Wasserstoff aus Biomasse

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1 Neue Biokraftstoffe Symposium 6./7. Mai 2008, Berlin Wasserstoff aus Biomasse Jörg Schindler Ludwig-Bölkow-Systemtechnik, Ottobrunn

2 Überblick Alternative Kraftstoffe Ausgewählte Produktionsverfahren für Wasserstoff aus Biomasse Fahrzeugantriebe Treibhausgasemissionen Well-to-Wheel Spezifische Flächeneffizienz verschiedener alternativer Kraftstoffe Zusammenfassung 2

3 Alternative Kraftstoffe 3

4 Kraftstoffpfade Röhöl Benzin Diesel Erdgas Druckerdgas (CNG) Methanol, DME GTL (z.b. FT-Diesel) Wasserstoff (CGH 2, LH 2 ) Strom (regenerativ) Wasserstoff (CGH 2, LH 2 ) Strom (fossil, nuklear) Wasserstoff (CGH 2, LH 2 ) Biomasse (Lignocellulose) Wasserstoff (CGH 2, LH 2 ) Methanol, DME Ethanol BTL (z.b. FT-Diesel) Biomasse (Zuckerrüben, Weizen) Ethanol Biomasse (Ölpflanzen) Biogas Pflanzenöl FAME BTL-ähnlicher Kraftstoff (NExBTL) Methan aus Biogas Wasserstoff (CGH 2 ) 4

5 Biomasse Ölpflanzen Biogene Reststoffe zur Vergärung Zuckerrüben Transport Sammlung Transport Sammlung Transport Sammlung Transport Ölmühle Raffination Umesterung Hydrierung Konversion Anaerobe Vergärung CH 4 -Abtrennung und -reinigung Reformierung, H 2 -Abtrennung Kraftstoffaufbereitung/ Transport Transport Verflüssigung Transport Verdichtung Kraftstoff Pflanzenölmethylester (z.b. RME) Methan - flüssig -Druck Weizen Sammlung Transport Hydrolyse Fermentation (Ethanol) Transport Ethanol Waldenergieholz Restholz Kurzumtrieb (Pappeln, Weiden) Reststroh Sammlung Transport Sammlung Transport Sammlung Transport Destillation Vergasung H 2 -Abtrennung und -reinigung FT-Synthese, Upgrading alternativ: Methanolsynthese, MtSynfuels Transport Verflüssigung Transport Verdichtung BTL -Diesel - Naphtha (Benzin) Wasserstoff - flüssig -Druck Ludwig-Bölkow-Systemtechnik 5

6 Alternative Kraftstoffe Heute verfügbare Alternativen Pflanzenölmethylester (Biodiesel) Natives Pflanzenöl Bioethanol aus Zuckerrüben, Zuckerrohr, Weizen, Mais Erdgas Weitere, in Zukunft verfügbare Alternativen Synthetische Kohlenwasserstoffe aus Biomasse (BTL) Bioethanol aus Lignocellulose (Holz, Stroh) Aufbereitetes Biogas ( Compressed Methane Gas aus Biogas) Wasserstoff (CGH 2, LH 2 ) 6

7 Ausgewählte Produktionsverfahren für Wasserstoff aus Biomasse 7

8 Druckwasserstoff (CGH 2 ) aus Biomassevergasung generelles Schema Vergasung von Holzhackschnitzeln (HHS) HHS Wasser Vergaser (allotherm) CO, H 2 CO-Shift (optional) Netz Gasmotor/ MCFC Spülgas Strom Pressure Swing Adsorption (PSA) Gasreinigung Verdichtung Druckwasserstoff (für 70 MPa FZ-Tanks) η 50 % (H 2 maximal) 8

9 Druckwasserstoff (CGH 2 ) aus Biomassevergasung Beispiel Autobahntankstelle Vergasungsanlage CO-Shift PSA Gasmotor-BHKW Wärme Strom Wasserstoff Verdichtung Speicher CGH 2 -Tankstelle Autobahn-Raststätte Stromnetz 9

