CNG via vergassing van natte biomassa in superkritiek water

Projectnummer

1162

Titel

Produktie van SNG/CNG via vergassing van natte biomassa in superkritiek water

Datum

April 2004

Voor

Novem - NEO

Produktie van SNG/CNG via vergassing van natte biomassa in superkritiek water

Colophon Auteurs: L. van de Beld

BTG Biomass technology Group bv

R. van Hutten

Cogas Energie

R. Kokke

DutCH4 bv

Coordinatie: BTG Biomass Technology Group bv Postbus 217 7500 AE Enschede telefoon: +31 53 486 2286 fax: +31 53 432 5399 E-mail: [email protected] Voor dit project is subsidie verleend door het Novem programma Nieuw Energie Onderzoek (NEO). Novem - NEO project nr: 0268-03-04-02-010

Ref. Nr. 4800002236

i

BTG Biomass Technology Group bv Postbus 217 7500 AE Enschede telefoon: +31 53 486 2288 Fax: +31 53 432 5399 E-mail: [email protected] Web: www.btgworld.com

COGAS energie Postbus 71 7600 AB Almelo telefoon: +31 546 836703 Fax: +31 546 811267 E-mail: [email protected] Web: www.cogas.nl

DutCH4 Postbus 146 2150 AC Nieuw Vennep Telefoon: +31 252 684 411 Fax: +31 252 684 140 E-mail: [email protected] Web: www.dutchfour.com

1

Samenvatting In de Nederlandse energievoorziening speelt aardgas een belangrijke rol. In 2002 kwam ongeveer de helft van totale energie verbruik (3200 PJ) voor rekening van aardgas. Nederland kent een uitgebreid gasdistributienet, en op vrijwel elke locatie heeft men de beschikking over aardgas. De Nederlandse overheid streeft nadrukkelijk naar een verdere verduurzaaming van de energievoorziening d.m.v. het • reduceren van broeikasgassen (met name CO2) en andere emissies • verminderen van de afhankelijkheid en het gebruik van fossiele brandstoffen. Vanwege de significante bijdrage van aardgas aan de totale energievoorziening in Nederland ligt het voor de hand te onderzoeken op welke wijze het aardgas verduurzaamd kan worden. Doel van dit project is het potentieel te onderzoeken van het superkritiek water vergassingsproces (SCW) voor de produktie van groen aardgas. Enerzijds wordt hierbij gekeken naar de technische mogelijkheden van het SCW proces, en anderzijds, naar de markt en economische randvoorwaarden voor de toepassing van duurzaam aardgas. In Nederland wordt duurzaam aardgas commercieel alleen geproduceerd uit biogas/stortgas, maar de omvang is (nog) bescheiden. Biogas-stortgas produktie is een biologisch proces, en slechts een deel van de biomassa/afval kan worden benut. Thermochemische processen kunnen de voeding wel volledig benutten, maar worden vooralsnog niet toegepast voor de produktie van duurzaam aardgas. Het SCW proces is een thermo-chemisch proces, waarmee natte voedingen kunnen worden omgezet naar methaan en waterstof.

Het SCW-proces

Het SCW-proces wordt bedreven bij hoge druk (~300 bar), hetgeen gunstig is voor de vorming van methaan. Het geproduceerde gas bevat voornamelijk H2, CH4 en CO2. De belangrijkste produkten van het proces zijn H2 en CH4 en, in zekere mate, kan de verhouding waarin deze produkten zich vormen, gestuurd worden met de procescondities.Voor de produktie van een gas compatibel met aardgas zal verdere opwerking noodzakelijk zijn. Een tweetal opties zijn hiervoor beschreven: 1) gebruik van een katalysator in het proces zelf, en 2) nageschakelde methaniseringsreactor. Op basis van de huidige kennis van het proces is een keuze echter niet te maken. Het geproduceerde CO2 komt vrij in geconcentreerde vorm. Vergassing van natte biomassa in superkritiek water vertoont de juiste karakteristieken voor de produktie van aardgas. Dit blijkt uit zowel thermodynamische berekeningen als ook uit experimenteel werk. De kosten van dit ‘groene aardgas” zullen hoger liggen dan voor fossiel aardgas, maar dit geldt in het

2

algemeen voor duurzaam aardgasroutes, behoudens mogelijk de opwerking van stortgas. De SCW technologie bevindt zich in een ontwikkelingssstadium. Het zal nog zeker een aantal jaren ontwikkeling nodig hebben, alvorens tot demonstratie kan worden overgegaan. De ontwikkeling van het SCW proces kan parallel lopen met een mogelijke transitie van aardgas naar waterstof. Markt voor duurzaam aardgas Aardgas kent vele eindgebruikers, die allemaal zijn aangesloten op het aardgasdistributienet. Het hoofdtransportnet in Nederland valt onder de verantwoordelijkheid van de Gasunie. Vanuit dit net worden regionale netbedrijven voorzien van aardgas. In meerjarige contracten is de te leveren gaskwaliteit vastgelegd. Bijmenging in het hoofdtransportnet impliceert dat er overeenstemming moet bestaan tussen Gasunie en alle regionale netbedrijven. Bijmenging op regionaal niveau zou eenvoudiger kunnen zijn, omdat dan elk distributiebedrijf haar eigen keuzes kan maken. Echter, de leveringszekerheid en de gaskwaliteit naar de eindgebruiker moet wel gegarandeerd kunnen worden. Een complicatie is dat het regionale gasbedrijf dan ook de volledige monitoring en gaskwaliteitscontrole zelf moet verzorgen, hetgeen de nodige kosten met zich meebrengt. Bijmenging van duurzaam aardgas in het bestaande aardgasnet biedt de mogelijkheid consumentenmarkt te bereiken, en een aanzeinlijke bijdrage te leveren aan de verduurzaming van de energievoorziening. Juist bij de consumentenmarkt heeft de overheid mogelijkheden middels fiscale incentives de introductie te stimuleren. Aardgas kost ca 3.6 €/GJ, en voor de kleinverbruiker komt daar nog 3.6 €/GJ aan ecotax bij. Benutting van (een deel van) de ecotax ter stimulering van groen aardgas zou het juist interessant kunnen maken. Een systeem vergelijkbaar met groene electrciteit is denkbaar. Voor de grootschalige introductie van duurzaam aardgas is overheidssteun overigens onontbeerlijk. Aardgas voor transport Wereldwijd bestaan er al zo’n 3 miljoen aardgasvoertuigen. In Nederland –een aardgasland- heeft grootschalige introductie (nog) niet plaatsgevonden. Aardgasverbruik in voertuigen heeft duidelijke milieuvoordelen; vergeleken met benzine en diesel wordt een aanzienlijke vermindering in de uistoot van bijvoorbeeld CO, NOx en roet bereikt. Diverse automerken leveren al aardgasauto’s af fabriek. De tolerantie voor de aanwezigheid van andere componenten in het aardgas kan voor automobielgebruik mogelijk hoger zijn dan voor bijmenging, omdat er specifiek naar één toepassing wordt gekeken, en de kwaliteitseisen niet bepaald worden door een scala aan toepassingen. Voor de moderne auto'’ is de aanwezigheid van waterstof geen probleem.

3

Introductie van aardgas als tractiebrandstof is in volle ontwikkeling in Nederland. De “driving force’ voor de substitutie van aardgas door groen aardgas is CO2 reductie, waar echter geen financiele incentives tegenover staan. De kostprijs voor aardgas aan de pomp is weliswaar ca 12 €/GJ, maar hiervan is slechts 4.5 €/GJ toe te rekenen aan de inkoop van aardgas. Voorts bevat deze prijs (nog) geen ecotax of accijnsbijdrage. Een aanzienlijk deel van de kosten betreft de compressiestap (~ 4€/GJ). Het SCW proces levert gas op hoge druk en de compressiestap kan achterwege worden gelaten.

4

Inhoud Colophon Samenvatting 1. Inleiding Algemeen Duurzaam aardgas Indeling rapport 2. Beschikbare technologie voor SNG produktie SNG via biologische routes SNG via thermochemische routes Gasreiniging en opwerking 3. Vergassing in Superkritiek water Inleiding Vergassing van biomassa/reststromen in superkritiek water Chemie Procesbeschrijving Thermodynamische berekeningen SNG produktie via vergassing in superkritiek water Lage temperatuur, katalytische vergassing Vergassing met nageschakelde methanisering H2/CH4 (SNG+) via SCW vergassing Opwerking tot SNG/CNG kwaliteit Drogen CO2 verwijdering Verontreinigingen Comprimeren 4. De “groene” aardgasmarkt Inleiding Ervaring met bijmenging van opgewerkt stortgas in het het aardgasnet Gaskwaliteit en eisen Marktontwikkeling “Groene Mobiliteit” Conclusies en aanbevelingen 5. Het gebruik van aardgas in automobielen Aardgas als transportbrandstof Stand van zaken

5

De rol van overheden Toekomst voor aardgasvoertuigen Techniek Wat is een aardgasvulstation Invloed van waterstof/aardgasmix op een vulstation Gassamenstelling Economische aspecten Waterstof

6. Globale Economische Procesevaluatie

7. Discussie & conclusies Appendices Eigenschappen van enkele gasvormige brandstoffen. Eigenschappen na bijmenging van waterstof van Nederlands aardgas

Afkortingen SNG Subsititute (synthetic) Natural Gas SNG+ Substitute Natural Gas + H2 CNG Compressed Natural Gas SN Stoichiometric number SCW Supercritical Water WGS Water-gas-shift

6

1. Inleiding Algemeen In de Nederlandse energievoorziening speelt aardgas een zeer belangrijke rol. In 2002 kwam ongeveer de helft van totale energie verbruik (3200 PJ) voor rekening van aardgas. Nederland kent een zeer uitgebreid gasdistributienet, en op vrijwel elke locatie kan beschikt worden over aardgas. In Fig. 1 is het hoofddistributienet in Nederland weergegeven; lokaal worden -via een fijnmazig netwerk- de verschillende eindgebruikers bereikt. Voorts is het Nederlandse net gekoppeld aan het Europese gasnet. De Nederlandse overheid streeft nadrukkelijk naar een verdere verduurzaaming van de energievoorziening vanwege o.a. - reduceren van broeikasgassen (met name CO2) en andere emissies - vermindere afhankelijkheid en gebruik van fossiele brandstoffen. Vanwege de significante bijdrage van aardgas aan de totale energievoorziening in Nederland ligt het dan ook voor de hand te onderzoeken op welke wijze het aardgas verduurzaamd kan worden.

Eigenschappen Groningen aardgas [22] Samenstelling Methaan Ethaan Propaan Butaan Pentaan Hexaan Stikstof Zuurstof Kooldioxide Overig Dichtheid Gross calorific value Nett calorific value Wobbe Index

CH4 C2H 6 C3H 8 C4H10 C5H12 C6H14 N2 O2 CO2

(volume %) 81.30 2.85 0.37 0.14 0.04 0.05 14.35 0.01 0.89 0.833 35.096 31.669 43.700

(massa %) 69.97 4.63 0.90 0.47 0.16 0.23 21.52 0.02 2.10

kg/m 3 MJ/m3 MJ/m3 MJ/m3

Fig. 1: Aardgasdistributienet in Nederland en eigenschappen van aardgas

Duurzaam aardgas

De gemiddelde samenstelling van Groningen aardgas is weergegeven in Fig. 1. Voor de produktie van methaan –het hoofdbestanddeel van aardgas- is een koolstofhoudende bron nodig, en biomassa is dan de aangewezen duurzame bron. In opdracht van het Samenwerkingsverband Duurzame Energie (SDE) hebben Gastec en Kema een totaalconcept opgesteld voor de omzetting van biomassa naar duurzaam gas (SDE-P1999-022). Verschillende vergasserstypen, reinigingsen opwerkmethoden zijn hiertoe onderzocht. Als voeding werd gekeken naar afvalhout 7

B en kippenmest. De produktie van SNG uit kippenmest werd niet reeel geacht. Uit afvalhout zou SNG geproduceerd kunnen worden met een kostprijs van 0.3-0.6 €/Nm3 (9 – 18 €/GJ) afhankelijk van de schaalgrootte. In een recent ECN-rapport [3] worden een vijftal biomassa conversie technologieen voor de produktie van SNG geevalueerd. Hierbij zijn zowel technische, economische als ecologische aspecten onderzocht. De berekende produktiekosten varieren van 5.6 tot 8.5 €/GJSNG. Hydrovergassing levert de laagste produktiekosten, maar kent als nadeel dat het gas slechts ten dele kan worden bestempeld als groen (en daardoor ook een lagere marktwaarde heeft). Indirecte vergassing wordt als de meest belovende technologie aangemerkt voor SNG produktie. De ontwikkeling van deze route zou nog circa 10 jaar in beslag nemen. Vergassing van biomassa in superkritiek water wordt niet meegenomen in de evaluatie, maar wel wordt aanbevolen de potentie van dit proces nader te onderzoeken. De opwerking van biogas-stortgas tot SNG wordt in Nederland commercieel toegepast op een aantal lokaties. Een voordeel van biologische routes is dat het ruwe gas reeds hoge concentraties methaan bevat. Daarentegen wordt veelal slechts een deel van het organische materiaal omgezet. Een uitgebreid overzicht van de mogelijkheden van biologische processen is recentelijk gepubliceerd door Reith et al (2003). CNG is gecomprimeerd aardgas dat benut kan worden als brandstof in automobielen. Het voordeel hiervan is dat de emissies van de voertuigen aanzienlijk worden verlaagd. In Nederlands zijn reeds een aantal aardgas tankstations operationeel, en rijden er de nodige aardgasauto’s. Naast bijmenging van SNG in de bestaande infrastructuur zijn er de laatste jaren diverse studies uitgevoerd naar het bijmengen van waterstof in aardgas. Genoemde toelaatbare H2-concentraties varieren van hooguit een paar procent tot zelfs 17%. Een lopend EET-project (VG2) inventariseert de (on)mogelijkheden van H2 bijmenging in detail. Daarnaast is er onlangs een omvangrijk Europees project (NaturalHy) van start gegaan onder leiding van GasUnie op dit onderwerp. Op korte termijn wordt echter niet verwacht dat aardgasbedrijven zomaar bereid zijn waterstof toe te laten in het net.

Indeling rapport

Het doel van dit project is het potentieel te onderzoeken van het superkritiek water vergassingsproces voor de produktie van SNG en/of (S)CNG. In eerste instantie ligt de nadruk op de produktie van methaan; op langere termijn zijn mogelijk ook mengsels van H2/CH4 toegestaan. In hoofdstuk 2 wordt een kort overzicht gegeven van reeds bestaande en relevante technieken voor de produktie van SNG. Hoofdstuk 3 gaat specifiek in op de technische aspecten van het superkritiek water 8

vergassingsproces, en de mogelijkheden voor SNG produktie. Hoofdstuk 4 en 5 richten zich respectievelijk op de technische en economische randvoorwaarden voor SNG en CNG. Een globale economische analyse voor de produktie van SNG/CNG midddels vergassing in superkritiek water wordt gegeven in hoofdstuk 6. Ten slotte worden in hoofdstuk 7 conclusies getrokken en het ontwikkelingspad bediscussieerd. BTG is verantwoordelijk voor de evaluatie van de SCW-vergassingstechnologie, Cogas voor de marktaspecten van aardgas, en DutCH4 voor de toepassing van aardgas in automobielen.

9

2. Beschikbare technologie voor SNG produktie In Nederland wordt op bescheiden schaal reeds SNG geproduceerd en bijgemengd in het aardgasnet. Het betreft dan biologische processen. Wereldwijd zijn er fabrieken gerealiseerd die o.a. naptha en kool omzetten in een aardgasvervanger. In dit hoofdstuk worden kort de technieken besproken die reeds bestaan voor de produktie van en opwerking tot SNG. Een onderverdeling is als volgt gemaakt: 1. Biologische processen 2. Thermochemische processen 3. Opwerking tot SNG kwaliteit 1. SNG via biologische processen De produktie van biogas-stortgas is een bekende technologie, en wordt veelvuldig toegepast. In dit proces wordt organisch materiaal met behulp van micro-organismen omgezet, waarbij methaan en koolstofdioxide wordt gevormd. Het gasmengsel bevat typisch 55-75 vol% CH4 en 25-45% vol% CO2. Daarnaast kan de H2S concentratie significant zijn. Het gas kan als zodanig worden toegepast voor warmte en/of krachtopwekking, of verder opgewerkt worden tot SNG. De opwerking van biogas/stortgas tot SNG wordt ook in Nederland al gedurende langere tijd commercieel toegepast. Alvorens het gas geschikt is als SNG wordt het gas gedroogd, verontreinigingen (S, Cl) verwijderd, en CO2 – CH4 gescheiden. (zie ook hoofdstuk 4). Opwerking van biogas tot transportbrandstof wordt gedemonstreerd in een aantal Europese landen zoals Zweden, Tsjechie en Frankrijk. Het uiteindelijke gas bevat 9697 % methaan. Distributie en compressie is analoog aan bekende technologie voor CNG (zie ook hoofdstuk 5) Voor een uitgebreid overzicht van de mogelijkheden van biologische conversieprocessen wordt verwezen naar Reith et al. (2003). 2. SNG via thermochemische processen Eind jaren ’50 begon in Engeland de ontwikkeling van processen voor de produktie van “rijk gas” uit nafta. Met “rijk gas’ werd een methaan rijk gas bedoeld. In de jaren ’60 zette de ontwikkeling zich vooral door in Duitsland en Japan. Het betrof dan de lage temperatuur, katalytische conversie van nafta in een methaanrijk gas. In de jaren ’70 onstond er in Amerika interesse in synthetisch aardgas uit kool vanwege enerzijds een ongerustheid over de toekomstige beschikbaarheid van aardgas, en anderzijds was er een ruime hoeveelheid goedkope kolen beschikbaar. De inspanningen hebben geleid tot de realisatie van een fabriek in North Dakota waarbij kolen werden omgezet in SNG (Substitute Natural Gas). De fabriek werd in 1984 in gebruik genomen en produceerde dagelijks 4 miljoen m3 aardgas per dag. (~ 1500 MWth – ca 3 % jaarlijks Nederlands aardgasverbruik). In een Lurgi vergasser werd lignite vergast tot een CO/H2 mengsel, en dit mengsel werd vervolgens katalytisch omgezet in methaan. Een typische gassamenstelling van het gas geproduceerd in de fabriek North Dakota staat vermeld in Tabel 1. 10

Tabel 1: Gassamenstelling SNG produktie uit lignite Component Concentratie [vol %] Methaan – CH4 96.3 Koolmonoxide - CO 0.02 Waterstof – H2 1.4 Stikstof + Argon (N2 + Ar) 1.1 Koolstofdioxide (CO2) 1.2 Waterstofsulfide (H2S) 4 ppm

Uiteindelijk bleek de route minder interessant (of minder noodzakelijk), omdat er toch ruim voldoende aardgas beschikbaar bleek. Als nadeel van het proces werden de hoge investeringskosten genoemd. Methanisering Voor de produktie van methaan via thermochemische routes is veelal een katalytische methaniseringsstap noodzakelijk. Reeds in 1902 ontdekten Sabatier en Senderens dat CO en CO2 met behulp van H2 katalytisch omgezet kunnen worden in methaan. De overall reaktievergelijkingen luiden als volgt: CO + 3 H2 ↔ CH4 + H2O (1) CO2 + 4 H2 ↔ CH4 + 2 H2O (2) En verder speelt de water-gas-shift reaktie een rol: CO + H2O ↔ CO2 + H2 (3) Uit verschillende onderzoeken zou blijken dat de omzetting van CO2 ook via CO verloopt. In een eerste stap wordt dan CO2 omgezet in CO via de shift reaktie, en in een tweede stap wordt CO met H2 omgezet in methaan en water.

