Brennstoffzelle im Übergang von fossiler zu regenerativer Energie

Transkript

1 Brennstoffzelle im Übergang von fossiler zu regenerativer Energie Wandel der Energieversorgung Entwicklung der Technik f-cell, 30. September 2003 Dipl.-Ing. Sven Geitmann Hydrogeit, Kremmen/Berlin

2 Überblick 1. aktuelle Entwicklung Energie, Verkehr, Strom, Arbeitsmarkt, BZ 2. Automobil-Bereich 3. Energieversorgung portable Elektrogeräte, Hausenergie, Kraftwerke 4. Dezentralisierung 5. Ausblick 2

3 Primärenergie-Verbrauch 15 % der Weltbevölkerung in den Industriestaaten beanspruchen über 55 % des jährlichen Primärenergie-Verbrauchs Reichweiten fossiler Primärenergieträger der Welt Erdöl 42 Erdgas 65 Kohle 169 in Jahren 3

4 Entwicklung im Straßenverkehr Einsatz neuer Technologien & erneuerbarer Energien Vergleich zu 1998 [%] Relative Änderung im Mögliche Entwicklung der Fahrleistung und Emissionen im Straßenverkehr Bezugsjahr Fahrleistung Stickoxide Partikel Kohlenwasser stoffe Benzol Quelle: Bundesministerium für Wirtschaft,

5 Entwicklung der erneuerbaren Energien Entwicklung der Energiebereitstellung aus erneuerbaren Energien und des Anteils am Primärenergieverbrauch (PEV) in Deutschland 400 Wasserkraft Biomasse fest 3,0% Primärenergie (in PJ) Biomasse gasförmig Windenergie Solarenergie Strom Anteil am PEV in % Biomasse flüssig Solarenergie Wärme Geothermie 2,5% 2,0% 1,5% 1,0% 0,5% EE-Anteil am Primärenergieverbrauch ,0% 5 Quelle: F. Staiß, Jahrbuch Erneuerbare Energie 2002/03

6 Entwicklung der EE-Branchen Anzahl der Biogasanlagen Quelle: Fachverband Biogas e.v., 09/2002 installierte Photovoltaikleistung [MWp] Absatz von Solarmodulen Quelle: BSi

7 Entwicklung im Stromsektor Zusammensetzung des EE-Anteils am gesamten Stromverbrauch Prognose Wasser 3,3 % 4,2 % 4,7 % 4,7 % 4,6 % Wind 0,01 % 1,9 % 2,2 % 3,4 % 4,5 % Biomasse 0,06 % 0,8 % 0,9 % 0,6 % 0,7 % Müll Sonne 0,00 % 0,008 % 0,009 % 0,02 % 0,02 % gesamt 3,4 % 6,9 % 7,8 % 8,7 % 9,8 % Quelle: VDEW 7

8 Entwicklung auf dem Arbeitsmarkt Vergleich der Arbeitsplätze im Energiesektor 2002 Arbeitsplätze im Energiesektor Erneuerbare Energie Steinkohle Braunkohle Kernenergie Photovoltaik Solarthermie Windenergie Bioenergie Geothermie Wasserkraft x Quelle: F. Staiß, Jahrbuch Erneuerbare Energie 2002/03, u.a.

9 Entwicklung der Brennstoffzelle 1839 Erfindung der Brennstoffzelle erste BZ-Entwürfe 1960 erster Einsatz einer Brennstoffzelle 1970 militärische Nutzung 1980 H 2 - und Brennstoffzellen- Förderungen 2002 zahlreiche Prototypen & Testprojekte 2010 Vermarktung Sir W. Grove W. Ostwald Gemini/Apollo- Programm DaimlerChrysler Necar-Serie 9