10 H 2 aus Biomasse über Vergasung: gestufte Reformierung Heizung Wärmeträger Abgas Gestufte Reformierung Brennerabgas Wasser Reformer Kompressor Dampf Wärmeträger Produktgas Pyrolysegas Quench Kondensat PSA Bild: Weindorf/LBST Biomasse Pyrolysereaktor Wärmeträger Koks Brenner Luft Spülgas (zum Gasmotor) η H2 40 % Rein-Wasserstoff Firmen: D.M.2 10

11 H 2 aus Biomasse über Vergasung: gestufte Reformierung (mit CO-Shift zur Erzielung einer maximalen H 2 -Ausbeute) Heizung Wärmeträger Gestufte Reformierung CO-Shift Dampf Wasser Brennerabgas Abgas Wasser Reformer Kompressor Dampf Produktgas Quench Wärmeträger Pyrolysegas Kondensat Biomasse PSA η H2 50 % Pyrolysereaktor Wärmeträger Koks Brenner Luft Spülgas (zum Gasmotor) Rein-Wasserstoff 11

12 H 2 aus Biomasse über Vergasung: gestufte Reformierung Eigenschaften Wasserdampf als Vergasungsmittel (allotherme Vergasung) Mehrstufiger Prozess: Pyrolyse, Reformierung Wärmezufuhr über Wärmeträger (z.b. Kurund-Kugeln) ca. 60% H 2 im Rohgas Geeignet für relativ kleine Anlagen ( 10 MW th Biomasseinput) Geeignet für unterschiedlichste Biomassesorten (z.b. Holz, Stroh) Pilotanlage in Herten in Nord-Rhein-Westfalen ( Blauer Turm ) Entwickler: D.M.2 Kommerzialisierung: D.M.2 12

13 H 2 aus Biomasse über Vergasung: BCL-Vergaser Abgas Zyklon- Abscheider Asche Zyklon- Abscheider Abgas Vergaser (Wirbelschicht) Wärmeträger und Koks Produktgas zur CO-Shift-Stufe und PSA Wasser Biomasse Dampf Wärmeträger Brenner (Wirbelschicht) Luft Wasser Dampf Wäscher Abwasser 13

14 H 2 aus Biomasse über Vergasung: BCL-Vergaser Eigenschaften Wasserdampf als Vergasungsmittel (allotherme Vergasung) Wirbelschicht Wärmezufuhr über Wärmeträger (Sand) H 2 : 17-22%, CO: 44-50% (CO-Shift-Stufe erforderlich für hohe H 2 -Ausbeute) Geeignet für große Anlagen (100 bis 500 MW th Biomasseinput) Geeignet für Holzhackschnitzel (Versuche in Burlington) Pilotanlage in Burlington in Vermont, USA Entwickler: Battelle-Columbus-Laboratory (BCL) Kommerzialisierung: SilvaGas Corporation ( 14

15 H 2 aus Biomasse über Vergasung: AER-Prozess Spülgas (zum Gasmotor) Vergasung PSA Produktgas Regenerierung Rein-Wasserstoff Abgas Biomasse Absorption Enhanced Reforming (AER) CaO CaCO 3, Koks Verbrennung Regenerierung η H2 34 % Dampf Luft Pilotanlage in Güssing Bild: Neben reinem Wasserstoff (3,4 MW) wird auch Strom und Wärme erzeugt (1,16 MW Strom, 3,1 MW nutzbare Wärme mit T > 85 C) Quelle: ZSW,

16 H 2 aus Biomasse über Vergasung: AER-Prozess Eigenschaften Absorption Enhanced Reforming (AER) Wasserdampf als Vergasungsmittel (allotherme Vergasung) Wirbelschicht Wärmezufuhr über Wärmeträger (CaO, CaCO 3 ) Entfernung von CO 2 aus dem Produktgasstrom zum großen Teil durch CaO/CaCO 3 -Zyklus, dadurch H 2 -Gehalte im Rohgas von mehr als 75% Geeignet für relativ kleine Anlagen ( 10 MW th Biomasseinput) Geeignet für Holzhackschnitzel Experimente an bestehender Vergasungsanlage in Güssing in Österreich Entwickler: Zentrum für Sonnenenergie- und Wasserstoff-Forschung (ZSW) in Zusammenarbeit mit verschiedenen Instituten, dem Biomasse- Kaftwerk Güssing GmbH in Österreich und GE Jenbacher in Österreich 16

