Angewandte Forschung in der Energie- & Umwelttechnik

Studie im Auftrag der LNG Initiative Nordwest

„Perspektiven und Potentiale von Low-Emission-LNG im Nordwesten“ Prof. Dr. Sven Steinigeweg, Prof. Freerk Meyer, Wilfried Paul EUTEC-Institut, Hochschule Emden/Leer

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Inhalt

• Herstellung von LowEmission-LNG • Techno-ökonomische Bewertung • Umwelteigenschaften • Nutzung von Bio-LNG, LowEmission-LNG • Potenzial für die Region

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Möglichkeiten LowEmission-LNG Supply Chain Biogene CH4-Quelle + Verflüssigung

Biogene CH4-Quelle

Bio-LNG

Verflüssigung Fossiles LNG Bio-LNG

LowELNG

LowELNG 3

Inhalt

• Herstellung von LowEmission-LNG • Techno-ökonomische Bewertung • Umwelteigenschaften • Nutzung von Bio-LNG, LowEmission-LNG • Potenzial für die Region

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Verflüssigungstechnologien Verflüssiger

Prinzip

Joule-Thomson Geschl. Kreisprozess, Propan oder FCKW als Kältemittel, Expansion durch JT-Ventil

Bemerkungen Einfach, robust, geringe Effizienz. Konzeptioniert für LKW-Betankung

Brayton

Geschl. Kreisprozess mit Kompressor, Turboexpander und Wärmeübertrager, N2 als Arbeitsmedium

Einfach, robust, geringe Effizienz.

Kaskade

Reihenschaltung von Kühlkreisläufen mit untersch. Kältemitteln.

Hohe Effizienz, hohe Investitionskosten, geringe spez. Kosten

Kältemittelgemische

Kühlkreislauf mit mehreren Wärmeübertragern, Ventilen, optimiertes Kältemittelgemisch

Effizienz vergleichbar mit Kaskade, geringere Investitionskosten

Claude

Offener Kreisprozess, verbindet isentrope und isenthalpe Expansion

Keine Kältemittel, offener Prozess, Effizienz bei komplexeren Konfigurationen höher

Stirling

Geschl. Kreislauf (Stirling) mit He als Arbeitsmedium

Einfach, robust, besonders für Kleinanlagen, höhere spez. Kosten. 5

Industriell eingesetzte Verflüssigungstechnologien

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Mengen- & Energiebilanzen: 10.000 Jato

• Input: 14.600 Jato H-Gas, 658 kWh je Tonne LNG • Output: 10.000 Jato LNG, 3.300 Jato „Heavies“ (60% Ethan, 30%

Propan,

Rest: Methan, Butan)

• Investment: 7,4 Mio € (Kostenschätzung gemäß Seider et al.) 7

Investitionskosten Prico-Prozess Investitionskosten (gesamt)

Investitionskosten (spezifisch)

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Gestehungskosten Bio-LNG

€/t LNG

1 t Jato

10 t Jato 100 t Jato

Kapitalkosten

116

37

16

Biomethan

1172

1172

1172

Energie

206

123

116

Wartung

116

37

16

Verschiedenes

116

37

16

1726

1406

1335

Gesamt

• Gestehungskosten Biomethan: 7,5 ct/kWh (Biogasmonitoringbericht der BNetzA) • Energie zur Verflüssigung aus Biogas • keine Personalkosten • Abschreibung über 20 Jahre (ohne Zinsen) • Wartung, Versicherung etc.: 5% des Anlagenneuwerts • Verschiedenes: 5% des Anlagenneuwerts 9

Abschätzung der Materialbilanzen

• In Niedersachsen: 1480 Biogasanlagen • 780 MWel installiert, ∅ 527 kWel (2014) • Größere (neuere) Anlagen: Installierte Leistung: 1 MWel • Jährliche Rohgasmenge: 3,504 Mio. mi.N.3 , Methangehalt: 52,4% • Jährliche Biomethanmenge: 1,848 Mio. mi.N.3 • Entspricht einer Masse von ca. 1.300 t/a • Entspricht einer Produktion (8.600 Vollaststunden) von ca. 350 L/h bzw. 8,4 m3 LNG pro Tag.

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Nachteile dezentraler Verflüssigung • Typische biogene Quellen produzieren ca. 1.000 Jato Methan • Konventionelle Verflüssigungstechnologien unter 10.000 Jato nicht wirtschaftlich. • Andere Verflüssigungskonzepte (z.B. Stirling) zeigen meist höhere spezifische Kosten. • Bislang wenig Erfahrungen mit Kleinanlagen zur Verflüssigung. • LNG Tank vor Ort erforderlich. • LNG-Logistik muss etabliert werden. • Positive Umwelteigenschaften des LNG werden durch Nachteile bei Logistik und Lagerung aufgezehrt.

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Dezentrales Biogas, zentrale Verflüssigung CO2

dezentral

Rohbiogas

Biomethananlangen in Nähe zur Erzeugerfläche

Gasreinigung

Biomethan

Gasnetz

Wärme

Biogasanlage Wärme

Substrate

Verflüssigungsanalge in der Nähe zum Nutzer

H-Gas

Verflüssigung Energie

• Economy of Scale für Verflüssigung • Geringe LNG-Logistik • Geringe Substrat-Logistik • Geringe prozesstechnische Nachteile

LNG

zentral 12

Inhalt

• Herstellung von LowEmission-LNG • Techno-ökonomische Bewertung • Umwelteigenschaften • Nutzung von Bio-LNG, LowEmission-LNG • Potenzial für die Region

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CO2-Bilanz für Bio-LNG t CO2 / t LNG

Bereitstellung

Verbrennung

Gesamt

Fossiles LNG

1,152

2,743

3,895

Bio-LNG at plant Low Emission LNG

1,685

0

1,685

(10% Bio-LNG)

1,205

2,469

3,674

• Prozesskette fossiles LNG

• Prozesskette Bio-LNG

• Erdgas aus Qatar

• Biomethan aus Silomais

• Verflüssigung vor Ort

• Eigenstromversorgung BGA

• Transport nach Rotterdam

• Reinigung über Aminwäsche mit

• Bebunkerungsvorgänge • Allokation nach Energieströmen

Wärmerückgewinnung • Gaseinspeisung • Verflüssigung zentral, 10 t JatoAnlage • Massenallokation auf „Heavies“ 14

Angewandte Forschung in der Energie- & Umwelttechnik

http://eutec.hs-emden-leer.de

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Inhalt

• Herstellung von LowEmission-LNG • Techno-ökonomische Bewertung • Umwelteigenschaften • Nutzung von Bio-LNG, LowEmission-LNG • Potenzial für die Region

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Vorgehen: Nutzung von Bio-LNG / LowEmmission-LNG

Herkömmliche Schiffsantriebe

LNG – Schiffsantriebe

Natural Gas

Landgestützte Antriebe

fossiles Gas

Stationäre Biogasanlagen

flüssige „Biokraftstoffe“

Landgestützte Gasmotoren

Gasmotoren für Schiffsanwendungen

Differenzen ?

Liquid Natural Gas Zusammensetzung

Differenzen ?

Bio Gas Motoren Liquid Bio Gas Zusammensetzung

Einfluss auf den Betrieb von Gas- Schiffsmotoren ? Bio Liquid Gas für Schiffsantriebe

Bio Gas

Nutzung von Bio-LNG / LowEmmission-LNG Mögliche Auswirkungen bei abweichender Gasqualität auf heutige GasSchiffsmotoren: - Auswirkungen auf die Thermodynamik des Motors • Otto Prozess: Verdichtungstemperatur und Verdichtungsenddruck - Auswirkungen auf die Verbrennung im Motor • Zündtemperatur / Klopffestigkeit des Kraftstoffes • Zündfähigkeit und Brennverlauf (Druckaufbau, -geschwindigkeit) • Vollständigkeit der Verbrennung/ Verbrennungsprodukte/ Abgas - Auswirkungen auf den Kraftstoffbedarf/ das Leistungsvermögen des Motors • Energieinhalt/ Heizwert des Kraftstoffes - Auswirkungen auf den Verschleiß/ die Lebensdauer des Motors • Z.B. Einfluss auf die Motorschmierung/ -schmierstoffe 18

Nutzung von Bio-LNG / LowEmmission-LNG Zusammensetzung von BioLNG versus fossilem LNG Typische Zusammensetzung von ungereinigtem, „rohem“ Biogas 1 ca. 40 - 75% Methan (CH4) ca. 25 - 55% Kohlendioxid (CO2) ca. 0 - 1% Ammoniak (NH3) ca. 0 - 10% Wasserdampf (H2O) ca. 0 - 5% Stickstoff (N2) ca. 0 - 2% Sauerstoff (O2) ca. 0 - 1% Wasserstoff (H2) + Schwefelwasserstoffe (H2S) ⇒ Niedriger Heizwert ⇒ Stark korrosiv 1

www.dbi-gti.de

2

Zusammensetzung von fossilem LNG (Beispiel: Herkunftsland Ägypten) 2 98,6 % 1,18 % 0,2 % 0,01 % 0,01 %

Methan (CH4) Ethan (C2H6) Butan (C3H8) Propan (C4H10) Stickstoff (N2)

⇒ Heizwert: 36,27 MJ/Nm³ = 50 MJ/kg

In dieser Form nicht kompatibel !

www.tgl-gas.com 19

Nutzung von Bio-LNG / LowEmmission-LNG Zusammensetzung von BioLNG versus fossilem LNG Bei der Reinigung und Verflüssigung von Biogas zu BioLNG werden unerwünschte Begleitelemente weitestgehend entfernt… „rohes“ Biogas

Reinigung/ Verflüssigung

BioLNG > 98 % Methan (CH4)

1

Rest: Sauerstoff, Wasserstoff + Stickstoff ⇒ Heizwert: ca. 36 MJ/Nm³ = 50 MJ/kg

CO2, H2S, H2O, O2, N2 …

Bio-LNG weitestgehend identisch mit fossilem LNG! LowEmmission-LNG ist identisch mit fossilem LNG! Der Einsatz von Bio-LNG bzw. LowEmmission-LNG wird keinen negativen Einfluss auf LNG- Schiffsantriebe haben. 1

Laut Firmenangaben von AirLiquid (www.airliquideadvancedtechnologies.com) 20

Inhalt

• Herstellung von LowEmission-LNG • Techno-ökonomische Bewertung • Umwelteigenschaften • Nutzung von Bio-LNG, LowEmission-LNG • Potenzial für die Region

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Potenzial für die Region Niedersachsen hat eine starke Landwirtschaft

Nachwachsende Rohstoffe und eine bedeutende Maritime Wirtschaft

Bio- LNG

Welchen Anteil könnte Bio-LNG an der Schifffahrt unserer Region bekommen?

Potenzial für die Region Nachwachsende Rohstoffe in Niedersachsen 1 2 • Insgesamt werden in Niedersachsen 2,641.989 ha Fläche landwirtschaftlich genutzt. • Auf 311.000 ha werden Energiepflanzen angebaut. (= 11,8 %) Dabei entstehen ca. 16,7 mio. t Festmasse pro Jahr. (Energiemais = 215.000 ha)

Maisanbau und Ernte in Ostfriesland 2014

Foto: Eigen

1

Die niedersächsische Landwirtschaft in Zahlen 2011 (Stand: November 2013), Niedersächsisches Ministerium für Ernährung, Landwirtschaft und Verbraucherschutz

2

Biogas in Niedersachsen Inventur 2012 23

Potenzial für die Region Biogasertrag unterschiedlicher landwirtschaftlicher Quellen 1 2 1 Milchkuh (17 m³ Gülle/a):

289 Nm³ Methan/a

1 ha Silomais (40 - 60 t Festmasse):

3956 – 5934 Nm³ Methan/a

1 ha Zuckerrüben (55 – 75 t FM):

3523 – 4803 Nm³ Methan/a

1 ha Sudangras (35 – 55 t FM):

