Einführung in Energie und rohstoffe kapitel 5 Produktion 2013

Grundlagen

Erdgastransport und -verteilung

Prof. Dr.-Ing. Joachim Müller-Kirchenbauer

Dipl.-Wi.-Ing. Bastian Sauer

Lehrstuhl für Gasversorgungssysteme – Institut für Erdöl- und Erdgastechnik

Sommersemester 2013

Prof. Dr. J. Müller-Kirchenbauer

Lehrstuhl für Gasversorgungssysteme 2 Grundlagen Erdgastransport und –verteilung Sommersemester 2013

Übersicht

1. Einführung und Grundlagen

2. Entwicklung der Gasversorgung

3. Aktueller Stand der Erdgasversorgung

4. Erdgastransport

5. Entstehung, Produktion und Aufbereitung

6. Erdgasspeicherung

7. Erdgasverteilung

8. Technische Sicherheit und Regelwerke

9. Wirtschaftliche Rahmenbedingungen und Regelwerke



Entstehung, Produktion und Aufbereitung

Entstehung von Erdgas

Erdgasförderung

Biogaserzeugung

Aufbereitung



Entstehung von Erdgas (1)

Sedimentationsphase

– Entstehung vor vielen Millionen

Jahren durch Ablagerungen

organischen Materials, z. B.

– abgestorbenen Pflanzen und

Kleinstlebewesen

– unter Abschluss von

Luftsauerstoff.

Methanentstehung unter Mitwirkung

von Bakterien möglich.




Absenkungsphase

– Absinken des Materials

innerhalb geologischer

Zeiträume und

– Überdeckung durch

mächtige Sedimentschichten

Durch hohe Drücke und

Temperaturen Prozess der

Inkohlung und dabei auch

Entstehung flüssiger und

gasförmiger Kohlen-

wasserstoffe möglich

Entstandenes Erdgas verblieb

zunächst in Poren des

Muttergesteins in instabilem

Zustand




Aufgrund von Instabilität erfolgte später eine Wanderung (Migration) in

andere Formationen, in denen Erdgas schließlich heute vorgefunden wird.

Daneben Umwandlung

von sedimentiertem

organischem Material zu

Erdöl und Kohle.



Bewegung von

Erdgas im

Gesteinskörper

Sekundäre Migration Primäre Migration

Primäre Migration: Abwanderung des Gases aus dem Muttergestein in benachbarte

Schichten mit besserer Durchlässigkeit

Sekundäre Migration: In durchlässigen "Migrationsbahnen" kann Gas unter

Umständen sehr weite Strecken (bis ~100 Kilometer) zurücklegen

Migration (1)



Migration (2)

• Flächenhafte Verteilung des Erdgases ungünstig für wirtschaftliche Förderung

• Ausbildung einer geologischen Fallenstruktur, in der das Gas langfristig gebunden wird

und sich anreichert.

• Fallenstrukturen sind bevorzugte Explorationsziele.

• Fallentypen z.B. antiklinale Fallen (Sattelstruktur), Salzdiapir Fallen, Störungsfallen

Migration Migration

Undurchlässiges Gestein „seal“

Poröses Speichergestein

Gas bzw. Öl Lagerstätte




Salzdiapir Falle Antiklinale Falle Störungsfalle

Migration Migration

Migration




Salzdiapir



1) Trockenes Gas (reine Gasfelder):

Förderung in geringer Tiefe aus reinen Gaslagerstätten

Sofortige Verfügbarkeit ohne vorherige Reinigung

2) Nasses Erdgas (Erdgaskappe, Erdölbegleitgas):

gemeinsame Förderung mit Erdöl aus großen Tiefen

durch hohen Druck (bis zu 300 bar bei Tiefen bis zu 7.000 m)

werden die Kohlenwasserstoffe im Erdöl gelöst

bei Erdölförderung werden die Kohlenwasserstoffe

verdampft und wieder vom Erdgas aufgenommen

Gasreinigung vor weiterer Nutzung erforderlich

3) Sonstige Begleitstoffe (insb. Schwefelverbindungen Sauergas)

Gasreinigung vor weiterer Nutzung erforderlich

Erdgasvorkommen





Erdgasförderung

Biogaserzeugung

Aufbereitung



Erdöl- und Erdgasförderung (1)



Erdöl- und Erdgasförderung (2)

Förderung aus dichtem

Gestein

– Gering durchlässiger

Sandstein (tight gas)

– Tonschiefer (shale

gas)