17 H 2 aus Biomasse über hydrothermale Vergasung Biomasse Vorheizer Rauchgas Reaktor Waschwasser Produktgas zur PSA Wasser 700 C 35 MPa Wärmetauscher Rauchgasrückführung CO 2 - Wäscher Kühlwasser Hochdruckpumpe Kühler Phasentrennung und Druckentspannung Abwassertank Quelle: Forschungszentrum Karlsruhe (FZJ),

18 H 2 aus Biomasse über hydrothermale Vergasung Eigenschaften Wasserdampf (überkritisches Wasser: T>374 C, p>22.1 MPa) als Vergasungsmittel (allotherme Vergasung) Wärmzufuhr durch Erwärmung des Einsatzstoffes durch heißen Produktgasstrom über Wärmetauscher, Erwärmung des Reaktors von außen durch Abgas aus Vorheizer mehr als 70% H 2 im Rohgas Geeignet für relativ kleine Anlagen ( 10 MW th Biomasseinput) Geeignet für sehr feuchte Biomasse (bis zu 95% Wassergehalt) Pilotanlage auf dem Gelände des Forschungszentrums in Karlsruhe ( Versuchsanlage zur energetischen Nutzung agrarwirtschaftlicher Rohstoffe (VERENA)) Entwickler: Forschungszentrum Karlsruhe (FZK) 18

19 Druckwasserstoff (CGH 2 ) aus Biogas Vergärbare Biomasse (z.b. Biomüll, Grasschnitt) Spülgas Biogasanlage (Vergärung) CH 4 Dampfreformer CO, H 2 Tankstelle mit Dampfreformer in Japan (WE-NET) CO-Shift Pressure Swing Adsorpton (PSA) Verdichtung Druckwasserstoff (für 70 MPa FZ-Tanks) 19

20 Fahrzeugantriebe 20

21 Fahrzeugantriebe Konventionelle Fahrzeuge mit Verbrennungsmotor (Verbrennungsmotor) (Verbrennungsmotor) Kraftstoff- Tank ICE ICE Getriebe 21

22 Fahrzeugantriebe Hybrid-Fahrzeuge mit Verbrennungsmotor und E-Motor Batterie DC/AC DC/AC E-Motor/ Generator Bild: Toyota Prius Regeneration (Verbrennungsmotor) (Verbrennungsmotor) Kraftstoff- Tank ICE ICE Getriebe Steuerelektronik 22

23 Fahrzeugantriebe Brennstoffzellen-Hybrid-Fahrzeuge (BZ plus Batterie) Batterie DC/AC DC/AC E-Motor/ Generator Regeneration Getriebe FC FC (Brennstoffzellensystem) (Brennstoffzellensystem) H H 2 -Tank 2 -Tank (CGH (CGH 2 /LH 2 /LH 2 ) 2 ) Bild: Honda FCX Clarity 23

24 Fahrzeugantriebe Kraftstoffverbrauch alternativer Antriebe (Basis: VW Golf) DPF: Diesel-Partikel-Filter Unterer Heizwert (Benzin) = 8,9 kwh/l Unterer Heizwert (Dieselkraftstoff): 10 kwh/l Nicht hybrid Hybrid [l Benzinäquiv. /100 km] [l Benzinäquiv. /100 km] Benzin (Ottomotor) 5,9 5,0 Dieselmotor mit DPF 5,5 4,5 Erdgas (Ottomotor) 5,8 4,4 Ethanol (Ottomotor) 5,9 5,1 Druckwasserstoff - CGH 2 (Ottomotor) 5,2 4,6 Druckwasserstoff - CGH 2 (Brennstoffzelle) - 2,6 Elektrofahrzeug (Batterie) (1,4) (1,4) Quelle: CONCAWE/EUCAR/JRC

