Fernwärme als Brücke zwischen erneuerbarer Energie und fossilen Energieträgern. ALEXANDER WOKAUN Paul Scherrer Institut, Villigen

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Oskar Neumann
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1 Fernwärme als Brücke zwischen erneuerbarer Energie und fossilen Energieträgern ALEXANDER WOKAUN Paul Scherrer Institut, Villigen Alexander Wokaun 13. Januar 2005

2 Fernwärme als Brücke zwischen erneuerbarer Energie und fossilen Energieträgern Wege zur Realisierung von Klimaschutzzielen Nachfrageseitige Massnahmen, Energiedienstleistungen Effizienzsteigerung ; Wasserstoff als Energieträger Substitution durch Erneuerbare Energien Rolle der Fernwärme Schlussfolgerungen Alexander Wokaun 13. Januar 2005 Folie 2

3 Nachfrageseitige Massnahmen Erbringen äquivalenter Dienstleistung mit drastisch verringertem Einsatz an Endenergie gut isolierte Häuser (Minergie P) 80% weniger Heizenergie öffentlicher Verkehr, Car sharing Leichtfahrzeuge Recycling, Steigerung der Material- und Nutzungseffizienz ohne nachfrageseitige Massnahmen ist ein nachhaltiges Energiesystem nicht realisierbar! Alexander Wokaun 13. Januar 2005 Folie 3

4 Effizienzsteigerung: Beispiel Kraftwerke 70 Efficiency (%) Combined cycle Steam turbine plant Gas turbine Oil crisis 10 Alexander Wokaun 13. Januar 2005 Folie erst Wärmenutzung steigert den Wirkungsgrad auf über 80%!

5 Substitution durch Erneuerbare Energien keine Option ist verzichtbar! Windelektrizität; Geothermie Solarthermische Elektrizität und Photovoltaik Solarchemische Produktion von Wasserstoff Biomassenutzung Beiträge zum globalen Energieverbrauch je 10 25% möglich Alexander Wokaun 13. Januar 2005 Folie 5

6 Biomassenutzung in der Schweiz Gegenwärtiger Stand, Zukunft und Potential Primärenergie [PJ] Holz Heute Zukunft Potential NWR Landschaftspflege Ernterückstände und Hofdünger Abfälle Gesamte Biomasse Quelle: Hersener und Meier, Energetisch nutzbares Biomassepotential in der Schweiz sowie Stand der Nutzung in ausgewählten EU-Staaten und den USA, im Auftrag vom BFE (April 1999) Alexander Wokaun 13. Januar 2005 Folie 6

7 Projekt ECOGAS Biomasse Vektor Produkte Waldwirtschaft Strom Landwirtschaft Gas Treibstoffe Abfallwirtschaft Kosten? Eco-Efficiency? Technologien? Märkte? Wärme Alexander Wokaun 13. Januar 2005 Folie 7

8 Thermische Vergasung von Biomasse Thermische Vergasung bei 900 C mit Dampf / CO 2 in Luft-Unterschuss Nassoxidation ( hydrothermale Vergasung ) bei 300 bar, 400 C Alexander Wokaun 13. Januar 2005 Folie 8

9 Holz zu Methan: Verfahrensschritte Vergaser Gasreinigung Kompression Gaszusammensetzung Güssing H 2 [%] 38.5 CO [%] 25.3 CO 2 [%] 21.5 CH 4 [%] 10.3 C 2 H 4 [%] 2.6 KW [%] 0.3 NH 3 [ppm] 1000 Methanierung Aufbereitung CH 4 CO 2 Alexander Wokaun 13. Januar 2005 Folie 9

10 Methanisierungsversuche an der Biomasse-Vergasungsanlage in Güssing (A) Biomasse-Heizkraftwerk Güssing Pilotanlage 8MW th 2.5MW el Quelle: TU Wien AE-Babcock Borsig Power Alexander Wokaun 13. Januar 2005 Folie 10

Methan aus Synthesegas: Katalysator-Langzeittests Thermische Leistung 10 kw, 5 bar Druck, Wirbelschichttechnik CO + 3 H 2 CH 4 + H 2 O CO + H 2 O H 2 + CO 2 2 CO + 2 H 2 CH 4 + CO 2 H 2 / CO -

11 Methan aus Synthesegas: Katalysator-Langzeittests Thermische Leistung 10 kw, 5 bar Druck, Wirbelschichttechnik CO + 3 H 2 CH 4 + H 2 O CO + H 2 O H 2 + CO 2 2 CO + 2 H 2 CH 4 + CO 2 H 2 / CO - Verhältnis von Holzvergasern: 0,8... 1,8 Güssing: 1,5 Stand , Güssing A Erreichte Betriebszeit 2004: 400 h; Problem organische Schwefelverbindungen Alexander Wokaun 13. Januar 2005 Folie 11

12 novatlantis Grossprojekt ECOGAS Mobilität 1 Mt Holz pro Jahr, umgesetzt in 6 Anlagen à 100 MW, ersetzt 4% Treibstoff Produktionsanlage Holzinventar + 1 Mt/a WSL Konzept Waldbesitzer Holzgewinnung Proof of concept 10 kw Logistik ECO- GAS CH-weit Langzeittests Methanisierung Systemoptimierung PSI 2 MW Absatz im Transportsektor Pilotanlage 20 MW Methan aus Holz CEV EMPA Alexander Wokaun 13. Januar 2005 Folie 12

