Kraftstoffe aus Erneuerbaren Energien im Vergleich: Effizienzen, Emissionen und Potenziale

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1 Kraftstoffe aus Erneuerbaren Energien im Vergleich: Effizienzen, Emissionen und Potenziale Jörg Schindler, Werner Weindorf Weltforum Erneuerbare Energien: Politik und Strategien Sitzung 5: Die Ablösung fossiler Treibstoffe durch Erneuerbare Energien Berlin, 15. Juni 2002 L-B- Systemtechnik GmbH Ottobrunn

2 Kraftstoffe aus Erneuerbaren Energiequellen Einführung regenerativer Energiequellen auch im Verkehr nötig: Klimaveränderungen durch das Verbrennen fossiler Brennstoffe - auch der Verkehr muß einen Beitrag zur CO 2 -Reduzierung leisten die Endlichkeit fossiler Brennstoffe zwingt zum Handeln - Öl wird in diesem Jahrzehnt das weltweite Fördermaximum erreichen - die Befreiung des Automobils aus seiner Abhängigkeit vom Erdöl wird zunehmend die Agenda bestimmen Kraftstoffe aus Erdgas werden nicht der erhoffte Ausweg sein - wegen ebenfalls begrenzter Verfügbarkeit - und wegen begrenzter CO 2 -Minderungspotenziale Kraftstoffe aus erneuerbaren Energien bilden die einzige nachhaltige Option

3 Kraftstoffe aus erneuerbaren Energiequellen Strom Wind Wasserkraft Solarstrahlung Geothermie Wasserstoff Methanol Biomasse Biomasse zur Vergärung Lignocellulose Synfuel Ethanol Zuckerpflanzen Ölpflanzen Pflanzenöl/RME

4 Biomasse Transport Aufbereitung Kraftstoffkonditionierung Kraftstoff Biomüll (zur Vergärung) Sammlung Transport Anaerobe Vergärung CH 4 -Abtrennung und Reinigung 97 Reformierung, H 2 -Abtrennung und -Reinig. Reformierung, Methanolsynthese Verflüssigung Verdichtung Methangas -flüssig -Druck Biomasse (zur Vergasung) Sammlung Transport Vergasung H 2 -Abtrennung und -Reinigung Methanolsynthese Enthydratisierung FT-Synthese Verdichtung Verflüssigung Transport Verdampfung Wasserstoff -Druck - flüssig Methanol Hydro Thermal Upgrading (HTU-Prozeß) Transport Ölpflanzen HydroDeOxygenation (HDO) Fraktionierung Ölmühle Raffination Transport Transport Synfuel Pflanzenöl (z.b. Rapsöl) Zuckerüben Bild 1 Sammlung Transport Umesterung Fermentation (Ethanol) Destillation, Transport Transport Pflanzenölmethylester (z.b. RME) Ethanol

5 Wasserstoff als Energieträger Warum Wasserstoff? Speicherung von regenerativ erzeugtem Strom möglich Vielfalt regenerativer Erzeugungsquellen (Biomasse und Strom) und fossiler Erzeugungsquellen Sowohl zentral, als auch dezentral herstellbar Sowohl für Verbrennungsmotoren, als auch für Brennstoffzellenantriebe geeignet Wasserstoffherstellung auch aus Erdgas als Übergangsstrategie möglich

6 Wasserstoff als Energieträger Strom Regenerative Energiequellen Wind onshore offshore Wasserkraft Photovoltaik Solarthermie Geothermie Wasserstoff Druckwasserstoff Flüssigwasserstoff Biomasse Vergärung und Reformierung Vergasung

7 Wasserstoff aus regenerativem Strom Flüssigwasserstoff aus regenerativ erzeugtem Strom Beispiel Windkraft Strom Elektrolyse Wasser Wasserstoff H 2 -Verflüssiger (Linde) LH 2 -trailer Verflüssigung Verteilung Flüssigwasserstoff η = 52 %

8 Wasserstoff aus regenerativem Strom Druckwasserstoff aus regenerativ erzeugtem Strom Beispiel Windkraft Strom Elektrolyse Wasser Wasserstoff Konzept für CGH 2 -Tankstelle (Hydrogen Systems) Verdichtung Druckwasserstoff (für 70 MPa FZ-Tanks) η = 60 %

9 Wasserstoff aus Biomasse (via Biogas) Beispiel Vergärung von Biomüll Biogasanlage (Vergärung) Methan Dampfreformer CO, Wasserstoff Tankstelle mit Dampfreformer (WE-NET) CO-Shift Druckwechseladsorption (DWA) Verdichtung η = 45 % Druckwasserstoff (für 70 MPa FZ-Tanks)