25 Brennstoffzellenfahrzeug B-Class von Daimler Ziele: Mehrere100 Fahrzeuge bis 2010 Großserie eines Volumenmodells ab 2014/15 mit ca Einheiten pro Jahr Antriebsleistung: 100 kw Reichweite: 400 km Verbrauch: 3,3 l Benzinäquivalent/100 km (2,9 l Dieseläquivalent/100 km) Minimale Temperatur für Kaltstart: -25 C 25

26 Brennstoffzellenfahrzeug Equinox von GM Erste Kleinserie: 100 Fahrzeuge Ziele: Fahrzeuge bis Fahrzeuge bis 2015 Leistung Brennstoffzelle: 115 kw el Reichweite: 320 km Druckwasserstoff (CGH 2 ): 70 MPa 26

27 Brennstoffzellenfahrzeug FCX Concept von Honda Leistung: 95 kw Reichweite mit einer Tankfüllung: 570 km Verbrauch: ca. 2,7 l Benzinäquivalent/(100 km) Jeweils 80 Fahrzeuge in Japan und USA in 2008 Massenfertigung (> Fahrzeuge/a): 2018 Betankung mit CGH 2 (35 MPa) Quelle: Honda ( 27

28 Treibhausgasemissionen Well-to-Wheel 28

29 CGH2 Wind LH2 Wind Treibhausgasemissionen Well-to-Wheel hybrid Verbrennungsmotor Biokraftstoffe ohne Wasserstoff Gutschrift für Strom N2O CH4 CO2 29 [g CO2-Äquivalent/km] Benzin aus Rohöl Diesel aus Rohöl BTL Kurzumtrieb (FT Synthese) Ethanol Weizen Braunkohle Ethanol Weizen Biogas* Ethanol Kurzumtrieb CMG Biogas (Biomüll) CMG Biogas (Tierexkremente) RME (Propylenglycol-Subst.) RME (Glyzerin-Subst.) Pflanzenöl Raps CGH2 Kurzumtrieb CGH2 Kurzumtrieb (Gutschrift)** * Ökologisches Gesamtkonzept mit Rückführung der Reststoffe auf die Ackerflächen ** Wärme aus Vergasung und Gasmotor wird in ein Nahwärmenetz eingespeist Brennstoffzelle Wasserstoff Referenzfahrzeug: VW Golf

30 Spezifische Flächeneffizienz verschiedener alternativer Kraftstoffe 30

31 Flächenerträge für verschiedener Biokraftstoffe 200 Ertrag [GJ KS /(ha a)] Bandbreite 0 Biodiesel (RME) Ethanol aus Weizen Ethanol aus Kurzumtrieb Methan aus Biogas BTL CGH2 aus Kurzumtrieb LH2 aus Kurzumtrieb 31

32 Flächenerträge für verschiedene erneuerbare Kraftstoffe Annahmen H 2 : Anteil Fläche PV-Module: 33% Strompfade -----> Ertrag [GJ KS /(ha a)] Solare Einstrahlung: 900 kwh/(m 2 a) Wirkungsgrad PV-Module: 15% Performance Ratio (PR): 75% Wirkungsgrad CGH 2 -Bereitstellung: 60% Wirkungsgrad LH 2 -Bereitstellung: 54% 4,8 Windkraftanlagen/km kw/windkraftanlage Jahresvollbenutzungsdauer WKA: 1800 h/a Palmöl Indonesien Bandbreite *) *) 0 Biodiesel (RME) Ethanol aus Weizen Ethanol aus Kurzumtrieb Methan aus Biogas BTL CGH2 aus Kurzumtrieb LH2 aus Kurzumtrieb CGH2 aus PV LH2 aus PV CGH2 Wind LH2 Wind *) mehr als 99% der Landfläche steht weiterhin für andere Zwecke zur Verfügung (z.b. Landwirtschaft) 32

33 Anzahl PKW (hybrid), die pro ha versorgt werden können Jahresfahrleistung: km, H 2 -Fahrzeuge mit Ottomotor [PKW/ha] Biodiesel (RME) Annahmen H 2 : Anteil Fläche PV-Module: 33% Solare Einstrahlung: 900 kwh/(m 2 a) Wirkungsgrad PV-Module: 15% Performance Ratio (PR): 75% Wirkungsgrad CGH 2 -Bereitstellung: 60% Wirkungsgrad LH 2 -Bereitstellung: 54% 4,8 Windkraftanlagen/km kw/windkraftanlage Jahresvollbenutzungsdauer WKA: 1800 h/a Ethanol aus Weizen Ethanol aus Kurzumtrieb Methan aus Biogas Bandbreite BTL CGH2 aus Kurzumtrieb LH2 aus Kurzumtrieb CGH2 aus PV Strompfade -----> LH2 aus PV CGH2 Wind Referenzfahrzeug: VW Golf *) *) LH2 Wind Dieselmotor Ottomotor *) mehr als 99% der Landfläche steht weiterhin für andere Zwecke zur Verfügung (z.b. Landwirtschaft) 33

34 Anzahl PKW (hybrid), die pro ha versorgt werden können Jahresfahrleistung: km, H 2 -Fahrzeuge mit Brennstoffzellen [PKW/ha] Annahmen H 2 : Anteil Fläche PV-Module: 33% Solare Einstrahlung: 900 kwh/(m 2 a) Wirkungsgrad PV-Module: 15% Performance Ratio (PR): 75% Wirkungsgrad CGH 2 -Bereitstellung: 60% Wirkungsgrad LH 2 -Bereitstellung: 54% 4,8 Windkraftanlagen/km kw/windkraftanlage Jahresvollbenutzungsdauer WKA: 1800 h/a Strompfade -----> *) *) 10 0 Biodiesel (RME) Ethanol aus Weizen Ethanol aus Kurzumtrieb Methan aus Biogas Bandbreite BTL CGH2 aus Kurzumtrieb LH2 aus Kurzumtrieb CGH2 aus PV LH2 aus PV CGH2 Wind Referenzfahrzeug: VW Golf LH2 Wind Dieselmotor Ottomotor Brennstoffzelle *) mehr als 99% der Landfläche steht weiterhin für andere Zwecke zur Verfügung (z.b. Landwirtschaft) 34

35 Zusammenfassung 35

36 Wasserstoff aus Biomasse Die Vergasungstechnik ist grundsätzlich ähnlich wie für die Produktion von BTL-Kraftstoffen (für die Produktion von Wasserstoff werden Verfahren bevorzugt, die bereits im Rohgas hohe H 2 -Anteile aufweisen). Biogener Wasserstoff hat deutlich geringere Treibhausgasemissionen als konventionelles Benzin oder Diesel. Well-to-Wheel-Analysen ergeben: Wasserstoff aus Biomasse in Brennstoffzellenfahrzeugen ist effizienter als die meisten anderen biogenen Kraftstoffpfade (Ausnahme: Biogas). Im Gegensatz zu anderen Biokraftstoffen kann Wasserstoff sowohl aus Biomasse als auch aus erneuerbarem Strom erzeugt werden. Deswegen ist das Erzeugungspotenzial für Wasserstoff erheblich höher als für Kraftstoffe, die nur aus Biomasse erzeugt werden können. Fazit: Wasserstoff aus Biomasse ist ein aussichtsreicher Kraftstoff! 36

37 Webseiten der Ludwig-Bölkow-Systemtechnik Ludwig-Bölkow-Systemtechnik Webseite: Informationen zu Wasserstoff und Brennstoffzellen: Übersicht über Wasserstoff- und Brennstoffzellen-Fahrzeuge: Übersicht über Wasserstofftankstellen: 37