4.3 Naturgasnettets fremtid, VEgasser og flydende brændsler

Transkript

1 Baggrundsnotat VedvarendeEnergi s Energivision 4.3 Naturgasnettets fremtid, VEgasser og flydende brændsler 25/ af Jakob Worm Opsummering Dette afsnit handler primært om fremtidens gasnet. I et samfund med 100 % vedvarende energi vil der være knaphed på biomasseressourcer, hvis fødevarebehovet skal dækkes, samtidigt med at der er biomasse til kemikalier, plastmaterialer, flybrændstof og langdistance vejtransport. Desuden skal der lagres energi til el- og varmeproduktion i perioder med lav produktion fra sol og vind. I et energisystem med stor vindmølleeffekt vil der samtidigt være brug for at omforme periodevis overskydende el til brint. Der kan derfor være brint til rådighed og der vil også være biogas, som kan opgraderes til naturgaskvalitet. Den producerede brint vil enten skulle lagres og/eller distribueres direkte til forbrugerne, eller den kan anvendes til at opgradere og genvinde kulstof fra biomasse til produktion af metan eller benzin/diesel-substitutter, som er nemmere at opbevare og transportere end brint, men som generelt har større tab i omsætning til mekanisk energi. Brug af el til produktion af brint- og kulstofbaserede brændsler giver meget stor lagerkapacitet. F.eks. er situationen i Tyskland følgende m.h.t. lagermuligheder: - Eksisterende pumpelagre: 0,07 TWh (Uden konvertering af el). - Elbiler (i en fremtid med 45 mio. elbiler): 0,45 TWh (i batterier). - Naturgasnettet: 100 TWh (efter konvertering til metan, inkl. underjordiske kaverner). Det gennemsnitlige elforbrug er i Tyskland på 0,07 TW ( MW), så kun naturgasnettet kan tilbyde langtidslagring af energi, der kan konverteres til el og mekanisk energi. Situationen er tilsvarende i Danmark. Analyser af den fremtidige energiforsyning i det jysk-fynske område viser, at når elproduktionen fra vindmøller overstiger ca. 40 % af det årlige elforbrug, skal el tages ud af elsystemet. El kan så fx anvendes til at spalte vand til brint (H 2) og ilt (O 2) med en simpel Side 1/11

2 elektrolyse, som også afgiver varme (el kan også bruges til varme, f.eks. med varmepumper. Emnet behandles i et andet notat). I designet af det mest effektive energisystem skal man starte med at få mængderne til at passe; hvor meget energi har vi brug for, og hvilke energiressourcer er der til rådighed. Når der kun er godt 150 PJ bæredygtig biomasse til rådighed i Danmark, kan en løsning være at øge den lagerenergi, som biomasse er, via kemisk opgradering af biomassen med brint. Sideløbende kan teknologier med forgasning og anden produktion af brændstoffer til transportsektoren udvikles og kommercialiseres. Denne udvikling skal ske sammen med, at disse teknologier bliver en aktiv del af et samlet og stabilt energisystem. Metanisering af biogas 1 I store del af region Midtjylland er naturgasforbruget på kraftvarmeanlæg betydeligt mindre end biogaspotentialet fra gylle og anden husdyrgødning. Omvendt vil der på landsplan i Danmark kunne produceres langt mindre metan via biogas (15-20 PJ uden metanisering af CO PJ med metanisering) end det aktuelle forbruget af naturgas (145 PJ i 2012). Biogas består af knapt 2/3 metan (CH 4) og godt 1/3 CO 2. Hvis man reagerer brint produceret på vindmøllestrøm med CO 2 i svovlrenset biogas, får man opgraderet biogas til rent metan, dvs. til naturgaskvalitet. Man øger metanproduktionen med 50 % eller mere. Det rene metan kan fx sælges via naturgasnettet eller evt. tryksættes og sælges til transport. Overordnet kombineres teknologierne elektrolyse, biogasopgradering og naturgasnettet, således at: - Elektrolyse skaber brint og varme af vindmøller. - CO 2 i biogas reagerer med H 2 fra elektrolysen og danner CH 4. I nogle processer dannes også - højværdig damp ved at biogas reagerer direkte med H 2 i en katalysator ved høj temperatur. - Naturgasnettet anvendes som distribution og lager for den producerede metan. Produktion af flydende brændsler Der er lavet flere studier af mulighederne for at skaffe motorbrændstoffer, der mere eller mindre direkte kan erstatte benzin og diesel. Force har for Energistyrelsen2 udarbejdet en liste med mulige flydende brændstoffer, som er skabt ud fra biomasse, og eventuelt også el og varme. Den viser en lang række stoffer som metanol, ethanol, biodiesel og produkter af disse som f.eks. DME. Desuden optræder biogas som en motorbrændstof, dog i gasform. Listen viser at man på baggrund af forædlede afgrøder, som korn eller af affaldsprodukter, kan skabe flydende brændstoffer. Der bliver benyttet en række teknologier, som nok er kendte, men specielt for at bruge råmaterialer af lav værdi kræver de mere udvikling og kommercialisering. 1 På Vej Mod Metansamfundet? - anvendelse af brint til opgradering af biogas og kunstig metanfremstilling. Udarbejdet af PlanEnergi m.fl. for Region Midtjylland, november Technology data for advanced bioenergy fuels Force-Technology 2013 for Energistyrelsen. Side 2/11