10 Wasserstoff aus Biomasse (Vergasung) Beispiel Biomassevergasung (Holzhackschnitzel) Vergaser (allotherm) CO, H 2 CO-Shift Druckwechseladsorption (DWA) Verdichtung Druckwasserstoff (für 70 MPa FZ-Tanks) η = 56 %

11 Technische Potenziale Erneuerbare Energien, EU 4000 TWh/a 3500 Zum Vergleich: Stromverbrauch EU 1998: TWh Potenziale sind addierbar 3000 Oberer Wert Unterer Wert Wind offshore 1500 Landwirtschaft Reststroh Biomüll Waldrestholz Altholz, sonst. Industrierestholz Wind onshore 0 min max min max Wasserkraft min max PV Solarthermie Biogas Biomasse Windkraft (Methan) Meeresströmung konventionell * noch erschließbares Potential in der EU Klärschlamm ** nur EU * **

12 Technische Potenziale der Biomasse (thermisch) in der EU Technical Potentials of Lignocellulosic Biomass FfE 1998 LTI 1998 Kaltschmitt 2001 [PJ/a] [PJ/a] [PJ/a] Wood residue Residual straw Dedicated crop Total

13 Technische Potenziale Kraftstoffe aus Biomasse in der EU ( Bandbreite ) TWh/a Cultivation (grasses) Rail Transport Inland Navigation Aviation Road Transport Potentials show possible alternatives and cannot be added. Available area for cultivation of energy plants in the EU: Mio ha Cultivation (fast growing plants) Wood and Straw Residues Via Biogas 0 Demand min max min max min max min max min max min max (Transport) ) Biogas (Methane) Hydrogen (pressurized) Methanol Synfuel Plant Oil 2) Ethanol from Lignocellulose 1) Source: IEA-Statistics ) Gross (without considering the external energy input for crop processing), Plant oil yield: 44 GJ/ha/a

14 Technische Potenziale Kraftstoffe aus Biomasse in der EU ( sinnvoll ) TWh/a Cultivation (grasses) Rail Transport Inland Navigation Aviation Road Transport Potentials show possible alternatives and cannot be added. Available area for cultivation of energy plants in the EU: 7.2 Mio ha Cultivation (fast growing plants) Wood and Straw Residues 500 Via Biogas 0 Demand min max min max min max min max min max min max (Transport) ) Biogas (Methane) Hydrogen (pressurized) Methanol Synfuel Plant Oil 2) Ethanol from Lignocellulose 1) Source: IEA-Statistics ) Gross (without considering the external energy input for crop processing), Plant oil yield: 44 GJ/ha/a

15 Technische Potenziale Wasserstoff aus regenerativem Strom in der EU [TWh/a] Sonst Schienenverkehr Binnenschiffahrt Zivile Luftfahrt Solarthermische Kraftwerke Straßenverkehr PV (Dachflächen) 2000 Wind offshore Wind onshore Verbrauch Straßenverkehr min max min max Wasserkraft 2) (1998) 1) CGH 2 LH 2 1) Quelle: IEA-Statistics ) noch erschließbares Potenzial

16 Technische Potenziale Wasserstoff aus Biomasse in der EU [TWh/a] Sonst Schienenverkehr Binnenschiffahrt Zivile Luftfahrt Annahme: Verfügbare Fläche für Energiepflanzen in der EU: 7,2 Mio ha Straßenverkehr 2000 Anbau von Energiepflanzen 1000 Restholz, Reststroh 0 Verbrauch min max min max Straßenverkehr CGH Via Biogas (1998) 1) 2 LH 2 1) Quelle: IEA-Statistics

17 Spezifische Hektarerträge verschiedener Kraftstoffe aus Biomasse (brutto) Bruttowerte (Kraftstoffoutput ohne Berücksichtigung des externen Energieeinsatzes und ohne Gutschriften für Nebenprodukte) Synfuel: Diesel, Kerosin, Naphtha [GJ/ha/a] Bandbreite 20 0 CMG-Biogas Methanol-Kurzumtrieb Synfuel-Kurzumtrieb CGH2-Kurzumtrieb Ethanol-Zuckerrüben CGH2-Biogas Ethanol-Kurzumtrieb LH2-Kurzumtrieb Pflanzenöl RME Quellen: Biofuels 2000; DM2 2001; FfE 1998; Graskraft 2000; Haldor Topsoe 1998; NREL 1999; UBA 1999; UET 2001; Wuppertal 1999