10 Entwicklung verschiedener Technologien 10

11 Verkehrswirtschaftliche Energiestrategie Start: Mai 1998 Vertretern der deutschen Automobil- und Mineralöl-Wirtschaft Verkehrsministerium sowie die Firmen: BMW, DaimlerChrysler, MAN, Opel, Volkswagen, Aral, BP, RWE und Shell Berlin als Testgebiet für zwei Kraftstoffe: Erdgas & Wasserstoff bis 2007: Etablierung von rund 30 Betriebstankstellen Ziel: Test unterschiedlicher Kfz-Antriebstechniken für Pkw und Busse sowie deren Versorgung mit alternativen Kraftstoffen 11

12 Daimler/Chrysler Necar 4 Leistung BZ-System: 70 kw Speicherung von LH 2 Reichweite 450 km mit 5 kg LH 2 NeCar 4A mit GH 2 -Tank (350 bar) Necar 5 Bilder: Daimler/Chrysler Leistung BZ-System: 75 kw Speicherung von Methanol 12

13 Daimler/Chrysler Entwicklung der BZ-Fahrzeuge Fahrzeug Datum Kraftstoff spez. Gewicht Leistung Geschwind. NECAR I 1994 GH 2 21 kg/kw 50 kw 90 km/h NECAR II 1996 GH 2 6 kg/kw 50 kw 110 km/h NECAR III 1997 Methanol 6 kg/kw 50 kw 120 km/h NeBus 1997 GH 2 5,6 kg/kw 250 kw 80 km/h NECAR IV 1999 LH 2 5 kg/kw 70 kw 145 km/h NECAR IVa 2000 GH 2 5 kg/kw 70 kw 145 km/h NECAR V 2000 Methanol 2,2 kg/kw 75 kw 150 km/h 13

14 Daimler/Chrysler Citaro Brennstoffzellen von Ballard (Mark 900) weltweit erste Kleinserie von BZ-Fahrzeugen Präsentation im April 2000 Demonstrationsprojekt CUTE (Clean Urban Transport for Europe) Einsatz von 27 Citaro-Bussen in 9 europäischen Großstädten Amsterdam, Barcelona, Hamburg, London, Luxemburg, Madrid, Porto, Stockholm und Stuttgart Kaufpreis je 1,25 Mio. EUR Projekt-Start: Mai 2003 in Madrid September 2003: Hamburg 14 Bild: Daimler/Chrysler

15 Brennstoffzellen-Fahrzeuge Bild: VW Bild: GM/Opel Bild: Nissan Bild: Ford 15 Bild: Toyota Bild: Mazda

16 B M W BMW 745h Konzept-Fahrzeug MINI Cooper Hydrogen Brennstoffzelle 16 H 2 -Verbrennungsmotor

17 portable Einheiten Einsatzgebiete: Camcorder, Laptops, elektrische Werkzeuge, Camping-Ausrüstung, Telematik- & Verkehrstechnik 17

18 Heizungsunternehmen Vaillant Kooperation mit Plug Power aus Latham/USA PEM-Systemen im Erdgas-Betrieb Bild: Vaillant 18 2,5-4,6 kw el und 7-8,3 kw therm Brennwert-Heizgerät 28 kw therm Wirkungsgrad 35 % el bzw. 80 % gesamt 25 % verringerter Primärenergie-Bedarf 50 % weniger CO 2, kein NO X keine Netzverluste wegen dezentraler Systemlösung Feldtest von 50 Pilot-Anlagen bis 2005 erste BZ mit HEW im Hamburger Ausbildungszentrum (2004/2005 Serienreife, ca EUR) (bis 2010 Verkauf von jährlich ca Anlagen in EU) 1: Regelung 2: Wechselrichter 3: Reformer 4: Brennstoffzellen-Stack 5: Membran-Befeuchtung

19 Heizungsunternehmen Buderus Kooperation seit März 2001 mit UTC Fuel Cells/USA BZ-Heizgeräten für Ein- und Mehr-Familienhäuser Beginn erster Praxistests zur Heizsaison 2003/04 BZ kleiner & mittlerer Leistung (3 5 kw el und 8 9 kw therm ) Viessmann Kooperation mit ZSW, ehemals mit Sachsenring seit 2000 dreijähriges Projekt zur Entwicklung 2,5 kw el und 5 kw therm 19 Bild: Viessmann