3 Enkelte firmaer prøver at etablere fabrikker, som f.eks. Solena (USA), der laver flybrændstof på basis af affald. Den første fabrik, som skal forsyne British Airways, skal bygges ved Essex 3 og teknologien er baseret på en højtemperatur plasmaproces. I Danmark arbejder både Aalborg Universitet, DONG og firmaet CWC Biofuels med projekter, hvor halm skal anvendes til produktion af olie. Desuden laver DAKA flydende brændsel af døde dyr. DAKA s biodiesel DAKA indsamler og behandler døde dyr fra landbruget. Det fedt der kommer fra dyrene, kan bl.a. omdannes til brændstof i form a biodiesel. Biodiesel kan anvendes dels som brændstof i dieselmotorer, og dels som biofyringsolie. Den europæiske dieselnorm EN 590 tillader generelt iblanding af op til 5 % biodiesel, mens en række personbiler, lastbiler og busser med mindre ændringer kan køre på 100 % biodiesel. Alle olier/fedtstoffer har principielt samme opbygning, uanset om de hidrører fra planter eller dyr. Disse består i overvejende grad af triglycerider, og kun indholdet af de enkelte fedtsyrer er forskellige. Biodiesel er fedtsyremethylestre (FAME), som er dannet ved en reaktion mellem alkohol og olier/fedtstoffer af vegetabilsk eller animalsk oprindelse. Normalt anvendes metanol (træsprit) som alkohol, men ethanol kan ligeledes anvendes. Ved omdannelsen frigøres glycerin, der er et biprodukt ved fremstilling af biodiesel. DAKA anvender ca ton animalsk fedt om året. Med tilsætning af metanol giver det ca ton biodiesel og ca ton biofyringsolie 4. I DONG Energy s Renescience-koncept behandler man usorteret husholdningsaffald med enzymer. Man trækker de biologiske dele ud af affaldet og genanvender plastik, metal og glas. Ved hjælp af REnescience-teknologien udtrækkes og omdannes det biologiske materiale i husholdningsaffaldet til såkaldt biovæske. Biovæsken adskilles fra den øvrige del af affaldet, f.eks. plastik, metal og glas, som sorteres fra og genanvendes eller bliver brugt i el- og varmeproduktionen. Affaldet behandles i en roterende beholder, hvor affald, vand og enzymer ganske langsomt cirkulerer rundt i timer ved en temperatur på 50 C. Væskens sammensætning betyder, at den kan omdannes til biogas og på sigt også til bioethanol samt andre brændsler og kemikalier Side 3/11

