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Energiewirtschaft Juli 2008Coach Prof. Dr. rer. pol. Georg Erdmann
LNG(Liquefied Natural Gas) - als Speicheroption für ErdgasLNG - Storage - Option for natural gas
Physikalische Ingenieurswissenschaft cand. Dipl.-Ing. Soner Emec
&Gaz de France Energy Deutschland
Geschäftsführer Jürgen Stefan Kukuk
Institut für Energietechnik
Department of Energy Systems
Start
LNG - Turbospeicher
Institut für Energietechnik
Department of Energy Systems
Inhaltsangabe
Soner Emec & Jürgen S. Kukuk
1. Energiebilanz von der Quelle bis zum Verbraucher
2.3. Kommunale Anwendung
2.2. Industrielle Anwendung
2. LNG dezentrale Verflüssigung & Speicher
2.1. Stand der Entwicklung Turbospeicher
3.1. Auswahl der wirtschaftlichen Dimensionierung
3.2. Betriebszustandsanalyse anhand der Stadtwerke
3.3. Wirtschaftliche Bewertung Turbospeicher
3. Turbospeicher im wirtschaftlichem Kontext
1. Energiebilanz von der Quelle bis zumVerbraucher
Soner Emec & Jürgen S. Kukuk
2. LNG dezentrale Verflüssigung & Speicher3. Turbospeicher im wirtschaftlichem Kontext
Energiequelle
Entspannungs- anlage
Speicher
Übernahmestation- Versorgernetz
Gasdruck- regelanlage
Haushalte Industrie
=
100 km Verlust 80-90 bar
100bar
100bar
6-8 bar
!
+ ˙ W t , j
!
+ ˙ W t , j
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+ ˙ W t , j
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+ ˙ W t , j
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2c
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+ ˙ S
2 LNG dezentraleVerflüssigung & Speicher
Soner Emec & Jürgen S. Kukuk
Beim Erdgas wird ein möglichst gleichmäßiger Bezug angestrebt.
Vorlieferanten : Gesamtpreis = Arbeitspreis + Spitzenvolumenstrom
Endabnehmer : Industrie-, Gewerbe- und Haushaltskundensowie die Verwendungen in eigenen Erzeugungsanlagen
+ Tag- und Jahresgang
Speicher ermöglichen ein Ausgleich zwischenBezug und Lieferungen
2.3. Kommunale Anwendung2.2. Industrielle Anwendung2.1. Stand der Entwicklung Turbospeicher
variabel
Soner Emec & Jürgen S. Kukuk
Grundlastanlagen zur LNG Gewinnung
Quelle: Hamworthy Gas Systems / Verfahren zur Herstellung von LNGInnoGas – November, 29th/30th 2007Dessau, Deutschland / Sebastian Kunert-- Prozess Ingenieur
Prozessstufen :
CO2 Entfernung Trocknung Vorkühlung Fraktionierung Verflüssigung
- Effizienz : 0,35 kWh / kg LNG- Speicherkapazität : > 200.000 m³- Export durch : LNG Schiffe
- mehrere Prozesszüge- Jährliche Produktion : > 2,5 Mio. Ton./Proz.- Typische Investition : 300-400 USD/ t LNG- Verflüssigungsverfahren : 90% APCI- Propanvorkühlung sowie Gemischkühlkreislauf
2 LNG dezentraleVerflüssigung & Speicher