Gasförderung aus

Kohleflözen

– Flözgas

(coalbed methane)

– Grubengas

(coalseam und

coalmine methane)

Keine Förderung

– Aquifergas

– Gashydrate





Erdgasförderung

Produktion von Biogas

Aufbereitung



Begriffsabgrenzung

Bioerdgas/Biomethan

• aufbereitetes Biogas mit

Erdgasqualität

• der Methananteil liegt bei

> 96 %

• Bioerdgas ist ein Produkt-/

Vertriebsname

Biogas

• entsteht aus dem Abbau

von organischen Stoffen

unter Luftabschluss

(anaerob)

• ein Mischgas, dessen

Hauptkomponenten

Methan und CO2 sind (bei

fermentativer Entstehung)

• leichter als Luft

Aufbereitung



Beschaffenheit von Biogas

Quelle: ASUE



Vergärungsprozess (Fermentation) (1)

Vergärungsprozess

• Entstehung durch den Abbau

organischer Stoffe unter

Luftabschluss

• Biologischer Prozess unter

Beteiligung verschiedener

Mikroorganismen (Bakterien)

• Untereilung des Abbauprozesses

in 4 Stufen

- Hydrolyse

- Versäuerung

- Acetogene Phase

- Methanbildung

• Abbaugeschwindigkeit abhängig

von Zellenwachstum und

Enzymaktivitäten



Vergärungsprozess (Fermentation) (2)

Polymere Substrate

(Kohlenhydrate, Fette, Eiweiße)

Bruchstücke und gelöste Polymere

H2 CO2 org. Säuren Alkohole Essigsäure

Essigsäure

CH4, CO2

Hydrolyse

Versäuerung

acetogene Phase

methanogene Phase



Aufbau einer landwirtschaftlichen Biogasanlage



Typen von Biogasanlagen (1)

Nassfermentation (< 30% TS)

– Gärgut wird verflüssigt und ist somit über den gesamten Prozess

pumpbar • Rührwerkseinsatz obligatorisch um Masse homogen und pumpfähig zu halten

– Ermöglicht den Einsatz von Gülle

– Kontinuierlicher Prozess mit gleichmäßiger Gasproduktion • Z.B. Fütterung einmal täglich in Vorratsbehälter von dort stündliche automatische Fütterung

durch Schnecken



Typen von Biogasanlagen (2)

Trockenfermentation (~ 30-50 % TS)

– oft diskontinuierliche Vergärung • Garagenfermenter wird befüllt, Inhalt komplett vergoren und nach Öffnung entleert

• Prozessdauer bis zu einem Monat

• Inhalt wird kontinuierlich mit den Gärsäften im Kreislauf berieselt um die Gärung zu

unterstützen

– Mehrere Fermenter einer Anlage werden im Kreis betrieben • gleichmäßigere BHKW Auslastung (bzw. Auslastung der Gasaufbereitung)



Ausgangsstoffe und Gaserträge verschiedener Rohstoffe

Konfermentate

Konfermentate

Konfermentate

Konfermentate

Tier-Exkremente

NawaRo

NawaRo

NawaRo

Quelle: ASUE



Ausgangsstoffe (NawaRo) mit Vor- und Nachteilen

Mais

• Hohe Erträge pro ha

• EEG 2012 beschränkt Maisanteil für Neuanlagen auf 60 Massenprozent

• Verweildauer 90 Tage für vollständigen Abbau

• Hoch entwickelte und gut verfügbare Erntetechnologie

Zuckerrübe • Kurze Verweildauer im Fermente (hoher Saccharoseanteil)

- ~15 Tage

• Einsatzmenge aktuell nicht durch EEG beschränkt

• Stabilisiert den Prozess und kann zum schnellen Anfahren eingesetzt werden

• Lagerprobleme

- Daher häufig nur Einsatz bis in den Frühling möglich

• Probleme mit hohen Sand/Steinanteilen die an den Rüben haften und Verschleiß

begünstigen

Weitere Getreidesorten als Ganzpflanzensilage/Grassilage • Einsatz als Zwischenfrucht (für den Winter) möglich

- Ertragserhöhung

• Rührwerksproblem und erhöhter Strombedarf durch lange Fasern und gelartige Konsistenz

möglich



Entwicklung der Anlagenzahl



Allgemeine Rahmenbedingungen

Die Nutzung von Biogas ist ein aktuelles und zukunftsweisendes Thema.

