INZET (EN VERKRIJGBAARHEID) VAN BIOMASSA ALS BRANDSTOF

Transcriptie

1 November 2001 ECN-RX INZET (EN VERKRIJGBAARHEID) VAN BIOMASSA ALS BRANDSTOF ECN bijdrage aan jaarcongres Markt voor Energie uit Afval en Biomassa (Euroforum), 31 oktober & 1 november 2001 R. van Ree A B Opgesteld door: R. van Ree Geverifieerd door: Revisies Goedgekeurd/vrijgegeven door: H.J. Veringa ECN Biomassa J. Beesteheerde

2 2 ECN-RX

3 Inzet (en verkrijgbaarheid) van Biomassa als Brandstof 1 René van Ree Energieonderzoek Centrum Nederland Prioriteitsgebied Biomassa Tel.: vanree@ecn.nl 8 e Jaarcongres Euroforum De Markt voor Energie uit Afval en Biomassa Agora Theater Lelystad 1 november 2001 Inhoud 2 DE-beleid -> rol biomassa Huidige situatie Korte termijn ontwikkelingen Middellange termijn ontwikkelingen Lange termijn ontwikkelingen Biomassa behoefte, beschikbaarheid, prijsstelling Conclusies ECN-RX

4 Dutch Renewable Energy Policy [PJ th avoided fossil fuel use] 3 Source status 1999 target 2000 target 2007 target 2020 Wind Sun (PV) Sun (thermal) Waste Biomass Heat pumps Water (incl.imp.) (18) 21 (18) Thermal storage Geothermal Total Rel. contrib. 1.2% 10% Source: PDE Dutch Policy target: 10% fossil fuel use subsituted by renewables in > Biomass/waste: 42% (EU: 6% RE realised in > 12% RE in 2010) Contribution Biomass and Waste [PJ th avoided fossil fuel use] 4 Technology status 1999 target 2000 target 2007 target 2020 Waste comb Biomass Domestic wood combustion Industrial combustion Power plant cofiring Decentral CHP Landfilling/digestion Others Total Total biomass and waste Contribution RES 65% 42% 42% Contribution TEC 1.8% 3.0% 4.2% Source: PDE Increase in energy intensity: 2020 biomass contribution 75 -> 125 PJ th Redefinition Renewable Energy : add biomass contribution: 55.5 PJ th 2020 Biomass Target [ECN]: 180 PJ th avoided fossil fuel use 4 ECN-RX

5 Substitutie-scenario s fossiele energiedragers door biomassa Nederlandse energievraag: 2974 PJ th in 1999 [EVN 2000] -> elektriciteiten brandstoffenproductie - aardgas (50%): huishoudens, industrie, elektr.prod. - aardolie (34%): raffinage -> transportbrandst./(petro)chemie - steenkool (12%): elektr.prod., industrie - overig (uranium, duurzaam) (4%) Op grond van potentiële bijdrage aan totaal binnenlands energiegebruik, subtitutiecapaciteit: aardgas > aardolie > steenkool Specifieke CO 2 -emissies: aardgas / aardolie / steenkool: 56 / 73 / 94 kg/gj th Op grond van specifieke CO 2 -emissie substitutievoorkeur: steenkool > aardolie > aardgas Om aan de doelstellingen voor biomassa op LT te kunnen voldoen (180 PJ th, v.f.b. in 2020) dient substitutie bij alle fossiele energiedragers te geschieden en zal biomassa in een variëteit van marktsegmenten een rol van betekenis gaan spelen 5 Roadmap introductie biomassa (en afval) in de Nederlandse energie-infrastructuur 6 Conversiesystemen Producten Tijd - mee-/bijstook kolencentrales e + w - decentrale conversie e + w Korte termijn (verbranding,vergisting) (< 5 jaar) - bijstook aardgasketels e + w (vergassing) m.n. organische reststromen - bijstook aardgas-steg s e + w (vergassing) Biomassa/ Middellange termijn - decentrale conversie e + w afval (5-10 jaar) (vergassing, pyrolyse) (HTU, superkrit.verg.) CH4, H2 - (hydro)vergassing/ SNG organische reststromen methanisering en energiegewassen (teelt/import) - prod. gasv. energiedragers SNG, CH4, H2 ((hydro)vergassing + cond.) Lange termijn ((foto)biochemische conv.) (> 10 jaar) - prod. vloeib. energiedragers FT-diesel, (transportbrandstoffen) bioethanol biodiesel - co-productie/polygeneratie gave + e + w - bioraffinage producten + materialen + gave + e + w ECN-RX