Evenwicht

Beide methaniseringsreakties (1 + 2) zijn evenwichtsreakties en sterk afhankelijk van druk en temperatuur. De evenwichtsconstantes zijn als volgt gedefinieerd: Reaktie 1:

k1 =

PCH 4 • PH 2O PCO • PH3 2

≈

xCH 4 • x H 2O 1 • 2 xCO • x H3 2 P

PCH 4 • PH2 2O PCO 2 • PH4 2

≈

xCH 4 • x H2 2O 1 • xCO 2 • x H4 2 P 2

Reaktie 2:

k2=

11

In figuur 2.1 zijn de evenwichtsconstantes k1 en k2 weergegeven als functie van de temperatuur. Een lage temperatuur is gunstig voor de vorming van methaan. Hetzelfde geldt voor een hoge druk.

20

15

CH4 + H2O

10

5

CH4 + 2H2O

CO+ 3H2

0

CO2+ 4H2

-5

100

300

500

Temperatuur (°C)

700

900

Fig. 2.1: Evenwichtsconstantes voor de vorming van CH4 uit CO en CO2 als functie van de temperatuur.

De evenwichtsreacties zullen resulteren in een bepaalde gassamenstelling afhankelijk van de gehanteerde procescondities. In figuur 2.2 zijn berekende gassamenstellingen weergegeven voor de conversie van nafta (katalytische steam reforming). Bij lage temperatuur wordt een CH4/CO2 mengsel gevormd geschikt voor opwerking naar SNG; bij hoge temperatuur een synthesegas (met name CO/H2). Processen voor de produktie van synthesegas (CO + H2) worden daarom altijd bij relatief hoge temperatuur (> 800 °C) uitgevoerd (zelfs bij het gebruik van katalysatoren), omdat anders methaan niet of nauwelijks wordt omgezet. Van biomassavergassingsreactoren is het

Fig. 2.1: Berekende gassamenstellingen voor de katalytische conversie van nafta [1]

12

ook bekend dat de methaanconcentratie in het gas een redelijk goede indicatie is van de temperatuur in de vergasser. Hoe lager methaan, hoe hoger de temperatuur. Warmte-effect

De methaniseringsreakties zijn sterk exotherm (zie ook appendix xx). De omzetting van 1% CO levert een temperatuurstijging van ca 70 °C; bij CO2 is dit ongeveer 55 °C/% CO2. Temperatuurbeheersing is dus een een zeer belangrijk aspect bij methaniseringsreactoren/processen. Katalysatoren

De meest gebruikte katalysator voor methanisering is een Ni-katalysator, waarbij het Ni-gehalte minder is dan 15 wt%. Verschillende dragermaterialen worden toegepast zoals alumina, magnesiumoxide of mengsels hiervan. De maximum bedrijfstemperatuur is veelal beperkt tot zo’n 500 °C. (gestabiliseerd met zirconiumoxide tot 700 °C) Verschillende ander katalysatoren zijn geprobeerd zoals ruthenium, maar tot dusverre niet zo succesvol als de nikkel katalysatoren. Een andere bekende is een Raney nikkel katalysator, maar de verwerking van gebruikte katalysator schijnt lastig te zijn. De inlaattemperatuur van een methaniseringsreactor is typisch 200 – 300 °C afhankelijk van de katalysator. Lagere inlaattemperaturen zijn onwenselijk vanwege de mogelijke vorming van Ni-carbonyl [Ni(CO)4]. Nikkelcarbonylen staan bekend als giftig, zelfs bij zeer lage concentraties en moeten ten alle tijden voorkomen worden. De vorming van Ni-carbonyl wordt bevorderd door een lage temperatuur, hoge druk en hoge partiaaldruk van CO. Temperaturen onder de 200 °C moeten voorkomen worden. Kinetiek

Naast evenwichten wordt de uiteindelijke gassamenstellling bepaald door kinetiek van de reaktie. Reactie kinetiek wordt beinvloed door tal van factoren zoals bedrijfscondities (temperatuur, druk), samenstelling inlaatgas als ook de gebruikte katalysator. Een gunstige evenwichtsligging betekent niet automatisch dat de gewenste gassamenstelling wordt bereikt. Koolvorming

Er kunnen ook ongewenste nevenreacties optreden. Koolvorming is hiervan de belangrijkste, en kan plaatsvinden via een tweetal reacties: 2 CO ↔ C + CO2 (Boudouard reaktie) CH4 ↔ C + 2H2 (methaan decompositie) De laatste reactie is normaal gesproken geen probleem, zolang de temperatuur niet te hoog wordt, en er nog enig waterstof aanwezig is. “Gassamenstelling voor methanisering”

13

In de loop der jaren zijn verschillende methaniseringsprocessen ontwikkeld. Methanisering wordt o.a. toegepast om kleine hoeveelheden CO/CO2 in waterstof om te zetten in CH4, omdat bijv. CO vaak giftig is voor een katalysator. De hoeveelheden methaan gevormd zijn dan zeer gering en niet relevant voor de produktie van SNG. Methaan produktie uit CO-rijke gassen wordt wel toegepast voor de produktie van SNG, maar de voorkeur gaat uit naar een gas dat al een aanzienlijke hoeveelheid CH4 bevat. Gassen van hoge temperatuurvergassers zijn minder geschikt (vrijwel uitsluitend CO/H2 en nauwelijks of geen methaan) om een aantal redenen: - Warmteproduktie tijdens de methanisering is aanzienlijk; - De volumereductie van het gas is aanzienlijk; grote reactorvolumes zijn nodig; - Er wordt veel water gevormd bij de methanisering, hetgeen de conversie beperkt. Om de geschiktheid van een gas voor methanisering te bepalen wordt o.a. het “stoichiometrisch nummer – SN” gebruikt. SN is als volgt gedefinieerd:

SN

=

ην H 2 3ν CO + 4ν CO 2

Bij SN=1 is er precies voldoende waterstof om CO en CO2 via methanisering om te zetten in CH4 en H2O. De factor η is een correctie indien er ook waterstof nodig is voor hogere koolwaterstoffen. SN > 1 betekent dat er een overschot aan waterstof is; SN < 1 een tekort. Vanwege beperkingen in toegestane concentraties van H2 en CO2 in het SNG wordt het volgende geeist: 0.98 < SN < 1.03. Binnen deze grensen zou na methanisering alleen nog droging en eventuele compressie nodig zijn Bij “stochiometrische” methaansysnthese zou er nauwelijks risico van koolvorming zijn door de Boudouard reaktie. Een lage SN zou met name aanleiding geven voor koolvorming (in feite tekort aan waterstof). 3. Opwerking en conditionering Het ruwe produktgas –biologisch of thermochemisch geproduceerd- zal verder geconditioneerd moeten worden tot SNG kwaliteit. Bij toepassing van een katalytisch methaniseringsproces is verwijdering van bijv. Cl, S en alkalies al voor de methaanproduktie noodzakelijk, omdat anders snelle deactiviering van de katalysator zal optreden. Bij biologische processen vindt de reiniging plaats na de methaanvorming. In algemeen zijn nog aantal stappen nodig: • CO2 verwijdering Fig. 2.3: Systemen voor CO2, H2S • Drogen verwijdering [Ullmann, 1] • Comprimeren (procesafhankelijk).

14

Een groot aantal fysische en chemische processen zijn commercieel verkrijgbaar om gas op spec te krijgen. Voor een uitgebreide beschrijving wordt verwezen naar Ullmann [1]. De keuze hangt ondermeer af van concentraties en toegepaste schaalgrootte. Ter illustratie, in Fig 2.3 zijn de keuzes weergeven voor simultane CO2/H2S verwijdering weergegeven als functie van schaalgrootte en de concentraties CO2 en H2S.

15

3. Biomassa en afvalvergassing in superkritiek water

voor de produktie van SNG/(S)CNG. Inleiding De vergassing van natte biomassa en reststromen in superkritiek water is een relatief nieuw proces. Water wordt superkritisch bij een druk > 221 bar en een temperatuur > 374 °C. Als zowel de kritische druk als kritische temperatuur overschreden worden is het water “superkritisch”: er bestaat dan geen onderscheid meer tussen gas- en vloeistoffase. Ook de eigenschappen van water veranderen aanzienlijk bij deze condities. Specifieke kenmerken van het proces zijn: - geschikt voor natte voedingen (70 – 90 wt% water); voor dit soort voedingen zijn slechts beperkt alternatieven voorhanden (die de voeding ook volledig kunnen benutten). - Product gas komt beschikbaar op hoge druk (250-300 bar). Bij toepassing van het gas kan in veel gevallen (dure) gascompressie uitgespaard worden.. - Gas is relatief schoon. Veel verontreinigingen blijven achter in de waterfase. Dit geldt ook voor CO2 (bij hoge druk lost dit op), maar verontreinigingen als H2S of NH3 hebben zelfs een hogere oplosbaarheid. (In feite dus in-situ gasreiniging). Opwerking van het water –voor zover nodig- kan plaatsvinden met conventionele technieken. - Gassen worden niet verdund met stikstof. Het in dit rapport beschreven project stelt zich ten doel de mogelijkheden van het SCW-proces te evalueren voor de produktie van SNG/CNG. De belangrijkste argumenten waarom dit proces juist interessant is voor SNG produktie zijn als volgt samen te vatten: - De condities voor SCW wijken sterk af van de condities voor “conventioneel’ vergassen. De druk is veel hoger en temperatuur lager. Methaniseringsprocessen streven juist naar hoge druk en lage temperatuur om het evenwicht richting CH4 te sturen; - CO mag niet of nauwelijks aanwezig zijn in aardgas. Bij evenwicht (water-gasshift reaktie) zal in het SCW proces CO nauwelijks aanwezig zijn. Toevoeging van bijv. NaOH of KOH aan de voeding zorgt ervoor dat evenwicht snel bereikt wordt. Naast veiligheidsaspecten heeft CO een zeer lage Wobbe-index. - “Ruwe” productgas bevat dan met name H2, CH4, CO2 en H2O. Voor aardgaskwaliteit zullen CO2 en H2O (deels) verwijderd moeten worden. Hiervoor zijn conventionele technieken bekend. - H2 zou (op termijn) in het gas aanwezig mogen zijn (Wobbe-index is ook redelijk goed). Tot welke concentraties is echter minder duidelijk.

16

-

-

CNG voor automobielen is benodigd op een druk van 200 bar, hetgeen lager is dan de procesdruk. Hierdoor zou additionele compressie uitgespaard kunnen worden. Middels in-situ katalyse is het mogelijk om direct een methaanrijke stroom te produceren.

In de navolgende paragrafen zullen het proces en de mogelijkheden voor SNG produktie verder worden uitgewerkt.

Vergassing van biomassa/resstromen in superkritiek water De eigenschappen van water bij superkritieke omstandigheden veranderen aanzienlijk, zoals oplosbaarheden en dielectrische constante. Water zal zelf ook als reactant verbruikt worden. Een typische reactievergelijking voor de omzetting van glucose in superkritiek water kan als volgt worden weergegeven:

2C6H12O6 + 7H2O Y 9CO2 + 2CH4 + CO + 15H2

)H = 1.3 MJ/kg

Procesbeschrijving

Een vereenvoudigd processtroomschema van een superkritiek water vergassingsproces is weergegeven in Fig. 3.1. De voeding -een slurrie of natte pompbare biomassa/afvalstroom- wordt met een pomp op een druk van 300 bar

H2-rijk produktgas

CO2-rijk gas Warmte wisselaar

Voedingspomp Water

Fig. 3.1: Vereenvoudigd processtroomschema van het SCW proces

gebracht. In een tegenstroomwarmtewissleaar wordt de voeding voorverwarmd tot een temperatuur van 400 –550 °C. Het superkritieke punt van water wordt dus in de warmtewisselaar gepasseerd. De reactor wordt bedreven op een temperatuur van 600650 °C, en een verblijftijd van typisch 0.5-2 min. Het uitgangsprodukt van de reactor wordt in tegenstroom warmte gewisseld met de voeding.

17

De stroom uit de warmtewisselaar kan verder gekoeld worden of gevoed worden aan de hoge druk gas vloeistof scheider. In de scheider worden het gasvormige produkt en de waterfase gescheiden. Vanwege de hoge druk zal echter ook een deel van het gas oplossen, met name CO2 en indien aanwezig HCl, H2S, NH3. Mineralen zullen logischerwijs ook in de waterfase achterblijven. Het topprodukt van de scheider is het hoofdprodukt. De waterstroom wordt in een tweede lagedruk scheider gebracht, waarbij een tweede gasstroom vrijkomt. Dit gas zal rijk zijn in CO2. Wereldwijd zijn er een aantal instituten en bedrijven actief bezig met de vergassing van biomassa/resstromen in superkritiek water vergassing. In belangrijke mate was de aandacht gericht op kleinschalige batch experimenten, en in mindere mate op procesontwikkeling . Naast de activiteiten in de USA en Japan zijn het in Europa voornamelijk instituten in Nederland, Duitsland en Zwitserland, en recentelijk ook Denemarken die onderzoeks en ontwikkleingswerk verrichten.

Experimentele resultaten

Een pilot-plant volgens het concept uit Fig. 3.1 is gebouwd en wordt gezamenlijk bedreven door BTG en de Universiteit Twente (zie Fig 3.2/3.3). De maximale capaciteit van de pilot-plant is ca 30 kg/hr. Fig. X: Feeding section and process control of the pilot plant installation

Capacity:

3 - 30

kg/hr

Max. Pressure

350

bar

Max. Temperature 650 Residence time:

Reactor

°C

10 - 120 s

Gas Separation

Process Control Feeding section

Fig. X: Pilot-plant installation: Heat exchanger, reactor and gas separation

Een uitgebreide meetserie met glycerol als modelcomponent is uitgevoerd. In tabel 3.1 zijn de samenstellingen van de verschillende gasstromen weergegeven. Het hoge en lage druk gas wordt gemeten met behulp van 2 GC’s; de “ruwe” gassamenstelling wordt berekend op basis van een massabalans. De eerste proeven zijn uitgevoerd met zuiver glycerol-water als voeding. De CO concentratie was opmerkelijk hoog, terwijl de H2 en CO2 gehalte juist lager waren dan verwacht. Uit een massabalans bleek verder dat water geproduceerd werd, terwijl juist waterconsumptie verwacht werd. Geconcludeerd wordt dat het gas de evenwichtssamenstelling niet bereikt heeft, en dat met name de water-gas-shift (WGS) reaktie blijkbaar onvoldoende verloopt. De water-gas-shiftreaktie luidt als volgt: CO + H2O ↔ CO2 + H2

18

Indien de reactie naar rechts verloopt zal een toename in CO2 en H2 worden verwacht, en een afname in CO. De waterproductie zal dan kunnen omslaan naar waterconsumptie. Volgens evenwichtsberekeningen zou CO vrijwel 0 moeten zijn. Het is bekend dat alkali zouten de WGS reaktie katalyseren. Uit de tweede serie experimenten is gebleken dat de toevoeging van een kleine hoeveelheid (0.01 wt% Na2CO3) al voldoende is om nagenoeg alle CO in het gas om te zetten. Testen met andere zouten (NaOH, KOH, K2CO3) geven vrijwel identieke resultaten. Naast het katalytische effect op de WGS reaktie, heeft de toevoeging ook invloed op de C2/C3 fractie in het gas. Een vergelijking van de gemeten gassamenstelling met evenwichtssamenstelling komen redelijk goed overeen voor de hoofdcomponenten, zie tabel 3.1. Tabel 3.1: Gassamenstellingen (vol%); T=580 °C; P = 270 bar; voeding 5 wt% glycerol in water; doorzet 7 kg/hr. (exclusief water) “ruwe’ gas -

additief H2 CO CO2 CH4 C2H4 C2H6 C3H6 C3H8 Debiet [kg/hr] SN

Evenwicht 58 0.5 31.6 9.9 -

28 25 22 13 2 8 0.6 1

0.01wt% NaOH 50 0.3 35 10 0.2 3.8 0.3 0.9

0.45

0.17

0.35

Hoge druk produktgas 0.01wt% NaOH 60 29 0.4 30 21 13 12 15 0.2 2 4.5 9 0.3 0.5 1.2 1.6

0.20

0.70

Lage druk gas 0.01wt% NaOH 24 17 10 0 51 78 7.3 2.5 2.1 0.2 3.8 1.6 1.0 0.4 -

0.10

0.05

Het “ruwe” gas wordt gevoed aan de hoge druk scheider, waar de scheiding tussen vloeistof en gasfase plaatsvindt. Uiteindelijk worden er twee gasstromen gevormd; het hoge druk produktgas (top scheider) en een lage druk gas dat vrijkomt bij de ontspanning van de waterfase. Vanwege de goede oplosbaarheid van CO2 in water wordt hierdoor een aanzienlijk deel van de CO2 uit het gas afgescheiden. Voor de andere componenten gebeurt dat in mindere mate. In de tabel is voor iedere gasstroom ook SN (zie hfst 2) uitgerekend. Voor methanisering is in het ideale geval SN gelijk aan 1. Om dat te bereiken zou uit het hoge druk gas nog meer CO2 afgescheiden moeten worden.

Evenwichtsberekeningen De samenstelling van het geproduceerde gas wordt bepaald door thermodynamica en reaktiekinetiek. De reactiekinetiek kan beinvloed worden door de procescondities (T, P, verblijftijd) en het gebruik van katalysatoren. Thermodynamica bepaalt wat er maximaal mogelijk zou zijn. Door combinatie van de evenwichtsvergelijkingen (zie hfst 2) en de massa-componentbalansen kan de gasamenstelling worden bepaald, waarbij aangenomen wordt dat evenwicht wordt 19

bereikt. In Fig 3.4 is de evenwichtsgassamenstelling weergegeven als functie van de temperatuur, en typische omstandigheden van het SCW proces. De hoge druk van het proces is zeer gunstig voor de vorming van methaan. Bij een relatief lage temperatuur (~ 300 °C) wordt vrijwel uitsluitend methaan en CO2 geproduceeerd. Waterstof wordt in lage concentraties gevormd, terwijl CO volledig afwezig is. Bij verhoging van de temperatuur wordt er meer waterstof gevormd ten koste van methaan. Ook worden er dan kleine hoeveelheden CO gevormd. 100

80

H2

60

40

CO CO2

20

CH4

0

300

500

700

900

Temperature [°C]

Fig. 3.4: Evenwichtssamenstellingen als functie van de temperatuur. P = 300 bar. Voeding : 80% water, 20 wt% organisch.

SNG produktie via vergassing in superkritiek water

In principe bestaan er twee verschillende benaderingen om SNG in het SCW proces te produceren: i) toevoeging van een katalysator in de SCW reactor, waardoor methaan direct gevormd wordt, en ii) produktie van ‘ruw’ gas in de SCW reactor gevolgd door een nageschakelde methaniseringsreactor. Op langere termijn zou de produktie van H2/CH4 (SNG+) mengsels interessant kunnen worden. De verschillende opties zijn weergegeven in Fig. 3.5. CASE I: Lage temperatuur, katalytische vergassing In de reactorsectie van het SCW-proces kan een katalysator worden toegevoegd, waarbij vergassing en methanisering in een enkele processtap verlopen. In feite vertoont deze benadering grote overeenkomsten met de lage temperatuur, katalytische steam reforming van nafta. De procestemperatuur kan dan verlaagd worden tot ca 300- 400 °C (subkritisch). Een groot voordeel van deze benadering is dat de endotherme vergassing en exotherme

20

Biomassa

CO2verwijdering ?