Politische/gesetzliche Rahmenbedingungen begünstigen die Nutzung von

Biogas:

– Erneuerbare Energien/nachwachsende Rohstoffe (NawaRo) werden

positiv beurteilt

– Vergütung nach dem Erneuerbare Energien-Gesetz (EEG) für Strom

aus Biomasse (und auch für die Gaseinspeisung mit nachgelagerter

Verstromung an einem anderen Ort EEG 2012)

– Unterstützung durch Gesetze und Verordnungen

Die Aufbereitung von Biogas auf Erdgasqualität ist technisch möglich.

Senkung der Importabhängigkeit bei der Energieversorgung, Deckung des

Energiebedarfs aus regionalen Quellen. Die Umstrukturierung bisheriger

Subventionen für die Landwirtschaft in Europa ist politisch gewünscht.



Politische Rahmenbedingungen

Das Erneuerbare-Energien-Gesetz (EEG) fördert die Verstromung

(Vergütung ist für 20 Jahre zugesichert, Abnahmepflicht der

Stromversorger).

Keine gesetzliche Einspeisevergütung für Bioerdgas aber Abnahmepflicht

der Energieversorger

Das Energiewirtschaftsgesetz, das Energiesteuergesetz, das EEG, die

Biomasseverordnung, die Gasnetzzugangsverordnung und

Gasnetzentgelt-verordnung sowie die DVGW-Arbeitsblätter G 260, 262,

280, 685 bilden die rechtliche und technische Grundlage für die

Einspeisung von Bioerdgas ins Erdgasnetz und seinen Vertrieb.



EEG 2012 (1)

Vergütung laut § 27 EEG

Leistung Grundvergütung Einsatzstoffvergütungsklasse I Einsatzstoffvergütungsklasse II Vergärung von Bioabfällen

in kW in ct/kWh in ct/kWh in ct/kWh in ct/kWh

≤ 75 25 ------------------------

≤ 150 14,3 6 8 16

≤ 500 12,3 6 8 16

≤ 750 11 5 8 14

≤ 5000 11 4 8 14

≤ 20000 6 0 0 14



EEG 2012 (2)

Besondere Förderung von Kleinanlagen § 27b EEG

– >80% Gülleeinsatz bei der Vergärung

– <75 kW installierte Leistung

– Verstromung am Anlagenstandort

– Pauschalvergütung für Anlagen, welche diese Bedingungen erfüllen mit

25 Cent/kWh

Vergütung von Gaseinspeisung ins Erdgasnetz mit anschließender

Entnahme zur Verstromung an anderem Ort

– 3 ct/kWh bis 700 Nm³/h



– Maßgeblich ist die Nennleistung der Gasaufbereitungsanlage

Ausblick:

– Ab 01.01.2014 nur noch Förderung für Anlagen <750kW durch das EEG



Rechtliche Rahmenbedingung



Entwicklungserwartungen

Technischer Fortschritt bei

Anlagen

Erhöhte Flächeneffizienz in

der Landwirtschaft

Optimierung der

Biomassevergärung

Optimierung der Pflanzen und

Züchtung auf

Biomassebildung



Biogaspotenzial der Bundesländer



Vertretbare Transportentfernungen

Gülle

5 – 10 km

NAWARO

15 – 20 km

Kommunale

Reststoffe

20 – … km



Marktaspekte

• Verbesserung der Klimabilanz der Gasversorgung

• Erweiterung des Produktportfolios

• Erhöhung der Reichweite von Erdgas

• Senkung der Importabhängigkeit

Quelle: ASUE



Nutzungsmöglichkeiten für Biogas

Heizen/

Klimatisieren

Kraftstoff

Aufbereitung

Einspeisung

Verstromung Biogas-

erzeugung

Verstromung

BioErdgas

Stand der

Technik

Entwicklung



Biogasverstromung (1)

1. Nutzungsart

Stromerzeugung am Standort

•Prognose für 2013: 3312 MW

installierte elektrische

Leistung in Deutschland

•Laut EEG 2012 müssen 60%

der entstehenden Wärme

abgenommen werden oder 60

Massenprozent Gülle im

Prozess eingesetzt werden um

die Vergütung zu erhalten

•Betreiber sind Landwirte

•Zunehmende alternative

Betreibermodelle zur

Finanzierung

Quelle: ASUE



Biogasverstromung (2)

2. Nutzungsart

Transport über Biogas-Leitung zu

geeignetem KWK-Standort

• Transport von Biogas zu Orten mit

ausreichende Wärmebedarf in

gesonderten Leitungen

• Vorteil: geringere Qualitäts-

anforderungen und somit

reduzierter Aufbereitungsaufwand

gegenüber Transport im

Erdgasnetz

Biogasanlage

Biogas-

BHKW

Biogasleitung

Biogasproduzent

EVU

Strom Wärme



Einspeisung in öffentliches Gasversorgungsnetz

3. Nutzungsart

Aufbereitung zu Bioerdgas und

Einspeisung ins Erdgasnetz

• Verteilung von Bioerdgas über

Erdgasnetz

• Erzeugung von Strom und Wärme

in KWK-Anlagen,

• Einsatz im Haushalt

• Einsatz als Kraftstoff,

• Energie im Biogas kann weitest-

gehend genutzt werden

Quelle: ASUE





Erdgasförderung

Produktion von Biogas

Aufbereitung



Biogas-Aufbereitung (1)

• Anreicherung von Biogas auf Erdgasqualität

• Entfernung aller störender Begleitstoffe

• Zur Einspeisung in Erdgasnetze ist nach einer Entschwefelung die

Anhebung des Methangehaltes des Biogases (Abtrennung CO2) und

Wasserentfernung erforderlich

• Produkt Bioerdgas muss dem Regelwerk des DVGW (G 260 bzw. G 262)

genügen.

Quelle: ASUE



Biogas-Aufbereitung (2)

kritische Bestandteile

Biogas

• Wasserdampf,

Schwefelwasserstoff

• Ammoniak, Siloxane,

Luft (N2, O2)

• Aromatische Ver-

bindungen, Halogene

(Chloride, Fluoride)

• COs

Aufbereitung für direkte

Verwertung (BHKW)

• Trocknung

• Filtration

• Entschwefelung

Aufbereitung für

Einspeisung Erdgasnetz

• Trocknung

• Filtration

• Entschwefelung

• Feinreinigung von

Spurengasen (H2S, NH3,

Chlorverbindungen)

• Abtrennung von CO2

(Methananreichung)

mittels chem. o. phsyk.

Verfahren



Anzahl der Einspeiseanlagen für Biogas

Quelle: Dena/Biogaspartner



Biogas-Monitoring-Bericht der BNetzA (2012) (1)

Einspeisemenge von aufbereitetem Biogas ist derzeit noch weit von den für

2020 gesteckten Zielen entfernt

– 275 Mio m³ Biogaseinspeisung in 2011

– 473 Mio m³ Biogaseinspeisung in 2012

– 6000 Mio m³ jährliche Biogaseinspeisung bis zum 2020 als Ziel

Gaspreise im Vergleich

– Herstellkosten für aufbereitetes Biogas 1,6 – 10,2 ct/kWh je nach

Ausgangsstoff, im arithmetischen Mittel bei 5,4 ct/kWh

– Durchschnittlicher Verkaufspreis Biogas: 3,99 ct/kWh

– Grenzübergangspreis fossiles Erdgas: 2,6 ct/kWh

– Durchschnittlicher Spotmarktpreis fossiles Erdgas: 2,27 ct/kWh

Durchschnittliches Einspeisevolumen einer Anlage 778 Nm³/h



Biogas-Monitoring-Bericht der BNetzA (2012) (2)

Vergütung durch das EEG bei Verstromung von aufbereitetem Biogas und

Einführung einer Flexibilitätsprämie sollen den Absatz erleichtern, da derzeit

keine preisliche Konkurrenzfähigkeit zu fossilem Erdgas gegeben ist

Netznutzungskosten können von den Netzbetreibern auf alle Netznutzer

umgelegt werden

– Diese Wälzungskosten stiegen 2011 auf 78 Mio €/Jahr im Vergleich zu

54 Mio € im Vorjahr und sind unterschiedlich über die Marktgebiete

verteilt

Gemäß §54 EnWG Fachverantwortlichkeit der BNetzA für alle Fragen des

Biogasnetzanschlusses und der Biogaseinspeisung



Methananreicherung

Grundoperation Verfahren (Beispiele) Trenneffekt

Adsorption Druckwechselverfahren (PSA) Adsorption von CO2 an einem

Kohlenstoffmolekularsieb

Absorption Druckwasserwäsche (DWW) Lösung von CO2 in Wasser

Chemische Absorption Monoethanolamin (MEA)-Wäsche Chemische Reaktion von CO2 mit

MEA

Membrantrennung Polymermembrangastrennung Membrandurchlässigkeit für CO2

höher als für CH4

Kühlung Tieftemperaturtrennung

(Kryotrennung)

Phasentrennung von flüssigem CO2

und gasförmigen CH4

Weiterhin: Amin-Wäsche (in Schweden derzeit 2 großtechnische Anlagen mit diesem Verfahren

betrieben)



Anreicherungsverfahren im wirtschaftlichen Vergleich



Druckwechseladsorption (PSA)

PSA - Pressure Swing

Adsorption

• zur Verhinderung der

Beeinträchtigung der

Trennleistung ist die

Entfernung von H2S,

H2O und weiterer

Gasbestandteile vor der

Methananreichung

erforderlich

• vor Eintritt in PSA sind

max. 5 mg/m³ H2S bzw.