20 Hausenergieversorgung european fuel cell gmbh Zusammen mit Dais-Analytic Corp./USA hervorgegangen aus Hamburger Gas Consult Übernahme Ende 2002 von der Baxi Group PEM-BZ für Strom- & Wärme von Ein- & Mehrfamilienhäusern 1,5 kw el bzw. 8 kw therm mit Erdgas Gesamt-Wirkungsgrad > 70 % Beta-Einheit" mit integriertem Reformer 2003 Feldversuche mit ca. 100 Anlagen 20

21 Hausenergieversorgung 21 Sulzer Hexis Schweizer Technologie-Unternehmen Erdgas-Systeme mit SOFC-Anlage 2001/2002 fünf Testanlagen für Süd-Deutschland bisher 100 installierte Exemplare EnBW-Musterhaus mit HXS 1000 Premiere HXS 1000 Premiere Brennstoffzelle (1 kw el, 3 kw therm ) Wärmespeicher (200 l) Zusatz-Gasheizgerät (12, 16 oder 22 kw therm ) 2004/2005 neue marktfähige System-Generation Bild: Sulzer Hexis

22 Energieversorger RWE Kooperation mit verschiedenen BZ-Herstellern Oktober 2001 MCFC-Prototyp von MTU, 300 kw Mitte 2002 Feldtest mit 25 PEM-BZ BZ-Pavillon Meteorit in Essen (Kommerzialisierung: 2005) (Wettbewerbsfähigkeit: 2007) (Marktanteil 2010: 15 %) Bild: MTU 22

23 EnBW Hausenergieversorgung Energieversorger Dezember 2001: Installation der ersten BZ-Anlage Bis Ende 2004 sollen weitere 54 Klein-Anlagen folgen EnBW sucht 25 Privatpersonen in Baden Württemberg Kosten entsprechen den Investitionen in ein konventionelles Heizsystem inklusive Wartung und Brennstoffe (2.000,-EUR) SOFC-System: HXS 1000 Premiere von Sulzer Hexis 23 Kraftwerksbetrieb MCFC-System von MTU Friedrichshafen z.b. 250-kW-System im Michelin-Reifenwerk in Karlsruhe PEM-System von Alstom-Ballard z.b. 250-kW-System im Thermalbad in Mingolsheim SOFC-GT-System von Siemens Westinghouse z.b. 1-MW-System in Marbach am Neckar (in Planung)

24 Kraftwerksbetrieb MTU Friedrichshafen Verifikation: 1997 / 1998 Dorsten Feld Test 1: Nov März 02 Bielefeld Feld Test 2: seit Mai 2001 Feld Test 3: seit April 2002 Feld Test 4: seit Okt Feld Test 5: seit Nov Bad Neustadt/Saale Meteorit, Essen Magdeburg München Bild: MTU 24

25 Kraftwerksbetrieb MTU Friedrichshafen Feldversuchsanlagen 2003 Betreiber Versuchs- und Demonstrationsziel EnBW/Michelin Energieversorgung Reifenherstellung, Karlsruhe IZAR Schiffsbauindustrie, Spanien E.On/RhönKlinikum Krankenhausenergieversorgung, Bad Berka VSE AG KWK Industriewäscherei, CO 2 Düngung Gewächshaus E.On Strom-, Wärme-, und Gaserzeugung Industriebetrieb Pfalzwerke Erprobung Lastregelbetrieb RWE Versorgung eines Wohngebietes mit Strom und Wärme FCE 6 weitere Anlagen in USA/Japan 25