2392 – 3759 Nm³ Methan/a

Foto: Eigen

1 ha Grünland (23 – 43 t Festmasse): 2001 – 3808 Nm³ Methan/a

Bei einem durchschnittlichen Ertrag von 50t FM Silomais ergibt sich ein Methanertrag von 4945 Nm³ Methan/a pro Hektar

http://biogas.fnr.de/daten-und-fakten/faustzahlen 2 Vergleichstabelle Deutscher Wasserstoffverband www. dwv-info.de 1

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Potenzial für die Region Der Leistungs- und damit Kraftstoffbedarf von Schiffen ergibt sich aus - der Schiffsgröße Kraftstoff

- der Form des Rumpfes - der Zuladung (Tiefgang)

Antrieb

Widerstand v

- dem Wirkungsgrad der Antriebsanlage - den äußeren Bedingungen (Wassertiefe, Strömung, Wetter…) - und wesentlich aus der Geschwindigkeit (in 3. Potenz!) Im Folgenden soll der Energiebedarf von drei Beispielschiffen am Energieertrag aus Silomais gespiegelt werden. 1 1

Es werden die Nettoenergieerträge aus Silomais verwendet, d.h. der Energiebedarf zum Anbau, Ernte und Verarbeitung des Mais, sowie zur Verflüssigung wird nicht einbezogen. 25

Potentialanalyse für die Region Beispielschiff 1: Borkumfähre der AG Ems 3 RoRo Fährschiffe 1 Länge: ca. 80 m, Breite 12 m, Tiefgang: 2,5 m Ø Geschwindigkeit durchs Wasser: 13 kn Leistungsbedarf bei 13 kn: ca. 1500 kW Kraftstoffbedarf bei LNG-Betrieb: 170 g Gas/KWh ²

Münsterland (Foto: Eigen)

(+ 1% MGO bei DF Antrieb)

Einfache Strecke Emden – Borkum: 26,4 sm 2x täglich Emden - Borkum bzw. Eemshaven - Borkum

1

2

Die Werte geziehen sich stark gerundet auf die MS Ostfriesland vor dem Umbau sowie ihre Schwesterschiffe Bezogen auf die Ostfriesland vor dem Umbau und Werksangaben Wärtsilä für 20 DF Motoren

Emsmündung Emden - Borkum

Potentialanalyse für die Region Beispielschiff 1: Borkumfähre der AG Ems 1 Gasbedarf pro Betriebsstunde: ca. 255 kg Gas/h Betriebsstunden pro Tag (2 Fahrten): Betriebsstunden pro Jahr:

ca. 9 Std. ca. 2500h

Münsterland (Foto: Eigen)

Pro Fahrt (Emden – Borkum, ca. 2h 15 min.) werden ca. 575 kg Gas benötigt. Das entspricht ca. 800 Nm³

2

≈ 0,16 ha Maisanbaufläche

Pro Jahr benötigt ein Schiff ca. 637.500 kg Gas. Das entspricht ca. 885.000 Nm³ ≈ 180 ha Maisanbaufläche Das sind ca. 1,3% der 2011 in Niedersachsen eingespeisten Biogasmenge 1 2

Schätzwerte, keine offiziellen Reedereiangaben! Dichte von BioLNG: ρ= 0,72 kg/m³)

Potentialanalyse für die Region Beispielschiff 2: Projekt eines Multi Purpose Dry Cargo Ships Länge: 106 m, Breite 16 m, Tiefgang: 6 m LNG- Antrieb mit einem Wärtsilä 9L20 DF Motor (1584 kW SMCR) Leistungsbedarf bei 12,5 kn = ca. 1450 kW

mit 8.710 kJ /kWh 1

Leistungsbedarf bei 10,0 kn = ca. 810 kW

mit 10.320 kJ /kWh

Fahrtgebiet: Hauptsächlich Nord- und Ostsee (somit ECA- Zone!) sowie Atlantikküste und Mittelmeer

1

Bezogen auf DF Betrieb /Werksangaben von Wärtsilä für 9L20 DF Motoren

Potentialanalyse für die Region Beispielschiff 2: Projekt eines Multi Purpose Dry Cargo Ships

Bei einer durchschnittlichen Geschwindigkeit von 10 kn benötigt das Schiff: Pro Betriebsstunde ca. 170 kg Gas/h ² Das entspricht ca. 235 Nm³ ≈ 0,05 ha Maisanbaufläche Pro Seetag ca. 4080 kg Gas/d ² Das entspricht ca. 5575 Nm³ ≈ 1,13 ha Maisanbaufläche Bei einer Reise von Danzig (Polen) nach Sevilla (Spanien) = 2149 sm Fahrtdauer bei 10 kn Durchschnittsgeschw.: 215 h = ca. 9 Tage Das entspricht ca. 50.525 Nm³ ≈ 10,15 ha Maisanbaufläche (= 83 m³ LNG) 2

Gerundet, bei einem Energieinhalt des Gases von: 50 MJ/kg (+ 1% MGO Anteil), ohne E- Bedarf

Potentialanalyse für die Region Beispielschiff 3 Containerschiff CS 3400 (gebaut bei den Nordseewerken 2008)

Länge: 228,5 m, Breite 32 m, Tiefgang: 10,5 m Antrieb: MAN/B&W, 8 K 80, Festpropelleranlage 2T Kreuzkopfmotor, Leistung (MCR): 28.880 kW Leistungsbedarf bei 23,75 kn: Leistungsbedarf bei 19 kn:

ca. 26.000 kW ca. 14.000 kW

Containerschiff für weltweite Fahrt

CSAV Rungue (Foto: Eigen)

(angenommener Gasbedarf: 160 g/KWh) (angenommener Gasbedarf: 165 g/KWh)

Potentialanalyse für die Region Beispielschiff 3 Containerschiff CS 3400

Bei einer durchschnittlichen Geschwindigkeit von 19 kn benötigt das Schiff: Pro Betriebsstunde ca. 2.300 kg Gas/h ² Das entspricht ca. 3200 Nm³ ≈ 0,65 ha Maisanbaufläche Pro Seetag ca. 55.200 kg Gas/d ² Das entspricht ca. 76.700 Nm³ ≈ 15,5 ha Maisanbaufläche Bei einer Reise von New York (USA) nach Hamburg ca. 3350 sm Fahrtdauer bei 19 kn Durchschnittsgeschw.: 176 h = ca. 7,5 Tage Das entspricht ca. 563.500 Nm³ ≈ 114 ha Maisanbaufläche (= 900 m³ LNG) 2

Gerundet, bei einem Energieinhalt des Gases von: 50 MJ/kg (+ 1% MGO Anteil), ohne E- Bedarf

Fazit: • In Niedersachsen werden erhebliche Mengen von Pflanzen zur Bioenergiegewinnung produziert. • Die Aufbereitung und Verflüssigung von Biogas ist aufwendig und teuer. Deshalb ist es sinnvoll, dezentral entstehendes Biogas in vorhandene Erdgasnetze einzuspeisen und als Gemisch zu verflüssigen = LowEmmission- LNG. • Verflüssigungsanlagen für Bio-LNG bzw. LowEmmission- LNG sind technisch verfügbar, jedoch in Niedersachsen noch nicht realisiert. • Bio-LNG bzw. LowEmmission- LNG ist als Treibstoff für LNG- Schiffantriebe grundsätzlich unproblematisch und ohne Einschränkungen geeignet. • Schiffe benötigen abhängig von ihrer Größe und ihrem Einsatzzweck erhebliche Energiemengen. Dieser Bedarf kann für einzelne Schiffe durch nachwachsende Kraftstoffe gedeckt werden. • Die dazu notwendigen Anbauflächen werden diese Möglichkeiten limitieren. 32

Fachbereich Seefahrt

[email protected]

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Die Gesamtergebnisse der Studie:

„Perspektiven und Potentiale von Low-Emission-LNG im Nordwesten“ werden Ende Oktober auf der Webseite der „LNG Initiative- Nordwest“ (www.lng-nordwest.de) veröffentlicht.

Danke für Ihre Aufmerksamkeit ! Diskussion … 34

Small-Scale / Linde

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Wärtsilä Bio-LNG

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Biogasanlage 1 MW / NaWaRo

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Zuschlagfaktoren in der chemischen Industrie

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Kalkulation der Gestehungskosten

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