Solare Brennstoffe Erzeugung, Nutzungsverfahren und Umwandlungseffizienzen

Transkript

1 Solare Brennstoffe Erzeugung, Nutzungsverfahren und Umwandlungseffizienzen Dr. Christian Sattler, DLR Dr. Andreas Bühring, Fraunhofer ISE Hr. Jochen Linßen, FZ Jülich Folie 1

2 Solare Brennstoffe Solare Brennstoffe = Sonnenenergie wird gespeichert und ist potentiell mobil verfügbar Natürlich = Biomasse Technisch = Wasserstoff, Synthesegas, andere Energieträger Welcher solare Brennstoff ist unter welchen Randbedingungen sinnvoll? Umwandlungseffizienz Geographische Verfügbarkeit Konkurrenz Wie können solare Brennstoffe effizient gespeichert und genutzt werden? Folie 2

3 Weltweite Abhängigkeit von Rohstoffen: Öl, Uran und Kohle (Quelle: IEA) Anteil der Länder die 1/4 der Ressourcen besitzen Anteil der Länder die 1/2 der Ressourcen besitzen Fraction of world reserves Öl 5% 16% Kohle 6% 12% Fraction of world reserves DISTRIBUTION OF OIL RESERVES Uran 6% 16% Erneuerbare 25% 50% Fraction of world reserves DISTRIBUTION OF URANIUM RESERVES DISTRIBUTION OF COAL RESERVES Country Country Country Folie 3

4 Wasserstoff heute Wasserstoff ist heute eine Chemikalie und noch kein Energieträger Produktion Mrd. Nm 3 /a = Mt/a Virtueller Wert 100 Mrd. /a Wachstum ca. 10 %/a (2003, Linde) Nur ca. 4 % kommen in den Handel! Allein durch die Ammoniakproduktion entstehen ca. 250 Mt CO 2 /a Energie 1 % Belona Report 6, 2002 Folie 4

5 Wasserstoff heute Space Shuttle Discovery Vulcain-1 Vulcain-2 Start von der Launch Pad 39B Raketenmotorentests Kennedy Space Center, FL DLR Lampoldshausen 4. Juli 2006 Folie 5

6 Wasserstoff morgen Forschung Space Shuttle Discovery Gesellschaft Vulcain-1 Vulcain-2 Start von der Launch Pad 39B Industrie Raketenmotorentests Kennedy Space Center, FL DLR Lampoldshausen 4. Juli 2006, Folie 6

7 Solare Brennstoffe: Langfristig Wasserstoff Fossile Rohstoffe Reformierung Vergasung/PrOx Übergangsverfahren SOLREF (SCR, SOLASYS) Cracken SOLHYCARB Brennstoffzelle Pyrolyse Biomasse Energetische Nutzung Offene TC-Prozesse H 2 Erneuerbare Verfahren Verbrennungsmotor Direkte Spaltung Wasser TC-Kreisprozesse HT-Elektrolyse HYDROSOL 1+2 HYTHEC +Strom für WH Cycle Hi2H2 + Strom Folie 7

8 Thermal efficiency % Thermische Effizienz des erzeugten Wasserstoffs (Quelle: Universität Sheffield) Conversion efficiency to Hydrogen SMR Hydroelectric Tidal Wind Solar + SMR Coal Nuclear + SMR + Capture SMR + Capture Thermal cracking Nuclear / thermocycles Coal + Capture Nuclear / electrolysis Solar PV Solar photocatalysis Solar biomass 0 Nuclear + SMR Folie 8

9 Pellet-Stirling-Speicher-KWK (PeStiS) Entwicklung einer speicherintegrierten Stirling-Mikro-KWK-Anlage mit Holzpelletversorgung (PeStiS) Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISE; Fachhochschule Braunschweig-Wolfenbüttel, Solvis GmbH & Co. KG, Gebr. Bruns GmbH, KWB - Kraft und Wärme aus Biomasse GmbH, Resol GmbH, Schellinger KG, Stirling Power Module Energieumwandlungs GmbH, Badenova AG & Co. KG Folie 9

10 CO 2 Emission bei der Stromerzeugung CO 2 Emission Stromerzeugung 1,00 0,90 CO2 Emission [kg/kwh] 0,80 0,70 0,60 0,50 0,40 0,30 0,20 0,10 0,00 BSZ H2 durch SMR BSZ H2 durch CG Braunkohlen Steinkohlen Heizöl EL Erdgas Flüssiggas Folie 10

11 Kriterien zur Prozessauswahl für die solarthermische Wasserstofferzeugung Betriebstemperatur muss technisch realisierbar sein. Optimale Temperatur liegt zwischen 800 und 1600 K. (Annahmen: Kavität, Strahlungsflussdichte nach Gauß verteilt) Schnelle Reaktionen sind erwünscht. Hohe Verfügbarkeit der eingesetzten Stoffe muss gegeben sein. Hoher Wirkungsgrad muss realisierbar sein. H 2 muss zu einem akzeptablen Preis produziert werden können. Konkurrenz: H 2 aus Elektrolyse mit erneuerbarem Strom. Konkurrenz zu Wasserstoff aus Biomasse eher gering, da geographische Verfügbarkeit unterschiedlich Direkte energetische Biomasse Nutzung effizienter Folie 11

12 CO 2 Reduktion durch die Solarisierung etablierter Verfahren CG 20 kg/kg 15 SMR CO 2 Reduktion 30 50% SPCR 10 SSMR 5 0 SMR SSMR CG SPCR Folie 12

13 H 2 -Herstellung durch solare Reformierung Kohlenwasserstoffe H 2 O Reformer CH 4 + H 2 O CO + 3H 2 Synthesegas (H 2 /CO) WGS Gas- Separation H 2 CO 2 Folie 13

14 Experimentelle Ergebnisse SOLASYS Fortführung SOLREF (EU FP4, FP6) In das Gas eingekoppelte Leistung: bis 220 kw th (400 kw th ) Reformierungstemperatur: bis 765 C (1000 C) Betriebsdruck: bis 9 bar (15 bar) Konversionsgrad von Methan: max. 78 % Stimmt jeweils mit dem theor. Gleichgewicht überein. Fortführung der Arbeiten im Projekt SOLREF: Vorbereitung einer 1 MW Demo Folie 14

15 H 2 -Herstellung in TC-Kreisprozessen benötigte Energie K H T S G H 2 O: 4300 K Temperatur Die rein thermische Spaltung von Wasser in seine Bestandteile O 2 und H 2 erfolgt erst bei sehr hohen Temperaturen, die weit über 2000 C liegen. H 2 O H 2 + ½O 2 Probleme: Erzeugung der hohen Temperaturen Materialien Separierung von Produkten Folie 15

16 H 2 -Herstellung in TC-Kreisprozessen benötigte Energie K H T S G H 2 O: 4300 K TC: K Temperatur Lösung: Die Wasserspaltung wird durch den Einsatz von TC-Kreisprozessen in mehrere Schritte aufgeteilt: Z.B. in zwei Schritten: 1) M x O y xm + y/2o 2 2) xm + yh 2 O M x Oy + yh 2 Dadurch kann die notwendige Reaktionstemperatur erheblich gesenkt werden. Die Wasserspaltung erfolgt dabei über mindestens zwei Stufen. Um einen hohen η zu erzielen, sollte die Stufenzahl niedrig gehalten werden (<4). Folie 16

17 HYDRSOL + HYDROSOL 2 (EU FP5, FP6) ss steel) inlet of process gas 2 Stufiger Redoxkreisprozess auf der Basis von Eisenoxid-Verbindungen: honey comb structure (SiC) SiSiC cylinder quartz window concentrated solar radiation radiation shielding 1. Endothermer Schritt ( C) MO oxidiert MO reduziert + ½ O 2 2. Spaltung ( C) MO red + H 2 O MO ox + H 2 System: MO = (Zn,Y)Fe 2 O 4 (schwarz) Y = Ni oder Mn Kosten: Batch-Prozess 7 /kg Konti-Prozess 3,5 /kg Folie 17

18 Der Konti-Reaktor im Test Folie 18

19 Quasikontinuierliche Wasserstofferzeugung im Sonnenofen des DLR in Köln-Porz 0,0012 0,0010 0,0008 Über 50 Zyklen bei gleich bleibender Effizienz 1. day m'(h2) [g/sec] 0,0006 0,0004 0,0002 0, time [sec] Folie 19

20 Effizienzvergleich HYDROSOL Elektrolyse 100,0% 90,0% 80,0% Elektrolyse Hydrosol 70,0% 60,0% 50,0% 40,0% 30,0% 20,0% 10,0% 0,0% Feld Receiver Umwandlung Gesamt Folie 20

21 Zusammenfassung Solare Brennstoffe sind ein wesentlicher Bestandteil einer erneuerbaren Energiewirtschaft Wasserstoff hat ein besonders hohes Potential Biomasse kann direkt genutzt werden Verfahren zur solaren Wasserstofferzeugung müssen verfügbar werden Solarthermische Verfahren versprechen dabei die höchste Effizienz Kohlenstoffbasierte Übergangsprozesse erleichtern die Markteinführung Wasserstoffspeicher sind wesentliche für die Akzeptanz Wasserstoffnutzung hängt entscheidend von der Effizienz und Verlässlichkeit seiner Umwandlung ab (Brennstoffzellen, Motoren ) Folie 21

22 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit Folie 22