4 Foto: DONG Energy Hvis Renescience anlægget skal opskaleres til fuld skala vil det kunne behandle usorteret husholdningsaffald fra en by med cirka husstande. De ton usorteret dagrenovation vil, med det tilkoblede biogasanlæg, årligt kunne producere 8 millioner kubikmeter biogas, ton plast, ton metal og en ton stor restfraktion til forbrænding. Det er DONG Energy s mål at demonstrere og forfine REnescience-teknologien og på den baggrund sælge teknologi-licenser internationalt. Anlægget kan behandle affaldet til en pris på kroner pr. ton, alt efter de lokale forhold. Det er nogenlunde samme pris som på et forbrændingsanlæg 5. Københavns Kommune har besluttet at etablere et egentligt produktionsanlæg, efter at et forsøgsanlæg har været afprøvet hos Amagerforbrænding i 10 år. Bioethanol ud af halm med Maabjerg Energy Concept Med en årlig tilførsel på ton halm, vil det kommende bioraffinaderi i Maabjerg ved Holstebro, kunne producere 80 millioner liter bioethanol og 50 millioner kubikmeter biogas, samt el og fjernvarme til ca husstande. Derudover vil man levere gødning og næringsstoffer tilbage til landbruget. 5 Side 4/11

5 Figur Hovedprocesser i Maabjerg Energy Concept. DONG Energy har i en årrække drevet et forsøgsanlæg, Inbicon i Kalundborg. Man har senest forbedret processen således, at man blandt andet ikke behøver at koge halmen i processen, hvilket giver et forbedret energiregnskab. Dette danner baggrund for at etablere et egentligt produktionsanlæg på Maabjerg når afsætning og de endelige godkendelser er faldet på plads 6. Produktion af ethanol har været kritiseret for at være for ineffektiv, men det ser nu ud til, at energibalancerne er blevet forbedret. Det skal også tages i betragtning, at Maabjerg Energy Concept kan vise vejen for sammensatte anlæg, hvor mange teknologier tages i anvendelse for at danne en række forskellige produkter. Fig : I teknologikataloget fra Force er ovenstående energibalance hentet. Force angiver at op til 98% af varmetabene kan udnyttes til fjernvarme. Med den forudsætning er effektiviteten af konceptet meget høj. 6 Side 5/11

6 Et andet kritikpunkt har været, at denne teknologiretning ikke spiller sammen med det øvrige energisystem i samme grad som metanisering, hvor overskudsel fra vindmøller er en afgørende energikilde for det samlede system (mere om det senere). Forgasning I CEESA projektet 7 og andre tilsvarende analyser har forgasning af biomasse en stor rolle som ny erstatning for naturgas. I Danmark har vi et par gode eksempel på efterhånden velfungerende forgasningsanlæg. I Harboøre har fjernvarmeværker været vært for en modstrømsforgasser, som har fungeret fornuftigt i en årrække. Et nyere anlæg i Skive, med en fluid-bed forgasser, har haft en del indkøringsproblemer, som dog er løst nu. I forgasningsprocessen omdannes biomassen gennem flere faser. Ved opvarmning til 100 C fordampes vandet. Ved yderligere opvarmning pyrolyseres brændslet til en meget tjæreholdig gas og en koksrest. Koksresten kan derefter forgasses ved C, mens der tilsættes vanddamp og/eller ilt (luft). Afhængig af procesvalg kan tjæren enten afbrændes eller krakkes. Gassen omdannes til el og varme i en gasmotor eller, hvis gassen ikke er ren nok, i en stirlingmotor. Som brændsel kan anvendes træflis, træpiller og briketter, industrielle træaffald, eller energiafgrøder. Modstrømsforgasseren Denne forgasser er karakteriseret ved at brændsel og gas strømmer mod hinanden. Den producerede gas har lav temperatur (~ 75 o C), men et stort indhold af tjære, typisk g/nm 3. Modstrømsforgasseren har været brugt de sidste år til el, varme, damp og industrielle processer såsom brænding af keramik, glasfremstilling, tørring og bygas. Den producerede gas består primært af CH 4, H 2, CO, CO 2, N 2, H 2O og tjære. Brændværdien ligger på 6,6 til 6,8 MJ/Nm 3 for den tørre rensede gas - noget mindre end naturgas. Modstrømsforgasseren er i stand til at regulere op og ned, og derved tilbyde fleksibilitet både i forhold til industrielle anvendelser og til forsyning af varme til fjernvarmenet. På Harboøreanlægget har man vist, at belastningen kan ændres fra 10 til 100% og vice versa inden for få minutter, hvilket ikke er muligt i en konventionel flisfyret dampkedel til kraftvarme. Energiforskerne fra Aalborg Universitet ser store muligheder i termisk forgasning, fordi teknologien er et usædvanligt godt supplement til sol og vind. Gas kan bruges til transport, til fremstilling af flydende brændstoffer, til produktion af el og varme med høj virkningsgrad, og den kan lagres i naturgasnettet, og på den måde være med til at skabe balance i energisystemet. 7 Side 6/11