13 Wasserstoff als Energieträger Kernfragen Herstellung aus CO 2 freien Primärenergien Verteilung Speicherung und sichere Handhabung effiziente Nutzung Analyse der vollständigen Energieketten ist erforderlich! Alexander Wokaun 13. Januar 2005 Folie 13

14 Wasserstoffproduktion aus fossilen Energieträgern Wärme (900 C) H 2 O H--C--H H 2 O Reformierung H 2 H 2 H 2 C O 2 Alexander Wokaun 13. Januar 2005 Folie 14

15 Wasserstoffproduktion durch Elektrolyse Strom H 2 O H 2 O Elektrolyse H 2 H 2 O 2 Kernfrage: Herkunft des Stroms? Was wird durch H 2 ersetzt? Alexander Wokaun 13. Januar 2005 Folie 15

16 Thermochemische Zyklen: ohne teuren Umweg über den Strom zum Ziel? Wärme ( C) H 2 O H 2 O Thermochemische Zyklen H 2 H 2 O 2 Alexander Wokaun 13. Januar 2005 Folie 16

(flüssig, bis zu 37 000 Nm 3 H 2 ) Pipeline

Flaschenbündeltrailer (gasförmig, bis zu 200

17 Schiff (flüssig) Möglichkeiten der Wasserstoffverteilung Kryogenbehälter auf LKW (flüssig, bis zu Nm 3 H 2 ) Pipeline (gasförmig, 0,5-30 bar, Nm 3/ h H 2 ) Flaschenbündeltrailer (gasförmig, bis zu 200 bar, bis zu Nm 3 H 2 ) Alexander Wokaun 13. Januar 2005 Folie 17

18 Aussage des TÜV Deutschland: Sicherheitsaspekte des Wasserstoffs beherrschbar Zündfähige Gemische Treibstoff / Luft: Benzin 1 7 Vol.%, Zündtemperatur 500 K Wasserstoff 5 76 Vol.%, Zündtemperatur 858 K Crash von Fahrzeugen mit gleicher Energiemenge (links H 2, rechts Benzin) nach 5 Sekunden nach 1 Minute Alexander Wokaun 13. Januar 2005 Folie 18

19 Stabilisation von mageren Vormischflammen durch Wasserstoffbeimischung Zumischen von Wasserstoff zum Hauptbrennstoff (meist Erdgas) H 2 Wasserstofferzeugung in situ durch partielle Oxidation durch Dampfreformierung durch Wasserelektrolyse Lokale Injektion in die Flammenzone Die Stabilisierung extrem magerer Gemische ermöglicht weitere Stickoxidminderung der Gasturbine bei hoher Effizienz. Alexander Wokaun 13. Januar 2005 Folie 19

20 Wasserstoffanwendung in Verbrennungsmotoren Benzin- Tank p=1 bar Pumpe 90% 10% Partialoxidation Verbrennung von reinem Wasserstoff in Ottomotor steigert den Wirkungsgrad (vom Tank zum Rad) Beispiel: europäischer Fahrzyklus (ECE) Benzin: 18 % Wasserstoff: 25 % Solange keine Wasserstoffinfrastruktur verfügbar ist, kann Teilrefomierung im Fahrzeug sinnvoll sein. Alexander Wokaun 13. Januar 2005 Folie 20

21 λ = 1, 1, ohne ohne Abgasrückführung Wirkungsgrad +14% +14% (Entdrosselung, schnellerlereund vollständigere Verbrennung) schnel- mager mager (λ (λ Grenze), max. max. Abgasrückfü. Wirkungsgrad +34% +34% (starke (starkeentdros- selung, geringere Wärmeverluste, vollständige Verbrennung) selung, Alexander Wokaun 13. Januar 2005 Folie 21 Teilreformierung von Benzin im Fahrzeug: Wirkungsgrad Efficiency Increase [%] 36 λ=1 - no EGR λ limit - no EGR 32 λ=1 - EGR limit rpm-2bar Energy substitution [%] +34% +14%

Verbrauch < 25 kwh / 100 km ( gasförmiger H 2 ) Elektrische Federung und Dämpfung

22 Brennstoffzellenfahrzeug HY-LIGHT Fahrzeuggewicht (4 plätzig + Kofferraum) Beschleunigung km/h Reichweite ( bei 80 km / h ) 850 kg < 12 s 400 km Verbrauch < 25 kwh / 100 km ( gasförmiger H 2 ) Elektrische Federung und Dämpfung mit erstklassigem Kurvenverhalten High-Tech Elektromotoren im Rad Alexander Wokaun 13. Januar 2005 Folie 22

23 Dezentraler Energiehub zentrales Elektrizitätsnetz dezentraler Produzent Biomasse Energy hub Wasserstoff Treibstoffverbraucher Stromverbraucher Wärmeverbraucher Hub auf Stufe Gemeinde / Quartier / Überbauung, typische Grössenordnung: 1 MW Alexander Wokaun 13. Januar 2005 Folie 23

24 Schlussfolgerungen Ein Portfolio von Massnahmen (Dienstleistungen, Effizienzsteigerung, Substitution) ist notwendig keine "Silberkugel" Trend zu leitungsgebundenen Energieträgern (Elektrizität, Wärme, Erdgas, Biogas, Wasserstoff) Biomasse besitzt für die Schweiz ein hohes Potential Dezentrale Erzeugung von Wasserstoff in "Energy Hubs" erst durch Wärmenutzung wird Effizienzpotential ausgeschöpft Fern- und Nahwärmenetze haben eine essentielle Funktion als Brücke zwischen fossilen und erneuerbaren Energien. Alexander Wokaun 13. Januar 2005 Folie 24

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