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Bereit für die Energiewende?
Mit Wasserstoff in die Zukunft.
Übersicht
• Energiewirtschaft und Energiewende heute– Zweifel und Probleme– Machbarkeit der Energiewende
• Warum wir Wasserstoff brauchen– Die Vision einer Wasserstoffwirtschaft
• Zusammenfassung2
Heutige Energieversorgung
Zentrale Großkraft
werke
Solar
WindStrom
Heizenergie-träger
• Heizöl• Erdgas
Solar
Heizung
• Warmwasser• Raumwärme
Verlust
Stromnetz
SolarStromspeicher
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Biomasse
Notwendigkeit der Energiewende
• Klimawandel• Ressourcenknappheit• Abhängigkeit von Importen
• Energiewende: 100% Erneuerbare Energien
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Machbarkeit der Energiewende
technisch und wirtschaftlich
5
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Globales Szenario: 100 % erneuerbare Energien
Einsparungen + Effizienzmaßnahmen
Kosten der konventionellen Energien
• Forschungsausgaben und Subventionen
Gesellschaftliche Kosten
• Anpassung an den Klimawandel
• Belastung des Gesundheitssystems
• Kernenergie: Rückbau und Endlagerung7
Kosten der erneuerbaren Energien
8Quelle: Zentrum für Solar und Wasserstoffforschung
10 Jahre
Problem der Energiewende
• Wie werden Verbrauch und Erzeugung in Einklang gebracht?
KonventionellerErzeuger
VerbraucherVerbraucher
Verbraucher
ErneuerbarerErzeuger
ErneuerbarerErzeuger
ErneuerbarerErzeuger
Stromnetz
fluktuiere
nd
regelbarfluktuierend
kontrolliert
Speichersaisonallangfristig
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Zusammenfassung des Fluktuationsproblems
• Mögliche Lösung– Massiver Netzausbau
– Speicherausbau
– Break-Even-Point zwischen Netz- und Speicherausbau
• Nachteile des Netzausbau– nur begrenzt sinnvoll (Großwetterlagen)
– hohe Infrastrukturkosten/aufwendiges Lastmanagement
– Erneuerbare Energien von Natur aus dezentral
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Die Wasserstoffwirtschaft
Wie eine Vision Wirklichkeit wird!
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Wasserstoffnutzung• stationär• mobil
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H2
O2
H2O
Wärme
Strom
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Brennstoffzellenheizung
Produktion von Strom und Wärme etwa im Verhältnis 1:1
Im Sommer ist das Verhältnis von Warmwasser- zu Strombedarf etwa 40:60.
Brennstoffzelle
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Brennstoffzellenfahrzeuge
• hoher Komfort – Elektromotor– Brennstoffzelle und
Wasserstoffdrucktank• Bremsenergierückgewinnung
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Mercedes F-Cell, 700 Bar Tank, 400 km
Van Hool, 350 Bar Tank, 350 km
Toyota FCHV, 700 Bar Tank, 800 km
Wasserstofftransport und Speicherung
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Wasserstofftransport
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Stromnetz Gasnetz
Verluste ca. 6%
verbrauchsabhängige Erzeugung nötig
600 MW-Leitung, 110kV: 1,2 Mio. €/km
Netzentgelt 2011: 5,06 Ct/kWh
Verluste < 0,1%
Speichermöglichkeit
600 MW-Leitung: 0,5 Mio. €/km
Netzentgelt 2011: 1,42 Ct/kWh
Netzaus- und Umbau: ca. 10 Mrd. €
Netzausbau:In den nächsten 10 Jahren:40 Mrd. €
Wasserstofftransport
• Sicherheit– Wasserstoff ist hochflüchtig.– Wasserstoff verbrennt mit geringer Strahlungshitze.– Geruchsmittel/Sensoren für Wasserstoff
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Wasserstofftransport
• Umnutzung des heutigen Erdgasnetzes
– Strategiepapier des „Strategiekreis Wasserstoff des Bundesministeriums für Wirtschaft und Arbeit“:
"Für eine zukünftige Wasserstoff-Energiewirtschaft […] ein Verteilnetz zu betreiben, das […] zu einem größeren Teil durch Umwandlung von dann nicht mehr benötigten Erdgasleitungen entstünde. “
– TÜV Süd, Website:
„[…] ein Pipelineverteilnetz aufzubauen, welches im Prinzip unseren heutigen Erdgasleitungen entspricht. So könnte einmal jedes Haus mit Wasserstoff statt Erdgas versorgt werden.“
„Weltweit werden rund 1000 Kilometer Wasserstoff-Pipelines betrieben.“
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Wasserstoffspeicherung
• Flüssig- oder Druckspeicher marktreif
• Langzeitdruckspeicher in Salzkavernen– Erfahrung mit Stadtgas (H2-Anteil >50%)
– Erfahrung mit reinem H2 für chemische Industrie
– Leckageverlust ca. 0,015 % p.a.
• Kapazitäten– Untertagespeicher: 73 TWh H2
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Salzkavernenspeicher
23
Wasserstoffspeicherung
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Wasserstoff, zentral verstromt
Pumpspeicher
Druckluft
Speichervolumen: 8.000.000 m3
Zeit in Tagen
Lei
stu
ng
in
MW
Quelle: KBB Underground Technologies GmbH
• Pumpspeicherkraftwerk
• Druckluftspeicherkraftwerk (adiabat)
• Wasserstoffspeicher und Brennstoffzelle
Wasserstoffproduktion• Elektrolyse
• Biomassevergasung
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Elektrolyse
Wasser Wasserstoff + Sauerstoff 2 H2O 2 H2 + O2
Wirkungsgrad ist spannungsabhängig 1,42 V: nahe 100% Wirkungsgrad
Strom
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Lurgi Druckelektrolyseur (30bar) mit einer Leistung von 2,3 MWWirkungsgrad: 65%-70% Hi
Elektrolyse
Wirtschaftlicher Wirkungsgrad abhängig von den Stackkosten
Produktionsmenge NOW Studie
heute 40-66,7 % (Hi) Wirkungsgrad langfristig 52,6-73 % (Hi)
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Lurgi Druckelektrolyseur (30bar) mit einer Leistung von 2,3 MWWirkungsgrad: 65%-70% Hi
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30
H
Biomassevergasung
Biomasse Sauerstoff
(feucht)
H
OC
O
Produktionsdruck bis zu 70bar
Effizienz: 75% - 84%
CO2 H2
Vergasung Synthesegas:
H2 + CO + CO2 + H2O
Gasreinigung
Shift-ReaktionHerstellung von Wasserstoff
aus Synthesegas
Trennung
Mineraldünger
Biomasse in einer Wasserstoffwirtschaft
• Reststoffe und Energiepflanzen
aller Art nutzbar
• Ökologischer Anbau nach Prof. Scheffer möglich
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Roggen und Wintererbsenmischkultur
Vergleich der Effizienz verschiedener Biomassenutzungsarten
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Rapsd
iese
l
Bioet
hano
lBtL
Biom
etha
n H20
20,000
40,000
60,000
80,000
100,000
120,000
140,000
160,000
0
5,000
10,000
15,000
20,000
25,000
30,000
35,000
40,000
kWh/hakm/hak
m/h
a
kW
h/h
a
Kraftstoffnutzung Stromnutzung
Verbrennungsmotor Brennstoffzelle
Systemüberblick
Wasserstoffwirtschaft
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Brennstoffzellen-Heizkraftwerk
Solar
Elektrolyseur
H2 -Gasnetz
Nahwärmenetz
Biomasse• Reststoffe• Anbau
• Heizung• Warmwasser
Steckdose
Hausbrenn-stoffzelle
Lokale Stromnetze
Vergasung
Speicher
Wind
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Kosten einer Wasserstoffwirtschaft
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Endkundenpreis
0,0
1,0
2,0
3,0
4,0
5,0
6,0
7,0
8,0
9,0
10,0
20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140
Biomassepreis in €/atro
Wa
ss
ers
toff
pre
is in
Ce
nt/
kW
h
KostenbereichBeste case
Zukünftige Energiepreise
Erste Anlagen
Prognose
• Endkundenpreise– Bio-H2:
3-6 Cent/kWh– Elektrolyse-H2:
8-10 Cent/kWh• Heute (ohne Steuern)
– Erdgas: 6 Cent/kWh
– Strom: 12 Cent/kWh
Elektrolysewasserstoff
36Datenquellen: DLR, Tetzlaff, eigene Berechnungen
Qualitative Kostenbetrachtung
• Doppelnutzen der Brennstoffzellenheizung– Kosten auf heutigem Niveau
• Massenproduktion
– Übergangsphase: Stabilisierung des Stromnetzes– Verzicht auf Stromnetzausbau
• Dezentrale Verstromung– Vollständige Wärmenutzung
• Weiternutzung Gasnetz– kein Neubau von z.B. Nahwärmenetzen
• Wegfall der Strominfrastruktur ?37
Zusammenfassung
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Zusammenfassung
• Die Energiewende ist technisch und wirtschaftlich machbar.
• Wasserstoff ist das ideale Speicher- und Transportmedium.
• Die Energiewende kann mithilfe von Wasserstoff optimiert werden.
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Bereit für die Energiewende?
Mit Wasserstoff in die Zukunft.
Fragen & Diskussion
Wasserstofftransport
• Diffusion– extrem geringe Diffusionsrate in Metalle
• Versprödung– Beschleunigung der Spannungsrisskorrosion bei
ferritischen Stählen– andere Materialien (z. B. Austenitische Stähle)
können verwendet werden
• Korrosion
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Brennstoffzellenheizung
Produktion von Strom und Wärme etwa im Verhältnis 1:1
Im Sommer ist das Verhältnis von Warmwasser- zu Strombedarf etwa 40:60.