Drogen

CO2

H2O

Katalytische Reactor

SNG

CO2 -rijk gas

Water / mineralen

Case I: Lage temperatuur, katalytische vergassing (’directe methanisering”)

Methanisering Warmte

Biomassa

Vergassings Reactor

Drogen

SNG

H 2O CO2 -rijk gas

Warmte

Water / mineralen

Case II: Vergassing + nageschakelde methanisering +

CO2verwijdering CO2

Biomassa

Vergassings Reactor

SNG Drogen H2O

CO2 -rijk gas

Warmte

Water / mineralen

Case III: Vergassing voor produktie CH4/H2 mengsel

Fig. 3.5: Verschillende procesopties van het SCW proces voor de produktie van SNG

methanisering gecombineerd worden in een reactor, waardoor externe warmtetoevoer overbodig wordt (autotherme operatie is mogelijk). Een nadeel is dat biomassa direct in contact komt met de katalysator. Biomassa/reststromen kunnen verschillende componenten bevatten die de katalysator vergiftigen, en daardoor de levensduur beperken (bijv. alkali’s, Cl, S,..). Het is duidelijk dat een korte levensduur van een kostbare katalysator de proceseconomie nadelig beinvloedt. In literatuur zijn diverse publicaties te vinden over de toepassing van katalysatoren in het SCW proces. Het meest uitgebreide onderzoek is waarschijnlijk uitgevoerd door Pacific Northwest Laboratory (PNL) uit Amerika. In een serie van publicaties [6 - 17] beschrijven zij de resultaten van proces en katalysatorontwikkelingen.

21

Het onderzoek richt zich met name op de produktie van methaan bij condities rond het superkritieke punt van water, en de toepassing van katalysatoren hierbij. Voor het onderzoek worden verschillende testinstallaties gebruikt varierend van kleine batchreactoren tot een continue pilot-plant installatie (~20 kg/hr natte voeding). Typische procescondities zijn: T = 300 – 450 °C en P = 200-250 bar. Hun belangrijkste bevindingen zijn hieronder samengevat: • Alkali metaal carbonaten (Na, K, Cs) verhogen koolstofconversie en methaanproduktie. De volgorde van katalytische activiteit is als volgt: K > Na > Cs, maar de onderlinge verschillen tussen de verschillende alkalies zijn zeer gering. Toevoeging van alkalies levert meer gas; bij lignine als voeding is dit echter minder actief (tot 450 °C); • Uit testen met verschillende voedingen blijkt dat de reactiviteit van cellulose een factor 2-3 groter is dan voor ligninen. Lignine is echter wel een belangrijke bron voor CH4. • Hogere temperaturen levert meer CO2 en H2 ten koste van CO en CH4. De aanwezigheid van etheen en ethaan nemen beide af; relatief neemt etheen sneller af dan ethaan. CO wordt vrijwel nooit in significante concentraties waargenomen. • Toevoeging van alkalies bevorderen de liquefactie van biomassa, maar hinderen tegelijkertijd de vergassing van het vloeibare product (stabilisatie van vloeistof; dit wordt ook waargenomen door Minowa bij de vergassing van glycerol [19]) • Bij de vergassing van echte biomassa is het effect van de toevoeging van alkalies minder, waarschijnlijk omdat deze vaak al in de biomassa aanwezig zijn. Toevoeging van extra alkali zouten heeft dan nauwelijks effect. • Een groot aantal verschillende katalysatoren zijn getest (zowel actieve component als dager materiaal); deze resultaten zijn samengevat in de tabel 3.2. Het dragermateriaal kan een significante invloed hebben. Bijvoorbeeld ruthenium op een koolstof gebaseerde drager was zeer actief, terwijl ruthenium op titaanoxoide nauwelijks activiteit vertoonde [19]. Useful catalytic metals Ru Rh Ni

Inactive metals Pt Pd Cu

Metals oxidized at conditions Co Fe Cr

Stable supports

Unstable supports

Hydrolyzable supports

α-Al2O3 ZrO2 C

TiO2 SiO2

γ -Al2O3 δ - Al2O3 η - Al2O3

Mo W Zn

Ca/Aluminat e Kieselguhr

SiO2/Al2O3

Tabel 3.2: Overzicht katalysatoren en dragermaterialen [7]

•

Katalysatordeactivering is een belangrijk aandachtspunt. Onder de heersende condities –en zelfs zonder dat een vergassingsreaktie wordt uitgevoerd- kan de

22

• •

•

• •

•

katalysatoractiviteit afnemen door sintering. Dit is bijvoorbeeld waargenomen voor Ni. Ruthenium lijkt stabieler te zijn. Naast sintering kan de katalysator gedeactiveerd worden door bijv. koolvorming, zwavel en alkali’s. Een serie van experimenten is uitgevoerd met modelcomponenten die Cl of N bevatten. Gechloreerde componenten leveren voornamelijk HCl; stikstof werd met name teruggevonden als NH3 in de waterige fase, en in mindere mate als N2 in de gasfase. In hun pilot-plant is een warmtewisselaar opgenomen. Bij een test met sucrose werd koolvorming waargenomen in de warmtewisselaar. Door ook de warmtewisselaar te vullen met een Ni-katalysator werd koolvorming voorkomen. Sterk geoxygeneerde componenten leveren meer CO2 en minder CH4. Bij een test met afvalwater (“Cheese Whey”) werd snelle deactivering van de katalysator waargenomen. Dit werd toegeschreven aan de aanwezigheid van alkali zouten in de voeding. In de pilot-plant zijn een aantal duurtesten uitgevoerd (tot 600 hr); Bij Ni werd een duidelijke afname in activiteit waargenomen; ruthenium lijkt minder gevoelig, maar de gassamenstelling veranderde wel (minder methaan).

Een consortium in Japan (o.a. Osaka Gas, Kobe Steel, Japan Gas Association) onderzoekt ook de mogelijkheden van directe katalytische methanisering van biomassa in superkritiek water. Tadokoro et al [21] hebben experimenten in een kleine, continue opstelling uitgevoerd met verschillende modelcomponenten en biomassa (cellulose (0.7-10 wt%) en zuiveringsslib (2 wt%)). Voor volledige conversie van cellulose was bij 300 °C een verblijftijd van 1 minuut nodig, terwijl bij 400 °C dit teruggebracht is tot ca 10 s. Met zuiveringsslib werd veel kool gevormd; toevoeging van alkali metalen is dan een verbetering. De alkali zouten zorgen echter wel voor snelle katalysatordeactivering. Het type katalysator wordt niet vermeld. Voor de modelcomponenten kon in alle gevallen een koolstofconversie wordt bereik van meer dan 80% mits de temperatuur voldoende hoog is. De minimumtemperatuur is componentafhankelijk, en bijv voor benzeen is een temperatuur nodig van minimaal 450 °C. Het gas bevatte typisch 40-50% CH4, 40-50% CO2. Bij toenemende temperatuur neemt de methaanconcentratie af en worden er significante hoeveelheden H2 gevormd. Park & Tomiyasu [18] hebben de vergassing van modelcomponten onderzocht, waarbij RuO2 als katalysator werd gebruikt. De proeven werden uitgevoerd in een autoclaaf bij een druk van 440 bar, temperaturen van 380 – 450 °C, en relatief lange verblijftijden (60-120 min). Het geproduceerde gas bevatte met name CH4, H2 en CO2; CO was niet detecteerbaar. Rond het superkritische punt (380 – 420 °C) werd een sterke verandering in gassamenstelling waargenomen, waarbij een toename van CH4 en een afname van H2 werd waargenomen. Dit werd toegeschreven aan de katalysator. Verschillende modelcomponenten zijn getest (o.a. naftaleen,

23

polypropyleen, cellulose), en op basis van hun testen stellen zij vast dat een hoge H/C verhouding van de component leidt tot met name CH4/CO2, en een hoge O/C verhouding meer H2 wordt geproduceerd. Deactivering van de katalysator speelt geen rol in hun onderzoek. Vogel en Hildebrand [2002] hebben de katalytische vergassing van hout in sub- en superkritiek water onderzocht. De experimenten werden uitgevoerd in een kleine batchreactor bij temperaturen van 350-415 °C en drukken van 270 – 320 bar. De houtconcentratie werd gevarieerd van 10 – 30 wt%. De reaktie die nagestreefd wordt is de volgende: C5H7.64O3.18 (hout) + 1.5 H2O → 2.66 CH4 + 2.34 CO2 De eerste proeven werden uitgevoerd met een standaard Ni katalysator en gaven matige resultaten. Bij weinig katalysator werd voornamelijk kool en teer gevonden; bij hogere katalysator concentraties werd voornamelijk veel teer gevonden, en een beperkte hoeveelheid gas. Vervolgexperimenten werden uitgevoerd met een Raneynikkel katalysator. Vergassingsefficiencies van 74-80% konden worden behaald. Bij superkritische omstandigheden was het water kleurloos, geen teer aanwezig en de concentratie opgeloste organische componenten laag. Bij subkritische omstandigheden werd een lichte verkleuring van het water waargenomen, en was de concentratie opgelost organisch significant hoger. De samenstelling van het geproduceerde gas was 23-45% CH4, 43-51% CO2 en 5-34% H2. Lage H2 concentraties worden gemeten bij subkritische omstandigheden. CO kon bij geen enkel experiment worden waargenomen. Op basis van deze experimenten kan geen uitspraak worden gedaan over mogelijke deactivering van de katalysator.

CASE II: Nageschakelde methanisering van het ruwe produktgas. Een alternatief voor de directe methanisering is de toepassing van een nageschakelde methaniseringsstap. De eerste stap is de produktie van een gas bij superkritiek water omstandigheden zonder gebruik van een methaniseringskatalysator.Een voordeel hiervan is dat mogelijke verontreinigingen (zoals S, Cl, mineralen) die in de biomassa aanwezig zijn niet direkt contact komen met de katalysator (zodat snelle katalysatordeactivering wordt voorkomen). Na scheiding van het produktgas en de waterfase (met verontreinigingen) wordt de schone gasstroom over een methaniseringskatalysator geleid. Een tweede punt is dat een aanzienlijk deel van de CO2 met de waterfase verdwijnt, en na methanisering er geen additionele CO2 verwijdering nodig is. Na methanisering zou drogen de enige bewerking kunnen zijn. Bij methanisering worden normaliter de volgende reacties beschouwd: CO + 3 H2 ↔ CH4 + H2O (1) CO2 + 4 H2 ↔ CH4 + 2 H2O (2) In het gas van het SCW proces is nauwelijks CO aanwezig, zodat met name de tweede reaktie van belang is. Uitgaande van een typische gassamenstelling zoals 24

verkregen uit het SCW proces kan de gassamenstelling na volledige methanisering worden bepaald. Volledige methanisering betekent in dit geval dat alle waterstof wordt verbruikt. Het resultaat is weergegeven in Tabel 3.3. Component

“ruw’gas [vol%]

H2 CO CO2 CH4 C2H4 C2H6 C3H6 C3H8

60 0.4 21 12 0.2 4.5 0.3 1.2

Na methanisering [vol%] 0 0 16.2 68.4 0 11.9 0 3.5

Tabel 3.3: Berekende gassamenstelling na volledige methansiering

In de berekening is aangenomen dat de waterstof in eerste instantie wordt gebruikt om CO om te zetten, en daarnaast etheen en propeen te verzadigen. Het resterende deel van de waterstof wordt gebruikt om CO2 om te zetten naar methaan. In absolute termen wordt ca 70% van de CO2 omgezet naar CH4. Echter methanisering heeft ook tot gevolg dat het gasvolume enorm gereduceerd wordt, waardoor het effect op de CO2 concentratie (in vol%) beduidend geringer is. Voor bijmenging zal er dan toch extra CO2 verwijderd moeten worden. Deze additionele CO2 verwijdering zou voor de methaniseringsreactor (procesaanpassingen) of na methansiering kunnen worden uitgevoerd. Een reductie van de CO2 concentratie in het ruwe gas van 21 vol% naar 17-18 v% zou hiervoor voldoende kunnen zijn. CASE III: H2/CH4 (SNG+) via SCW vergassing Indien H2 toegestaan wordt in het aardgasnet kan de methaniseringsstap achterwege blijven, zolang de maximaal toegestane H2 concentratie niet overschreden wordt. Bijvoorbeeld als 8 vol% H2 toegestaan zou worden in het aardgasnet, zou al ca 10% van het aardgas vervangen kunnen worden met het produktgas van het SCW proces alvorens deze grens overschreden wordt (~ 150 PJ !). Energetisch is het interessant de methaniseringsstap achterwege te laten, omdat de methaniseringsstap exotherm is, waardoor een deel van de chemische energie wordt omgezet in warmte. Of waterstof daadwerkelijk wordt toegestaan hangt met name af van de gasleveranciers (en niet technologieontwikkelaars). Introductie van H2/CH4 mengsels zou wel een belangrijke rol kunnen spelen in een eventuele transitie naar een waterstof economie. Ook in het geval van een H2/CH4 mengsel zal verder gasbehandeling (drogen/CO2 verwijdering) noodzakelijk blijven. Additionele gasbehandeling

In het algemeen zal er nog een verdere gasbehandeling noodzakelijk zijn om het gas op de juiste specificaties te krijgen. Afhankelijk van de procesvoering zal CO2 verwijdering, drogen en eventueel compressie noodzakelijk zijn.

25

Vanwege de hoge procesdruk van het SCW proces zal een compressiestap normaliter achterwege kunnen blijven. Het gas komt beschikbaar bij hoge druk (~300 bar), maar is veelal benodigd op een lagere druk. In dit geval zou juist de benutting van de compressie-energie een interessante optie kunnen zijn. Voor CO2 verwijdering zijn verschillende standaardtechnieken beschikbaar, zoals aden absorptieprocessen. Daarnaast kan gedacht worden aan een membraanscheidingeenheid zoals bijvoorbeeld gebruikt wordt in Collendoorn. Insitu, additionele verwijdering van CO2 in het SCW proces verdient extra aandacht. Ook voor het drogen van het gas (tot een dauwpunt < 10 °C) zijn commerciele systemen beschikbaar. Een relatief nieuwe techniek is het zogenaamde Twister systeem (zie www.twisterbv.com), waarbij gas wordt geexpandeerd tot supersonische snelheden waardoor extreme koeling optreedt. Omdat gas bij het SCW proces onder hoge druk beschikbaar komt, zou een combinatie met het Twister systeem interessant kunnen zijn. (In feite wordt een deel van de reeds aanwezige compressieenergie gebruikt om gas te drogen). Voordelen van de toepassing van Twister die genoemd worden zijn: • Simpele, compacte en efficiente methode • Lage kapitaals- en bedrijfskosten • Geen gebruik van chemicalien • Geen emissies • Naast water worden ook koolwaterstoffen afgescheiden, die bij lage temperatuur mogelijk condenseren (en problemen kunnen geven bij de toepassing) Het Twister systeem kent ook aantal nadelen/beperkingen • Turn-down ratio is beperkt; indien hoge turn-down ratio is gewenst zijn parallele buizen noodzakelijk; • 20-30 % van de druk gaat verloren (en daarmee drukenergie). In de uitlaat van Twister is de druk nog ca 70-80% van de inlaatdruk; • gevoeligheid voor kleine deeltjes (erosie). Zeer goede upstream afscheiding van mogelijk aanwezig deeltjes is essentieel. Samenvatting Het SCW proces is een relatief nieuwe thermo-chemische vergassingstechniek, die bij uitstek geschikt is voor de conversie van natte biomassa en reststromen. Het biedt een alternatief voor voedingen die nu veelal (deels) biologisch worden omgezet in biogas, stortgas en compost. Het SCW proces wordt uitgevoerd bij hoge druk (~300 bar), betrekkelijk lage temperaturen (400 – 650 °C), en hoge waterconcentraties. Vanwege deze condities wijkt het geproduceerde gas sterk af van dat van “conventionele” thermo-chemische vergassingsprocessen. Brandbare componenten zijn vooral H2 en CH4, en CO is vrijwel volledig afwezig, en het gas is beschikbaar op hoge druk. Het grootste deel van eventuele verontreinigingen (Cl, S, NH3, teren, mineralen) zullen via de waterfase worden afgevoerd.

26

Procesoptimalisatie richting CH4 en H2 ligt dus voor de hand. Voor CH4 (aardgas) is er reeds een bestaande markt; voor waterstof zal die nog ontwikkeld moeten worden. Maximalisatie van de CH4 opbrengst in het SCW proces kan op een tweetal manieren, nl 1) gebruik van een katalysator in het proces zelf en bedrijfsvoering bij een relatief lage temperatuur (~400 °C), of 2) bedrijfsvoering van het SCW proces bij hoge temperatuur (~650°C) zonder katalysator en een nageschakelde katalytische methaniseringsstap. Op basis van de huidige stand van zaken, en aanwezige kennis kan op dit moment geen keuze worden gemaakt, en additioneel ontwikkelingswerk is hier noodzakelijk.

27

4. De markt voor ‘groen’ aardgas Inleiding

Begin jaren tachtig is COGAS Almelo begonnen met de vervanging van aardgas door stortgas. Op een tweetal locaties (Vasse en Collendoorn) wordt (werd) het gas opgewerkt tot een kwaliteit geschikt voor directe bijmenging in het aardgasnet. Op één locatie (‘t Rikkerink, Ambt-Delden) wordt het gas gebruikt ter vervanging van aardgas bij een industriele klant (Servo Delden), waarbij volledige opwerking tot aardgaskwaliteit achterwege kan blijven. In Zenderen (en de laatste jaren ook in Vasse) wordt het gas gebruikt voor electriciteitsopwekking. Ten tijde dat de installatie Zenderen werd gerealiseerd was (vanwege fiscale regelingen) lokale electriciteitsopwekking attractiever dan aardgasbijmenging. In de huidige situatie zou eerder gekozen zijn voor opwerking van het gas. De totale hoeveelheden gas zijn weergegeven in figuur 4.1 (in Nm3 aardgasequivalenten). T/m 2003 is totaal circa 55 miljoen Nm3 ae (~ 2 PJ) geproduceerd, waarvan ruim 9 miljoen Nm3 ae (~0.3 PJ) bijgemengd is in het aardgasnet. In totaal is zo’n 14 miljoen kWh aan electriciteit geproduceerd uit stortgas.

1200000

4000000

1000000 3000000

Totaal bijmengen

800000 600000

2000000

Colledoorn

‘Totale Gasproduktie

400000

1000000

Vasse

200000 0

1980

0

1985

1990

1995

2000

2005

Jaar

1990

1992

1994

1996 1998 Jaar

2000

2002

2004

Totaal electriciteitsproduktie 3500000

4000000

Zenderen

3000000 2500000

3000000

2000000 2000000 1500000 1000000

1000000

‘T Rikkerink, Ambt-Delden

Vasse

500000 0

0

1980

1985

1990

1995 Jaar

2000

2005

2000

2001

2002

2003

Jaar

Fig. 4.1: Gas- en electriciteitsproduktie uit stortgas voor de locaties in Vasse, Collendoorn, Ambt-Delden en Zenderen.

