Wasserstoff Energieträger der Zukunft?

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1 Wasserstoff Energieträger der Zukunft? Udo Rindelhardt

2 Einleitung Derzeitige Nutzung von Wasserstoff Wasserstoff in der Energiewirtschaft Mögliche Szenarien Wasserstoff aus Kernenergie

3 Energieträger Wasserstoff kein neues Thema Erste Untersuchungen ab 1970 ( u.a. Ispra, Jülich, GA, Westinghouse) USA: DOE Hydrogen-Programm, , 1,2 Mrd. $ Ziel: Wasserstoffnutzung im Verkehr EU: 5. und 6. Rahmenprogramm Erzeugung (1), Speicherung (4), H2 aus erneuerbaren Energien (12), H2-Netzwerke (4)

4 Deutschland: Bund: ZIP 60 Mio Auch Bayern, Hessen, BW, NRW Schwerpunkt: Brennstoffzellen neu: COORETEC (CO 2 -Sequestrierung) BMWA 2003: Beirat FuE Wasserstofftechnologien Brennstoffzellen (EU: 41 Projekte) Spezielle Technologie, nicht an Wasserstoff gebunden!

5 Derzeitige Nutzung: Wasserstoff als Rohstoff Erzeugung weltweit 500 Mrd. m³/a 5400 PJ Erzeugung BRD 19 Mrd. m³/a 205 PJ Erzeugung aus: Erdöl (45 %), Erdgas (33 %), (Dampfreformierung) Kohle (15 %), Strom (7%) Nutzung: Schmierstoffe (50%) Ammoniak (40%)

6 Wasserstoff in der Energiewirtschaft Primärenergieträger Primärenergieströme Kohle, Erdöl, Erdgas, Kernenergie Erneuerbare Energien Sekundärenergie Strom, Fernwärme, Kraftstoff, Heizöl, Wasserstoff Endenergie Sek.-Energie + Erdgas Nutzenergie Raumwärme/Prozesswärme Licht/Kommunikation mechanische Energie

7 Energetische Nutzungsmöglichkeiten von Wasserstoff Verbrennung in Heizungen, Industrie- und Kraftwerkskesseln Motorische Verbrennung (Kfz) Katalytische Verbrennung (flammenlos, T<500 C, kaum NO x ) direkte H2/O2- Verbrennung (Raketen, auch als Prozessdampf) Brennstoffzellen (KWK)

8 Argumente für eine Wasserstoff-Energiewirtschaft Stark: Ersatz von Kraftstoff bei Verknappung Öl/Gas Nutzung als Speicher bei massenhaftem Einsatz (fluktuierender) erneuerbarer Energien Weitere: Globale CO 2 -Reduktion bei Erzeugung aus kohlenstofffreien Primärenergien Null-Emission am Einsatzort (Kfz) breitere Nutzung der Kernenergie Gegenszenarien: Strom-basierte Energiewirtschaft Fossile Energiewirtschaft mit CO 2 - Sequestrierung

9

10 Nachhaltige Wasserstoffwirtschaft nur mit CO 2 -freien Primärenergien Erneuerbare Energien: Solarstrahlung direkt -> Strom Solarstrahlung konzentriert -> Strom Biomasse (Vergasung) Strom (Wind und Wasser): Elektrolyse Kernenergie: Strom: Elektrolyse Therm. Hochtemperatur-Kreisprozesse (Generation IV) Oder: CO 2 -Sequestrierung bei fossilen Energieträgern

11 Probleme (Hemmnisse) für Wasserstoff-Wirtschaft: Effizienzproblem: (Sekundärenergieträger!) Erzeugung Speicherung Verteilung Nutzung Wandlungsverluste und Kosten Mengenproblem: Deckung des derzeitigen Kraftstoffverbrauchs in BRD durch Elektrolyse-Wasserstoff erfordert Verdreifachung der deutschen Stromproduktion (d.h. Zubau von 160 GW Kraftwerken)

12 Energetisch fraglich!!!

13 IIASA Laxenburg: IPCC B1 Szenario 2003: 5 EJ H2 Weltenergieverbrauch 2000: 500 EJ

14 CO 2 -Emmission nach IIASA B1

15 EU High Level Group (2003):

16 Kernenergie zur Wasserstoff-Herstellung

17 Kernenergie zur Wasserstoff-Herstellung Grundsätzliche Möglichkeiten Klassische Elektrolyse aus KE-Strom Wärmebereitstellung aus KE für konventionelle H2-Produktion Thermochemische Wasserspaltung Hybrid-Verfahren (thermochemisch und Elektrolyse) Hochtemperatur-Elektrolyse mit KE-Strom und KE-Wärme

18 Kurzfristig: Dezentrale Elektrolyseure (Basis KE-Strom aus LWR) Beispiel USA: Kosten (aus KE-Strom: 0,06 $ct/kwh) H2 aus Erdgas: Mit 55%- CO 2 -Sequestrierung 3 $/kg 0,85 $/kg 1,12 $/kg Aber: Sicht eines Kraftfahrers Heute 11,8l/100 km a 0,40$/l -> 4,7 $/100 km H2 und BZ 0,75kgH2/100km a 3$/kg -> 2,25 $/100 km

19 Mittelfristig: Weiterer Ausbau Elektrolyse Zusätzlich: Nutzung von KE-Wärme zur H2-Herstellung aus Erdgas d.h. Einsparung von 30% des Erdgases Voraussetzung: Na- oder Gas-gekühlte KKW Wärmebereitstellung bei Temperaturen von C Testreaktor in Japan: HTTR 30 MW th

20 Langfristig: Thermo-chemische Wasserspaltung mittels Helium- oder Blei-gekühlten KKW ( T>900 C ) oder Hochtemperatur-Elektrolyse mittels HT-Reaktoren (CEA)

21 Thermochemische Wasserspaltung:

22 Favorit: Jod-Schwefel-Prozess (USA, Frankreich, Japan) Für 600 MW- Reaktor: 2,5t/s

23 Jod-Schwefel-Prozess Entwickelt von General Atomics in den Siebzigern Geeignet für KE und EE Chemische Einzel-Reaktionen demonstriert Material ausgewählt und getestet Vorteile Alles fluide Prozesse Alle Chemikalien bleiben im Prozess Keine Rückstände Herausforderungen Hohes Temperaturniveau (>850 C) Nachweis des Gesamtverfahrens als Prototyp

24

25 Die Wasserstoff-Zeitschiene USA

26 Die nukleare Zeitschiene (USA)

27 Zusammenfassung: Notwendigkeit, Zeitpunkt und Umfang der Wasserstoff- Wirtschaft umstritten Nennenswerte energetische Beiträge des Sekundärenergieträgers Wasserstoff erfordern deutliche Steigerungen des Primärenergieverbrauches Bereitstellung von Wasserstoff aus Kernenergie ist möglich, effektive Verfahren erfordern jedoch noch erheblichen Entwicklungsaufwand

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