6 Huidige situatie (1) 1.1 Mee-/bijstook in E-centrales Klimaatbeleid: 50 Mt CO 2 -reductie in > 25 Mt binnenlandse maatregelen en 25 Mt maatregelen buiten Nederland (JI/CDM) Elektriciteitssector: 6 Mt CO 2 -reductie in > 3 Mt middels mee-/bijstook in kolengestookte E-centrales -> 15% steenkoolsubstitutie Power plant Owner Net capacity [MW e ] Gelderland-13 Electrabel 602 Amer-8 Essent 645 Amer-9 Essent 600 Borssele-12 Delta/Essent 403 Maasvlakte-1 E.ON 518 Maasvlakte-2 E.ON 518 Buggenum-7 Nuon 253 Hemweg-8 Reliant Energy 630 Total coal-fired power production capacity: 4170 MW e Electrabel (EPON), Essent (EPZ), E.On (EZH), Reliant (UNA) In operation since Huidige situatie (1) 1.2 Mee-/bijstook in E-centrales (vervolg) 8 Huidige activiteiten: alle centrales stoken variëteit aan biobrandstoffen mee (< 5%), plannen vergroten meestook tot technisch maximum Vooralsnog één bijstookinitiatief: Amer-9 Essent. Meerdere initiatieven verwacht; ook bij aardgas-gestookte STEG s Concept Net electrical efficiency substitute fuel [%LHV] Specific additional investment costs [Euro/kW e] Co-combustion percentage (energetic base) direct co-combustion separate size red., drying, feeding, comb upstream gasification (Lurgi-technology) 3.2 upstream gasification (FW- technology) upstream slow pyrolysis (Gibros-Pec) 4.2 upstream fast pyrolysis (Pyrovac) 32, , upstream HTU (Biofuel) upstream separate combustion with steamside integration Base base: coal-fired plant: 600 MWe, 40 %LHV, 6000 h/a 6 ECN-RX

7 Huidige situatie (1) 1.3 Mee-/bijstook in E-centrales (vervolg) Amer-9 (Essent): 150 kt/jr sloophout (5%) 9 Huidige situatie (2) Decentrale conversie Droge biomassastromen -> verbrandingssystemen -> proceswarmte, stoom, WK vb.- Lelystad: 8,5 MW th -> 1,3 MW e + 6,5 MW th, snoei-/dunn.hout - Cuijck: 82 MW th -> 27 MW e, snoei-/ind.resthout (toekomst -> 22 MW e + 40 MW th ) - vele kleine industriële plants org.reststr. -> proceswarmte 10 Natte organische reststromen -> vergistings-/composteringsprocessen: - Vergisting: anaeroob biochemisch ->biogas / org. residu (GFT -> CH 4 /CO 2 : 55/45% -> w, wk, SNG) Compostering: aeroob biochemisch -> compost ECN-RX

8 Korte termijn ontwikkelingen 11 Maximaliseren meestook kolencentrales (rel. eenv. brandst.) Intensiveren bijstook kolencentrales (vergroten brandstofpot.) upstream vergassing/pyrolyse / verbr.met stoomz. integr. Realisatie meerdere kleinschalige decentrale units voor de conversie (verbranding/vergisting) van organische reststromen voor de productie van w/wk in specifieke bedrijfsinfrastructuren (geen logistieke/aanbod problemen, warmte-afzet gegar.) Introductie atm. luchtgeblazen biomassavergassing in de markt middels bijstook in aardgasketels (voorbehandeling - conversie - reiniging - bijstook) Middellange termijn ontwikkelingen 12 Bijstook biomassa in aardgas-gestookte STEG-eenheden (via atm.verg. -> drukverg./ht-gasr. -> hoog rendement) Decentrale biomassaconversie voor WK-productie op basis van vergassing/pyrolyse (pot. hoger rendement, lagere kosten t.o.v. verbranding op kleine schaal) Vergassing/methanisering of hydrovergassing voor productie groen gas -> bestaande gasinfrastructuur HTU: natte stromen ( bar, C) in vloeibaar water -> biocrude -> bijstook Superkritische vergassing (> 221 bar, 374 C): moeilijke stromen (slib) -> gas zonder teer/ char (60% H 2, 32,5% CO 2, 5% CH 4, ) 8 ECN-RX

9 ECN BIOWKK (1) 13 Biomassa Electriciteit & Warmte Vergassing Gasreiniging WKK Capaciteit: 2,2 MW th, 5000 bedrijfsuren per jaar Input: 2000 ton B-hout per jaar Elektriciteit: 500 kw e -> kwh / jaar Warmte: 1000 kw th -> aardgasbesparing m 3 / jaar Lange termijn ontwikkelingen (1) 14 Productie van gasvormige energiedragers uit biomassa Groen gas (SNG): - hydrovergassing - vergassing/methanisering Geconditioneerd syngas: - geavanceerde vergassing - indirecte vergassing - O 2 -vergassing Waterstof: - vergassing/h 2 -afscheiding (centraal) - fotobiologische conversie (decentraal) Productie van vloeibare energiedragersuit biomassa FT-diesel: - vergassing/ft-synthese Biomethanol: - vergassing/methanolsynthese Bioethanol: - fermentatie/wkk Biodiesel/DME: - extractie/verestering ECN-RX

