Hvilken rolle kan termisk forgasning spille i fremtidens energiforsyning AgroTech seminar om termisk forgasning i Danmark 17.11.2015 Anders Bavnhøj Hansen Chefkonsulent, MSc Energinet.dk, afdeling for Energianalyse E-mail: abh@energinet.dk Hvilken rolle kan termisk forgasning spille i fremtidens energiforsyning 1
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. 2015-08-31 Udvikling af et konkurrencedygtigt VE energisystem
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
Ressourcer og omkostninger til brændstoffer (2030 hvis alt biomasse allokeres til brændstoffer) VEgas pris (DKK/GJ) excl. rensning og opgradering 200 180 160 140 120 100 80 60 40 20 0 Biomasse bruges i dag primært til varme og KV Halm Affald Energiafgrøder Træ Gylle mv. Elektrolyse (power 2 gas) 2050 2035 Brændstof forbrug i dag vil medføre mere end 30 GW ekstra vindkraft hvis power-to-gas skal levere brændstof Forbrug af brændstof (gas+flydende) 0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 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
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 40 26 Halm Anaerob/Termisk 55 33 Energi Græs mv. Anaerob 60 42 Gylle Anaerob 45 32 Affald Anaerob/Termisk 30 18 P2G 30 24 I alt 260 175 Heraf via biogas/etoh 101 Heraf via syngas 73 Hvilken rolle kan termisk forgasning spille i fremtidens energiforsyning 5
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
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 - 141 Electricity -3,8-5,6 TOTAL 203,7 342,9 Methanol 120,6 242,7 District heating 46 37 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 59.2 70.8 District Heating Efficiency 22.6 10.8 TOTAL 81.8 81.6 Med disse omkostninger kan SynFuels komme på niveau med fossile flydende brændstoffer! (160 DKK/GJ) Men behov for FUD før teknologien er der!! 2015-10-05 Scenarier for energibærere
Årlige energistrømme (Idag) Hvilken rolle kan termisk forgasning spille i fremtidens energiforsyning 8
Årlige energistrømme (2035 reference optimeret) Hvilken rolle kan termisk forgasning spille i fremtidens energiforsyning 9
Årlige energistrømme (2035 feasibility med olie reduktion) 6 mio ton CO2 pr. år Hvilken rolle kan termisk forgasning spille i fremtidens energiforsyning 10
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 200-300 C Methanol Transport Industri mv. Næringstoffer (P mv.) 200-300 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
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
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 9116 5782 3329 Agriculture 7961 5840 183 Milk products 3330 2769 0 Paint and soap 3081 2778 0 Mining and quarrying 2850 2375 164 Sugar 2733 2455 0 Wood 2724 2041 93 Green houses etc. 2601 2172 0 Concrete, bricks etc. 2291 1512 472 Food/slaughterhouses 1848 1207 471 Paper 1784 1602 0 Mineral wool 1670 0 1666 Other food 1636 1235 201 Metal 1470 0 1448 Bitumen etc. 1331 1317 0 Tiles/bricks etc. 1310 375 935 Beverages 1309 1153 0 Bakery 1287 1212 0 Medicin 1258 1039 0 Glass and ceramics 1250 158 1066 Feed production 1160 1160 0 Furniture 1086 283 0 Fish industry etc. 1022 963 0 Metal products 955 402 330 Enzymes and fertilizers 671 505 59 Basic chemicals 527 442 0
Forgasning og syntese til methanol Forgasning+katalyse til methanol Forgasning+katalyse men incl. Varme brugt til SOEC-elektrolyse Kilde: Haldor Topsøe dialogmøde med ENDK 2011-05-31 2015-03-11 14
Forskning Demonstration - Implementering Hvilken rolle kan termisk forgasning spille i fremtidens energiforsyning 15
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
Tak for opmærksomheden www.energinet.dk/energianalyser Hvilken rolle kan termisk forgasning spille i fremtidens energiforsyning 17
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) 1 20 + + Metanol CH 4 O 23 18 1,2 62 + - Etanol C 2 H 6 O 30 24 1,3 43 + DME CH3OCH3 30 22 1,3 69 + + Synt. benzin C6Hxx 46 33 1,6 28 Synt. diesel C12H23 40 33 1,6 20 (+) + H2 H2 142 5,6 (700 bar) 0 42 ++ + 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 2014-10-08 18 Sams pillet melle m ener
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: 4,2 31 10 10 10 10Estimated Gasification 7,2 53,2 45 45 45 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 57,6 15 0 15 15Estimated 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 48,6 359 0 77,2 77,2 122,6 3000 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 78,3 0 0 0 Utilities and offsites 10,3 76,1 37,5 37,5 37,5 37,5Mignard et al. Miscellaneousfees 5,15 38 38 38 38 38Mignard 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): 110 814 321 326 341 386 Energy Flows [MW] INPUTS OUTPUT S Electricity producers and consumers Tradition al Plant Novel Concept Wood 207,5 207,5 SOEC, Electricity - 141 Electricity -3,8-5,6 TOTAL 203,7 342,9 Methanol 120,6 242,7 District heating 46 37 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 59.2 70.8 District Heating Efficiency 22.6 10.8 TOTAL 81.8 81.6 2015-10-05 Scenarier for energibærere
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) 164 2015-10-05 Scenarier for energibærere
Biogas til MeOH Biogas til MeOH miodkk/m W Levetid (år) Driftstimer CAPEX (4%) (DKK/GJ) Wood receiving and preparation: 20 8000 0,00 Gasification 1,63 20 8000 4,16 Acid-gas removal (downdraft) 20 8000 0,00 Tar reformer 20 8000 0,00 ShiftReactor 0,54 20 8000 1,39 Gas cooling 0,13 20 8000 0,34 MethanolSynthesis&purif. 0,79 20 8000 2,01 Electrolysis 20 8000 0,00 Gas compression and expansion 0,53 20 8000 1,37 Oxygen generator 20 8000 0,00 Utilities and offsites 1,36 20 8000 3,46 Miscellaneousfees 1,37 20 8000 3,51 Land 0,04 20 8000 0,09 Start-up costs 0,43 20 8000 1,09 CAPEX (DKK/GJ ind) 6,82 20 8000 17,41 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) 113 2015-10-05 Scenarier for energibærere
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 2015-05-13 Økonomisk-teknisk analyse af Power-to-gas i energisystemet
Lagerkapacitet i energisystemet Scenarie 2035 2,3 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
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
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 2015-08-31 Udvikling af et konkurrencedygtigt VE energisystem
Denmark situated in a windpower area Electricity transmission Gas transmission 2015-09-07 Scenarios for the future energy system
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
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