26 Kraftwerksbetrieb Siemens/Westinghouse Deutsch/Amerikanisches Gemeinschaftsunternehmen Hochtemperatur-Brennstoffzelle (Solid Oxid Fuel Cell = SOFC) einseitig geschlossenen Hohlröhren anstelle von Platten kw Langzeit-Projekt in Westervoort/Niederlande kw-anlage in Arnheim/Niederlande kw SOFC-GT-Anlage (mit Gas-Turbine) 2001 im Technologiepark Meteorit bei RWE 320 kw-hybridanlage (SOFC-GT) Erdgas-Betrieb 250 kw 5 MW Bild: Siemens/Westinghouse 26 Wirkungsgrad bis 70 % el (Kommerzialisierung Ende 2003)

27 Kraftwerksbetrieb BHKW Blockheizkraftwerk mit phosphorsaurer Brennstoffzelle (PAFC) wahlweise mit Propan/Erdgas oder Biogas/Erdgas ONSI PC 25 TM C von UTC Fuel Cells 200 kw el, Wirkungsgrad 40 % el, 45 % therm und 85 % gesamt kann 100 Haushalte mit Strom versorgen Bild: HGC 60 db in 10 m Entfernung 27

28 Kraftwerksbetrieb 70 MCFC, 60 BuD Hochtemperatur-BZ Wirkungsgrad in Prozent GuD PAFC, Niedertemperatur-BZ Gasmotor Industriegasturbine Dampfkraftwerke 10 Zukünftige Technik ,1 Quelle: MTU Kraftwerksleistung in Megawatt Heutige Technik

29 Vergleich: Emissionen Emissionsvergleich Emissionen [mg/m 3 ] Gasmotor mit Kat Gasturbine Gaskessel PAFC Stickstoffoxide Kohlenstoffmonoxid Nicht-Methan- Kohlenwasser stoffe 29 Quelle: Fraunhofer ISE

30 Dezentralisierung - Bsp: Vaillant Heiztechnik-Unternehmen Vaillant Europäischer Feldtest (EU-Förderung) Vernetzung mehrerer Brennstoffzellen in verschiedenen Wohneinheiten zentrale Steuerung Leistungsschwankung reduzieren Wirkungsgrad verbessern Installation von 30 Heizgeräten bis Ende 2003 in Deutschland, Spanien, Portugal und den Niederlanden 30

31 Dezentralisierung Vorteile: reduzierte Regelverluste reduzierter Stromtransport Einspeisung des Stroms aus erneuerbaren Energien ins Nieder- und Mittelspannungsnetzes reduzierter Wasserverbrauch 74 % des Wasserbedarfs wird derzeit für Energie- Erzeugung mit konventioneller Technik benötigt 31

32 Ausblick Kfz DaimlerChrysler sieht bis 2010 ein weltweites Marktvolumen von jährlich BZ-Fahrzeugen. "Damit würde die Brennstoffzelle einen Marktanteil von rund 1 % auf Basis der aktuell jährlich 57 Mio. Neufahrzeuge erreichen. Das wäre zufriedenstellend." Bild: Daimler/Chrysler Thomas Weber, Vorstandsmitglied für Forschung und Technologie, 20. März

33 Ausblick Hausenergie Zeithorizont im Hausenergie-Sektor Normung/Zulassung Demo-Projekte, Vorserienmodelltest Marketing/PR/ Marktvorbereitung Vorbereitung des Handwerks Markteinführung/ Contracting Labor- & erste Feldanlagen Quelle: IBZ

34 Literatur Dipl.-Ing. Sven Geitmann Wasserstoff & Brennstoffzellen Die Technik von morgen! 188 Seiten mit 55 Abbildungen und 10 Tabellen ISBN , Hydrogeit Verlag, Berlin 2002 Preis: 18,50 Euro Wasserstoff- & Brennstoffzellen-Projekte 68 Seiten mit 32 Abbildungen und 6 Tabellen ISBN , Hydrogeit Verlag, Berlin 2002 Preis: 10,50 Euro 34

35 Internet

36 Vielen Dank! Ihre Fragen bitte! 36 Hydrogeit Sven Geitmann Lange Horst 2A Kremmen Tel/Fax: /20 Internet: