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 !
Top Related