Treibstoffe der Zukunft

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1 Wir schaffen Wissen heute für morgen Paul Scherrer Institut Prof. Dr. Oliver Kröcher Treibstoffe der Zukunft Spreitenbach, 11. Oktober 2013

2 «Prognosen sind schwierig, besonders wenn sie die Zukunft betreffen.» Karl Valentin

3 Die Party ist vorbei «Peak oil» Quelle: Wikipedia

4 Notwendige CO 2 -Einsparung zum Einhalten des maximal 2 o C- Erwärmungsziels für das globale Klima CO 2 -Emissionen aus der Energieproduktion +100 % +5 % -30 % -77% per veh. 60 Mio new passenger cars/year 120 Mio 180 Mio Quellen: International Energy Agency, IEA Energy Technology Perspective, ETP R. Leonhard, CTI conference «Exhaust Systems», Stuttgart, 2013.

5 Die Treibstoffverbräuche von Fahrzeugen gehen zurück Kraftstoffverbrauch real und vorgeschlagene Standards Die Reduktion der Treibstoffverbräuche ist kurzfristig (nächste Dekade) die wichtigste Massnahme zur Verringerung der CO 2 -Emissionen. Quelle: International Energy Agency, IEA Energy Technology Perspective, ETP 2012.

6 IEA: In der Zukunft fahren PWs elektrisch Globale PW-Verkäufe (Million) Elektrizität Benzin FCEV Fuel Cell Electric Vehicles Electricity Plug-in hybrid diesel Plug-in hybrid gasoline Diesel hybrid Gasoline hybrid CNG/LPG Diesel Gasoline Über 90% aller PW werden 2050 einen Elektromotor enthalten. Die Fahrzeug-Zukunft wird bunter. Es braucht weiterhin Kohlenwasserstoffe. Quelle: International Energy Agency, IEA Energy Technology Perspective, ETP 2012.

7 Potentielle Treibstoffe der Zukunft Elektrizität Wasserstoff (H 2 ) Treibstoffe aus Biomasse SNG (Synthetic Natural Gas, Biomethan, CH 4 ), Hythan (SNG + H 2 ) Flüssige Biotreibstoffe Biodiesel

8 Batterien zur Speicherung elektrischer Energie Beschleunigung Leistungsdichte W/kg Superkondensatoren Batterien Schwungräder Methanol Benzin H 2 -Brennstoffzelle Reichweite Energiedichte Wh/kg Quelle: J. Tester, Sustainable Energy, p. 657

9 Bisher bestes System: Die Lithiumionen-Batterie 4 V LiCoO 2 Li(Ni,Mn,Co)O 2 LiMn 2 O 4 Graphit harter Kohlenstoff LiFePO 4

10 Stand der Technik von Lithium-Ionen-Batterien Nissan LEAF verkaufte Einheiten (Sept. 2013) Reichweite: km Batterie: 24 kwh Li-Ionen-Batterie ~150 Wh/km Abschätzung für 500 km Reichweite: Kapazität: 150 Wh/km 500 km = 75 kwh Gewicht: 75 kwh / 200 Wh/kg = 380 kg Kosten: 250 /kwh 75 kwh = 19 k Bedarf nach billigeren (, sicheren) Batterien mit höherer Energiespeicherdichte Quellen: F.T. Wagner et al., J. Phys. Chem. Lett. 1 (2010) Transitions to Alternative Transportation Technologies Plug-In Hybrid Electric Vehicles, National Research Council (2010); see:

11 Zukünftige Batteriesysteme und Forschung am PSI 2./3. Generation C LiMO 2 LiC Li 0.5 MO 2 4. Generation 2 Li + y (S,O) Li 2 (S,O) y 5. Generation? 2 LiF 2 Li + F 2 U [V] U [V] LiMO 2 / Li 0.5 MO O 2 / O S n / S 2- n mah/g 1170 mah/g mah/g Li / Li + 0 Li / Li mah/g F 2 / 2 F - U [V] Li / Li + 0

12 Das nächste Ziel: Die Lithium-Luft Batterie? 2 Li 2 Li e - O e - O Li + O 2 Li 2 O 2 Li 2 O 2 Katalysator Kohlenstoff Laden Lithium- Anode (-ze) Spannung / Volt Entladen Elektrolyt Poröse Komposit-Kathode (+ze) Ladung / mah pro g Kohlenstoff Quelle: T. Ogasawara, A. Débart, M. Holzapfel, P. Novák, and P. G. Bruce, J. Am. Chem. Soc (128), p Seite 12

13 Herstellung von Wasserstoff Heute: Dampfreformierung von Kohlenwasserstoffen C n H m + n H 2 O (n + m/2) H 2 + n CO Fossil: Nicht erneuerbar Kleine Anlagen: Elektrolyse Forschung: Biotechnologie

14 Wasserstoff Tankstelle Photovoltaik Wasserelektrolyse 30 bar Elektrolyseur (Proton Onsite), Kompressor, 13 kg H 2 /Tag 2 Füllstationen für 350 und 700 bar Tanks Zeit zum Auffüllen: ~3 min (H 2 vorgekühlt auf 40 C) ISE, Freiburg (D) Quelle:

15 Speicherdichte von Wasserstoff Volumen für Energieinhalt von 50 L Benzin Äquivalent (inkl. Tank) 50 L 231 L x L x L x 6.9 Benzin flüssiger Wasserstoff (-253 C) komprimierter Wasserstoff 300 bar Wasserstoff Hydrid Geringere Speicherdichte des Wasserstoffs wird von höherem Wirkungsgrad der Brennstoffzelle kompensiert.

16 Funktionsprinzip der Polymerelektrolyt Brennstoffzelle Anode: H 2 2 H e - Kathode: 1/2 O H e - H 2 O H 2 O 2 Wasserstoff Sauerstoff H 2 O Wasser Produkt = Wasser H + e - Wasserstoffionen (ionischer Ladungsträger) Elektronen

17 Die Polymerelektrolyt Brennstoffzelle Forschung am PSI Katalysatorforschung H + 50 m Diagnostik + H H 2 0 H 2 Anode H O 2 Kathode Membranentwicklung

18 Brennstoffzellenstapel (Stacks) (1) Separatorplatte (2) Elektroden (3) Membran-Elektrolyt (4) Dichtung Endplatte Medienanschlüsse: H 2, O 2 / Luft, Kühlwasser Stromabnehmer Einzellzelle (Wiederholeinheit)

19 Belenos-Fahrzeug mit PSI-Brennstoffzellen-Technologie Watt d Or 2011 Batterie: 8 kwh Li-Ionen-Batterie Fahrzeuggewicht: 1100 kg Leistung Brennstoffzelle: 30 kw H 2 /O 2 PEMFC-Technologie: i) Hohe spezifische Leistung ii) Höhere Effizienz iii) Höhere Dynamik iv) Einfacheres Wassermanagement v) Passend zur Wasser-Elektrolyse

20 Citaro Brennstoffzellen-Postautos in Brugg H 2 / Luft Brennstoffzelle 240 kw BZ-Hybrid mit Li-Batterie Reichweite ca. 350 km Eines von 5 Brennstoffzellen- Postautos in Brugg ca. 7 kg H 2 / 100 km entspr. 23 L DIESEL /100 km Diesel-Bus: 38 L DIESEL /100 km Quelle:

21 Aufbau Fahrzeug und Tankstation

22 Treibstoffe aus Biomasse: Bedeutung für die Schweiz Biotreibstoffe (0.9 Mt) Source: Prognos 2012 Abhängig vom Szenario bestehen hohe Erwartungen an flüssige Treibstoffe aus Biomasse.

23 Welthandel der Bioenergie Ethanol Holz-Pellets Pflanzenöl & Biodiesel Source: IEA, A. Eisentraut, Höchstwahrscheinlich von zunehmender Bedeutung in der Zukunft.

24 Wirkungsgrade der Bioenergie-Pfade Biomasse-Produktion Solarenergie Photosynthese ca. 1-6% Umwandlung mechanisch Ölmühle biotechnologisch Anaerobe Gärung Alkoholische Gärung thermisch Verbrennung Vergasung-Synthese Produkte Pflanzenöl 20-30% Biogas 20-30% Ethanol 20-30% Synfuels* 40-70% El. Strom 10-35% Wärme 70-90% * Biotreibstoffe der 2. Generation: Biodiesel, H 2, Methanol, Dimethylether, Biomethan Quelle: Samuel Stucki, Paul Scherrer Institut (angepasst)

25 Welche Biotreibstoff-Herstellung ist gut für die Umwelt? Quelle: R. Zah et al., Ökologische Bewertung von Biotreibstoffen, EMPA, Bericht des BFE/BAFU/BLW, Mai XME = Biodiesel Blau = Biomethan (Biogas) RER: BR: MY: CN: FR: Europa Brasilien Malaysia China Frankreich

26 Methan hat eine hohe Energiedichte und ein hohes H/C-Verhältnis Treibstoff Heizwert (MJ/kg) Wasserstoff Methan Ethan Propan Butan Pentan Benzin Diesel Methan H/C = 4 Benzin H/C 2.3 Diesel H/C 2.1

27 Methan ist ein universeller und sauberer Energieträger für Grosskraftwerke, kleine Hausinstallationen und Fahrzeuge Bereits heute verfügbar und erschwinglich! 139 g CO 2 /km (Benzinfahrzeug: 169 g CO 2 /km) Kombikraftwerk el bis zu 60% kw el kw th 1 kw el 2.5 kw th

28 Erdgastankstellen in der Schweiz Stand: 2013 Quelle: Gasmobil AG

29 Integration von Biomasse ins bestehende Erdgasnetz Vergasung Syngas Combined Cycle Elektrizität Vergasung Methanisierung SNG CHP Wärme Elektrizität Kompogas Biogas Erdgaspipeline ARA Hydrothermale Vergasung Vergärung SNG Biogas CHP

30 Methan aus Fermentation oder aus thermochemischer Synthese Trockene Biomasse Nasse Biomasse Biogas Erdgas Quelle: Quelle: Katalytische Methanisierung Biochemisch: Vergärung Geothermisch Seconds Days Millions of years E+04 1E+06 1E+08 1E+10 1E+12 1E+14 1E+16 seconds Die Bildungsrate macht den Unterschied

31 Schema der Umwandlung von Holz/trockener Biomass in SNG Konventionelle Vergasung Holz Vergasung Gasreinigung Methanisierung Gaskonditionierung für das Erdgasnetz SNG S, Cl, Staub, etc. CO 2, (H 2 )

32 PSI-Methanisierung-Technologie in Güssing (A) 1 MW SNG Pilot- und Demonstrationsanlage Güssing CHP plant, 2004 BioSNG PDU, 2008 Meilensteine: Dezember 2008: Erste Umwandlung des Holzgases in Roh-SNG. Juni 2009: Produktion von BioSNG in Erdgasqualität. Betrieb von Erdgasfahrzeugen mit BioSNG aus Holz.

33 Konventionelle Vergasung: Prozess-Effizienz vs. Wassergehalt G. Schuster, G. Löffler, K. Weigl, H. Hofbauer, Bioresource Technology 2001, 77, 71-79

34 Die hydrothermale Biomasse-Vergasung nutzt hohe Drücke und Temperaturen 1 bar 100 o C Quelle:

35 Schema des hydrothermalen Vergasungsprozesses Abgas 450 C Überhitzer & Salzabscheider Gasbrenner Biomasse-Brei 350 C Salzsole Vorerhitzer (Wärmerückgewinnung) Katalytischer Reaktor (Vergasung & Methanierung) CO 2 Luft 300 bar Hochdruck- Schlammpumpe 150 C 300 bar Kühler 400 C Phasentrenner PWS Wasser SNG - Pipeline -Gasmotor - Brennstoffzelle -Gasturbine

36 Hythan: Ein Gemisch aus Methan und 10% Wasserstoff Hythan Wasserstoff Elektrizität Quelle: EMPA

37 Die rentable Produktion von Biotreibstoffen benötigt heute grosse Anlagen Typische Anlagengrösse: 150 MW th 1000 t/tag (20% Feuchtigkeit) t/jahr Biomasse Biodiesel: t/jahr SNG: m 3 /a Quelle: S. Mannonen, Fuels of the future - from wood-based raw materials, IEA Bioenergy Conference, Nov Gasreinigung FT-Synthese Vergasung Biomasse Vorbehandlung Vergasung Biomasse Vorbehandlung FT-Synthese Gasreinigung

38 Power-to-gas zur Speicherung von Überschussstrom in Form von SNG Quelle: Fraunhofer, IWES.

39 Fazit I Die Treibstoff-Zukunft wird bunter. Treibstoffe der Zukunft: Strom, Wasserstoff (H 2 ), SNG, Biotreibstoffe Strom für Batteriefahrzeuge Überschusstrom für die Produktion von Wasserstoff aus Elektrolyse und SNG durch Power-to-Gas. SNG aus biochemischen und thermochemischen Verfahren. Flüssige Biotreibstoffe aus grossen Anlagen am Meer. Prognose Biotreibstoffe: SNG in der Zukunft wichtiger als bisher prognostiziert? Benzin und Diesel werden uns noch lange begleiten, aber zunehmend aus Biomasse produziert. Ausblick Biotreibstoffe: Funktionalisierte Kraftstoffbeimischungen und Additive könnten zunehmende Bedeutung gewinnen. POME

40 Fazit II Es ist nicht ganz so einfach aber wir arbeiten daran!