© Kiwa N.V. Nieuwegein, 4/4/17 12 October 2006; KIVI NIRIA Smart Energy Mix Congres Aardgas, de schakel naar een duurzame energiehuishouding Prof.dr.ir. Mannes Wolters Kiwa Gastec Technology / Universiteit Twente

Agenda Huidige rol aardgas in energievoorziening Op weg naar een duurzame gasvoorziening Rol van gasinfrastructuur in een duurzame energievoorziening © Kiwa 2005

Huidige rol aardgas in energievoorziening © Kiwa 2005

Wereld primair energieverbruik (IEA) © Kiwa 2005

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

Aardgasvelden in Noord Nederland NAM M09a M09b Chevron AKKRUM DE MARNE DONKERBROEK Elf GORREDIJK GRONINGEN Bula HAULERWIJK LEEUWARDEN NOORD-FRIESLAND OOSTEREND OOSTERWOLDE TransCan SCHIERMONNIKOOG-NOORD TIETJERKSTERADEEL Emshorn Grijpskerk Norg Groningen Nieuw Roden Nes Moddergat Oostrum Engwierum Vierhuizen Munnekezijl Saaksum Usquert Warffum Winsum Bedum Tietjerksteradeel Suawoude Marum Ureterp Kollumerland Grootegast Surhuisterveen Opende-Oost Marumerlage Zevenhuizen Sebaldeburen Boerakker Pasop Norg-Zuid Appelscha Assen Eleveld Vries Annerveen Oude Pekela Blijham Blija Ferwerderadeel Anjum Metslawier Ezumazijl Suawoude-S Groothusen Wieringa Noorderdiep Beerta Rodewolt Harkstede-NW Harkstede Feerwerd Faan Niekerk Vierhuizen-Zuid Lauwersoog-C Lauwersoog-Oost Kollum Kollum-Noord Ternaard Blija-Zuid Oost Oppenhuizen Leeuwarden Akkrum Allardsoog Witten Midlaren Lula Gieterveen Stadskanaal Gasselternijveen Vlagtwedde Lauwersoog-West Blija-Zuid M09A-Foxtrot Schiermonnikoog Wad Houwerzijl Molenpolder Langebrug Donkerbroek Franeker Ried Grouw Rauwerd Wartena Nijega Hollum-Ameland Nes-Noord Ameland-Westgat Ameland-Oost Ameland N7-FA Ameland-Noord UGS Grijpskerk UGS Norg © Kiwa 2005

Groningen gasveld ( 3-D weergave) 35 km 25 km 300 m © Kiwa 2005

Schets van de Nederlandse gasindustrie (2) 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) © Kiwa 2005

Nederlands gastransportsysteem GRK NOR Germany Belgium Groningen Gasfield Amsterdam Groningen Cal Gas High Cal Gas LEGEND: © Kiwa 2005

Schets van de Nederlandse gasindustrie (3) Opslagcapaciteit Ondergrondse opslag (Langelo, Grijpskerk, Alkmaar) : 8 x 109 m3 LNG (Maasvlakte) : 80 x 106 m3 © Kiwa 2005

Gasopslag Norg Injection capacity: 24 million m3/day - Production capacity: 51 million m3 /day © Kiwa 2005

Europese Gasimporten IEA: World Energy Outlook 2002/OECD © Kiwa 2005

Aardgasexport vanuit Midden Oosten en Afrika © Kiwa 2005

Bewezen Aardgasreserves © Kiwa 2005

LNG Transport © Kiwa 2005

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

Aardgas als energiedrager © Kiwa N.V. Nieuwegein, 4/4/17 Relatief milieu-vriendelijk Voor vele toepassingen inzetbaar Relatief goedkoop Veilig en betrouwbaar © Kiwa 2005

Op weg naar een duurzame gasvoorziening Energiebesparing en emissiereductie Biogas © Kiwa 2005

Op weg naar een duurzame gasvoorziening Energiebesparing en emissiereductie # HR CV-ketels # Micro-wkk © Kiwa 2005

HR ketel Extra warmtebenutting door condensatie verbrandingsgassen 1975 economizer 1979 Gasunie ketel © Kiwa 2005

© Kiwa 2005

© Kiwa 2005

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

© Kiwa 2005

Micro-warmtekracht Wat 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

© Kiwa 2005

Stroomopwekking in een micro-wkk Generator : # Gasmotor (interne verbranding) # Stirling motor (externe verbranding) # Rankine cycle Electrochemische omzetting : # Brandstofcel © Kiwa 2005

