Wasserstoff. Rahmenbedingungen, Stand der Technik, Potenzial. Initiative Risiko:dialog: Grüner Wasserstoff Zukunft der Energieversorgung?

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1 Wasserstoff Rahmenbedingungen, Stand der Technik, Potenzial Initiative Risiko:dialog: Grüner Wasserstoff Zukunft der Energieversorgung? Helmut Antrekowitsch 23. Jänner 2013

2 Allgemeines Aufgrund der Energieversorgungs-, Umwelt- und Klimasituation wird zukünftig ein Umdenken in Bezug auf Energieumwandlungsverfahren und die Auswahl der Energieträger stattfinden Wasserstoff als neuer Energieträger spielt eine wesentliche Rolle Gesamtbedarf an H 2 weltweit beträgt ~ 600 Milliarden m³/jahr 96 % aus fossilen Energieträgern 4 % via Elektrolyse (~ 24 Milliarden m³/jahr) Voraussetzungen für künftige Einbindung von H 2 als Energieträger Schaffung neuer Infrastrukturen Verfügbarkeit bei konkurrenzfähiger Kostensituation Hinreichend große Potenziale

3 Allgemein Strom aus erneuerbaren Energiequellen (Wind, Solar) kann aufgrund des intermittierenden Anfalles nur zum Teil direkt in Form von Wärme und Strom genutzt werden Speicherfähiger, transportierbarer und umweltfreundlicher Energieträger notwendig H 2 Herstellung von regenerativen Wasserstoff aus Wasserkraft, Windenergie und Sonnenenergie technisch möglich und langfristig wirtschaftlich Elektrolyse Quelle: Schmidtchen, U.: Wasserstoff und Brennstoffzellen Potential und Wirkung, Tectoyou, Deutschland, Hannover, 2012

4 Vorteile Wasserstoff Hohe Kapazität Hohe Energiedichte Geringe Selbstentladung Kombinierbar mit z. B. Windkraftwerken Einspeisung ins Energieversorgungsnetz Fahrzeuge Keine Emissionen Diversifizierung der Primärenergieträgern Versorgungssicherheit Neuer Weg der Mobilität Ausgleich von Energie-Engpässen Quelle: Gardiner, M.: Fuel Cells and Hydrogen Enabling Large Scale Renewable Energy, IPHE Hydrogen for Energy Storage Workshop, Spain, Sevilla, 2012

5 H 2 - Verwendung Wasserstoff ist ein wichtiger Rohstoff für die chemische und petrochemische Industrie (Herstellung von Ammoniak; 3 H 2 + N 2 2 NH 3 ) Bedarf an Chemie-Wasserstoff wird steigen (Düngemittelproduktion) Wasserstoff für Reduktionsprozesse in der Metallurgie Quelle: Gardiner, M.: Fuel Cells and Hydrogen Enabling Large Scale Renewable Energy, IPHE Hydrogen for Energy Storage Workshop, Spain, Sevilla, 2012 Quelle: Wasserstoff Schlüssel zu weltweitnachhaltiger Energiewirtschaft, EnergieRegion.NRW, 2009

6 H 2 - Herstellung Quelle: Quaschning, V.: Regenerative Energiesysteme: Technologie Berechnung Simulation, 7. Aufl., München: Hanser, 2011

7 H 2 - Herstellung Herstellung von Wasserstoff basiert auf folgenden Verfahren Reformierung von Erdgas Wasserelektrolyse Herstellung von Synthesegas aus Kohle Wasserstoff aus Biomasse Elektrolytische Wasserstofferzeugung Alkalische Druckelektrolyse Hochtemperatur-Dampfelektrolyse Membranzellenelektrolyse H 2 O + Strom H 2 + ½ O 2 Minimale Energie für die Wasserzersetzung (25 C, 1 bar): 3,54 KWh/Nm³ H 2 Zellspannung 1,48 V Quelle: International Partnership for Hydrogen and Fuel Cells in the Economy.: Renewable Hydrogen Report, 2011

8 H 2 - Herstellung Alkalische Druckelektrolyse Älteste und sehr häufig angewandte Technologie Anlagenkapazität bis zu Nm³ H 2 /Stunde Betriebsdruck: ~ 30 bar Elektrolyt: %ige Kalilauge (KOH) Zelle besteht aus einem Gehäuse mit zwei Gasabscheidern, zwei Elektroden und einer gasundurchlässigen, ionendurchlässigen Membran Lastwechsel im Bereich von % der Nennleistung möglich Wirkungsgrad: ~ 65 % Verwendung von stark fluktuierenden Energiequellen (Wind) Energie für die Wasserzersetzung (90 C, 30 bar, 25 %ige KOH): 4,5 KWh/Nm³ H 2 Kathodenreaktion: 2 H 2 O + 2 e - 2 OH - + H 2 Anodenreaktion: 2 OH - H 2 O + ½ O e - Quelle: Oberholzer, S.: Forschungsprogramm Wasserstoff, Bundesamt für Energie, Schweiz, Bern, 2011

9 H 2 - Herstellung Druckelektrolyseur zur Erzeugung von 760 Nm³/h H 2 (System LURGI)

10 H 2 Herstellung Zentral Reformierung von Erdgas Wasserstoff aus Biomasse Elektrolyse (Wind) Synthesegas aus Kohle Elektrolyse (Solar) Hochtemperatur- Elektrolyse PEC Solar-thermochemische Herstellung Biologisch bis Dezentral Reformierung von Erdgas Elektrolyse (Netz) Biologische Gewinnung aus Flüssigkeiten Anlagengröße in kg/tag < Quelle: Gardiner, M.: Fuel Cells and Hydrogen Enabling Large Scale Renewable Energy, IPHE Hydrogen for Energy Storage Workshop, Spain, Sevilla, 2012

11 Zusammenfassung Wasserstoff-Elektrolyse Gewinnung von Wasserstoff Verfahren Wirkungsgrad [%] Betriebstemperatur [ C] Konventionelle alkalische Elektrolyse Verbesserte alkalische Elektrolyse Membranelektrolyse Hochtemperatur-Dampfelektrolyse ( Hot Elly ) > Verbesserte alkalische Elektrolyse/Membranelektrolyse: Stand der Technik Hot Elly -Elektrolyse: optimal für Einsatz bei Solarsystemen; jedoch Probleme mit Werkstoffen aufgrund der hohen Temperaturen

12 H 2 - Speicherung Speicherung von H 2 ist ein entscheidender Faktor für die Wirtschaftlichkeit der Wasserstoffnutzung Wichtige Kriterien bei Speichersystemen sind Speichereffizienz Energiebedarf Lebensdauer Be- und Entladegeschwindigkeit Speicherform Wasserstoffverlust Kosten Quellen: Flüssigtank für Wasserstoff, hannover/fluessigtank-wasserstoff.htm (Stand: 2006); Gasspeicher, /stromspeicher.html (Stand: 2012)

13 H 2 - Speicherung Physikalische Speicher Hochdruckgasspeicher ( bar, gh 2 pro Liter H 2 ) Flüssigspeicher (-254 C, 1 bar, 71 gh 2 pro Liter H 2 ) Adsorptionsspeicher (Van-der-Waals- oder andere Sorptionsbindungen) Zeolithe C-Nanostrukturen Metal-Organic-Frameworks (MOF) Chemische Speicher Metall-Hydridspeicher (LaNi 5 H 6 LaNi H 2 ; NaAlH 4 NaH + Al + 1,5 H 2 Chemische Hydridspeicher (NaBH H 2 O = 4 H 2 + NaBO 2 ) Konvalente und flüssige organische Hydridspeicher (Ammoniak, Borane, Kohlenwasserstoffe) bedeutendste Wasserstoffspeicher

14 H 2 Energetische Verwertung Problem: fehlende Wasserstoffinfrastruktur Lösung Erzeugung von Methan (p, ϑ ): 4 2 Quelle: Quaschning, V.: Regenerative Energiesysteme: Technologie Berechnung Simulation, 7. Aufl., München: Hanser, 2011

15 Wirtschaftlichkeitsbetrachtung Verfahren Gestehungskosten /kwh el Gestehungskosten /kwh therm Solarthermische Kraftwerke 0,212 1) - Photovoltaikanlagen 0,199 2) - Windkraftanlagen 0,067 3) - Wasserkraftanlagen 0,025 0,100 4) Geothermieanlagen 0,228 5) Holzpelletsheizung - 0,085 6) Kohlekraftwerk 0,05 0,08 - Gas- und Dampfturbinenkraftwerk 0,05 0,08 - Öl- und Gasheizung - 0,15 0,25 Kernenergie 0,06 0,08 1) Berechnet für ein 64-MW-Parabolrinnenkraftwerk (Frauenhofer-Studie: 0,18 0,24 /kwh) 2) Auf Deutschland bezogen (Sahara: 0,063 /kwh el ) (Frauenhofer-Studie: 0,13 0,16 /kwh) 3) Für eine 1,5 MW Anlage (Frauenhofer-Studie: Onshore: 0,06 0,08 /kwh; Offshore: 0,11 0,16 /kwh) 4) Mittleres Laufkraftwerk 5) Durchschnittswert 6) Wärmebedarf für einen Altbau: kwh therm Quellen: Quaschning, V.: Regenerative Energiesysteme: Technologie Berechnung Simulation, 7. Aufl., München: Hanser, 2011 Wasserkraft, Quelle: (Stand: 2011) Ministerium für Wissenschaft und Wirtschaft des Landes Sachsen-Anhalt: Energiestudie mit Prognosen der Energiekennzahlen für die Jahre 2020 und 2030, 2012

16 Wirtschaftlichkeitsbetrachtung Gestehungskosten für fossile und nukleare Energie werden u.a. steigen durch Entsorgungskosten Umweltauflagen Verfügbarkeit Quelle: en/veroeffentlichungen-pdf-dateien/studien-undkonzeptpapiere/studie-stromgestehungskostenerneuerbare-energien.pdf (Stand: Mai 2012)

17 Wirtschaftlichkeitsbetrachtung Quelle: Hotellier, G..: Wasserstoff als Energiespeicher Potenziale und Umsetzungsszenarien, Niedersächsisches Forum für Energiespeicher und systeme, 2012

18 Zusammenfassung Im Sinne einer nachhaltigen Entwicklung sind beim Ausbau der erneuerbaren Energien folgende Kriterien einzuhalten Optimum kostengünstiger Grundlasterzeugung Schnell regelbare Kraftwerksleistung Netzausbau Lastenmanagement und der Einsatz von Energiespeichern Bei erneuerbaren Energien im Großmaßstab muss die Speicherbarkeit der Energie abgeklärt sein Wasserstoff ist eine sehr flexible Energieform Brennstoffzellen besitzen eine sehr hohe Effizienz Zukünftige Forschungstätigkeiten Systemkosten verringern Erhöhung der Effizienz Erhöhung der Standzeiten der Brennstoffzellen Vergrößerung der Elektrolyse-Systeme

19 Zusammenfassung Der Einsatz von erneuerbarem Wasserstoff führt zu einer Senkung der Treibhausgas-Emissionen Anlagen zur H 2 -Produktion mit erneuerbarem Strom können einen Beitrag zur Netzstabilität leisten und den Bedarf für eine Stromnetzerweiterung reduzieren Bei frühzeitiger Implementierung kann Wasserstoff aus Windenergie ab 2020 wettbewerbsfähig werden Investitionskosten für alkalische und PEM-Elektrolyseure:

20 Danke für Ihre Aufmerksamkeit