2.3. Kommunale Anwendung2.2. Industrielle Anwendung2.1. Stand der Entwicklung Turbospeicher
Soner Emec & Jürgen S. KukukQuelle: Hamworthy Gas Systems / Verfahren zur Herstellung von LNGInnoGas – November, 29th/30th 2007Dessau, Deutschland / Sebastian Kunert-- Prozess Ingenieur
Snurrevarden LNG Anlage
- 1 Prozesszug- Jährliche Produk. : ~21.000 t- Investition : ca. 370 USD /t LNG- Verfahren : Stickstoff Brayton-Kreislauf
Prozesstufen: - Trocknung
- CO2 Entfernung - Vorkühlung - Entfernung schwerer
Kohlenwasserstoffe - Verflüssigung
- Effizienz : 0,80 kWh / kg LNG- Speicherkapazität : 250 m³- Export durch : LKW
Anlagenstart war am 15. März 2003
2.3. Kommunale Anwendung2.2. Industrielle Anwendung2.1. Stand der Entwicklung Turbospeicher
2 LNG dezentraleVerflüssigung & Speicher
Soner Emec & Jürgen S. Kukuk
50 – 80 bar Hochdrucknetz
3 bar Ortsnetz
Ent
halp
iezu
nahm
e
Ent
halp
ieab
nahm
e
L N G
Wärme
Arbeit
Verdichtung
Ent
span
nung
Idee
2.3. Kommunale Anwendung2.2. Industrielle Anwendung2.1. Stand der Entwicklung Turbospeicher
2 LNG dezentraleVerflüssigung & Speicher
Soner Emec & Jürgen S. Kukuk
Verschaltung der Komponenten:
• Expansionsturbine
• Verdichter (Kolben-, Lamellen- oder Turboverdichter möglich)
• Wärmetauscher
• Expansionsdrosseln
• CO2 - Abscheider
• Verflüssigungskessel
• LNG – Vorratstank
2.3. Kommunale Anwendung2.2. Industrielle Anwendung2.1. Stand der Entwicklung Turbospeicher
2 LNG dezentraleVerflüssigung & Speicher
Soner Emec & Jürgen S. Kukuk
2 LNG dezentrale Verflüssigung & Speicher
2.3. Kommunale Anwendung2.2. Industrielle Anwendung2.1. Stand der Entwicklung Turbospeicher
Projekt Turbospeicher:
- Entwicklung von „Methatool“
-Machbarkeitstudie
Ziel:
- Berechnung der thermodynamischen Größen an allen relevanten Stellen
- Komplette Simulation der Anlage
- Variable Komponenten
Quelle: Projekt „Turbospeicher“ 2007 IPK Fraunhofer 5 Projektbearbeiter / Thermodynamik- Numerik u. Simulation / - Soner Emec -
Soner Emec & Jürgen S. Kukuk
2 LNG dezentrale Verflüssigung & Speicher
Der zweistufige Turbospeicher mit zweiVerflüssigungskesseln
2.3. Kommunale Anwendung2.2. Industrielle Anwendung2.1. Stand der Entwicklung Turbospeicher
Soner Emec & Jürgen S. Kukuk
2 LNG dezentrale Verflüssigung & Speicher
Funktionsschema mit Druck in bar
2.3. Kommunale Anwendung2.2. Industrielle Anwendung2.1. Stand der Entwicklung Turbospeicher
3 bar
50 bar
28 bar
200 bar
100 bar
3 bar
100 bar
170 bar
3 bar 1 bar
80 bar
Soner Emec & Jürgen S. Kukuk
2 LNG dezentrale Verflüssigung & Speicher
2.3. Kommunale Anwendung2.2. Industrielle Anwendung2.1. Stand der Entwicklung Turbospeicher
288 K
250 K
148 K
280 K
126 K 111 K
285 K
285 K
420 K340 K
340 K250 K
Funktionsschema mit Temperatur in Kelvin K
Soner Emec & Jürgen S. Kukuk
2 LNG dezentrale Verflüssigung & Speicher
2.3. Kommunale Anwendung2.2. Industrielle Anwendung2.1. Stand der Entwicklung Turbospeicher
-85
-51
-43
12
47
175160
-95 -140
- 62
- 531
- 210
- 857 - 910
- 210
Funktionsschema mit Enthalpie in kJ/kg
Soner Emec & Jürgen S. Kukuk
2 LNG dezentrale Verflüssigung & Speicher
2.3. Kommunale Anwendung2.2. Industrielle Anwendung2.1. Stand der Entwicklung Turbospeicher
126 K 111 K
280 K
-210kJ/kg
170 bar
220 K
-470kJ/kg
170 bar
210 K
-470kJ/kg
70 bar
200 K
-490kJ/kg
70 bar
Integration der CO2 – Abscheidung in den Prozeß / Zyklonabscheider
Soner Emec & Jürgen S. Kukuk
2 LNG dezentrale Verflüssigung & Speicher
2.3. Kommunale Anwendung2.2. Industrielle Anwendung2.1. Stand der Entwicklung Turbospeicher
Zw
eistufigeE
ntspannung
Zweistufige Verdichtung /Zwischenkühlung
Blow-off Kühler
Drosselung
1. Stufe
Dros
se--lung2.S
tufe
LNG-Anteil 14 %
Blow off 3 bar
Blow off 1 bar
Rückv
erdi
cht
ung
des
blow
offs
Ausgangspunkt =>
CO2-Reinigung
Soner Emec & Jürgen S. Kukuk
2 LNG dezentrale Verflüssigung & Speicher
2.3. Kommunale Anwendung2.2. Industrielle Anwendung2.1. Stand der Entwicklung Turbospeicher
Verfahren der Rückvergasung:
• konventionelle Beheizung
• Stromerzeugung durch Stirling oder Rankine Kreislauf
• Herstellung von kristallinem CO 2
• Klimatisierung, Lufttrocknung
Soner Emec & Jürgen S. Kukuk
2 LNG dezentrale Verflüssigung & Speicher
2.3. Kommunale Anwendung2.2. Industrielle Anwendung2.1. Stand der Entwicklung Turbospeicher
G3 bar, 280 °K
Außenluft
258°K (-15°C)
Außenluft
253°K (-20°C)
LNG
1 bar, 111°K
Beheizung
Regasifizierung und Energiegewinnung mit Hilfe eines Rankine-Cycles => Methan
Soner Emec & Jürgen S. Kukuk
2 LNG dezentrale Verflüssigung & Speicher
2.3. Kommunale Anwendung2.2. Industrielle Anwendung2.1. Stand der Entwicklung Turbospeicher
Anwendungsbereiche Industrie:
• Ausgleich jahreszeitlicher Bezugsschwankungen
• Erhöhung der Versorgungssicherheit
• Ermöglichung von Abschaltbarkeit
• Brennstoff für Spitzenstromerzeugung
• Kältegewinnung für Klimatisierung, Lufttrocknung, Abgasreinigung
0
20000
40000
60000
80000
100000
120000
140000
1 405 809 1213 1617 2021 2425 2829 3233 3637 4041 4445 4849 5253 5657 6061 6465 6869 7273 7677 8081 8485Soner Emec & Jürgen S. Kukuk
2 LNG dezentrale Verflüssigung & Speicher
2.3. Kommunale Anwendung2.2. Industrielle Anwendung2.1. Stand der Entwicklung Turbospeicher
Spitzenausgleich eines Industrieprofils (Papierfabrik)
0
20.000
40.000
60.000
80.000
100.000
120.000
140.000
1 291 581 871 116114511741203123212611290131913481377140614351464149315221551158016091638166716961725175417831812184118701
Ve
rbra
uc
h i
n k
Wh
0
500
1000
1500
2000
2500
3000
3500
LN
G -
Sp
eic
he
r in
m3
Soner Emec & Jürgen S. Kukuk
2 LNG dezentrale Verflüssigung & Speicher
2.3. Kommunale Anwendung2.2. Industrielle Anwendung2.1. Stand der Entwicklung Turbospeicher
Spitzenausgleich eines Industrieprofils - Papierfabrik
Soner Emec & Jürgen S. Kukuk
2 LNG dezentrale Verflüssigung & Speicher
2.3. Kommunale Anwendung2.2. Industrielle Anwendung2.1. Stand der Entwicklung Turbospeicher
0
10
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30
40
50
60
1.1 21.10 11.8 31.5 21.3 8.1 29.10 18.8 8.6 28.3 16.1 6.11 26.8 16.6
Abnahm
e in M
W
0
200
400
600
800
1000
1200
LN
G -
Speic
her
in m
3
Spitzenausgleich eines Industrieprofils - Automobil-Produktion
Effiziente Spitzenkappung, mögliche Probleme bei häufigen Abschaltung
0
10
20
30
40
50
60
1. Okt. 31. Okt. 30. 30. 29. Jan. 28. 29. 28. Apr. 28. 27. Jun. 27. Jul. 26. 25.
Hohe Spitzenlast wegen vieler Einzelspitzen
Soner Emec & Jürgen S. Kukuk
2 LNG dezentrale Verflüssigung & Speicher
2.3. Kommunale Anwendung2.2. Industrielle Anwendung2.1. Stand der Entwicklung Turbospeicher
Typisches Stadtwerksprofil
0
10
20
30
40
50
60
1. Okt. 31. Okt. 30. 30. 29. Jan. 28. 29. 28. Apr. 28. 27. Jun. 27. Jul. 26. 25.
Ab
na
hm
e i
n M
W
0
500
1000
1500
2000
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3500
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4500
5000
LN
G -
Sp
eic
he
r in
m3
Soner Emec & Jürgen S. Kukuk
2 LNG dezentrale Verflüssigung & Speicher
2.3. Kommunale Anwendung2.2. Industrielle Anwendung2.1. Stand der Entwicklung Turbospeicher
Typisches Stadtwerksprofil
0
10
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30
40
50
60
1. Okt. 31. Okt. 30. 30. 29. Jan. 28. 29. 28. Apr. 28. 27. Jun. 27. Jul. 26. 25.
Ab
na
hm
e i
n M
W
0
500
1000
1500
2000
2500
3000
3500
4000
4500
5000
LN
G -
Sp
eic
he
r in
m3
Soner Emec & Jürgen S. Kukuk
2 LNG dezentrale Verflüssigung & Speicher
2.3. Kommunale Anwendung2.2. Industrielle Anwendung2.1. Stand der Entwicklung Turbospeicher
Typisches Stadtwerksprofil
2 LNG dezentrale Verflüssigung & Speicher
2.3. Kommunale Anwendung2.2. Industrielle Anwendung2.1. Stand der Entwicklung Turbospeicher
Grundeinstellungen:
• 164,5 GWh/a Gasentnahme eines Stadtwerks = 14, 6 Mio m3/a
• 56 MW Abnahmespitze = 4.975 Nm3/h
Speicher- und Maschinendimension
• Speicher mit 410 700 Nm3 Gasinhalt = 4,8 GWh =685 m3 LNG
• Turbospeicher mit 1250 m3/h Durchsatz und 125 Nm3/h LNG-
Produktion (= 0,21 m3/h, flüssig)
Wirtschaftlicher Nutzen
• Reduktion der Abnahmespitze auf 35 MW = 3.125 Nm3/h
• Steuerbarkeit des Gasabsatzes für den Stundenausgleich
• Sicherheit gegen Lieferunterbrechungen
Beispielrechnung für ein kleines Stadtwerk
Einsparung liegt bei 21 MWh/h = 252.000 EUR/a Soner Emec & Jürgen S. Kukuk
0,000
10,000
20,000
30,000
40,000
50,000
60,000
1 1001 2001 3001 4001 5001 6001 7001 8001
a. Hohe Leistung – geringere Volllaststunden
b. Geringere Leistung – hohe Auslastung
Auswahl der Dimensionierung eines Turbospeichers
Soner Emec & Jürgen S. Kukuk
3 Turbospeicher im wirtschaftlichem Kontext
3.1. Auswahl der wirtschaftlichen Dimensionierung 3.2. Betriebszustandsanalyse anhand der Stadtwerke 3.3. Wirtschaftliche Bewertung Turbospeicher
Soner Emec & Jürgen S. Kukuk
3 Turbospeicher im wirtschaftlichem Kontext
3.1. Auswahl der wirtschaftlichen Dimensionierung 3.2. Betriebszustandsanalyse anhand der Stadtwerke 3.3. Wirtschaftliche Bewertung Turbospeicher
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
A B C D E F G H
Stadtwerk
Kundenverbrauch 0,169 TWh
15.225.225 m3
Spitze max 56,33 MWh
3000 5.075 m3/h
Base min 15 %
Durchsatz 761 m3/h
V-faktor 14 %
V-Volumen 107 m3/h
V-Stunden 5500 h/a
Jahresleistung 586.171 m3/a
flüssig 977 m3/a Höhe 6 m
Anzahl 5
Druck 50 bar Durchm 3,22 m
Betriebsvolumen 15 m3/h
Umdrehungszahl 800 1/min
Schluckvol. pro U 0,31719 liter/Umdrehung
Leistung p2/p1 * V * ro methan * Gravikon
netto 25690 J m3/h*kg/m3*m/s2
7,14 kW
LNG Produktion Beispiel Stadtwerke
Version a. = Produktion von LNG = 977 m³/amittlerer Speicher (4600 m³)
Soner Emec & Jürgen S. Kukuk
3 Turbospeicher im wirtschaftlichem Kontext
3.1. Auswahl der wirtschaftlichen Dimensionierung 3.2. Betriebszustandsanalyse anhand der Stadtwerke 3.3. Wirtschaftliche Bewertung Turbospeicher
Version b. = Produktion von LNG = 586 m³/akleiner Speicher (1500 m³)
1
2
3
4
5
6
7
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12
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14
15
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18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
A B C D E F G H
Stadtwerk
Kundenverbrauch 0,169 TWh
15.225.225 m3
Spitze max 56,33 MWh
3000 5.075 m3/h
Base min 9 %
Durchsatz 457 m3/h
V-faktor 14 %
V-Volumen 64 m3/h
V-Stunden 5500 h/a
Jahresleistung 351.703 m3/a
flüssig 586 m3/a Höhe 6 m
Anzahl 5
Druck 50 bar Durchm 2,49 m
Betriebsvolumen 9 m3/h
Umdrehungszahl 800 1/min
Schluckvol. pro U 0,19032 liter/Umdrehung
Leistung p2/p1 * V * ro methan * Gravikon
netto 15414 J m3/h*kg/m3*m/s2
4,28 kW
LNG Produktion Beispiel Stadtwerke
Soner Emec & Jürgen S. Kukuk
3 Turbospeicher im wirtschaftlichem Kontext
3.1. Auswahl der wirtschaftlichen Dimensionierung 3.2. Betriebszustandsanalyse anhand der Stadtwerke 3.3. Wirtschaftliche Bewertung Turbospeicher
Wirtschaftlichkeits-Analyse :
• Ersparnis Leistungspreis
• Einspeisung Regelenergie
• Stromerzeugung
• Einsparung Heizgas
Soner Emec & Jürgen S. Kukuk
3 Turbospeicher im wirtschaftlichem Kontext
3.3. Wirtschaftliche Bewertung Turbospeicher
Wirtschaftlichkeit
Leistungspreis
Leistung A 56 14 780.044,37
Leistung B 35 14 490.000,00
jährliche Ersparn. 290.044,37
Barwert 3.625.554,60
Verkauf von Regelenergie Gas
Einspeisung in das Netz 40 EUR/MWh
Aufnahme aus dem Netz 15 EUR/MWh
25 EUR/MWh
* 14 *1000 350.000,00
Barwert 4.375.000,00
- Ersparnis Leistungspreis- Einspeisung Regelenergie
- Stromerzeugung- Einsparung Heizgas
Soner Emec & Jürgen S. Kukuk
3 Turbospeicher im wirtschaftlichem Kontext
3.3. Wirtschaftliche Bewertung Turbospeicher- Ersparnis Leistungspreis- Einspeisung Regelenergie
- Stromerzeugung- Einsparung Heizgas
Wirtschaftlichkeit
Stromerzeugung
Leistung 3 MW el
Wirkungsgrad 33%
Gaseinsatz 7,1 MW th.
Betriebszeit 2000 h/a
Erlös 85 EUR/MWh 510.000,00
Kosten 50,0 EUR/MWh 300.000,00
Differenz 210.000,00
Barwert 2.625.000,00
./. Investitionen 2.400.000,00
Einsparung Heizgas
Joule Thompson Effekt 42 kJ/m3
Leistung 1,66 Wh/m3
0,035 ct/m3
31500 EUR/TWh 31.500,00
Barwert 393.750,00
Soner Emec & Jürgen S. Kukuk
EndeDanke für die
Aufmerksamkeit !!!
11 Juli 2008 BerlinEnergiewirtschaft