7 Med et biogasanlæg, der er en kendt og velfungerende teknologi, kan man også få biomassen konverteret til gas, men her er det svært at få omsat mere end halvdelen af energiindholdet til gas. Ved termisk forgasning kan man opnå virkningsgrader på over 90 procent. Biogasanlæggene har dog den fordel, at den del af kulstoffet, som ikke omsættes til gas, føres tilbage til landbrugsjorden, hvilket giver et plus i klimaregnskabet 8. DONG Energy s forgasningsanlæg i Kalundborg leverer grøn gas til Asnæsværket som supplement til afbrænding af kul. Anlægget, der har en effekt på 6 MW, har været i stabil drift siden Demonstrationsanlægget i Kalundborg, der kan levere m 3 gas i timen, skal tilvejebringe den nødvendige viden for at vi kan bygge større, kommercielle anlæg. DONG Energy forventer at kunne idriftsætte et anlæg på 50 MW i Fremtidens kommercielle anlæg, som i DONG s koncept kaldes Pyroneer, forventes at få en størrelse på MW. Anlæggene vil blive i stand til at håndtere mere problematiske brændsler som halm, husdyrgødning og spildevandsslam Potentialer i Danmark CEESA-projektet har gennemregnet scenarier for 100% vedvarende energi i Danmark i 2050 CEESA s forslag til et energisystem er i høj grad baseret på kombinationerne af el fra vindmøller med biomasse. Med et miks af konverteringsteknologier leverer systemet de ønskede energiydelser. I det anbefalede CEESA-scenarie stammer ca. 50 % (250 PJ) fra vindmøller, solenergi, geotermi, bølgekraft m.v., mens 50 % (240 PJ) er baseret på forskellige former for biomasse (træ, halm, energiafgrøder, affald, husdyrgylle m.v.). Et andet projekt, der også byder ind med forslag til et energisystem med 100% vedvarende energi i 2050, er et speciale af civ.ing Rune Grandal. Det viser, hvordan behovet for energi til varme, strøm og transport i Danmark i 2050 kan klares bare med en indenlandsk biomasse PJ - og de vedvarende energikilder som vind, solceller og bølgekraft. Det er muligt at booste den begrænsede mængde biomasse med 1 mio. ton brint, der fremstilles ved elektrolyse til produktion af flydende brændsel og gas. Den boostede biomasse skal forsyne fly, lastbiler og skibe, og energien til elektrolysen produceres af MW vindkraft plus MW solceller og 300 MW bølgekraftkapacitet. Den megen vindkraft i energisystemet vil næsten altid producere el nok til at dække forbruget, og kun i ganske få timer vil der være underskud af strøm. Forholdet mellem el-overskud og -underskud bliver således som 20:1. Beregningerne viser, at det i et 100 pct. vedvarende energiscenarie, slet ikke er relevant at tale om at lagre vindmøllestrøm for at fremstille el af det igen. Rune Grandal har analyseret tre forskellige balanceringsteknologier og deres evne til at integrere varierende mængder vind-, sol- og bølgekraft i et 100 pct. vedvarende energisamfund, der samtidig kun må anvende en begrænset mængde biomasse. Ud over lagring i 8 Side 7/11