0,2 g/m³ H2O zulässig

Quelle: ASUE



Druckwasserwäsche

Druckwasserwäsche

• keine Besonderen Qualitäts-

anforderungen an Rohbiogas

• Wesentlichen Anlagenteile:

- Desorptionskolonne

- Verdichter u. Gebläse

- Kühler

- Gastrocknung

Quelle: ASUE



Zusatzgas – Austauschgas

Zusatzgas

• Diskontinuierliche oder

kontinuierliche Gasein-

speisung entsprechend der

örtlich möglichen Ver-

mischungsregel

• Einhaltung der maximalen

Schwankungsbreite des

Brennwertes gemäß G 685

(abhängig von Bioerdgas-

menge, Aufbereitungs-

qualität und Netzgrund-

last)

Austauschgas

• Kontinuierliche Gasein-

speisung ins Endver-

brauchernetz möglich auf

Basis der vorhandenen

Netzkapazität

Anforderungen in

DVGW G 260, Pkt.

4.3 und 4.4 definiert



Wirtschaftlichkeit

Kriterien für Wirtschaftlichkeit

• Mindestgröße der Anlage zur Ausnutzung

der Kostendegression

• Ausreichend lange Laufzeit des

Energieliefervertrages

• Langfristige Verfügbarkeit der Rohstoffe

• Zugang zu geeigneten Gasnetz

(Druckstufe, Transportkapazität)

• Qualitätsanforderungen

• Brennwertvorgabe (Verhinderung LPG-

Zugabe)

• Lage und Erschließung Grundstück

(Netzanschluss, Erreichbarkeit)

• Hektar-Ertrag, Bodenqualität

• Größe Anbaugebiet, Einzugradius

Beispielrechnung für PSA-Anlage:

Die spezif. Kosten für die Aufbereitung

steigen bei niedrigen Rohbiogasmengen

deutlich an.

Quelle: ASUE



Bioerdgas-Einspeisung

zu beachtenden Regelwerke

• DVGW G 260

(„Gasbeschaffenheit“)

• DVGW G 262 („Nutzung von Gasen

aus regenerativen Quellen in der

öffentlichen Gasversorgung“)

• DVGW G 280-1 („Gasodorierung“),

• DVGW G 280-2 („Umstellung der

Odorierung von Gasen in der

öffentlichen Versorgung“)

• DVGW G 685 („Gasabrechnung“)

Quelle: ASUE



Qualitätsanforderungen nach DVGW G 260

Komponente Rohbiogas Erdgas H-Gas

(Russland)

Erdgas L-Gas

(Holland)

Methan 40 – 75 % 98,3 Vol. % 81,3 Vol. %

Kohlendioxid 25 – 55 % 0,1 Vol. % 1,0 Vol. %

Stickstoff < 2 % 0,8 Vol. % 14,2 Vol. %

Sauerstoff < 0,5 % 0 Vol. % 0 Vol. %

Schwefelwasser-

stoff

< 500 ppm

Siloxane < 100 mg/m³

Kohelnwasser-

stoffe

< 100 ppm

Wasser Gesättigt

Brennwert 6 – 7,5 kWh/m³ 11,1 kWh/m³ 9,8 kWh/m³

Wobbeindex 6 – 10 kWh/m³ 14,8 kWh/m³ 12,2 kWh/m³



Anforderungen für die Netzeinspeisung

Anforderungen an Netzeinspeisung

• Nachweis der Gasqualität

• Geeichte Messung des Volumen-

stromes (Abstimmung mit

Eichämtern)

• Einbau von Gaschromato-

graphen zur Messung von u.a.

- Gaszusammensetzung

- Brenn- bzw. Heizwert

- Taupunkt

• Odorierung

• Automatische Unterbrechung bei

Überschreitung von Grenzwerten Quelle: ASUE

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Einführung in Energie und rohstoffe kapitel 5 Produktion 2013