Bereit für die Energiewende? Mit Wasserstoff in die Zukunft. Übersicht • Energiewirtschaft und Energiewende heute – Zweifel und Probleme – Machbarkeit der Energiewende • Warum wir.
Download ReportTranscript Bereit für die Energiewende? Mit Wasserstoff in die Zukunft. Übersicht • Energiewirtschaft und Energiewende heute – Zweifel und Probleme – Machbarkeit der Energiewende • Warum wir.
Bereit für die Energiewende? Mit Wasserstoff in die Zukunft. 1 Übersicht • Energiewirtschaft und Energiewende heute – Zweifel und Probleme – Machbarkeit der Energiewende • Warum wir Wasserstoff brauchen – Die Vision einer Wasserstoffwirtschaft • Zusammenfassung 2 Heutige Energieversorgung Verlust Stromspeicher Zentrale Großkraft werke Strom Wind Stromnetz Solar Biomasse Heizenergie -träger • Heizöl • Erdgas • Warmwasser • Raumwärme Heizung 3 Notwendigkeit der Energiewende • Klimawandel • Ressourcenknappheit • Abhängigkeit von Importen • Energiewende: 100% Erneuerbare Energien 4 Machbarkeit der Energiewende technisch und wirtschaftlich 5 Globales Szenario: 100 % erneuerbare Energien Einsparungen + Effizienzmaßnahmen 6 Kosten der konventionellen Energien • Forschungsausgaben und Subventionen Gesellschaftliche Kosten • Anpassung an den Klimawandel • Belastung des Gesundheitssystems • Kernenergie: Rückbau und Endlagerung 7 Kosten der erneuerbaren Energien 10 Jahre Quelle: Zentrum für Solar und Wasserstoffforschung 8 Problem der Energiewende Verbraucher Verbraucher Konventioneller Erzeuger Verbraucher Stromnetz Erneuerbarer Erzeuger Erneuerbarer Erzeuger Erneuerbarer Erzeuger Speicher saisonal langfristig 9 • Wie werden Verbrauch und Erzeugung in Einklang gebracht? 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 10 Die Wasserstoffwirtschaft Wie eine Vision Wirklichkeit wird! 11 Wasserstoffnutzung • stationär • mobil 12 13 Brennstoffzellenheizung Produktion von Strom und Wärme etwa im Verhältnis 1:1 O2 Wärme Im Sommer ist das Verhältnis von Warmwasser- zu Strombedarf etwa 40:60. Brennstoffzelle Strom H2 H2O 14 15 Brennstoffzellenfahrzeuge • hoher Komfort – Elektromotor – Brennstoffzelle und Wasserstoffdrucktank • Bremsenergierückgewinnung Mercedes F-Cell, 700 Bar Tank, 400 km Toyota FCHV, 700 Bar Tank, 800 km Van Hool, 350 Bar Tank, 350 km 16 Wasserstofftransport und Speicherung 17 18 Wasserstofftransport Stromnetz Gasnetz Verluste ca. 6% Verluste < 0,1% verbrauchsabhängige Erzeugung nötig Speichermöglichkeit 600 MW-Leitung, 110kV: 1,2 Mio. €/km 600 MW-Leitung: 0,5 Mio. €/km Netzentgelt 2011: 5,06 Ct/kWh Netzentgelt 2011: 1,42 Ct/kWh Netzausbau: In den nächsten 10 Jahren: 40 Mrd. € Netzaus- und Umbau: ca. 10 Mrd. € 19 Wasserstofftransport • Sicherheit – Wasserstoff ist hochflüchtig. – Wasserstoff verbrennt mit geringer Strahlungshitze. – Geruchsmittel/Sensoren für Wasserstoff 20 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.