffer Energitjenester Opvarmning, transport, lys, køling osv. Energinet.dk ser på hele energisystemet når el og gas planlægges: - Fremtidens VE-energisystem skal levere energitjenester billigst muligt biomasse/biorestprodukter er en vigtig ressource til at supplere vindkraft og sol - Et elektrificeringsscenarie hvor biomasse anvendes til at balancere vind og sol er en mulighed - Der er et stort behov for biomasse/biorestprodukter til brændstoffer. Strategisk rigtig anvendelse af biomasse er derfor en forudsætning for, at VE-energisystemet kan gøres konkurrencedygtigt Hvilken rolle kan termisk forgasning spille i fremtidens energiforsyning 27

28 Store vindkraft potentialer i regionen omkring DK DK har set i EU sammenhæng nogle af de bedste vindkraft arealer Vindkraft er et vilkår i regionen omkring DK vigtigt at gøre systemet klar til det uanset om vi selv bygger mere vindkraft Hvilken rolle kan termisk forgasning spille i fremtidens energiforsyning 28