28

Ervaring met bijmenging van opgewerkt stortgas in het aardgasnet.

In Vasse werd de eerste installatie gebouwd waarbij stortgas werd opgewaardeerd tot aardgas. De productie begon in 1991 en was in bedrijf tot 2000. Vanaf 2000 wordt op deze locatie het gas gebruikt voor electriciteitsopwekking. De installatie in Collendoorn is in 1993 in gebruik genomen. Na ruim 10 jaar in bedrijf te zijn geweest, is recentelijk de installatie volledig gereviseerd. De verschillen tussen beide installaties zijn gering, en hierna zal de installatie in Collendoorn in meer detail worden besproken. Collendoorn

Beschrijving installatie In Collendoorn wordt sinds 1993 stortgas opgewerkt tot aardaskwaliteit en vervolgens bijgemengd in het lokale 4 bar aardgasnet. Een schematische weergave van de installatie is weergegeven in Fig. 4.2.

Fakkel

1

2 Heater

Aardgasnet Blower

Compressor

Membraan-unit

Stortplaats

Fig. 4.2: Schematische weergave van de installatie in Collendoorn voor de opwerking van stortgas naar aardgas

Via een buizensysteem in de stortplaats wordt gas m.b.v. een blower aan de stortplaats onttrokken. Hoofdbestanddelen van het gas zijn CO2 en CH4. Omdat een stort nooit volledig luchtdicht is, zal ook altijd een hoeveelheid lucht worden aangezogen. De zuurstof wordt in de stort zelf al verbruikt; de stikstof komt in het stortgas terecht. Daarnaast zal stortgas een aantal verontreinigingen bevatten. In een vat gevuld met ijzeroxide wordt eerst het zwavel uit het gas verwijderd. Wanneer het bed verzadigd is, wordt het bed vervangen. Zwavel wordt niet ter plekke teruggewonnen. Vervolgens wordt het gas door een aktief koolbed geleid om CFK’s te verwijderen. Er zijn twee aktief koolbedden opgesteld, waarbij 1 geregenereerd

29

wordt met behulp van afgas. Het gas wordt vervolgens gecomprimeerd tot een druk van 35 – 39 bar. Deze druk is nodig voor de membraanscheider. In de membraanscheider (zie Fig. 4.3) wordt het gas gescheiden in 2 stromen: opgewerkt gas en een permeaat. De samenstellingen van de verschillende gasstromen zijn weergegeven in Fig. 4.3. De scheiding hangt af van de druk en temperatuur. Van de

Opgewerkt gas 88.3 v% CH4 4.7 v% CO2 7.0 v% N2 Debiet = 54% v. stortgas

MEMBRAAN-UNIT

COMPRESSOR

Stortgas 57 v% CH4 38 v% CO2 4.8 v% N2 Druk: 35 bar (oud) 9 bar (nieuw)

Permeaat 20.5 v% CH4 76.8 v% CO2 2.4 v% N2 Debiet = 46% v. stortgas

Fig. 4.3: Schematische weergave van de membraanopwerkingseenheid, en van de installatie zoals gerealiseerd in Collendoorn

methaan aanwezig in het stortgas komt ca 84% terecht in het opgewerkte gas; ca 16% gaat verloren via het permeaat (afgas -fakkel). Na toevoeging van de odorant (THT) wordt het opgewerkte gas bijgemengd in het net. Het afgas wordt ter plekke afgefakkeld. Gas kwaliteitscontrole Directe controle en regeling van de gaskwaliteit vindt plaats op basis van de Wobbe Index. In de installatie wordt de Wobbe Index continue gemeten, en geregeld binnen de toegestane bandbreedte van 43.46 – 44.41 MJ/m3. De regeling vindt plaats door de druk in de membraanscheider te regelen. De scheidingsefficiency is afhankelijk van de gehanteerde druk. Periodiek worden er gasmonsters genomen om de samenstelling van het gas te controleren. In de installatie in Vasse werd destijds de temperatuur van het gas gebruikt om de Wobbe Index te controleren en te regelen. Vernieuwde installatie Eind 2003 is de installatie in Collendoorn volledig gereviseerd/vernieuwd. Belangrijkste wijziging is de vervanging van de membranen door een verbeterd type, waardoor de benodigde druk kan worden verlaagd tot ca 10 bar. Compressie naar 3539 bar is hierdoor niet meer nodig hetgeen een aanzienlijke kosten besparing oplevert. Een globaal kostenoverzicht van de installatie in Collendoorn voor en na de revisie is weergegeven in tabel 4.1. 30

Tabel 4.1: Financieel overzicht opwerking stortgas Kosten (€ct/Nm3) Electriciteit O&B Kapitaalslasten Algemene kosten Totaal kosten/Nm3 Totaal kosten/GJ Opbrengsten (€ct/Nm3) Opgewerkt gas verkoop REB (groen gas) KWh verkoop Totaal opbrengsten/m3 Totaal opbrengsten/GJ

Huidig (2002)

Nieuw

E-opwekking

4.95 4.85 5.00 1.40 16.20 4.8

3.90 2.60 4.42 1.40 10.36 3.1

2.50 3.14 1.40 7.04

12.23 3.00

12.23 3.00

15.23 4.6

15.23 4.6

-0.97

4.87

Resultaat €ct//Nm3

5.33 5.44 10.77

3.73

Het effect van de verlaging van de benodigde druk op het financiele resultaat is duidelijk te herkennen. Hoewel de kosten voor het opwerken naar aardgaskwaliteit hoger zijn dan voor electriciteitsproduktie, wordt dit ruimschoots gecompenseerd door de extra inkomsten bij de verkoop van het gas. Gaskwaliteit en eisen De voorwaarden voor de levering van aardgas zijn in Nederland vastgelegd in een zogenaamde “Standaardgasleveringsovereenkomst’, waarin afspraken zijn vastgelegd tussen de Gasunie en de (regionale) distributiebedrijven. In een dergelijke overeenkomst wordt ondermeer beschreven aan welke kwaliteitseisen het gas moet voldoen, hoe dit wordt gemeten, hoe vaak en met welke nauwkeurigheid etc. Om gas te mogen bijmengen is het belangrijk toegestane/acceptabele concentraties te kennen van verschillende componenten. Eenduidigheid hierover blijkt lastig te zijn, met name voor componenten die normaal gesproken niet in het gas aanwezig zijn (bijv. H2 en CO). Belangrijke kwaliteitseisen zijn: Wobbe-Index Zwavel CFK’s Water Odorant Zuurstof

Te hoog/te laag: afwijkende Wobbe-Index verstoort het juiste verbrandingsgedrag (veiligheid/continuiteit) Te hoog: corrosie van distributiesysteem/ rookgasafvoer/ emissies Te hoog: corrosie in rookgassystemen – emissies Te hoog: corrosie, condensatie (brengt continuiteit in gevaar) Te laag: verlaagt ruikbaarheid gas – veiligheid Te hoog: veiligheid en corrosie Te hoog: corrosie van distributiesystemen, en emissies

Mercaptanen,ammo niak en aromaten

31

In Tabel 4.2 zijn voor verschillende componenten toegestane waarden weergegeven op basis van een tweetal bronnen. Tabel 4.2: Kwaliteitseisen aardgas Component/parameter H2 CO CO2 CxHy Totaal ethaan/propaan >C2 Water Aromaten Zuurstof Totaal Zwavel H2S Zwavel in mercaptanen Anorganisch zwavel Ammoniak Halogenen Chloor THT Wobbe Index [MJ/Nm3] a

Gastec – GL/980188/VST/025 8 vol% a 0.8 vol% a 8 vol% ≤ 3 mg/Nm3 (condensaat bij –3 °C)

Scheepers voor stortgas

< 5.75 vol%

< 0.1 v% < 0.7 vol% Dauwpunt < -10 °C ≤ 1 vol% 0.5 vol% ≤ 45 mg/Nm3 3 ≤ 5 mg/Nm ≤ 10 mg/Nm3 ≤ 3 mg/Nm3 ≤ 25 mg/Nm3 ≥ 10 mg/Nm 3 mg/Nm ) 43.46 – 44.41

3

(nominaal 17

< 0.02 vol% ≤ 0.5 vol% ≤ 45 mg/Nm3 (was 150) ≤ 10 mg/Nm3 ≤ 5 mg/Nm3 ≤ 3 mg/Nm3 ≤ 25 mg/Nm3 (was 5) 18 mg/Nm3 43.46 – 44.41

voorgestelde eis voor het gas na bijmenging. Overige waarden gelden voor het gas voor

bijmenging

De kwaliteitseisen in de derde kolom van tabel 4.2 [Scheepers] zijn vastgesteld voor de opwerking van specifiek stortgas. In principe bevat stortgas voornamelijk CH4 en CO2. De eis voor Wobbe-index en de eis CO2< 5.75 vol% zou moeilijk te halen kunnen zijn voor een ‘perfecte” stortplaats. Feitelijk is is het inlekken van lucht noodzakelijk om voldoende stikstof in het gas te krijgen, zodat aan beide eisen voldaan kan worden. Technisch gezien kan natuurlijk achteraf stikstof worden toegevoegd, maar dat is vanuit economisch perspectief weinig aantrekkelijk. De huidige overeenkomsten zijn geen eisen opgenomen t.a.v. H2 en CO, omdat deze componenten in huidige gas niet voorkomen. Er zijn wel diverse studies uitgevoerd of gaande waarbij nadrukkelijk de mogelijkheid van waterstofbijmenging wordt onderzocht. Genoemde H2 concentraties varieren van hooguit een paar procent tot 17 vol%. Lokatie bijmengen

In eerste instantie kan een onderscheid gemaakt worden tussen bijmenging in het hoofdtransportnet van de Gasunie en het distributienet van regionale netbedrijven. Hoofdtransportnet: 32

Het hoofdtransportnet is de verantwoordelijkheid van de Gasunie, en van hieruit wordt gas geleverd aan regionale distributiebedrijven. De kwaliteit van het gas is vastgelegd in een leveringsovereenkomst. Het voordeel van het hoofdnet zou zijn dat er een grote buffering mogelijk is, en relatief grote hoeveelheden kunnen worden bijgemengd zonder dat dit grote gevolgen heeft voor gaskwaliteit. Dit biedt wel de mogelijkheid ervaring op te doen, zonder dat de eindgebruiker hier veel van merkt. Anderzijds moet er wel overeenstemming zijn met alle regionale distributiebedrijven over de gaskwaliteit, en leveringsovereenkomsten moeten dan aangepast worden. Uitwisseling met het Europese net lijkt minder een probleem, omdat het nationale laag-calorische net nu ook gescheiden is van het hoog-calorische Europese net. Regionaal distributienet: Het regionale gasnet wordt gevoed met gas van 8 bar volgens de standaard kwaliteitseisen. In principe is vanaf dat punt het regionale bedrijf verantwoordelijk voor de levering van het gas aan de eindgebruikers. Bijmengen op regionaal niveau zou eenvoudiger kunnen zijn, omdat het distributiebedrijf hier zelf zijn keuzes zou kunnen maken. Anderzijds moet de leveringszekerheid en gaskwaliteit naar de eindgebruiker gegarandeerd zijn. Reeds bij relatief kleine hoeveelheden zou een eindgebruiker hier de gevolgen van kunnen merken. Een aanzienlijke complicatie kan zijn dat het regionale netbedrijf ook de volledige monitoring en gaskwaliteitscontrole zelf moet verzorgen, en de nodige kosten met zich meebrengt. Dit wordt nu uitgevoerd door de Gasunie.

Marktontwikkeling 'Groene Mobiliteit’ Aanleiding tot een nieuw strategisch beleid Door de komst van de wet Milieukwaliteit ElektriciteitsProductie (MEP) en de afbouw van de fiscale regelingen (REB 36i) per 1 juli 2003 is de financiële uitkomst van elektriciteitsproductie uit biogas (o.a. stortgas en biogas uit slibvergisting) ingrijpend verslechterd. Mede hierdoor en met het oog op de vrije gasmarkt per 1 juli 2004 biedt opwaardering van biogas naar aardgaskwaliteit zijnde ‘Groen Aardgas’ nieuwe mogelijkheden voor de transportmarkt als klimaatneutrale motorbrandstof. Het ‘Groen Aardgas’ wordt geïnjecteerd in het openbare gasnet van het energiebedrijf zoals beschreven voor de locatie Collendoorn (zie Fig. 4.3). Door middel van een virtuele handel kan het ‘Groen Aardgas’ worden geleverd aan de transportmiddelen. Dit betekent dat het contingent geleverd ‘Groen Aardgas’ niet fysiek in de transportmiddelen behoeft te worden aangewend. Cogas Energie beschikt in Almelo sinds 2002 over het eerste openbare aardgasvulstation, die voor de levering van ‘Groen Aardgas’ zorg kan dragen. Ook nieuwe leveringspunten elders in het land kunnen ‘Groen Aardgas’ leveren. De afzet van ‘Groen Aardgas’ biedt ook voor de consumentenmarkt uitstekende 33

afzetmogelijkheden e.e.a. vergelijkbaar met ‘Groene Energie’ door het aan te wenden voor o.a. ruimteverwarming en kookdoeleinden. De centrale overheid, vertegenwoordigd door de ministeries van VROM, Economische Zaken, Verkeer en Waterstaat en Financiën, zal op de unieke mogelijkheid gewezen moeten worden van koppeling productie ‘Groen Aardgas’

Fig. 4.3: Stortgasopwerkingsinstallatie in Collendoorn.

aan de afzet van CNG als nieuwe motorbrandstof voor tractiedoeleinden in een vrije ‘Groen Aardgas’ handel. Hiermee worden namelijk twee milieuprocessen ondersteund en gestimuleerd met een enorme maatschappelijke en milieuvriendelijke impact. Aardgas als één van de bouwstenen voor de toekomstige waterstofeconomie is evident. Deze koppeling geeft ook tevens aanleiding om meerjarenafspraken te maken over een eventuele toepassing van brandstofaccijns op CNG. Product ‘Groen aardgas’ (SNG) Biogas is grofweg een mengsel van methaan en kooldioxide en is veelal afkomstig uit composteringsinstallaties van GFT, scheidings- en vergistinginstallaties van rioolslib en stortgas uit stortplaatsen. Dit gas kan na een beperkte behandeling meestal direct gebruikt worden in gasmotoren (bijv. WKK) en ketelbranders (bijv. proceswarmte) met een aangepast regelsysteem. Indien het biogas via het openbare gasnet wordt gedistribueerd moet het allereerst worden opgewaardeerd zodanig dat de verbrandingseigenschappen die overeen komen met die van het aardgas. Hiermee ontstaat het product “Groen Aardgas’ kortweg uitgedrukt als SNG – Substitute Natural Gas. Alleen dan kunnen 34

verbrandingstoestellen aangesloten op het openbare aardgasnetwerk probleemloos werken ongeacht de mengverhouding tussen aardgas en ‘Groen Aardgas’. Gecomprimeerd aardgas tot ca. 240 Bar (CNG – Compressed Natural Gas) is geschikt om te dienen als gasvormige motorbrandstof voor voertuigen. Het CNG neemt de functies van conventionele vloeibare motorbrandstoffen over zoals benzine, diesel en LPG (Liquid Petrol Gas). CNG kan alleen worden toegepast in voertuigen die daartoe zijn ingericht en het stoot significant minder schadelijk stoffen uit dan conventionele brandstoffen. CNG geleverd bij speciale aardgasvulstations levert een motorbrandstof die in kwaliteit, hoeveelheden en met het vulgemak overeenkomen met de conventionele motorbrandstoffen. Bi-fuel voertuigen zijn aardgasauto’s die naast aardgas ook op een andere motorbrandstof i.c. benzine kunnen rijden hetgeen noodzakelijk is omdat een CNG-infrastructuur vooralsnog in Nederland niet aanwezig is. Klimaatconvenant ‘Groene Mobiliteit’ Hoewel de verbrandingsmotor op benzine respectievelijk diesel in de loop der jaren schoner is geworden kent de toepassing van aardgas als motorbrandstof (CNG: Compressed Natural gas) significante voordelen ten opzichte van diesel en benzine. Een CNG-voertuig stoot ca. 20% minder CO2 uit, 90% minder CO, 95% minder SO2 in vergelijking tot een benzinemotor. In vergelijking tot een dieselmotor is het verschil kleiner. TNO heeft onlangs hierover een rapport gepubliceerd onder de titel “ Evaluatie van de milieueffecten van moderne personenauto’s op benzine, diesel, LPG en CNG (de. 2003)”. CNG laat in totaal de beste milieuprestaties zien. In Nederland komt biogas vooral voor bij waterzuiveringsinstallaties, voedingsindustrie, mestvergisting en bij afvalstortplaatsen. Het gebruik van biogas respectievelijk ‘Groen Aardgas’ als energiedrager brengt geen verhoging van de concentratie CO2 met zich mee. Immers de CO2 die vrijkomt bij de verbranding is eerst opgenomen uit de lucht door planten. Planten assimileren bij voldoende licht CO2 en vormen met de opname van water en voedingsstoffen uit de bodem met behulp van energie uit het zonlicht organische verbindingen. Dit proces wordt beschreven als zijnde de korte kringloop van CO2. Energieproductie met biogas respectievelijk ‘Groen Aardgas’ wordt derhalve gekwalificeerd als hernieuwbare / duurzame energie. De fysieke afzet van CNG in Nederland bevindt zich nog in de pioniersfase en hetzelfde geldt min of meer voor productie installaties van ‘Groen Aardgas’. Tevens moet geconstateerd worden dat de markt voor ‘Groen Aardgas’ in tegenstelling tot groene elektriciteit nog niet vrij is. Om zowel de inzet van CNG te vergroten alsmede de ontwikkeling en realisatie van nieuwe ‘Groen Aardgas’ projecten te bevorderen zal een convenant moeten worden opgesteld waarbij de afzet van CNG volledig wordt afgedekt met de productie van ‘groen aardgas’ gefaciliteerd in een virtuele handel. 35