“ 21 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 22 Salzkavernenspeicher 23 Wasserstoffspeicherung Leistung in MW Speichervolumen: 8.000.000 m3 • Pumpspeicherkraftwerk • Druckluftspeicherkraftwerk (adiabat) • Wasserstoffspeicher und Brennstoffzelle Druckluft Wasserstoff, zentral verstromt Pumpspeicher Zeit in Tagen Quelle: KBB Underground Technologies GmbH 24 Wasserstoffproduktion • Elektrolyse • Biomassevergasung 25 26 Elektrolyse Strom Wasser Wasserstoff + Sauerstoff 2 H2O 2 H2 + O2 Wirkungsgrad ist spannungsabhängig 1,42 V: nahe 100% Wirkungsgrad Lurgi Druckelektrolyseur (30bar) mit einer Leistung von 2,3 MW Wirkungsgrad: 65%-70% Hi 27 Elektrolyse Wirtschaftlicher Wirkungsgrad abhängig von den Stackkosten Produktionsmenge NOW Studie heute 40-66,7 % (Hi) Wirkungsgrad langfristig 52,6-73 % (Hi) Lurgi Druckelektrolyseur (30bar) mit einer Leistung von 2,3 MW Wirkungsgrad: 65%-70% Hi 28 29 Biomassevergasung Biomasse (feucht) Vergasung Synthesegas: H2 + CO + CO2 + H2O Sauerstoff Mineraldünger Gasreinigung Shift-Reaktion Herstellung von Wasserstoff aus Synthesegas Trennung CO2 Produktionsdruck bis zu 70bar C O Effizienz: 75% - 84% H O H2H 30 Biomasse in einer Wasserstoffwirtschaft • Reststoffe und Energiepflanzen aller Art nutzbar • Ökologischer Anbau nach Prof. Scheffer möglich Roggen und Wintererbsenmischkultur 31 Vergleich der Effizienz verschiedener Biomassenutzungsarten Stromnutzung 160,000 40,000 140,000 35,000 120,000 30,000 100,000 25,000 80,000 20,000 60,000 15,000 40,000 10,000 20,000 5,000 0 kWh/ha km/ha Kraftstoffnutzung km/ha kWh/ha 0 Rapsdiesel Bioethanol BtL Verbrennungsmotor Biomethan H2 Brennstoffzelle 32 Systemüberblick Wasserstoffwirtschaft 33 Nahwärmenetz Biomasse • Reststoffe • Anbau • Heizung • Warmwasser Speicher BrennstoffzellenHeizkraftwerk Vergasung Hausbrennstoffzelle H2 -Gasnetz Wind Elektrolyseur Lokale Stromnetze Steckdose Solar 34 Kosten einer Wasserstoffwirtschaft 35 Zukünftige Energiepreise • Endkundenpreise – Bio-H2: 3-6 Cent/kWh – Elektrolyse-H2: 8-10 Cent/kWh Endkundenpreis 10,0 Wasserstoffpreis in Cent/kWh 9,0 Elektrolysewasserstoff 8,0 7,0 6,0 5,0 4,0 3,0 2,0 Kostenbereich Beste case 1,0 0,0 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 • Heute (ohne Steuern) – Erdgas: 6 Cent/kWh – Strom: 12 Cent/kWh Biomassepreis in €/atro Datenquellen: DLR, Tetzlaff, eigene Berechnungen 36 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 38 Zusammenfassung • Die Energiewende ist technisch und wirtschaftlich machbar. • Wasserstoff ist das ideale Speicher- und Transportmedium. • Die Energiewende kann mithilfe von Wasserstoff optimiert werden. 39 Bereit für die Energiewende? Mit Wasserstoff in die Zukunft. Fragen & Diskussion 40 Wasserstofftransport • Diffusion – extrem geringe Diffusionsrate in Metalle • Versprödung – Beschleunigung der Spannungsrisskorrosion bei ferritischen Stählen – andere Materialien (z. B. Austenitische Stähle) können verwendet werden • Korrosion 41 Brennstoffzellenheizung Produktion von Strom und Wärme etwa im Verhältnis 1:1 Im Sommer ist das Verhältnis von Warmwasser- zu Strombedarf etwa 40:60. 42