18 Spezifische Hektarerträge verschiedener Kraftstoffe aus Biomasse (netto) Nettowerte (Primärenergie-Substitution) Synfuel: Diesel, Kerosin, Naphtha [GJ/ha/a] Bandbreite 0 CMG-Biogas Methanol-Kurzumtrieb Synfuel-Kurzumtrieb CGH2-Kurzumtrieb Ethanol-Zuckerrüben CGH2-Biogas Ethanol-Kurzumtrieb LH2-Kurzumtrieb Pflanzenöl RME RME: oberer Wert: Nebenprodukt Glycerin verdrängt konventionell hergestelltes Glycerin Quellen: Biofuels 2000; DM2 2001; FfE 1998; Graskraft 2000; Haldor Topsoe 1998; NREL 1999; UBA 1999; UET 2001; Wuppertal 1999

19 Spezifische Hektarerträge verschiedener Kraftstoffe umgerechnet in FZ-km/a Wasserstoff: CMG, Synfuel, Pflanzenöl, RME: DI-ICE FC Methanol, Ethanol: FPFC Bandbreite 0 CMG-Biogas Methanol-Kurzumtrieb Synfuel-Kurzumtrieb CGH2-Kurzumtrieb Ethanol-Zuckerrüben CGH2-Biogas Ethanol-Kurzumtrieb LH2-Kurzumtrieb Pflanzenöl RME Referenzfahrzeug: Opel Zafira [km/ha/a]

20 Anzahl PKW, die pro ha Anbaufläche versorgt werden können Wasserstoff: FC Methanol, Ethanol: FPFC CMG, Synfuel, Pflanzenöl, RME: DI-ICE Bandbreite 0 CMG-Biogas Methanol-Kurzumtrieb Synfuel-Kurzumtrieb CGH2-Kurzumtrieb Ethanol-Zuckerrüben CGH2-Biogas Ethanol-Kurzumtrieb LH2-Kurzumtrieb Pflanzenöl RME Referenzfahrzeug: Opel Zafira Jahresfahrleistung: km [PKW/ha]

21 Treibhausgasemissionen (CO 2 -Äquivalente): Well-to-Wheel CO 2 -Äquivalent [g/km] 250 Referenzfahrzeug: Opel Zafira Wasserstoff: FC Methanol, Ethanol: FPFC CMG, Synfuel, Pflanzenöl, RME: DI-ICE Benzin ICE Diesel DI-ICE CMG-Biogas ICE Methanol Kurzumtrieb FC Synfuel-Kurzumtrieb DI-ICE CGH2-Kurzumtrieb FC Ethanol-Zuckerrüben FC CGH2-Biogas FC Ethanol-Kurzumtrieb FC LH2-Kurzumtrieb FC Pflanzenöl RME RME: unterer Wert: Nebenprodukt Glycerin verdrängt konventionell hergestelltes Glycerin

22 Variation der Treibhausgasemissionen (CO 2 -Äquivalente) Bereitstellung und Nutzung von RME und Ethanol in g/kwh Kraftstoff RME Ethanol Boden Brutto: 276 Brutto: 241 Klima N 2 O Brutto: 151 Brutto: 158 Düngung Gutschriften Referenzsystem Gutschrift: 54 Gutschrift: 13 Gutschrift: 34 Gutschrift: 109 (min) (max) (min) (max)

23 Wassertoff-Tankstellen für Druckwasserstoff (CGH 2 ) CGH 2 -Tankstelle mit Wasserstofferzeugung via Elektrolyse mit PV-Strom Honda Research and Development Center Torrance, Kalifornien, USA, 2001 CGH 2 -Tankstelle mit Wasserstofferzeugung via Dampfreformierung von Erdgas (auch für Biogas möglich) Osaka, Japan 2002

24 Wasserstoff-Tankstelle mit dezentraler Elektrolyse Grüne Strombörse Photovoltaik Windkraft Wasserkraft BHKW Biomasse-BHKW Solarthermische Kraftwerke Dezentrale H 2 -Erzeugung (onsite) IFP Markt Neue Geschäftschancen für kleine Unternehmen Independent Fuel Producers (IFP)

25 Websites der : Website: Informationen zum Thema Wasserstoff und Brennstoffzellen: Informationen zum Thema fossile Energieträger: Alle Wasserstoff- und Brennstoffzellen-Fahrzeuge: Informationen zur Brennstoffzelle: Informationen zu Wasserstoff-Projekten: