Partner for progress

Aardgas, de schakel naar een duurzame energiehuishouding

Prof.dr.ir. Mannes WoltersKiwa Gastec Technology / Universiteit Twente

12 October 2006; KIVI NIRIA Smart Energy Mix Congres

© Kiwa 2005 2

Agenda

Huidige rol aardgas in energievoorziening

Op weg naar een duurzame gasvoorziening

Rol van gasinfrastructuur in een duurzame energievoorziening

© Kiwa 2005 3

Huidige rol aardgas in energievoorziening

© Kiwa 2005 4

Wereld primair energieverbruik (IEA)

© Kiwa 2005 5

Schets van de Nederlandse gasindustrie (1)

Aardgas levert ongeveer 50% van de totale energiebehoefte

Totale Nederlandse aardgasvoorraad:circa 1600 miljard m3

Jaarlijkse gasproductie: circa 80 miljard m3 :– 40 miljard m3: export– 20 miljard m3: energie distributiebedrijven– 20 miljard m3: industrie + centrales

© Kiwa 2005 6

NAMM09a

NAMM09b

ChevronAKKRUM

NAMDE MARNE

NAMDONKERBROEK

ElfGORREDIJK

NAMGRONINGEN

BulaHAULERWIJK

ElfLEEUWARDEN

NAMNOORD-FRIESLAND

ElfOOSTEREND

NAM

OOSTERWOLDE

TransCanSCHIERMONNIKOOG-NOORD

NAMTIETJERKSTERADEEL

Emshorn

Grijpskerk

Norg

GroningenGroningen

NieuwRoden

Nes

Moddergat

Oostrum

Engwierum

Vierhuizen

Munnekezijl

Saaksum

Usquert

Warffum

Winsum

Bedum

TietjerksteradeelTietjerksteradeelSuawoude

Marum

Ureterp

Kollumerland

Grootegast

Surhuisterveen

Opende-Oost

Marumerlage

Zevenhuizen

Sebaldeburen

BoerakkerPasop

Roden

Norg-Zuid

Appelscha

Assen

Eleveld

Vries Annerveen

Oude Pekela

Blijham

BlijaFerwerderadeel

AnjumMetslawier

Ezumazijl

Suawoude-S

Groothusen

Wieringa

Noorderdiep

Beerta

Rodewolt

Harkstede-NW Harkstede

Feerwerd

Faan

Niekerk

Vierhuizen-Zuid

Lauwersoog-C

Lauwersoog-Oost

KollumKollum-Noord

Surhuisterveen

Ternaard

Blija-Zuid Oost

Oppenhuizen

Leeuwarden

AkkrumAllardsoog

Witten

Midlaren

Lula

Gieterveen Noorderdiep

StadskanaalStadskanaal

Gasselternijveen

Vlagtwedde

Lauwersoog-West

Blija-Zuid

M09A-Foxtrot

SchiermonnikoogWad

Engwierum

Houwerzijl

Molenpolder

Langebrug

Donkerbroek

FranekerRied

Grouw

Rauwerd

WartenaNijega

Suawoude

Hollum-Ameland Nes-Noord

Ameland-Westgat

Ameland-Oost

AmelandN7-FA

Ameland-Noord

UGS Grijpskerk

UGS Norg

Aardgasvelden in Noord Nederland

© Kiwa 2005 7

Groningen gasveld ( 3-D weergave)

35 km

25 km

30

0 m

© Kiwa 2005 8

Lengte leidingnetten :

Transportnetten ( 40 bar) : circa 12.000 km

Distributienetten ( 8 bar) : circa 120.000 km (> 0,1 bar : 30.000 km)

( 0,1 bar : 90.000 km)

Schets van de Nederlandse gasindustrie (2)

© Kiwa 2005 9

Nederlands gastransportsysteem

GRK

NOR

Germany

Belgium

Groningen Gasfield

Amsterdam

Groningen Cal Gas

High Cal Gas

LEGEND:

© Kiwa 2005 10

Opslagcapaciteit

Ondergrondse opslag(Langelo, Grijpskerk, Alkmaar) :

8 x 109 m3

LNG (Maasvlakte) :80 x 106 m3

Schets van de Nederlandse gasindustrie (3)

© Kiwa 2005 11

Gasopslag Norg

-Injection capacity: 24 million m3/day

- Production capacity: 51 million m3 /day

© Kiwa 2005 12

Europese Gasimporten

IEA: World Energy Outlook 2002/OECD

© Kiwa 2005 13

Aardgasexport vanuit Midden Oosten en Afrika

© Kiwa 2005 14

Bewezen Aardgasreserves

© Kiwa 2005 15

LNG Transport

© Kiwa 2005 16

Bestaande gasinfrastructuur wereldwijd (1999)

1.080.000 km transportleidingen 22 liquefaction plants (LNG)

(totale capaciteit : 91 MT / jaar)

102 LNG tankers 600 ondergrondse opslagfaciliteiten (werk capaciteit : 300 miljard m3)

4.400.000 km distributie netwerk totale waarde : US $ 1.300 miljard

© Kiwa 2005 17

Aardgas als energiedrager

– Relatief milieu-vriendelijk

– Voor vele toepassingen inzetbaar

– Relatief goedkoop

– Veilig en betrouwbaar

© Kiwa 2005 18

Op weg naar een duurzame gasvoorziening

Energiebesparing en emissiereductie

Biogas

© Kiwa 2005 19

Op weg naar een duurzame gasvoorziening

Energiebesparing en emissiereductie

# HR CV-ketels # Micro-wkk

© Kiwa 2005 20

HR ketel

Extra warmtebenutting door condensatie verbrandingsgassen

1975 economizer

1979 Gasunie ketel

© Kiwa 2005 21

© Kiwa 2005 22

© Kiwa 2005 23

HR ketel anno 2006

HR is de standaardkeuze

Ook in de kelder of met een gemetselde schoorsteen

10 jaar voor op het buitenland

De referentie voor nieuwe technologie

© Kiwa 2005 24

© Kiwa 2005 25

Micro-warmtekrachtWat is dat ?

Operationele definitie : Directe vervanging van een cv-ketel in een

water-verwarmingssysteem, die gelijktijdig warmte en electriciteit produceert

Kenmerken : Electrisch vermogen < 16 A Een per woning

© Kiwa 2005 26

© Kiwa 2005 27

Stroomopwekking in een micro-wkk

Generator :# Gasmotor (interne verbranding)# Stirling motor (externe verbranding)# Rankine cycle

Electrochemische omzetting :# Brandstofcel

© Kiwa 2005 28

Warmteopwekking in een micro-wkk

Warmte uit de stroomopwekking is primair

Hulpketel voor bijverwarming

Maximaal aantal draaiuren met warmteopslag

© Kiwa 2005 29

Dimensionering

Micro-wkk draait alleen als er warmtevraag is !

Gemiddeld electriciteitsverbruik 370 W (3200 kWh, 8760 uur)

Optimaal is 800 tot 1000 W (electrisch)

E-rendement Electriciteitsvermogen Warmtevermogen

10% 1 kW 9 kW

25% 1 kW 3 kW

© Kiwa 2005 30

Belang van het electrisch rendement

In Nederland wordt de electriciteit uitgewisseld via het openbare net

Dus er is nooit electriciteit over, warmtevraag is bepalend

Maximaal aantal draaiuren bij lage warmteproductie :

# Bij 3 kW kun je ook in de herfst verwarmen

# Bij 9 kW kun je dan de warmte niet kwijt

© Kiwa 2005 31

© Kiwa 2005 32

Micro-wkk technieken

Gasmotor (interne verbranding)

© Kiwa 2005 33

Honda gasmotor microwarmtekrachtcentrale

Elektrisch vermogen: 1 kW

Elektrisch rendement: 25 %

Warmtelevering: 3 kW

Nu alleen in Japan op de markt

© Kiwa 2005 34

Micro-wkk technieken

Stirling motor (externe verbranding)

© Kiwa 2005 35

Microgen stirling microwarmtekracht centrale

Elektrisch vermogen 1000 Watt AC (230 V)

Gewicht 90 kg

Elektrisch rendement (schatting) 15%

Totaalrendement (schatting) 105%

© Kiwa 2005 36

WhisperGen stirling engine model Mark 4

Electrical output 1200 Watt AC (230 V)

Heat output 8 kW

Dimensions (HxWxD) 85x50x60 cm

Weight 138 kg

Sound 63 dBA

Electric efficiency (estimated) 12%

Total efficiency (estimated) 85%

© Kiwa 2005 37

Op weg naar een duurzame gasvoorziening

Biogas

© Kiwa 2005 38

Wat is biogas ?

- Gas van biomassa

- Geproduceerd door vergisting (of vergassing)

© Kiwa 2005 39

Voordelen van inzet biogas

- Reductie van CO2 emissies

- Vergroting leveringszekerheid (diversificatie energiemix)

- Hernieuwbare energiebron

- Bij stijgende aardgasprijzen attractief

- Hoge sociale acceptatie

© Kiwa 2005 40

Hoe kan biogas in de energievoorziening worden ingezet ?

Omzetten in electriciteit (bijv. d.m.v. gasmotor)

Omzetten in electriciteit en warmte via wkk Opwerken naar aardgaskwaliteit en

injecteren in bestaande gasnet Opwerken en leveren aan apart „groen

gasnet“ Opwerken en gebruiken als

transportbrandstof (auto‘s) Omzetten naar waterstof

© Kiwa 2005 41

Waarom biogas injecteren in aardgasnetten ?

Gebruikmaken van bestaande infrastructuur ( transport/distributie en toepassingen )

Hoge efficiency in totale energieketen

Relatief lage investeringskosten

© Kiwa 2005 42

Marktwaarde van biogas

- Tenminste gelijk aan die van aardgas ( mits van dezelfde kwaliteit)

- Potentieel extra waarde gebaseerd op duurzaamheid/milieuvoordelen (“eco-labelling” ); afhankelijk van politiek

© Kiwa 2005 43

EU ondersteunt injectie van biogas in aardgasnetten

EU Richtlijn 2003/55/EC : “….biogas and gas from biomass or other

types of gas are granted non-discriminatory access to the gas system ..”

- Uitgangspunt voor de eisen aan de samenstelling van biogas zijn de eisen voor aardgas

- Eisen voor “alternatieve gassen” nog onduidelijk; rol voor netbeheerders

© Kiwa 2005 44

Vergelijking samenstelling aardgas en biogas

Biogas(vergisting)

Aardgas(L-gas)

Methaan(vol.%)

55 - 70 91

CO2(vol.%)

30 - 45 <1

H2S(mg/m3)

100 - 10000 <5

Ammonia(mg/m3)

0 - 100 <3

© Kiwa 2005 45

Mogelijk extra eisen aan biogas-samenstelling

- Biogas bevat componenten die niet of nauwelijks in aardgas voorkomen

- Invloed van deze componenten op transport/distributie infrastructuur, gastoepassingen, gezondheid e.d. is (nog) niet volledig bekend

© Kiwa 2005 46

State-of-the-art van biogasinjectie in aardgasnetwerken

In diverse landen worden relatief kleine hoeveelheden geinjecteerd (stortgas, vergistingsgas, e.d.)

Geen grote problemen ( dioxinevorming ?) Recente Zweedse studie : geen

ziekteverwekkers, virussen e.d. in biogas Geen specifieke eisen tot nu toe in

Nederland Kwaliteisspecificaties voor biogas in

ontwikkeling (op Europees niveau, nationaal niveau )

© Kiwa 2005 47

Membraan-installatie voor opwerking biogas

Workshop “Meer energie uit biogas van Waterzuiveringen”, Apeldoorn 1 oktober 2003

Installatie en ervaringenProcesschema Opwerkinstallatie

H2S AdsorberBlower

Compressor

Fakkel

Stortgas

Stortplaats

Opgewerktgas

Naar aardgasnet

Heater

CF

KA

dsorber

1

CF

KA

dsorber

2

Membraan

© Kiwa 2005 48

Mogelijkheden tot biogasinjectie in gasnetten

Injectie in transportnet ( > 40 bar )

Injectie in het regionale gasdistributienet ( 4 – 8 bar)

Injectie in een afzonderlijk “groen” gasnet

© Kiwa 2005 49

Injectie in het hoge druk aardgastransportnet

Grootschalige biogasproductie nodig

Bij voorkeur productie biogas bij hoge druk ( anders extra compressie nodig)

Gebruik van de gehele bestaande gasinfrastructuur ( incl. gasopslag, levering aan grootverbruikers, export )

In principe volledige substitutie van aardgas mogelijk

© Kiwa 2005 50

Injectie in een afzonderlijk “groen” gasnet

Kleinschalig, decentraal, “eiland-structuur”

Back-up moeilijk ( tenzij lokale gasopslag beschikbaar)

Mogelijk minder hoge eisen aan gassamenstelling

© Kiwa 2005 51

Injectie in het gasdistributienet

Decentraal, maar onderdeel van groot systeem

Back-up beschikbaar (aardgas)

Grote, bestaande afzetmarkt beschikbaar

© Kiwa 2005 52

Technische mogelijkheden en eisen voor de injectie van biogas in het aardgasnet

Deze zijn afhankelijk van :

Toegang tot het aardgasnet (afstand, aanwezigheid stations )

Gassamenstelling Capaciteit van het net Minimale gasvraag van het betreffende net

(“zomer-plateau”) Mogelijkheden tot gasopslag

© Kiwa 2005 53

Verschil tussen injectie in L-gas resp. H-gas net

L-gas net : Biogas is op te werken tot L-gas kwaliteit

H-gas net : Biogas is soms niet op te werken tot H-gas kwaliteit (te lage calorische waarde ) ; evt. LPG toevoegen

© Kiwa 2005 54

Status biogasinjectie in aardgasnet

# Huidige situatie : - goede ervaringen met kleinschalige

injectie in aardgasnetten - technologie beschikbaar voor opwerken

biogas tot aardgaskwaliteit# Toekomst : - groot potentieel om biogas te injecteren - maar, nog veel uitdagingen (toelaatbare

gassamenstelling, toelaatbare concentraties sporen-componenten, inpassing in aardgasinfrastructuur, regelgeving, betrouwbaarheid, e.d.)

- daarom verder onderzoek nodig

© Kiwa 2005 55

Uitdaging

BIOGAS + AARDGASINFRASTRUCTUUR =WEG NAAR DUURZAME ENERGIEVOORZIENING

© Kiwa 2005 56

Rol van gasinfrastructuur in een duurzame energievoorziening

Grootschalige inzet van biogas (vergassing biomassa)

Waterstofvoorziening # infrastructuur # brandstofcellen # waterstofauto’s

© Kiwa 2005 57

SNG van biomassa

2 9-10-2006

GROEN AARDGAS =

technologie: vergisting vergassing

status: beschikbaar ECN ontwikkeling

s schaal: klein (~300 kW) groot (~1000 MW)

brandstof: natte biomassa (lokaal) droge biomassa (import)

potentieel: beperkt (< 60 PJ in NL) onbeperkt

gastoepassing: als aardgas als aardgas

bioSNGBIOGAS +

© Kiwa 2005 58

Implementatie Groen Aardgas

3 9-10-2006

GROEN AARDGAS IMPLEMENTATIE

* op basis van hout 60 €/ton dr.; huidige aardgasprijs: ~20 €ct/m3

PJ

1970 2000 2030

3 GW SNG-plant in VS (bruinkool)

nieuwe initiatieven in VS

biogas

bioSNGcommercieel 30 €ct/m3 *

demonstratieR&D (ECN)

© Kiwa 2005 59

Waterstofvoorziening

© Kiwa 2005 60

Waarom wordt waterstof toegepast ?

Tijdens verbranding (conversie) wordt geen CO2 geproduceerd (“zero emission” )

Er kan direct chemische energie in electrische energie worden omgezet m.b.v. brandstofcellen

Potentieel geschikt als opslagmedium voor varierend aanbod van hernieuwbare energie

Kan gemaakt worden uit hernieuwbare energiebronnen ( bijv. biomassa, zonlicht )

© Kiwa 2005 61

Bestaande methoden voor de productie van H2

Uit aardgas via steam-reforming :CH4 + 2H2O CO2 + 4H2

Uit aardgas via partial oxidation :2CH4 + O2 2CO + 4H2

Pyrolyse van aardgas :CH4 C + 2H2

Electrolyse van water : 2H2O 2H2 + O2

© Kiwa 2005 62

Uit Biomassa

Syngas productie H2, CO and CH4

Water-gas shift reactie :CO + H2O CO2 + H2

Gas behandeling (CO2 verwijdering )

© Kiwa 2005 63

Mogelijkheden voor H2 inzet in de gasvoorziening

Als toevoeging aan aardgas ( tot een bepaald maximum percentage)

Complete vervanging van aardgas door waterstof

© Kiwa 2005 64

Mogelijke effecten van waterstof op de infrastructuur

Distributie materialen

Capaciteit van het net

Lekkage/permeatie

Gas volume meting

© Kiwa 2005 65

Gevolgen voor de infrastructuur door inzet H2

Afname van de energietransportcapaciteit van het netwerk, vooral het hogedruktransportnet

Er kan waterstofverbrossing van het stalen gastransportnet optreden

De integriteit, lekkage en permeatie in distributienetwerken worden slechts beperkt beinvloed

© Kiwa 2005 66

Veiligheidsaspecten voor waterstoftransport

Het risico voor brand en explosies is ongeveer gelijk voor transport door pijpleidingen van aardgas en van waterstof

De ervaring met waterstoftransport is zeer goed

© Kiwa 2005 67

Veiligheidsaspecten van waterstof en aardgas

OntstekingsgebiedH2 4-75 vol%

aardgas 5-18 vol%

OntstekingsenergieH2 0.02 mJ

aardgas 0.20 mJ

Diffusie coefficient H2 4x Diffusie coefficient CH4

© Kiwa 2005 68

Ongevallen in de stadsgasperiode(Stadsgas bevatte ca. 50 vol% H2 en ca. 10% CO)

Ongevallen t.g.v. onverbrand gas # Vergiftiging (veroorzaakt door CO) ca.

88% # Explosies en vuur ca. 2%

Ongevallen veroorzaakt door verbrandingsgassen

ca. 10%

© Kiwa 2005 69

Conclusies m.b.t. veiligheid inzet H2

Vroeger gebruik van waterstof in stadsgas (wat tot ca. 50% H2 bevatte) was veilig, afgezien van slachtoffers tgv CO in het stadsgas

© Kiwa 2005 70

Gevolgen voor gebruikstoestellen

Het gedrag van de meeste toestellen (bijv. gasmotoren, turbines, cv-ketels) wordt sterk beinvloed door toevoeging van waterstof aan aardgas

Aanpassing van de toestellen is echter in principe mogelijk

© Kiwa 2005 71

Conclusies voor inzet van H2 in de gasvoorziening (IEA studie)

Veiligheid wordt niet significant verlaagd Tot 3% toevoeging van H2 aan aardgas zijn

nauwelijks aanpassingen nodig Toevoeging van H2 tot percentages van ca.

12% vereist serieuze aanpassingen (gasmotoren, turbines, gastransportnetwerken)

Voor nog hogere H2 percentages zijn over de gehele gasketen aanzienlijke aanpassingen nodig

De kosten voor aanpassing van de infrastructuur zijn (nog) tamelijk hoog vergeleken met andere opties om de CO2 emissies te verlagen

© Kiwa 2005 72

Brandstofcellen

# PEM

# SOFC

© Kiwa 2005 73

Werkingprincipe PEM brandstofcell

Elektrochemisch omzetting van waterstof in elektriciteit en warmte

© Kiwa 2005 74

Brandstofcel voorbeelden

Vaillant (Duitsland)

© Kiwa 2005 75

SOFC brandstofcel Hexis

© Kiwa 2005 76

Rijden op waterstof

© Kiwa 2005 77

Kiwa Gastec Technology – Gas Appliances: Laboratorium voor waterstofonderzoek, productontwikkeling voor o.a. BMW (1)

BMW ontwikkelt een waterstofauto (7 Serie, verbrandingsmotor)

Waterstof wordt in vloeibare vorm getankt (LH2)

Op dit moment: één pomp voor vloeibaar waterstof in Berlijn en één in München

Langs de snelweg Berlijn – München worden op korte termijn pompen voor vloeibaar waterstof gebouwd

© Kiwa 2005 78

Kiwa Gastec Technology – Gas Appliances: Laboratorium voor waterstofonderzoek, productontwikkeling voor o.a. BMW (2)

Kiwa Gastec Technology heeft een Waterstof Boil Off Systeem voor BMW ontwikkeld

BMW gaat eind 2006 in serieproductie met de waterstofauto (ongeveer 100 auto’s in 2006 en 2007)

Nieuw ontwikkelingsprogramma bij BMW vanaf 2007: Clean Energy 2010

© Kiwa 2005 79

Andere automobielmerken op waterstof

Opel (GM): aandrijving auto met brandstofcel

alleen LH2 als brandstof

Mercedes, Volkswagen: aandrijving auto met brandstofcel

reformer: Benzine =>waterstofgas Gecomprimeerd waterstofgas

© Kiwa 2005 80

Conclusies

Aardgas blijft een van de belangrijkste energiebronnen voor de komende decades ; veilig, betrouwbaar, schoon en goedkoop

De bestaande (aard)gasinfrastructuur maakt een geleidelijke en probleemloze overgang naar een duurzame energievoorziening mogelijk

Belangrijke stappen in de weg naar een meer duurzame energievoorziening : energiebesparing, en toevoeging duurzame energiebronnen aan de gasvoorziening

© Kiwa 2005 81

Aardgas, de schakel naar een duurzame energiehuishouding !