Warmteopwekking in een micro-wkk Warmte uit de stroomopwekking is primair Hulpketel voor bijverwarming Maximaal aantal draaiuren met warmteopslag © Kiwa 2005

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

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

© Kiwa 2005

Micro-wkk technieken Gasmotor (interne verbranding) © Kiwa 2005

Honda gasmotor microwarmtekrachtcentrale Elektrisch vermogen: 1 kW Elektrisch rendement: 25 % Warmtelevering: 3 kW Nu alleen in Japan op de markt © Kiwa 2005

Micro-wkk technieken Stirling motor (externe verbranding) © Kiwa 2005

Microgen stirling microwarmtekracht centrale Elektrisch vermogen 1000 Watt AC (230 V) Gewicht 90 kg Elektrisch rendement (schatting) 15% Totaalrendement (schatting) 105% © Kiwa 2005

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

Op weg naar een duurzame gasvoorziening Biogas © Kiwa 2005

Wat is biogas ? Gas van biomassa Geproduceerd door vergisting (of vergassing) © Kiwa 2005

Voordelen van inzet biogas Reductie van CO2 emissies Vergroting leveringszekerheid (diversificatie energiemix) Hernieuwbare energiebron Bij stijgende aardgasprijzen attractief Hoge sociale acceptatie © Kiwa 2005

Hoe kan biogas in de energievoorziening worden ingezet ? © Kiwa N.V. Nieuwegein, 4/4/17 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

Waarom biogas injecteren in aardgasnetten ? Gebruikmaken van bestaande infrastructuur ( transport/distributie en toepassingen ) Hoge efficiency in totale energieketen Relatief lage investeringskosten © Kiwa 2005

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

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

Vergelijking samenstelling aardgas en biogas (vergisting) Aardgas (L-gas) Methaan (vol.%) 55 - 70 91 CO2 30 - 45 <1 H2S (mg/m3) 100 - 10000 <5 Ammonia 0 - 100 <3 © Kiwa 2005

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

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

Membraan-installatie voor opwerking biogas © Kiwa 2005

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

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

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

Injectie in het gasdistributienet Decentraal, maar onderdeel van groot systeem Back-up beschikbaar (aardgas) Grote, bestaande afzetmarkt beschikbaar © Kiwa 2005

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

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

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

BIOGAS + AARDGASINFRASTRUCTUUR = WEG NAAR DUURZAME ENERGIEVOORZIENING Uitdaging BIOGAS + AARDGASINFRASTRUCTUUR = WEG NAAR DUURZAME ENERGIEVOORZIENING © Kiwa 2005

Rol van gasinfrastructuur in een duurzame energievoorziening Grootschalige inzet van biogas (vergassing biomassa) Waterstofvoorziening # infrastructuur # brandstofcellen # waterstofauto’s © Kiwa 2005

SNG van biomassa © Kiwa 2005

Implementatie Groen Aardgas © Kiwa 2005

Waterstofvoorziening © Kiwa 2005

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

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

Uit Biomassa Syngas productie ® H2, CO and CH4 Water-gas shift reactie : CO + H2O ® CO2 + H2 Gas behandeling (CO2 verwijdering ) © Kiwa 2005

Mogelijkheden voor H2 inzet in de gasvoorziening Als toevoeging aan aardgas ( tot een bepaald maximum percentage) Complete vervanging van aardgas door waterstof © Kiwa 2005

Mogelijke effecten van waterstof op de infrastructuur Distributie materialen Capaciteit van het net Lekkage/permeatie Gas volume meting © Kiwa 2005

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

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

Veiligheidsaspecten van waterstof en aardgas Ontstekingsgebied H2 4-75 vol% aardgas 5-18 vol% Ontstekingsenergie H2 ³ 0.02 mJ aardgas ³ 0.20 mJ Diffusie coefficient H2 » 4x Diffusie coefficient CH4 © Kiwa 2005

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

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

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

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

Brandstofcellen # PEM # SOFC © Kiwa 2005

Werkingprincipe PEM brandstofcell © Kiwa N.V. Nieuwegein, 4/4/17 Elektrochemisch omzetting van waterstof in elektriciteit en warmte © Kiwa 2005

Brandstofcel voorbeelden © Kiwa N.V. Nieuwegein, 4/4/17 Vaillant (Duitsland) © Kiwa 2005

SOFC brandstofcel Hexis © Kiwa 2005

Rijden op waterstof © Kiwa 2005

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

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

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

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

Aardgas, de schakel naar een duurzame energiehuishouding ! © Kiwa 2005