10 Centrale rol vergassingstechnologie in toekomstige energie-infrastructuur 15 FUELS INTERMEDIATE PRODUCTS / SECONDARY ENERGY CARRIERS FINAL PRODUCTS synthesis gas (CO & H2) gasification (photo)biological processes synthesis reforming hydrogen (H2) engine / turbine methanol engine biomass: organic waste & energy crops hydrogasification or digestion fermentation HydroThermal Upgrading or flash pyrolysis extraction FT-liquids* Substitute Natural Gas ethanol oil bio-diesel engine engine / turbine engine engine engine work & movement fuel cell generator engine combustion + steam cycle or Stirling electricity * the Fischer-Tropsch reaction produces straight-chain hydrocarbons Lange termijn ontwikkeling (2) Co-productie / polygeneratie variëteit aan secundaire energiedragers, kracht en warmte uit biomassa -> hoog overall energetisch rendement vb. FT-diesel, w en kracht, bioethanol, w en kracht 16 Bioraffinage processen: optimale inzet van het schaarse goed biomassa -> m.n. voor energieteelten in Nederland -> optimale productie van een variëteit aan gasvormige- en vloeibare energiedragers, w + k, producten en materialen uit biomassa vb. Fijnchemicaliën, w + k uit microalgen 10 ECN-RX

11 Biomassa en Fischer-Tropsch overall proces: tri-generatie Biomassa Electriciteit & Warmte groene Diesel Vergassing Gasreiniging Fischer-Tropsch Synthese STEG 17 - Fischer-Tropsch Bio-ethanol, elektriciteit en warmte uit biomassa(rest)stromen hydrolyse polymere suikers 4. fermentatie 8. E + W productie 2. ontsluiting 6. dehydratie alcohol 1. grondstof 7. brandstofformulering en -distributie 5. destillatie ECN-RX

12 E.E.T. EET Project project 19 Kweeksysteem/oogst Processing KLB-TUDelft ATO Energieconversie Techno Invent BV ECN Biomassa Essent Duurzaam BV Productapplicatie Numico Research BV CSK food enrichment BV Koninklijke Sanders BV Universiteit van Amsterdam Wageningen Universiteit ECN Biomassa IVAM Environmental Research BV Biomassa behoefte vs beschikbaarheid 20 Minimale biomassa-behoefte 2020: (groei en.intens.) + 22,5 PJ (afvaldeel) + 33 PJ (ind. wp-deel) = 180 PJ th vermeden fossiele brandstoffen (inclusief afval: 203 PJ th ). Werkelijke biomassa-behoefte is groter daar deze brandstof minder efficiënt wordt geconverteerd ter vervulling van de energiefuncties dan de fossiele alternatieven (vb. steenkool -> elektriciteit: 41 %LHV, biomassa -> elektriciteit: %LHV). Beschikbaarheid organische reststromen: PJ th in 2000 [Marsroutes-studie]: PJ th in 2020 (incl. import EU en 6 PJ th binnenlandse teelt ( ha)) Additionele behoefte 2020: minimaal 60 PJ th, v.f.b. bij 18 MJ/kg d.s. en 12,5 ton d.s/ha.jr nodig ruim ha teeltoppervlak - zeer klein deel additionele teelt binnenland = duur -> combinatieteelt (tarwe, suikerbieten), multifunctioneel grondgebruik,... - overgrote deel via import uit buitenland: PJ th kan beschikbaar komen voor Nederland [GRAIN]. Optimale importketens onbekend. Biomass Trading wordt key activity 12 ECN-RX

13 Conclusies 21 Biomassa zal een zeer belangrijke rol gaan spelen binnen de toekomstige Nederlandse energie-infrastructuur doelstelling [ECN]: 180 PJ th fossiele brandstof substitutie middels biomassa (ruim 50% DE-doelstelling). Biomassa wordt gebruikt voor productie scala aan secundaire energiedragers voor vervulling variëteit aan energiefuncties in diverse marktsegmenten. RD&D-inspanningen groot -> grootschalige implementatie zal niet lang op zich laten wachten. Binnenlandse beschikbaarheid (reststromen, teelt) ontoereikend voor toekomstige vraag -> import biomassa of bioproducten onontkoombaar -> zal mondiale markt ontstaat waar Nederland vroeg bij dient te zijn. ECN-RX