8 norsk vandkraft er de undersøgte metoder hydrogenering af syntesegas fra biomasse og/eller opsamling og genanvendelse af CO 2. Hydrogenering er en kemisk proces (også beskrevet ovenfor), hvor syntesegas fra forgasning af biomasse tilsættes brint, som giver flydende biobrændstoffer som metanol eller det diesellignende DME. Den anden teknologi er hydrometanisering, hvor en kemisk reaktion mellem brint og CO 2 i biogas skaber biogas i naturgaskvalitet (også beskrevet ovenfor). Grandal har analyseret de tre teknologier med fokus på både effektivitet og økonomi med udgangspunkt i et basisscenarium, udviklet i CEESA-projektet. Her fandt han, at det kombinerede scenarie 4 var det mest effektive og økonomisk konkurrencedygtige, i forhold til fortsat brug af fossile brændsler 9. Figur 4.3.2: scenarie 3 og 4 i Rune Grandals analyser. Forskellen er, at man i scenarie 4 til højre i stor stil anvender CO 2 sammen med brint til metanisering. Bemærk at forbruget af biomasse falder markant Bæredygtighed Bæredygtigheden i systemet afhænger af de brændsler der anvendes, og hvor effektivt omdannelserne foregår. Se bl.a. kapitlet om biomasse Usikkerheder Der er usikkerheder omkring hvor modne de forskellige teknologier er, f.eks. metanisering af biogas. Der er således brug for fortsat udvikling og demonstrationsanlæg i større skalaafprøvning inden fuldskalaanlæg kan opføres ADOAo&url=http%3A%2F%2Fwww.danskenergi.dk%2F~%2Fmedia%2FBiomasse%2FPraesentationer %2F140522HenrikWenzel.ashx&ei=YtnAU47NLYGGywP_z4DoAg&usg=AFQjCNF6pZVBcvzYYMUfi2X_ IIMK_lG2Ew&bvm=bv ,d.bGQ. Side 8/11

9 4.3.3 Forslag til udnyttelse i Danmark Brint via elektrolyse er en af fremtidens energilagre 11 Overskud af vindstrøm skal konverteres til brint via elektrolyse, så brinten kan bruges i transport og booste biomasse. Elektrolyseteknologien kan blive afgørende for at binde et 100 % vedvarende energisystem sammen. Man kender grundlæggende teknologierne, men de skal udvikles og demonstreres, inden de kan anvendes til energiformål i storskala på den anden side af Der skal arbejdes på både at demonstrere, effektivisere og optimere teknologierne. Der skal også arbejdes med at udvikle de forskellige kemiske og biologiske processer, der kan anvende brint til at booste biomassen: opgradere biogas til naturgas, omdanne fast biomasse til flydende biomasse. Danske virksomheder, bl.a. Haldor Topsøe, er langt fremme med disse teknologier. Det er vigtigt at optimere effektiviteten af el til gas-konverteringen. De tab der bliver i konverteringsprocessen vil ofte kunne udnyttes til fjernvarme. Samlet er det vigtigt i de kommende år at styrke forskning, udvikling og demonstration inden for teknologier som forgasning, elektrolyse, metanisering og tilsvarende konverteringsteknologier. I de kommende 10 år skal der sammen med udbygningen med vindmøller, satses på den generelle elektrificering af energiforbruget i form af elbiler og varmepumpe. Man skal bruge el som energi til biler og til varme via varmepumper. Batterier i elbiler kan være med til at regulere hurtigt op og ned efter variationer i vindkraften, ligesom styring af varmepumper kan være med til at udjævne elsystemet på minut- og timeniveau. I den tunge del af transportsektoren er der ikke så store reguleringsmuligheder - eltog har ikke store reguleringsmuligheder og for vejtransport er løsningerne at bruge brint direkte, og bruge den sparsomme biomasse, boostet med brint. Det er også løsningerne for fly og skibe Politikker til at nå målene Der skal etableres flere demonstrationsprojekter, hvor der både fokuseres på primær produktion af brint og anden VE-gas, samt forædling til de brændselsprodukter der bliver brug for, bl.a. metanisering af biogas og fast biomasse. Fjernvarmeselskaber og andre lokale energiselskaber skal hjælpes til at stå som anlægsværter for disse anlæg med tilskud og garantier. Desuden skal forsknings-og udviklingsindsatsen fortsætte. Det er vigtigt at undersøge hvordan de forskellige teknologier kan realiseres som både decentrale og centrale anlæg Side 9/11

10 VedvarendeEnergi s forslag om dynamiske elafgifter vil støtte økonomien i elektrolyse, når el fra sol og vind overstiger det øvrige elforbrug Økonomi og miljø Elektrolyse (alkalisk) er en gennemprøvet teknologi, men i fremtidige anlæg kan produktion af brint gennemføres mere effektivt med Topsøes SOEC elektrolyseteknologi med høje temperaturer. Med elektrolyse ved en temperatur på omkring C, kan store dele af spildvarmen udvindes direkte til fjernvarmeformål. Den samlede energieffektivitet af en proces udviklet af det islandske Carbon Recycling International CRI-processen kan således blive forøget fra 53 % til omkring 80 % (FORCE Technology estimat), hvilket svarer til omkring 60 % forbrug af det samlede procesvarmetab. Med et produktionsanlæg der vil producere ton metanol/år vil elforbruget blive ca. 415 GWh el. Optaget af CO2 vil blive ca t/år og der vil desuden dannes ilt som et biprodukt; omkring t/år12. Som tidligere nævnt, er der med anvendelse af biogas-teknologien en vigtig fordel i form af jordforbedrende egenskaber ved, at den afgassede gylle gives tilbage til landbrugsjorden. I termisk forgasning er det dog også muligt at bevare en del af kulstoffet, der kan bruges som jordforbedringsmiddel. Processen kaldes for flash pyrolyse, men i modsætning til termisk forgasning foregår den i et mere iltfrit miljø 13. Mht. miljø skal disse anlæg overholde gældende miljøkrav, som også gælder andre virksomheder. Ved nogle af anlæggene sker der en forbrænding som normalt giver emissioner, men i forgasningsanlæg er formålet med processen, at fange de brændbare kulbrinter og tjærestoffer inden de forlader anlægget Mulighed og behov for folkelig deltagelse Metanisering af biogas skal sandsynligvis ske på biogasanlæg, og skal derfor besluttes af ejerne af biogasanlæggene. Det er endnu for tidligt at fastslå hvilke, størrelse de forskellige konverteringsanlæg vil få, og dermed hvem, der vil blive investorer. Dermed er det svært at vurdere hvor vigtig en bredere Side 10/11

11 folkelig deltagelse vil være. For nogle teknologier, f.eks. elektrolyse, er selve teknologien umiddelbart modulopbygget, så det kan ikke på forhånd fastslås hvilken størrelse, der er optimal. Der kunne i princippet være elektrolyseanlæg på de enkelte vindmøllegrupper. Andre af de foreslåede teknologier, f.eks. produktion af flydende brændsler, kan have skalafordele og vil derfor nok ske på anlæg, der er relativt store og komplicerede, som dagens raffinaderier. Selv for store anlæg, kan der dog deltage offentlige forsyningsselskaber med kommunal deltagelse og forbrugerejede el- og varmeselskaber. Gennem påvirkning af politikere og selskabernes bestyrelser, er det derfor muligt at få taget lokale hensyn m.m. Ligeledes kan der være offentlig debat i forbindelse med kommuneplaner og lokalplaner, hvor placeringen af disse anlæg vil blive behandlet. Det er vigtigt at få en god offentlig debat om formålet med anlæggene, så der findes plads til dem på fornuftige placeringer Vurdering af virkemidlernes effekt, usikkerheder Det kan umiddelbart være svært at sige noget om økonomien i anlæg under udvikling. Teknologien eksisterer, men der er usikkerhed om fremtidige priser for elektrolyse, forgasning, metanisering m.m. Side 11/11