CNG als motorbrandstof is vooralsnog niet belast met brandstofaccijnzen. Door de dekkende CNG-verkoop met “Groen Aardgas’ kunnen met de branche sluitende meerjarenafspraken worden gemaakt omtrent het uitblijven van accijns indien de dekkende verkoop gegarandeerd. Marktomschrijvingen Bij de omschrijving van de markt van aardgas / groen aardgas voor tractiedoeleinden zijn drie markten van belang, te weten: • de markt van aardgas / CNG • de nieuw te ontwikkelen markt voor ‘Groen Aardgas’ • de markt van aardgasvoertuigen Markt van aardgas / CNG Aardgas als motorbrandstof voor voertuigen is een interessante optie voor energiebedrijven. Daar waar de afzet van aardgas voor de consumentenmarkt tanende is door energiebesparingsmaatregelen met gelijkblijvende kosten van de infrastructuur, biedt het aanbieden van aardgas aan voertuigen een opening van een nieuw afzetmarkt. De aardgasafzet zal hierdoor toenemen waardoor de basislastvraag naar aardgas ook zal toenemen. Momenteel wordt er nog afgerekend tegen de zogenaamde zoneprijzen, waarbij er sprake is van een all-in prijs, die gebaseerd is op het gemiddelde afnamepatroon van de gehele markt. De opening van de aardgasmarkt per 1 juli 2004 biedt nieuwe mogelijkheden. In het nieuwe prijssysteem betalen individuele afnemers minder aan capaciteits- en transportkosten naarmate ze een gunstigere afnameprofiel hebben. De maximaal afgenomen uurhoeveelheid dient dan t.o.v. van het totaal afgenomen volume laag te zijn, waardoor er sprake is van een hoge bedrijfstijd. Aangezien aardgasvulstations in staat zullen moeten zijn om hoge bedrijfstijden (ca. 6000 h) te realiseren, zullen de uiteindelijke kosten voor de aardgasvulstations relatief laag uitpakken. Dit wekt door op de brandstofprijs van CNG voor de consument aan de pomp. Naast de ‘kale aardgasprijs moeten nog wel de exploitatiekosten (onderhoud en service, energie, rente afschrijving, winstmarge pomphouder, …) in de uiteindelijke prijs te worden doorberekend. Doelstelling van een nieuw te bouwen openbaar aardgasvulstation is het creëren van afzetvolume van ca. 600.000 m3 / jaar om een rendabele exploitatie mogelijk te maken gelet op een investering van ca. € 250.000,00. Dit betekent ca. 200 voertuigen met een gemiddelde brandstofverbruik van 3000 m3 / jaar. In Almelo wordt in de introductieperiode een brandstofprijs gehanteerd van 35 €ct/kg (laag calorisch aardgas). In Duitsland betaalt de consument daarentegen 58 €ct/kg en voor hoog calorisch gas 65 €ct/kg. Ten opzichte van de benzine en dieseltarieven is CNG als motorbrandstof een aantrekkelijke optie. Op basis van de meerprijs van een aardgasauto (ca. € 2.000,00 tot € 2.500,00) bevindt het break even point van een aardgasauto t.o.v. een benzinevariant bij ca. 12.000 km gereden per jaar en t.o.v. de dieselvariant bij ca. 18.000 km / jaar.Verondersteld is dat de onderhoudskosten voor alle motorbrandstoffen gelijk is met een gemiddeld brandstofverbruik van 1liter voor 12 kilometer. 36

Markt van ‘Groen Aardgas’ (SNG) De markt van groen aardgas zal vergelijkbaar als de vrije markt voor groene energie moeten worden ontwikkeld en door de overheid als zodanig moeten worden erkend. Groen aardgas kan naast tractiedoeleinden ook geleverd worden voor de consumentenmarkt voor ruimteverwarming, warmtapwater en kookdoeleinden. Voor de productie van groen aardgas komen o.a. in aanmerking: • Om te bouwen stortgasinstallaties van elektriciteitsproductie naar productie van groen aardgas. • Idem installaties bij rioolwaterzuiveringsinstallaties ondergebracht bij de waterschappen (22) en de voedingsindustrie • Mestvergistingsinstallaties bij agrarische bedrijven. • Houtvergassingsinstallaties. In de haalbaarheidstudies van een groen aardgas projecten kan rekening worden gehouden met de verkoopprijs van aardgas in de virtuele handel met een rendement op geïnvesteerd vermogen groter dan 20%. Investeerders zullen wellicht aangetrokken worden indien zonder aanvullende financiële ondersteuning projecten kunnen worden ontwikkeld. Markt van aardgasvoertuigen Op de mobiliteitsmarkt is het rijden op aardgas geïntroduceerd als mogelijke vervanger van de LPG-markt en in het transitiebeleid als voorloper van de waterstofauto vanaf 2020. De ambitie van de mobiliteitsmarkt voor groen / aardgastractie in 2020 is dat voor tenminste 15% het auto- en vrachtwagenrijden op aardgas mogelijk is bij een goed ontwikkeld systeem van distributiepunten. De ontwikkelingen in Duitsland (1700 distributiepunten in 2007) en Frankrijk (2000 distributiepunten in 2010) zijn mogelijk gemaakt doordat grote ondernemingen als Ruhrgas, RWE, Thyssengas, Wingas, ARAL/BP, ..etc in Duitsland en Gaz de France in Frankrijk hieraan uitvoering gaan geven in tegenstelling tot de Nederlandse situatie waarin grote marktpartijen vooralsnog ontbreken om een landelijke marktintroductie mogelijk te maken. De terughoudendheid van Nederlandse marktpartijen om aardgasauto’s te introduceren wordt hoofdzakelijk bepaald door het ‘kip en ei’ probleem van voldoende aardgasvulstations. Daar komt bij dat er strenge keuringseisen zijn voor voertuigen en vulstations en er tevens onduidelijkheid is t.a.v. de fiscale vooruitzichten op de korte en lange termijn. In Duitsland heeft de CNGbranche een convenant met de overheid gesloten waarbij voor een periode van 20 jaren de aardgasaccijns bevroren zouden worden. Dit gegeven resulteert dat er slechts lokale initiatieven zijn ontwikkeld in de gemeenten Haarlem en Almelo. Specifieke karakteristieken die aardgastractie aantrekkelijk zouden maken zijn o.a.: • Zeer vermaasd aardgasnetwerk waarbij aardgas als motorbrandstof op vrijwel elke plaats geleverd kan worden zonder logistiek op een zeer veilige wijze.

37

•

•

•

Hierdoor kan het gevaarlijk transport van diesel, benzine en LPG worden gereduceerd. De toenemende mobiliteit alsmede de dichtheid van het wegennet in combinatie van de toenemende verstedelijking vereist in toenemende mate lagere emissies van motorvoertuigen. Aardgas biedt reeds een significante lagere emissies t.o.v. vloeibare motorbrandstoffen. De stedelijke luchtkwaliteit (minder fijne stof en benzeen) en hiermee de volksgezondheid is hiermee rechtstreeks gebaat. Minder stank en geluidsoverlast (tot 50% t.o.v. zware dieselvoertuigen) en minder uitstoot broeikasgassen (CO2) en verzurende gassen (NOx) welke o.a. een behoud zijn voor stedelijke monumenten en de bossen. Nederland bezit grote aardgasreserves en is via een Europees netwerk verbonden met aanzienlijke aardgasbronnen zoals bijvoorbeeld Rusland en Noorwegen.

Unique Selling Points Aardgas als motorbrandstof biedt t.o.v. vloeibare brandstoffen enkele kenmerkende verschillen die bij een mogelijke marktintroductie kunnen worden ontwikkeld. •

•

•

•

De momenteel minst vervuilende motorbrandstof tegen de laagste exploitatieprijzen boven 18.000 gereden km per jaar. Alle bestaande motorbrandstoffen zijn oliederivaten. Aardgas is een delfstof welke zonder voorbewerking aan de voertuigen kan worden geleverd. Hiermee is bij een eventuele crisissituatie ook Fig. 4.4: Home-fuelling systeem voor CNG de ‘security of supply’ verzekerd. Bij het tanken van aardgas is geen sprake van bodemvervuiling. Aardgas lichter is dan lucht en verdwijnt hiermee bij een eventuele ontsnapping. In vrijwel elk gebouw en woning is een aardgasaansluiting aanwezig hetgeen mogelijkheden aanbiedt om vanuit een thuissituatie of bedrijfssituatie te kunnen tanken. Dit zullen doorgaans ‘slow-fill’ installaties Fig. 4.5:Aardgas tankstation in Almelo zijn in tegen stelling tot de openbare ‘fast-fill’ stations. Slowfill’ installaties vullen doorgaans in de nachtelijke uren de voertuigen.

38

• •

Gasinstallatie en/of energiebedrijven zouden hiermee een markt kunnen ontwikkelen om dergelijke installatie in een lease- en serviceprogramma aan te bieden om hiermee gebruikers van aardgasvoertuigen meerjarig aan zich te binden. Bevoorrading kan ook plaatsvinden bij kantoren en bedrijven. Over de virtuele groen aardgas levering is reeds gesproken waarbij gebruikers hun voertuigen op een klimaat neutrale motorbrandstof kunnen laten rijden. Aardgasvoertuigen zijn veiliger dan voertuigen met vloeibare brandstoffen omdat het aardgas door de hoge druk (240 Bar) opgeslagen is in stalen cilinders (wanddikte ca. 10 mm gietijzer) die bij een mogelijke botsing vrijwel nooit zullen openbreken. Bij een benzine of diesel aangedreven auto zal veelal de tank (wanddikte: ca. 1,5 mm plaatstaal) openscheuren en de brandstof zal zich verplaatsen in de autocabine met extreem hoog brandgevaar.

Transitie naar een duurzame energiehuishouding De Nederlandse overheid heeft ter uitvoering van het klimaatbeleid haar beleidsterreinen en doelen vastgelegd in het Nationaal Milieu Beleidsplan 4 (NMP 4) Hierin staan stappen beschreven die een transitie naar o.a. een duurzame energievoorziening mogelijk moeten maken. Eén van de bouwstenen voor de ontwikkeling van de visie is het project “Nieuw Gas’. Hierbij gaat het met name om een aaneenschakeling van mogelijke projecten die leiden naar duurzame gasinzet. Introductie van nieuwe projecten voor o.a. rijden op aard- en groen / biogas en stapsgewijze inzet van waterstof in de energievoorziening en mobiliteitsector. Waterstof is een zeer schone , klimaatneutrale brandstof voor de toekomst vanaf 2030. CNG en waterstof zijn beide gasvormige energiedragers. Gelet op de mogelijkheden van bevoorrading van auto’s (vanuit de thuissituatie, kantoren, bedrijven,…..etc.) zijn met een nieuwe CNG-infrastructuur reeds grote overeenkomsten te ontwikkelen met die van waterstof. Aardgas en waterstof lenen zich voor gemengd en mogelijk zelfs voor gecombineerd transport. Conversie van aardgas naar waterstof kan centraal en decentraal plaatsvinden. De trend in Nederland is een gedecentraliseerde energie- en wellicht brandstofvoorziening. De toepassing van waterstof wordt wereldwijd gezien als een instrument in de strijd tegen het broeikaseffect en als instrument om de afhankelijkheid van olie te verminderen. Grootschalige toepassing in de transportsector is vooralsnog een zeer kostbare aangelegenheid maar zal in de toekomst economisch rendabel gemaakt moeten worden. CNG als minst vervuilende motorbrandstof kan hierin een tussenfase zijn mede gelet op de reeds genoemde parallellen van infrastructuur. Incentives van de overheden De centrale overheid zal beleid moeten ontwerpen, idem aansporen en uitvoeren waarin de virtuele ‘Groen Aardgas’ handel is ondergebracht vergelijkbaar met de vrije markt van ‘Groene Energie’. Vanuit het klimaatconvenant “groene Mobiliteit’ heeft overheid een afspraak met marktpartijen dat projecten voor de productie van ‘Groen Aardgas’ worden geïnitieerd en ontwikkeld. Het resultaat hiervan is dat zowel

39

de ontwikkeling van nieuwe ‘Groen Aardgas’ productielocaties verbonden wordt met de beoogde groei van de inzet van CNG als nieuwe motorbrandstof voor auto’s. Een belangrijke factor in de marktbeïnvloeding van aardgastractie is het overheidsbeleid op het gebied van milieu-, financiële- en technologiepolitiek. De overheid kan door middel van stimuleringsprogramma’s, regelgeving, voorlichting en financiële sturing een bijdrage leveren aan de toepassing van aardgasvoertuigen. Milieupolitiek

nationale emissie eisen lokale emissie eisen Wet Milieubeheer

Financiële politiek

bijzondere Belasting Personenauto’s en Motorrijwielen (BPM) motorrijtuigenbelasting brandstofaccijnzen subsidies Europese eenheid eisen Rijksdienst voor het Wegverkeer (RDW) ondersteuning ontwikkeling en innovatie branche van SNG en CNG ondersteuning demonstratieprojecten ondersteuning onderzoeksprojecten

Technologie politiek

Verhoging emissie eisen om milieutechnische voordelen van rijden op CNG / SNG te kunnen uitnutten. Verlaging kosten rijden op CNG / SNG en verwerven van subsidies voor projecten van aardgastractie en de productie van ‘Groen Aardgas’. Nederlandse technische normen moeten Europees worden afgestemd. Ondersteuning overheid van innovatie en verdere technologische ondersteuning van projecten van SNG en CNG

Voor lokale overhedenkan de inzet van een beleid op aardgastransport onderdeel zijn van een nieuw ‘Schoon Steden’ beleid ter bevordering van de stedelijke volksgezondheid, het milieu en de bescherming van stedelijke monumenten. Aansprekend voorbeeld is het beleid van de gemeente Haarlem. De lokale overheden zullen tevens in dit beleid uitvoering moeten geven aan bij voorbeeld in het ondersteunen van aanvragen in het kader van de Wet Milieubeheer van nieuwe productie locaties alsmede nieuwe aardgasvulstations. Vervoerspolitiek & Planologie

Financiële politiek Gemeentelijke diensten

stedelijk transport openbaar vervoer mobiliteit in stedelijk gebied parkeer- en toegangsbeleid invulling infrastructuur parkeertarieven gemeentelijk wagenpark Wet Milieubeheer

Voorzieningen en concessies voor inzet milieuvriendelijker vervoer.

Concessies voor inzet milieuvriendelijker vervoer Gemeentelijke voertuigen op CNG / SNG. Ondersteuning van aanvragen van nieuwe aardgasvulstations.

Propositie Motorbrandstoffen behoren handelstechnisch tot de groep van commodities. Hiermee wordt bedoeld dat gebruikers geen binding hebben met de leveranciers en derhalve

40

hun inkoop hoofdzakelijk zullen laten bepalen door prijs en comfort. Reeds vermeld is dat CNG prijstechnisch gunstig t.o.v. benzine en diesel en het comfort zal moeten worden ontwikkeld in een nieuwe stijl van CNG-infrastructuur vanuit de thuis-, kantoor- en bedrijfssituatie. Voor overheden en bedrijven met een publieke functie (woningbouwcorporaties, sociale werkplaatsen, energiebedrijven, busondernemingen, taxibedrijven, vuilophaaldiensten, …. etc.) geldt daarentegen ook dat een milieubewust imago belangrijk is voor hun taakuitoefening. Deze instanties een voorbeeldfunctie en kunnen zich derhalve met een klimaatneutrale motorbrandstof helder onderscheiden. Doelgroepen voor het privé en zakelijk transport zijn met personenauto’s en bestelauto’s met een stedelijke en lokale actieradius (200 á 400 km) gelet op de relatief geringe energiedichtheid van CNG t.o.v. vloeibare motorbrandstoffen. De voertuigen worden tegenwoordig af-fabriek geleverd in de bi-fuel uitvoering waarbij automatisch wordt overgeschakeld op benzine indien er geen CNG meer aanwezig is. Promotie ‘Groene Mobiliteit’ De markt van motorbrandstoffen is een reeds ‘verdeelde markt’ met onder andere zeer overtuigde dieselrijders. Deze rijders moeten niet alleen overgehaald worden om aardgas over te stappen maar zullen veelal moeten switchen naar een andere bedrijfsauto. Dit is geenszins een eenvoudige opgave. Om de marktintroductie van ‘Groen Aardgas’ / CNG tot een succes te maken zullen alle betrokken vanuit de branche en toeleverende partijen tot een coalitie moeten komen. Hierin zijn o.a. ondergebracht: • Overheidsondersteuning • Marketingactiviteiten • Communicatie • Verkoop CNG / SNG, aardgasvoertuigen • Service ondersteuning • Projectontwikkeling en bouw Voornoemde activiteiten zullen ondergebracht moeten worden in een landelijke front & backoffice organisatie. Er zal een landelijk en regionaal een klankbord moeten zijn waarin klanten na verkoop in worden ondersteund. Via advertenties, websites, direct mailing en acquisities zullen potentiële klanten geïnformeerd moeten worden op alle mogelijke vragen en aan te bieden ondersteuning. Landelijk promotie- en informatiemateriaal is hierbij noodzakelijk met een nationale logo. Ervaringen in Duitsland kunnen hiervoor worden geëvalueerd. Aansprekende bedrijven en idem bedrijven met een publieke functie moeten worden geworven om hun ervaringen weer te geven in publiekscampagnes. De betrokkenheid van milieuorganisaties is evident.

41

Reeds lopende projecten in Almelo en Haarlem zullen moeten worden uitgebouwd en nieuwe initiatieven moeten worden geïnitieerd. De GasUnie heeft onlangs aangegeven voor de noordelijke en oostelijke regio een trekkende- en coördinerende rol te willen vervullen. Conclusies & aanbevelingen • Door in een vrije aardgasmarkt per 1 juli 2004 tevens een segment in te bouwen voor een vrije ‘Groen Aardgas’ markt stimuleert de overheid de ontwikkeling van nieuwe biogasprojecten. • Op dit moment heeft de overheid met name fiscale mogelijkheden groen aardgas in de consumentenmarkt te introduceren. • Dekkende verkoop CNG en ‘Groen aardgas bevordert de ontwikkeling van CNG als nieuwe motorbrandstof met de laagste emissies. • Oprichting van een landelijke koepelorganisatie voor de kennis en expertise, verkoop CNG en aardgasvoertuigen en serviceverlening. • De overheid kan met de branche meerjaren afspraken maken omtrent het uitblijven van CNG-accijns en overige faciliteiten ter stimulering van de verkoop CNG, vaststelling van de brandstofaccijns op CNG en verhoging van de ‘Groen Aardgas’ productie. • In het transitiemanagement past CNG op weg naar waterstof als toekomstige energiedrager voor tractiedoeleinden en gedecentraliseerde energievoorziening. De nieuwe CNG-infrastructuur zal derhalve ontwikkeld moeten worden rekeninghoudend met de toekomstige waterstofeconomie; • Opname van ‘groen aardgas’ in een MEP regeling – ontwikkeling vergelijkbaar systeem als groene electriciteit.

42

4. Aardgas voor automobielen Aardgas als brandstof Rijden op aardgas is een financieel voordelig alternatief voor de traditionele brandstoffen zoals benzine, diesel en LPG. Aardgas is een zeer schone brandstof die veel toegepast wordt voor allerlei toepassingen. Waarom dan ook niet voor auto’s?

• •

• •

•

•

Aardgas is schoner dan alle tot nu toe commercieel beschikbare brandstoffen en voldoet nu al aan de strenge emissie-eisen die vanaf 2005 gaan gelden. Aardgas als motorbrandstof, ook wel Compressed Natural Gas (CNG) genoemd, wordt al over de gehele wereld toegepast, in Zuid Amerika rijden zo’n 950.000 auto’s op aardgas, in Europa zijn dat er zo’n 450.000 Aardgas is een veilige brandstof. Doordat het lichter is dan lucht stijgt het op wanneer het onverhoopt vrij komt. Een fijn vertakt distributienetwerk maakt het mogelijk overal aardgas vulstations te plaatsen. Aardgas is een alternatief voor de eindige olievoorraden. De reserves zijn enorm en garanderen een levering tot eind van deze eeuw. Bovendien kan biogas opgewerkt worden naar aardgaskwaliteit zodat het op die manier een volledige duurzame energiebron is. Tal van autofabrikanten bieden nu al direct van de fabriek aardgasmodellen aan. In de huidige modellen zijn de aardgas tanks in het voertuigchassis weggewerkt waardoor er geen verlies van laadruimte ontstaat. Niet alleen personenwagens rijden op aardgas, maar toepassingen voor bussen, vrachtauto’s, bestelauto’s, taxi’s en heftrucks zijn beschikbaar. Ook zijn er toepassingen voor boten, stationaire motoren en aggregaten. Tankstations zijn er in Nederland nog niet veel, maar worden in een snel tempo gerealiseerd. Het gemak van thuistanken behoort tot de mogelijkheden. De vulsnelheid van aardgas is gelijk aan die van benzine en diesel. Doordat Nederland over een uitgebreid aardgasnetwerk beschikt kan overal een tankstation gerealiseerd worden. Bovendien is er geen transport van aardgas over de weg noodzakelijk.

Stand van zaken

Wereldwijd zijn er inmiddels ongeveer 2,9 miljoen voertuigen die aardgas als brandstof gebruiken. Een aantal landen neemt hierbij een zeer groot aandeel voor haar rekening (zie Fig. 5.1). Met name in Argentinië, waar zo’n 950.000 aardgasvoertuigen rondrijden en zo’n 1.000 vulstations beschikbaar zijn, heeft CNG een aanzienlijke marktpositie verworven. Ook in Brazilië (300.000 voertuigen) en Italië (400.000 voertuigen) is sprake van een omvangrijke CNG-markt. Daarnaast zijn er in landen als Duitsland, Frankrijk en de Verenigde Staten ontwikkelingen gaande die binnen afzienbare tijd moeten leiden tot een behoorlijke schaalgrootte.

43

NGV’s in the worl d

Canada 20.505 USA 130.000 Colombia 19.126 Bolivia 16.000 Argentina 1.100.000

Total ~3.200.000 vehicles

Europe 48.000 Venezuela 44.146

Russia 36.000 Pakistan China 410.000 69.000 Egypt 49.111

Brazil 640.000

Indonesia 35.000

New Zealand 12.000

Fig. 5.1: Aardgasvoertuigen werelwijd.

In de meeste landen geldt dat CNG-toepassingen met name betrekking hebben op het vervoer in de grote steden, vanwege de gunstige effecten op de luchtkwaliteit. Dit betreft vooral het plaatselijke busvervoer, taxi’s en plaatselijke diensten (vuilnisauto’s en dergelijke). In Duitsland richt men zich in eerste instantie echter met name op de particuliere vervoersmarkt, door een uitgebreid netwerk van vulstations door het land te plaatsen (zie Fig. 5.2). Hiertoe hebben de betrokken partijen (o.a. gas- en oliemaatschappijen) een samenwerkingverband opgericht, Erdgas Mobil, dat de ontwikkelingen in de CNG-markt moet stimuleren. In Nederland is de toepassingsschaal van het rijden op aardgas momenteel nog zeer beperkt. In totaal zijn er in ons land slechts zo’n 350 aardgasvoertuigen en 10 vulstations, waarvan slechts één openbaar is. Dit openbare vulstation bevindt zich in Almelo. In deze regio is het regionale gasbedrijf Cogas zeer actief met het bevorderen van het rijden op aardgas. Naast het gebied rond Almelo zijn tevens de steden Haarlem Hoofddorp in meer of mindere mate

Fig. 5.2: Duitsland

Aardgastankstations

in

44

bezig om het vervoer op aardgas in hun eigen gebied te stimuleren. De totale resultaten zijn vooralsnog beperkt en de marktomvang is uiterst gering. Dit heeft een aantal oorzaken. Ten eerste de onbekendheid van het produkt. Daarnaast is de beschikbaarheid van aardgasvoertuigen gering, hoewel er steeds meer autofabrikanten zijn die auto’s standaard met een aardgassysteem voorzien. Tenslotte is het voor de Nederlandse importeurs van de voertuigmerken met CNG-modellen vaak niet rendabel om voor dergelijk kleine hoeveelheden voertuigen de benodigde stappen te faciliteren. Daarnaast zijn er een aantal praktische nadelen met betrekking tot het rijden op aardgas. De actieradius van een aardgasvoertuig is namelijk relatief beperkt. Het actieradiusprobleem wordt voor personenwagens gedeeltelijk opgelost door de aanwezigheid van een benzinetank naast de aardgascilinders. Voor zware voertuigen geldt (vrachtwagens en bussen) dat de actieradius afgestemd wordt aan het dagelijkse gebruik door het plaatsen van voldoende cilinders. In de landen waar CNG op relatief grote schaal wordt toegepast, geldt dat er veelal sprake is van een actieve stimulering door de overheden. Deze stimulering kan op twee manieren vorm worden gegeven. Ten eerste kunnen er afspraken worden gemaakt over de hoogte van de accijnzen op CNG. Indien deze accijnzen een stabiel en laag (zelfs nul) niveau hebben, kan de concurrentiepositie ten opzichte van andere brandstoffen zeer sterk zijn. Ten tweede kunnen de overheden de ontwikkeling van het gebruik van CNG stimuleren door in de vorm van subsidies of fiscale maatregelen een financiële bijdrage te leveren aan de investeringen in infrastructuur en voertuigen. In landen als Italië en Duitsland heeft een dergelijke stimulering ervoor gezorgd dat de markt voor voertuigen op aardgas en de benodigde infrastructuur van vulstations zich in relatief korte tijd snel uitbreidt. Zo worden taxibedrijven in Italië door de overheden gestimuleerd aardgasauto’s aan te schaffen door €2.500,- bij te dragen in de aanschaf. Ook voor de particuliere markt worden, zij het kleinere, aankoopsubsidies verstrekt. Indien in deze landen de actieve stimulering van het rijden op aardgas zou worden beëindigd, mag worden verwacht dat CNG zichzelf redelijk zou moeten kunnen bedruipen, omdat de infrastructuur inmiddels aanwezig is en omdat de basisprijs van CNG in principe gunstig blijft. Overheden Europees perspectief

In de strategische communicatie IP/01/1543 heeft de Europese Unie gesteld dat zij ernaar streeft dat in 2020 circa 20% van het totale Europese wagenpark zich voortbeweegt op alternatieve brandstoffen, waarvan de helft op aardgas (CNG), vanwege de

Fig. 5.3: Europese doelstellingen

45

relatief gunstige milieueffecten van deze brandstoftoepassing t.o.v. met name diesel en benzine en vanwege de minder sterke afhankelijkheid van olie-import. Voor Nederland zou dit op termijn ongeveer 800.000 voertuigen kunnen betekenen die met deze toepassing moeten zijn uitgerust. In een aantal Europese landen is CNG inmiddels een frequent gebruikte brandstof (Italië) of is men momenteel bezig met forse schaalvergroting (Duitsland). Op relatief korte termijn lijkt de toepassing van CNG in Nederland met name interessant voor het vervoer in de binnensteden (bussen, taxi’s en gemeentelijke diensten), aangezien hierbij naast de emissienormen steeds meer voorwaarden worden gesteld met betrekking tot stank- en geluidsoverlast en gezondheidsaspecten in relatie tot luchtkwaliteit. Naast het gunstige milieueffect biedt de toepassing van het rijden op aardgas ook economische voordelen voor dergelijke gebruikers, omdat de brandstofprijs aanzienlijk lager ligt dan bij de alternatieven diesel en benzine. De hogere investeringskosten van aardgasvoertuigen kunnen zo relatief snel worden terugverdiend. 100

Diesel Benzine

80

Relatieve emissie (%)

60

40

20

0

CO2

CO

NOx

HC

SO 2

Roet

Ben zee n

Fig. 5.4: Uitstoot schadelijke stoffen bij een aardgasvoertuig t.o.v. van diesel (100%) of benzine (100%);

Nationale overheid Met rijden op aardgas heeft de overheid een belangrijk instrument in handen om milieudoelstellingen in de verkeer- en vervoersector te realiseren. Met name op het gebied van CO2 en NOx reductie biedt rijden op aardgas grote kansen. Gemeenten kunnen met rijden op aardgas concreet meewerken aan de verbetering van de luchtkwaliteit, en daarmee de kwaliteit van de leefomgeving in de binnenstad. Het NMP 4 geeft gemeenten verregaande mogelijkheden om aanvullende milieueisen te stellen aan vervoermiddelen in binnenstedelijke gebieden

46

Toekomst Voor verschillende marktpartijen liggen er verschillende kansen, die hier aan bod komen. Ook de marktomvang van rijden op aardgas neemt snel toe. Op de site van IANGV, www.iangv.org de internationale belangenvereniging van rijden op aardgas staat een overzicht van de wereldwijde marktomvang. Energiebedrijven Voor energiebedrijven liggen er duidelijke afzetmogelijkheden. Een auto die op aardgas rijdt, verbruikt per jaar gemiddeld drie tot vier keer zoveel gas als een doorsnee huishouden. Voor energiebedrijven biedt rijden op aardgas dan ook een kans om een interessante nieuwe markt aan te boren. Een bijkomend voordeel is dat het netwerk van aardgasleidingen reeds wijd vertakt is in Nederland. Op dit moment wordt dit netwerk nog niet optimaal gebruikt, omdat de vraag naar aardgas op dit moment een duidelijke piek kent in de winter. Rijden op aardgas is niet seizoensgebonden en zo wordt een grotere afzet gedurende het hele jaar gegarandeerd. Oliemaatschappijen Oliemaatschappijen hebben vaak ook belangen in aardgas. Naast inkomsten uit extra gasafzet is er voor oliemaatschappijen nog een aantal andere marktkansen. Door vroegtijdig in te stappen kunnen oliemaatschappijen een groot deel van deze nieuwe markt in handen krijgen en zodoende hun marktpositie verbeteren. Door aardgas als tractiebrandstof aan te bieden kunnen oliemaatschappijen zich bovendien profileren als innovatief en maatschappelijk verantwoord. Onafhankelijke tankstationhouders Bij de huidige lage marges op traditionele brandstoffen kan aardgas voor tankstationhouders een interessante optie zijn. Door goede afspraken te maken met gasbedrijven en leveranciers van vulstations kan een tankstationhouder met de verkoop van aardgas een goede marge behalen. Fleetowners Fleetowners kunnen duidelijke kostenbesparingen realiseren door hun wagenpark om te schakelen op aardgas. Naast kostenvoordelen zijn er ook imagovoordelen en, bij zware voertuigen, betere arbeidsomstandigheden voor de medewerker, omdat de uitlaatgassen schoner zijn. Ook is er geen opslag van brandstof nodig bij de eigen pomp. Dit voorkomt oneigenlijk gebruik van laag belaste brandstof. Voertuigfabrikanten Voor voertuigfabrikanten ligt er een kans om zich te profileren in een groeiend marktsegment. Ook kan met aardgasvoertuigen tegen relatief geringe kosten worden voldaan aan de steeds strenger wordende milieueisen.

47

Techniek Wat is rijden op aardgas?

Rijden op aardgas is een nieuwe manier van autorijden. Het is voordeliger, schoner en stiller dan rijden op benzine, diesel of LPG. Diverse autofabrikanten leveren bij elkaar honderdenvijftig type aardgasvoertuigen af fabriek met volledige

Fig. 5.5: Diverse aardgas-voertuigen beschikbaar op de markt

48

fabrieksgarantie en lichtgewicht brandstoftanks, die in de carrosserie zijn weggewerkt. Het tanken van aardgasvoertuigen is gemakkelijk, schoner dan het tanken van diesel en benzine en kan net zo snel als het tanken van conventionele brandstoffen. Rijden op aardgas is zowel voor fleetowners (bedrijfsleven en overheid) als particulieren interessant, omdat deze brandstof voor vele toepassingen gebruikt kan worden, namelijk: • Personenauto's • Bestelauto's • Vrachtwagens • Stads- en streekbussen • Overige bedrijfswagens, zoals vorkheftrucks. Voertuigen op aardgas zijn op dit moment nog duurder in aanschaf dan benzine voertuigen, maar deze extra kosten worden terugverdiend door de lage brandstofkosten. Door de sterk toenemende techniek (voldoen aan de milieunormen) in een diesel motor is het prijsverschil tussen een voertuig met een gasgestookte motor en een dieselmotor klein. Dit wordt mede veroorzaakt doordat de eisen aan de uitstoot van conventionele voertuigen steeds strenger worden. Vervuilende voertuigen zullen in de toekomst zwaarder belast worden en daarom duurder. Een aardgasmotor heeft minder onderhoud nodig, omdat deze brandstof zeer schoon verbrandt. Uit de praktijk blijkt dat voertuigen op aardgas minder vaak smeerolie dienen te verwisselen. Systeem De opbouw van een CNG installatie in een voertuig kan worden opgesplitst in drie subsystemen: • Opslag • Inspuitsysteem • Motormanagement Opslag: Het aardgas wordt in een gecomprimeerde vorm 200bar opgeslagen. Hierbij wordt gebruik gemaakt van diverse soorten cilinders. De meest voorkomende cilinders zijn de conventionele stalen cilinder. Daarnaast zijn vanuit gewichtoptiek de composiet cilinders in opkomst. Het betreft een cilinder die is opgebouwd uit een aluminium binnen layer omwikkeld met een composiet materiaal. Inspuitsysteem: De werkdruk van het aardgas inspuitsysteem bedraagt 8-9 bar. Om deze druk te bereiken dient het onder hoge druk opgeslagen aardgas te worden geëxpandeerd. Hiertoe worden tweetraps drukregelaars toegepast. Door dit expanderen daalt de

49

temperatuur van het aardgas. De inspuitventielen worden aangestuurd door de ECU en kunnen geschakeld zijn als conventionele multipoint injectie (alle injectoren spuiten gelijktijdig in) of als sequentiële multipoint injectie (de injectoren kunnen onafhankelijk van elkaar worden aangestuurd). Motormanagement (ECU): De aansturing van de injectoren geschied middels een ECU. Deze computer bepaalt aan de hand van parameters en een specifiek kenveld het inspuitmoment en –duur alsmede het onstekingstijdstip. Door dat momenteel 95% van de voertuigen zogenaamde bi-fuel uitvoeringen zijn (kunnen op zowel aardgas als benzine rijden) dienen de kenvelden in de ECU voor zowel aardgas als benzine geprogrammeerd te zijn.

Invloed van waterstof/aardgasmix op een verbrandingsmotor Samenvatting De invloed van waterstof op het gedrag van de motor is afhankelijk van het type brandstofregeling. Bij motoren die werken met een vaste brandstof/luchtverhouding treedt een verarming van het mengsel op. Dit heeft een positief effect op warmtehuishouding en het detonatiegedrag van de motor. Motoren die werken met een lambda geregelde brandstofregeling hebben dit voordeel niet. Het motormanagementsysteem (ECU) zal trachten de lambdawaarden op 1 te houden (stoichiometrische verbranding). Dit heeft als resultaat dat er geen verarming van het mengsel optreed en het verbrandingsproces nadelig wordt beïnvloed. Motoren met een zelflerende ECU’s kunnen binnen een bepaalde bandbreedte verschillende gasmengsels verwerken. Bijmenging van waterstof tot 30% heeft geen invloed op het gedrag van deze motoren. De cilinderdrukken nemen door bijmenging van waterstof toe. Dit resulteert in een mechanisch zwaarder belaste motor. Bij een juiste afstelling leidt bijmenging van waterstof tot een reductie van CH4 uitstoot wat impliceert dat de verbranding geoptimaliseerd wordt. Bij lean-burn motoren kunnen zeer lage NOx waarden worden bereikt en de CO2 emissies nemen verhoudingsgewijs af met het percentage waterstof. Het vermogen van een voertuig draaiend op een mengsel van aardgas en waterstof blijft nagenoeg gelijk. Het nadelige gevolg van een lagere energie-inhoud per m3 wordt gecompenseerd door een hoger rendement.

50

Effecten op het verbrandingsproces Een algemeen effect van bijmenging van waterstof in aardgas is dat motor met een hogere luchtovermaat (λ) gaat werken. Dit effect zorgt voor een lagere verbrandingstemperatuur wat het nadelig effect van waterstof verbranding, hogere verbrandingstemperatuur, compenseert. Het waterstof in aardgas heeft als eigenschap dat de ontsteking van het mengsel goed verloopt en dat de verbranding sneller op gang komt. De verbranding vindt meer plaats bij de zuiger in zijn bovenste stand, waardoor de maximale cilinderdrukken en verbrandingsgastemperaturen hoger liggen. De invloed van een grotere luchtovermaat en de invloed van waterstof heffen elkaar redelijk op, echter dit kan per motor verschillen. Invloedsfactoren zoals onder andere warmteafvoer, menging en (plaatselijke) hoge temperaturen in de cilinder spelen hierbij een rol. Het effect van de instelling van een hogere λ treedt niet op als de brandstof/luchtverhouding constant wordt gehouden met bijvoorbeeld een lambdasensor in het uitlaatsysteem. Vooral als een gasmotor te rijk staat afgesteld kan een gasmotor in zijn detonatiegebied terecht komen, waardoor schade aan de gasmotor kan ontstaan. Waterstof zorgt voor een goede ontsteking van het mengsel. Ook als de gasmotor tegen de misfiringgrens afgesteld staat en door de waterstofbijmenging met een grotere luchtovermaat gaat werken, treedt er een stabiele verbranding op. In de meeste gevallen neemt bij een arme afstelling de CH4 en NOx uitstoot af, hetgeen duidt op een betere verbranding.

Invloed van waterstofbijmenging op het gedrag van gasmotoren en het gasmengsel Indien waterstof aan het aardgas wordt toegevoegd is het belangrijk dat de gasmotoren hierdoor niet negatief worden beïnvloed en er schade ontstaat. Diverse onderzoeken zijn er gedaan naar het effect van waterstofbijmenging in gasmotoren met uiteenlopende regelsystemen. Deze onderzoeken hebben inzicht gegeven in het gedrag van de motor bij verschillende mengselsamenstellingen. Detonatie Bij gasmotoren waarbij de brandstof/luchtverhouding constant gehouden wordt met bijvoorbeeld een lambdasensor in het uitlaatsysteem treedt geen verarming van het mengsel op en kunnen al bij een niet al te rijke afstelling detonatie problemen optreden. Verarming van het mengsel heft de nadelige invloed van waterstofbijmenging op. Door een hogere luchtovermaat treedt een verlaging van de verbrandingstemperatuur op wat de verbrandingstemperatuurverhoging van waterstof compenseert. Lambdaregelingen zitten in moderne voertuigmotoren en WKK installaties. In deze situatie verdient het aanbeveling om of het regelsysteem overgeschakeld van een z.g.n. "close loop" naar een "open loop" regeling of de kenvelden aan te passen indien de ECU geen breed regelgebied (kenveld) bezit. In het eerste geval zal door bijmenging een natuurlijke verarming optreden en in het tweede 51

geval zal de computer een armer mengsel realiseren door de hoeveelheid in te spuiten gas te verminderen wat een positieve uitwerking heeft op het detonatiegedrag. Moderne ECU kunnen ook het ontstekingstijdstip regelen, door dit te verlaten wordt de kans op detonatie verminderd. Een stoichiometrische gasmotor (λ =1) draait met een zodanige marge ten opzichte van de detonatiegrens dat met waterstof (tot 10 vol %) geen detonatie optreedt. De marge wordt door het waterstof echter wel verkleind. Dit betekent dat bij gasmotoren die bijvoorbeeld zwaarder belast zijn of hogere luchtaanzuigtemperaturen hebben detonatiegevaar optreedt. Om dit te voorkomen dient het ontstekingstijdstip verlaat te worden (circa 2 krukasgraden). Hiermee wordt de marge voldoende vergroot om detonatie te voorkomen. Bij afstelling tegen de misfiringgrens en waterstofbijmenging gaat de gasmotor nog armer draaien. Het waterstof zorgt in deze gevallen ervoor dat er geen verslechtering van het misfiringgedrag optreedt. Cilinderdrukken Door het waterstofhoudend aardgas vindt de verbranding sneller plaats en zijn de maximale piekdrukken hoger. Door de waterstofbijmenging kunnen de maximale cilinderdrukken tot 10% toenemen. De mechanische belasting van de gasmotor is hierdoor hoger. Uitlaatgassenemissies bij waterstofbijmenging De uitstoot van NOx wordt door bijmenging niet nadelig beïnvloed. Bij enkele testen is gebleken dat door de verarming van het mengsel (lean-burn) een duidelijke NOx reductie optreedt. De emissie CO2 neemt per MJ ongeveer af met het energie-aandeel van de waterstof in het mengsel. De CO-uitstoot wordt niet door de waterstofbijmenging beïnvloed. De methaan-uitstoot wordt positief beïnvloed door de waterstofbijmenging. De grootste verbetering treedt op bij een arm afgestelde gasmotor (reductie van 10-15%). Waterstof is gemakkelijk brandbaar. Energie-inhoud Bijmenging van waterstof in aardgas heeft als negatief effect dat de energie-inhoud per m3 afneemt. De energie-inhoud per m3 van waterstof is beduidend lager dan die van aardgas. De verhoudingen uitgedrukt in gemiddelde energie-inhoud per m3 zijn als volgt: Aardgas = 33,41 MJ/m3; Waterstof = 10,97 MJ/m3. Bijmenging van 10% waterstof resulteert in een verlaging van de energie-inhoud met ong. 7 % dit loopt op naar 17% bij 30% bijmenging. Invloed op het vermogen.

52

De energiedichtheid van een kubieke meter puur waterstof is lager dan aardgas. Echter de invloed op de verbrandingswaarde bij een stoichiometrische mengsel is zeer gering. Bij 30 vol % waterstof in Nederlands gas blijkt de energie-inhoud per m3 mengsel vrijwel niet af te nemen, zodat er bij λ= 1 ook geen vermogensverlies optreedt. Temperatuurseffecten Door bijmenging van waterstof wordt het temperatuursgedrag van het aardgas beïnvloed. Door het aardgas te laten expanderen van 200 tot 9 bar koelt het sterk af. Dit heeft een gunstig effect op de vullinggraad van de verbrandingsruimte. Nadelig is echter dat door een te sterke afkoeling de drukregelaar kan bevriezen. Door bijmenging van waterstof wordt dit effect verminderd. De temperatuursdaling van een expanderende mix van waterstof en aardgas is geringer. Luchtovermaatgetal lambda. Als de Wobbe Index (WI) van een lucht-gas mengsel stijgt of daalt bij verandering van de samenstelling houdt dat feitelijk in dat dit mengsel verrijkt of verarmt bij zo’n samenstellingsverandering. Bij toevoeren van waterstof aan aardgas neemt de WI in eerste instantie af, ondanks dat puur waterstof een iets hogere Wobbe Index heeft dan Nederlands aardgas. Bij 10 vol % H2 neemt de luchtovermaat bij lagedruk gastoevoer toe met 2 %. Bij λ= 1 motoren, welke zowel geschikt zijn voor laag- als hoog calorisch aardgas, valt de afwijking ruim binnen het regelgebied. Bij lean-burn motoren zonder universele zuurstof sensor treedt een verarming op van 2 %. Door verruiming van de ontstekingsgrenzen door waterstof hoeft dit echter op voorhand nog geen probleem te zijn. Resultaten van diverse beproevingen • • •

• •

Bij rijk afgestelde motoren kan detonatie optreden door een klein percentage bijmenging van waterstof. Tot een bijmenging van 80 vol % H2 trad, met een geoptimaliseerd ontstekingstijdstip, geen backfire op. Tussen 10 en 20 % H2 nam het motorrendement toe bij optimale ontsteking, meer H2 gaf echter geen verdere verbetering. De ontstekingstijdstippen werden niet vermeld, zodat niet duidelijk is hoeveel de (naar verwachting) verlating is geweest. Met 30% H2 werden, onder lean-burn omstandigheden, extreem lage NOx waarden bereikt. Met 80 % H2 trad geen pingelen op bij λ= 1 (CR 8.5 : 1 is relatief laag) bijmenging tot 80% met geoptimaliseerde motoren

Conclusies

53

•

•

•

Uit berekening van de eigenschappen van waterstof/methaan mengsels blijkt dat, tot een bijmenging van 20 tot 30 vol % H2 , er geen (thermische en mechanische) problemen zijn te verwachten met het functioneren van ongewijzigde aardgasmotoren. Dit geldt voor bi-fuel en “dedicated” LD en HD motoren en wordt bevestigd door experimenten. Er is geen invloed op het vermogen. Bij hogere percentages kan detonatie optreden bij dedicated motoren (hoge compressieverhouding), afhankelijk van het methaangetal van het aardgas. Ook kan te sterke mengselverarming optreden, afhankelijk van de aardgassamenstelling. Naar verwachting kunnen met optimalisatie van het ontstekingstijdstip t.o.v. aardgas verbeterde resultaten bereikt worden.

Wat is een aardgasvulstation ?

Aardgas wordt gasvormig onder hoge druk (200 bar) opgeslagen in een voertuig. Deze manier van opslaan wordt aangeduid met CNG (Compressed Natural Gas). Dit is noodzakelijk omdat aardgas per m3 een lage energie-inhoud heeft. Een vulpunt op een commercieel station dient dan ook te beschikken over een installatie die het aardgas onder hoge druk kan leveren. De aanvoer van aardgas geschiedt middels het aardgasnet. Door deze manier van aanvoer is het niet noodzakelijk om de brandstof via het wegtransport te distribueren. Een aardgas-afleverinstallatie wordt aangesloten op het aardgasnet. Middels een compressor wordt het aangeleverde aardgas variërend van 30 mbar tot 8 bar gecomprimeerd naar 200 – 250 bar. De einddruk is afhankelijk van de uitvoering die wordt gekozen. Indien met direct vanuit een compressor een voertuig tankt (in de regel een slow-fill situatie) dan is de einddruk 200 bar. Wordt er gebruik gemaakt van een buffer (fast-fill situatie) dan is de einddruk 250 bar. De compressor wordt gekoppeld aan een buffer waar het gas onder hoge druk wordt opgeslagen. Middels een dispenser wordt een voertuig aangesloten en deze wordt vanuit de buffer gevuld. De specifieke eigenschappen van de slow- en fast-fill uitvoering zijn als volgt: Fast-fill De fast-fill uitvoering wordt gebruikt om een voertuig te tanken in een tijd vergelijkbaar met die van de conventionele brandstoffen. Dit systeem kan worden opgedeeld in drie subsystemen: Compressor: Het ongecomprimeerde aardgas wordt middels een compressor gecomprimeerd naar 250 bar. De aansluitdruk (druk in het aanwezige aardgasnet) bepaald in grote mate het rendement van een station. Door een compressor aan te sluiten op een hoge drukleiding wordt het rendement van een station positief beïnvloed. Door het aardgas te comprimeren wordt de temperatuur van het aardgas verhoogd. Dit heeft een negatieve invloed op de opslagcapaciteit.

54

De uitvoeringsvormen waarin compressoren te verkrijgen zijn kunnen worden gescheiden in zuiger- en hydraulische compressoren. Buffer: Het gecomprimeerde aardgas wordt in een buffer opgeslagen. De uitvoeringenvormen hierin zijn éénbank- of meerbanksystemen. Bij het éénbanksysteem wordt het voertuig getankt volgens het overstroom principe. Hierbij is het rendement ong. 18%. Bij meerbanksystemen waarbij afhankelijk van de druk uit een bepaalde bank getankt kan het rendement oplopen tot 50%. Voor het opbouwen van een buffer worden stalen cilinders gebruikt. Dispenser: De vulslang alsmede de meeteenheid en het telwerk zijn ondergebracht in de dispenser. Deze unit is als losstaande zuil of als geïntegreerde unit naast diesel en benzine te plaatsen. Het telwerk wat gekoppeld is aan de meeteenheid geeft de getankte hoeveelheid aardgas weer. Deze wordt uitgedrukt in kg.

Slow-fill De slow-fill uitvoering gebruikt men om voertuigen in de nachtelijke uren te vullen. Hierbij wordt niet getankt vanuit een buffersituatie maar direct vanuit de compressor. Deze methode wordt o.a. gebruikt bij fleetowners die hun eigen voertuigen tanken. Het systeem bestaat uit twee subsystemen: Compressor: Het ongecomprimeerde aardgas wordt middels een compressor gecomprimeerd naar 200 bar. De aansluitdruk (druk in het aanwezige aardgasnet) bepaald in grote mate het rendement van een station. Door een compressor aan te sluiten op een hoge drukleiding wordt het rendement van een station positief beïnvloed. Door het aardgas te comprimeren wordt de temperatuur van het aardgas verhoogd. Dit heeft een negatieve invloed op de opslagcapaciteit. Dispenser: De uitvoering van een slow-fill dispenser behelst alleen een vulslang. Omdat dit systeem niet voor commerciële doeleinden wordt gebruikt ontbreekt het hier aan een meeteenheid en een telwerk.

Invloed van waterstof/aardgasmix op een vulstation

De ervaringen op het gebied van compressoren en het comprimeren van een mix van aardgas en waterstof zijn niet voorhanden. Als referentie is gekeken naar een compressor specifiek voor waterstof geschikt. Rendement Het rendement van een compressor wordt voor deel bepaald door de inwendige lekverliezen. Een aardgascompressor stelt ten aanzien van de zuigerafdichtingen geen specifieke eisen. De invloed van bijmenging van waterstof in het aardgas zal het

55

rendement van de compressor verlagen. Het comprimeren van zeer kleine waterstofmoleculen stelt hogere eisen aan de afdichtingen. De lekverliezen zullen toenemen naarmate het percentage van waterstof bijmenging wordt verhoogt. Materialen Compressoren geschikt voor waterstof worden in sommige gevallen voorzien van een coating om de agressieve invloed van watersof op o.a. de cilinderwanden weg te nemen. Het bijmengen van kleine percentages waterstof heeft op de korte termijn geen directe gevolgen voor de materialen van de compressor. De gevolgen voor de langere termijn zijn bij benadering in te schatten. Hierbij dient vooral gekeken te worden naar de mogelijkheid om de cilinderwanden te coaten. Lekverliezen Tijdens het comprimeren van een gas heeft een zuigercompressor te maken met lekverliezen.Dit niet te vermijden gegeven dient bij het comprimeren van een waterstofmengsel extra aandacht te krijgen vanwege het feit dat waterstof bij zeer kleine concentraties explosief is. Het verdient daarom sterk de voorkeur om voor het comprimeren van een waterstofmengsel een hydraulische compressor te gebruiken. Dit type heeft geen last van lekverliezen. Bufferopslag De door huidige materiaalkeuze bij de bufferopslag, momenteel stalencilinders, is het opslaan van een aardgaswaterstofmengsel in deze cilinders geen probleem. Dispenser De dispenser heeft een meeteenheid die de hoeveelheid brandstof bepaalt aan de hand van het gewicht. Door bijmenging van waterstof wordt deze meetmethodiek niet beïnvloed. De energie-inhoud van een kg waterstof-aardgas mengsel is lager dan van puur aardgas. De klant zou hierbij worden benadeeld als de prijsstelling gelijk zou blijven aan 100% aardgas. Dit kan echter worden aangepast door de prijsstelling van een kg brandstof bij te stellen. Dit negatieve effect wordt echter deels gecompenseerd door het hogere rendement van een motor draaiend op een waterstof-aardgas mengsel met 10 -20 % waterstof. Dat dit gegeven echter voertuig afhankelijk is kan reden zijn om het prijsniveau van een kg brandstof aan te passen.

56

Gassamenstelling De samenstelling van aardgas wat geschikt is voor het rijden op aardgas is niet vastgelegd in een standaard. De eigenschappen van dit aardgas moeten buiten de in hoofdstuk 3 vermelde invloed van waterstof wel aan een aantal aspecten voldoen teweten: Calorische waarde: De ondergrenswaarden zoals die nu voor laagcalorisch gas (L-gas) gelden dienen niet overschreden te worden. In de praktijk blijkt dat voertuigleveranciers moeite hebben om de brede energierange welke aanwezig is tussen L-gas en H-gas te kunnen overbruggen. Vervuilingen en/of aanwezigheid van andere stoffen in het gas: Component Etheen/ethaan Propaan

Aromaten NH3, HCl

H2O

H2S

en

Effect - invloed De klopvastheid van aardgas wordt positief beïnvloed door de aanwezigheid van etheen/ethaan De aanwezigheid van propaan in het mengsel is negatief. Onder hoge druk (250 bar) wordt een propaanluchtmengsel vloeibaar. De systeemdruk in een CNG installatie zal normaliter niet onder de 8-10 komen. Bij deze drukken blijft propaan vloeibaar waardoor in een CNG cilinder een propaanresidu achterblijft in de cilinder. Op den duur beïnvloed dit negatief de vullingsgraad en dus de actieradius van een voertuig. Komen niet voor in aardgas en zijn geen gereglementeerde emissies. De negatieve invloed op de volksgezond is echter wel aanwezig. Deze stoffen vormen in combinatie met water een agressieve vloeistof die de materialen van een aardgas-afleverstation alsmede de CNG installatie in een voertuig kunnen aantasten. Het is dus van belang het waterdampgehalte beneden de gestelde 30 mg/m3 te houden waardoor de vorming van deze agressieve vloeistoffen wordt geminimaliseerd. De invloed van water in een CNG installatie is twee ledig. Aan de ene kant kan door de aanwezigheid van water de vorming van agressieve vloeistoffen ontstaan en aan de ander kant beïnvloed de aanwezigheid van water in de cilinders de vullingsgraad en dus de actieradius van een voertuig.

Economische aspecten Huidige situatie De prijsopbouw per m3 (ex. BTW) is grofweg op te delen in de volgende componenten: Aardgasinkoop € 0,15 Compressiekosten € 0,14 Kapitaalslasten € 0,10 Verkoopprijs € 0,39

57

Deze prijs geldt voor laag calorisch aardgas zoals dat in Nederland wordt verkregen. De verkoopprijs uitgedrukt in kg bedraagt € 0,39 x 1.16 = € 0,45. Het bijmengen van groengas en/of waterstof zal nagenoeg geen invloed hebben op de compressiekosten en de kapitaalslasten zodat gesteld kan worden dat voor een concurrerende verkoopprijs de inkoopprijs van het gas niet hoger mag worden dan € 0,15/m3. De energie-inhoud van een m3 aardgas wat momenteel wordt verkocht aan de pomp bedraagt 33,41 MJ/m3 omgerekend naar kg is dit 38,76 MJ/kg. De prijs aan de pomp komt dus overeen met 11.7 €/GJ, echter de prijs voor het gas (aardgasinkoop) bedraagt slechts 4.5 €/GJ. 4

3

2

1

0

aardgas

LPG

diesel

benzine

Fig. 5.6: Relatieve kostprijs per kilometer voor verschillende brandstoffen. Aardgas = 1

Het voordeel van groengas voor tractiedoeleinden is vooralsnog dat het CO2 neutraal is. De hedendaagse discussie voor wat betreft uitlaatgasemissies gaat voornamelijk over CO2 en niet over de andere emissies. Een expliciet voordeel om groengas te gebruiken voor tractiedoeleinden i.p.v. voor statische toepassingen is mijn inzien niet aanwezig. Het fenomeen Ecotax voor aardgas als tractiebrandstof is op dit moment onbekend. De discussie of er überhaupt belasting moet worden geheven is wel volop aan de gang. Of hier een differentiatie kan worden gemaakt voor groengas is ons niet bekend. Waterstof De financiële afweging die gemaakt moet worden voor het introduceren van het waterstof-aardgas mengsel zal op de volgende aspecten moeten worden gebaseerd: Noodzakelijke aanpassing(en) aardgasafleverinstallatie.

58

Directe aanpassingen aan aardgasafleverinstallatie zijn niet noodzakelijk. Het extra onderhoud op de langere termijn kan worden gemaximaliseerd op € 0,01/m3 uitgaande van een jaarafzet van 500.000 m3/jaar. Het rendementsverlies wat optreedt door bijmenging is verwaarloosbaar en zal geen negatief gevolg hebben voor de m3 prijs. Noodzakelijke aanpassing(en) voertuiginstallatie. De huidige nieuwe motoren, met moderne managementsystemen, zijn in staat om aardgaswaterstofmengsels met percentages tot 20% waterstof goed te verbranden. Energie-inhoud brandstofmengsel. Als wordt uitgegaan van de energiedichtheid van een 1m3 waterstof dan is deze lager dan een m3 aardgas. Echter door de verbeterde verbrandingseigenschappen is de verbrandingswaarde van mengsel aardgas-waterstof bij een stoichiometrische verhouding nagenoeg gelijk. De prijsstelling aan de pomp voor een m3 aardgaswaterstofmengsel kan hierdoor gelijk blijven aan die van 100% aardgas.

59

6. Globale economische procesevaluatie Vanuit technologisch oogpunt is het goed mogelijk methaan te produceren uit natte biomassa via het SCW proces. De vraag is dan ook of het proces economisch gezien perspectief biedt voor de produktie van duurzaam aardgas. De ontwikkeling van het SCW proces bevindt zich nog in een beginstadium en de uiteindelijke uitvoeringsvorm van het proces ligt zekere nog niet vast. Een indruk van het economisch perspectief is in dit stadium belangrijk, maar een gedetailleerde evaluatie is nog niet mogelijk. Vogel en Hildebrand [5] hebben een economische evaluatie gepresenteerd voor de produktie van SNG uit hout via een katalytisch, superkritiek water vergassingsproces. De beoogde schaal was hierbij 20 MWth input, hetgeen 14 MW aan aardgas zou opleveren. Het beoogde proces gaat uit van het gebruik van een Ni katalysator in het proces zelf (“directe methanisering’). De investeringsschattingen werden gebaseerd op data van een superkritiek water oxidatieproces, die grote overeenkomsten vertoond. De uitgangspunten voor hun analyse zijn weergegeven in tabel 6.1. Bedrijfsuren per jaar Levensduur katalysator Katalysator hoeveelheid (WHSV) Methaan opbrengst (evenwicht) Proces efficiency Annuity (15 jaar, 6% rente) Electriciteitsprijs Katalysator prijs Onderhoud

7000 1 jaar 5 kghout/h/kgcat 0.354 kgCH4/kghout 70% 10.3 % 0.05 US$/kWh 56,000 US$/ton 3% van kapitaalskosten

Tabel 6.1: Input gegevens voor de economische analyse.

De benodigde investering voor een dergelijk systeem wordt geschat op ca 6 MU$. Dit betreft niet de investering voor een eerste fabriek, maar er is reeds rekening gehouden met een “learning curve”. De economische evaluatie is samengevat in Tabel 6.2.

Afschrijving Onderhoud Personeel Voeding Electriciteit Katalysator TOTAAL

Jaarlijkse kosten MUS$/jaar 0.61 0.18 0.52 1.77 0.42 0.14 3.64

Specifieke kosten US$/ton CH4 86 25 73 250 59 20 513

% 17 5 14 49 11 4 100

Tabel 6.2: Samenvatting procesevaluatie voor een 20 MW systeem

Op basis van tabel 6.1 wordt een prijs voor het gas berekend van 10 US$/GJ. Met betrekking tot deze evaluatie zijn een aantal opmerkingen te plaatsen:

60

•

• •

De kosten van de voeding (hout) bedragen vrijwel de helft van de totale produktiekosten. (er is gerekend met 3.5 US$/GJ). Hout als voeding voor dit proces ligt niet voor de hand. Beoogde voedingen zijn natte biomassa en vooral ook reststromen, waarbij eerder met een “gate-free” prijs of zelfs negatieve prijzen wordt gerkend. Exclusief de kosten voor de voeding bedragen de totale produktiekosten ca 5 US$/GJ. Het genoemde investeringsbedrag lijkt tamelijk laag te zijn, en er is reeds rekening gehouden met toekomstige leereffecten. Een onzekerheid in de schattingen van tenminste 30% wordt vermeld.

Een weinig gedetailleerde evaluatie wordt gegeven door Elliot et al [11] voor de verwerking van industrieel afvalwater. De thermische capaciteit van de fabriek is echter niet geheel duidelijk. Daarnaast worden er geen kosten vermeld voor de voedingsstroom, maar het lijkt waarschijnlijk dat hiervoor 0 is aangenomen. Investeringen van 4-5 MU$ worden genoemd. Produktiekosten zijn 5-7 US$/m3; het is echter niet duidelijk of dit een m3 aardgas betreft of een m3 behandeld afvalwater. Ook de opbouw van produktiekosten wordt niet vermeld. In een Europees project [23] is door Sparqle, BTG en Callaghan Engineering (Ierland) een haalbaarheidsstudie uitgevoerd naar het SCW proces. Uitgangspunt hierbij was een beoogde fabriek met een capaciteit van 100 MWth. Op basis van een conceptueel procesontwerp is een kostenschatting gemaakt, waarbij een voedingsprijs werd aangenomen tussen –20 en +20 €/ton. De investering werd geschat op 50-60 M€, en de produktiekosten voor het gas bedragen 5 – 8 €/GJ. Tot op heden zijn er slechts zeer beperkt nauwkeurige economische evaluaties van het SCW proces uitgevoerd voor zover dat in dit stadium al mogelijk is. In een Europees project (Superhydrogen) wordt door UHDE High Pressure Technology een basic engineering gemaakt van een fabriek. UHDE is een specialist bij uitstek op het gebied van realisatie van turn-key hoge druk installaties. De resultaten hiervan zullen in de loop van 2005 beschikbaar komen. Ruweg kan gesteld worden dat een investering van 300 – 600 k€/MWth wordt verwacht, en produktiekosten van 5-15 €/GJ.

61

7. Discussie & Conclusies De doelstelling van het project beschreven in dit rapport is het potentieel te onderzoeken van het SCW proces voor de produktie van duurzaam aardgas. Aanleidingen om aardgas te willen verduurzamen zijn o.a.: • In de totale Nederlandse energievoorziening komt een aanzienlijk deel voor rekening van aardgas. In het streven (van de overheid) de energievoorziening te verduurzamen ligt het dus voor de hand ook aardgas te verduurzamen; • Nederland kent een uitgebreide gasinfrastructuur, en maakt het mogelijk vele (kleine) aardgasgebruikers te bereiken; • Aardgasconversie is relatief schoon t.o.v. andere brandstoffen, en kan als zodanig al bijdragen het milieu te ontlasten; • Introductie van duurzaam aardgas draagt bij aan het reduceren van CO2 uitstoot, en vermindert het gebruik van fossiel aardgas. Twee voorwaarden voor de introductie van een nieuwe technologie betreft enerzijds de technologie en anderzijds de economische en marktaspecten. Beide aspecten zijn in dit rapport nader uitgewerkt.

Technologie

Het technologieaspect concentreert zich op het zogenaamde SCW proces. Het SCW proces is een thermochemisch proces. Het proces wordt bedreven bij hoge druk (~300 bar), hetgeen zeer gunstig is voor de vorming van methaan. Het geproduceerde gas zal voornamelijk H2, CH4 en CO2 bevatten. Voor de produktie van een gas compatibel met aardgas zal verdere conditionering noodzakelijk zijn. Een tweetal opties zijn hiervoor beschreven: 1) gebruik van een katalysator in het proces zelf, en 2) nageschakelde methaniseringsreactor. Het gebruik van een katalysator in het SCW proces zelf heeft als voordeel dat het proces mogelijk bij lagere temperatuur uitgevoerd kan worden, en dat endo- en exotherme reakties gecombineerd worden. Dit laatste heeft een positief effect op het thermisch rendement van het proces. Het nadeel van deze benadering is dat er direct contact bestaat tussen de voeding (biomassa/afval) en de katalysator. Verontreinigingen in de voeding (mineralen, S, Cl) kunnen tot snelle deactivering van de (kostbare) katalysator leiden. Afscheiding van CO2 en droging van het gas is nog wel nodig. In de tweede route wordt de methaniserings in een nageschakelde stap uitgevoerd. Direct contact tussen verontreinigingen en katalysator kan dan vermeden worden. In de methaniseringsstap wordt H2 en CO2 omgezet in methaan. Het nadeel van methanisering is dat een deel van de chemische energie wordt omgezet in warmte. Het voordeel in dit geval is dat alle waterstof wordt “verwijderd”, en tegelijkertijd de CO2 concentratie sterk wordt verlaagd (“chemische” verwijdering van CO2). De omzetting van waterstof kan pas achterwege worden gelaten op het moment dat het

62

werkelijk toegestaan is (en niet alleen in studies) waterstof in het aardgasnet te brengen. Zowel route 1 als 2 zullen nog de nodige ontwikkeling vergen en een keuze is op dit moment niet mogelijk. Mogelijkerwijs kunnen beide naast elkaar bestaan afhankelijk van de voeding. De SCW technologie kan een duidelijke rol spelen in een transitie naar waterstof. In feite zijn er drie produkten die met het SCW proces kunnen worden geproduceerd: methaan, methaan/waterstofmengsels en puur waterstof. Afhankelijk van marktontwikkelingen kan het proces aangepast worden. De bovenbeschreven route 2 kent daarin de hoogste flexibiliteit.

Economische en marktaspecten

In Nederland wordt duurzaam aardgas commercieel alleen geproduceerd uit biogas/stortgas. De omvang is vooralsnog bescheiden. Biogas-stortgas produktie is een biologisch proces, en slechts een deel van de biomassa/afval kan worden benut. De ervaringen met deze installaties zijn positief en zijn al meer dan een decennium zonder veel problemen in bedrijf. Het gas wordt bijgemengd in het lokale lage druknet (4 bar). Het alternatief voor aardgasproduktie is lokale electriciteitsopwekking. De keuze voor aardgas of electriciteit is zuiver economisch van aard, waarbij fiscale incentives doorslaggevend kunnen zijn. Voor electricteit is (of was) dit beduidend beter geregeld dan voor groen gas. Twee toepassingen van aardgas zijn nader beschouwd: • bijmenging in het aardgasnet • aardgas als motorbrandstof

Bijmenging in het aardgasnet

Het hoofdtransportnet in Nederland valt onder de verantwoordelijkheid van de Gasunie. Vanuit dit net worden regionale netbedrijven voorzien van aardgas. De basis hiervan zijn meerjarige contracten waarin ondermeer de te leveren gaskwaliteit is vastgelegd. Bijmenging in het hoofdtransportnet impliceert dat er overeenstemming moet bestaan tussen Gasunie en alle regionale gasbedrijven. Bijmenging op regionaal niveau zou eenvoudiger kunnen zijn, omdat een enkel distributiebedrijf zelf zijn keuzes zou kunnen maken. Echter leveringszekerheid en gaskwaliteit naar de eindgebruiker moet wel gegarandeerd kunnen worden. Een complicatie is dat het regionale netbedrijf dan ook de volledige monitoring en gaskwaliteitscontrole zelf moet verzorgen hetgeen de nodige kosten met zich meebrengt. Nederland kent een zeer goede gasinfrastructuur en op vrijwel elke loatie kan over aardgas worden beschikt. Hierdoor is het mogelijk de consumentenmarkt te bereiken,

63

en een situatie vergelijkbaar met groene electricititeit doet zich voor. Juist bij deze gebruikers bestaat er voor de overheid de mogelijkheid via fiscale incentives een nieuw duurzaam produkt te introduceren (e.g. REB vrijstelling). Het succes van groene electriciteit kan in feite simpelweg gekopieerd worden voor groen aardgas.

Aardgas als motorbrandstof (CNG) – “Groene mobiliteit”

Wereldwijd bestaan er al zo’n 3 miljoen aardgasvoertuigen. In Nederland –een aardgasland- heeft grootschalige introductie echter nog niet plaatsgevonden. Aardgasverbruik in voertuigen geeft duidelijke milieuvoordelen; vergeleken met benzine en diesel wordt een aanzienlijke vermindering in de uistoot van bijvoorbeeld CO, NOx en roet bereikt. Diverse automerken leveren al aardgasauto’s af fabriek. Het aantal aardgasvulstations is vooralsnog beperkt; het eerste openbare tankstation staat in Almelo. Op aardgas aan de pomp wordt nog geen accijns geheven zoals het geval voor benzine en diesel, en de kosten per kilometer zijn daarom ook laag. “Thuistankstations” behoort zeker tot de mogelijkheden. De tolerantie voor aanwezigheid van andere componenten in het aardgas kan voor CNG hoger zijn dan voor bijmenging, omdat specifiek naar één toepassing wordt gekeken, en niet bepaald wordt door een scala aan toepassingen. Voor de moderne auto'’ is de aanwezigheid van waterstof geen probleem. Het voordeel van het gebruik van groen aardgas voor tractiedoeleinden is vooralsnog dat het CO2 neutraal is. Het heeft geen invloed op andere emissies. In de huidige prijsopbouw bestaat geen “ecotax” en er bestaat dus geen (financiele) ruimte een differentiatie aan te brengen voor het gebruik van groen aardgas in automobielen.

Samengevat Vergassing van natte biomassa in superkritiek water vertoont interessante karakteristieken voor de produktie van aardgas. Dit blijkt uit zowel thermodynamische berekeningen als ook uit experimenteel werk. De kosten van dit ‘groen aardgas” zullen hoger liggen dan voor fossiel aardgas, maar dit geldt in het algemeen voor duurzaam aardgasroutes, behoudens mogelijk de opwerking van stortgas. De status van de SCW technologie bevindt zich in een stadium dat nog zeker een aantal jaren ontwikkeling benodigd zal zijn, alvorens tot demonstratie kan worden overgegaan. Bijmenging van duurzaam aardgas in het bestaande aardgasnet biedt de mogelijkheid de consumentenmarkt te bereiken, en een aanzienlijke bijdrage te leveren aan de verduurzaming van de energievoorziening. Juist bij de kleinverbruikers heeft de overheid mogelijkheden middels fiscale incentives de introductie te stimuleren. Voor de grootschalige introductie van duurzaam aardgas is overheidssteun onontbeerlijk. Aardgas voor bijmengen stelt wel de hoogste eisen aan de kwaliteit van het aardgas.

64

Introductie van aardgas als tractiebrandstof is in volle ontwikkeling in Nederland. Hierbij wordt aardgas gevuld op een druk van 200 - 240 bar. Toepassing van het SCW proces heeft als mogelijk voordeel dat compressie kan worden uitgespaard. Daarnaast kan de opwerking van het gas worden toegespitst op de toepassing in automotoren. De “driving force’ voor de substitutie van aardgas door groen aardgas is CO2 reductie, waar echter (als transportbrandstof) geen financiele incentives tegenover staan.

65

Symbolen Ki P PI T xi

Evenwichtsconstante Druk Partiaaldruk Temperatuur molfractie

bar-2 bar bar °C -

Literatuurlijst [1] Ullmann, Encyclopedia of chemical engineering, Vol A.12, Gas production, pp 169 [2] J.H. Reith, R.H. Wijffels, H. Barten, Bio-methane & Bio-hydrogen: Status and perspectives of biological methane and hydrogen production, 2003. [3] M. mozaffarian, R.W.R. Zwart, Feasibility of biomass/waste-related SNG production technologies, Novem-NECST project 249-01-03-12-0001, ECN report; ECNCX-02-119, (2003) [4] E.A. Polman, A.B. Alderliesten, G. Mulder, Systeemstudie naar de omzetting van biomassa in duurzaam gas, Kema-Gastec, SDE-P1999-022, rapportnr. Pln/ZGT272, (2001) [5] F. Vogel, F. Hildebrand, Catalytic hydrothermal gasification of woody biomass at high feed concentrations, Conference on high pressure technology, Italie, 2002. [6] L.J. Sealock, D.C. Elliot, E.G. Baker, R.S. Butner, Chemical processing in high pressure aqueous environments. 1. Historical perspective and continuing developments, Ind. Eng.Chem.Res, (1993), 32, pp 1535 – 1541. [7] D.C. Elliot, L.J. Sealock, E.G. Baker, Chemical processing in high pressure aqueous environments. 2. Developments of catalysts for gasification, Ind. Eng.Chem.Res, (1993), 32, pp 1542 – 1548. [8] D.C. Elliot, L.J. Sealock, E.G. Baker, Chemical processing in high pressure aqueous environments.3. Batch reactor process development experiments for organics destruction, Ind. Eng.Chem.Res, (1994), 33, pp 558-565. [9] D.C. Elliot, M.R. Phelps, L.J. Sealock, E.G. Baker, Chemical processing in high pressure aqueous environments.4. Continuous flow reactor process development experiments for organics destruction, Ind. Eng.Chem.Res, (1994), 33, pp 566-574. [10] L.J. Sealock, D.C. Elliot, E.G. Baker, A.G. Fassbender, L.J. Silva, Chemical processing in high pressure aqueous environments.5. New processing concepts, Ind. Eng.Chem.Res, (1996), 35, pp 4111-4118. [11] D.C. Elliot, G.G. Neuenschwander, M.R. Phelps, T.R. Hart, A.H. Zacher, L.J. Silva, Chemical processing in high pressure acqeous environments. 6. Demonstration of catalytic gasification for chemical manufactoring wastewater cleanup in industrial plants, Ind.Eng.Chem.Res., 1999, 38, pp. 879-883. [12] D.C. Elliot, L.J. Sealock, Chemical processing in high-pressure aqueous environments: low temperature catalytic gasification, TransIChemE, 74, Part A, (1996), pp. 563-566. [13] C. Roy, H. Pakdel, H.G. Zhang, D.C. Elliot, Characterization and catalytic gasification of the aqueous by-product from vacuum pyrolysis of biomass, Can.J.Chem.Eng, 72, (1994), pp. 98 – 105.

66

[14] L.J. Sealock, D.C. Elliot, Method for the catalytic conversion of lignocellulosic materials, US Patent 5,019,135, (1991). [15] E.G. Baker, L.J. Sealock, R.S. Butner, D.C. Elliot, G.G. Neuenschwander, N.G. Banns, Hazardous waste & hazardous materials, vol 6(1), 1989, pp. 87 – 94. [16] D.C. Elliot, L.J. Sealock, Low temperature gasification of biomass under pressure, (1985), pp. 937[17] R.S. butner, D.C. Elliot, L.J. Sealock, D.P. Chynoweth, A process study of the biothermal conversion of water hyacinths to methane, (1988), pp. 105-116. [18] Ki Chul Park, Hiroshi Tomiyasu, Gasification reaction of organic compounds catalyzed by RuO2 in supercritical water, ChemComm, (2003), pp. 694 – 695. [19] D.C. Elliot, G.G. Neuenschwander, Low-temperature catalytic gasification of wet biomass, PNNL-SA-37881, presented at 2nd international Workshop on supercritcal gasification, Hiroshima (2003) [20] T. Minowa, Hydrothermal reaction of glycerol, presented at 2nd international Workshop on supercritcal gasification, Hiroshima (2003) [21] K. Tadokoro, E. Ogawa, N. Matsumoto, Y, Nagase, Biomass methanation in supercritical water, presented at 2nd international Workshop on supercritcal gasification, Hiroshima (2003) [22] Nederlandse Gasunie, Physical properties of natural gases, 1980

67

Appendices Tabel 1: Eigenschappen van enkele gasvormige brandstoffen. Brandstof

Waterstof

Methaan

Propaan

n-Butaan

3

m 0 °C; 101.3 kPa 3

Dichtheid

Aardgas

Aardgas

Aardgas

H-gas

H-gas

L-gas

hoog MN

laag MN

Nederland

[kg/m ] gas m/m [%]

0.090

0.717

2.00

2.68

0.74

0.84

0.86

0

0

0

0

2.1 %

8.5 %

24.0 %

[kg/l] vloeibaar

0.071 @

0.42 @

0.50 @

0.58 @

-

-

-

- 253°C

- 162°C

15°C

15°C

Methaan getal

[MN]

0

100

34

10

90

70

83.4

Motor Octane N

[MON]

80.4

> 120

95.6

88.9

-

-

-

Massa inert gas Dichtheid

3

Verbrandingswaarde (laag) Verbrandingswaarde (laag) Verbrandingswaarde (laag)

[MJ/m ] gas [MJ/kg] massa [MJ/l] vloeibaar

10.78

35.9

93.2

123.5

36.1

37.9

32.5

119.8

50

46.3

45.7

48.8

45.1

37.8

8.5 @

21.0 @

23.2 @

28.6 @

-

-

-

- 253°C

- 162°C

15°C

15°C

Stoichiometrische lucht/brandstof

[kg/kg] 3 3 [m /m ]

34.3

17.2

15.7

15.5

16.8

15.5

13.0

2.39

9.54

24.2

32.1

9.6

10.1

8.65

3

Verbrandingswaarde (stoich) Wobbe Index* (laag) Zelf-ontbranding

[MJ/m ] lucht + gas 3 [MJ/m ]

3.20

3.40

3.68

3.71

3.38

3.42

3.37

40.9

48.2

74.7

85.4

47.8

47.1

39.8

[°C]

400

630

450

405

-

-

-

H/C verhouding

[-]

∞

4.00

2.67

2.50

3.95

3.73

3.84

spec. CO2 emissie

[g/MJ]

0

64.8

66.3

55.3

56.6

55.8

54.9 3

3

*) WIi = Hi [MJ/m ]* √1.293/ρ[kg/m ]; bij lage drukverhoudingen (< ~1.2) maatgevend voor de energiestroom door een vaste restrictie bij gelijke drukval.

68

Tabel 2: Eigenschappen na bijmenging van waterstof van Nederlands aardgas.

H2 in Ned. Aardgas 3

Ned. aardgas

10 vol % H2

20 vol % H2

30 vol % H2

Dichtheid

[kg/m ]

0.860

0.783

0.706

0.629

Massa inert

m/m [%]

24.0

23.7

23.4

23.0

Methaangetal

[MN]

83.4

75.1

66.7

58.4

Verbrandingswaarde (laag) Verbrandingswaarde (laag) H2 energie in mengsel

[MJ/m ] gas [MJ/kg] massa MJ/MJ [%]

32.5

30.3

28.2

26.0

37.8

38.7

39.9

41.3

0

3.6 %

7.7 %

12.4 %

Stoichiometrische lucht/brandstof A/F

[kg/kg] 3 3 [m /m ]

13.0

13.2

13.5

13.8

8.65

8.0

7.4

6.7

3

[MJ/m ] lucht + gas 3 [MJ/m ]

3.37

3.37

3.37

3.37

39.8

38.9

38.2

37.3

[-]

3.84

4.06

4.34

4.70

[g/MJ]

56.2

53.9

51.6

49.0

Verbrdngs. waarde (stoich mengsel) Wobbe Index* (laag) H/C verhouding spec. CO2 emissie

3

69