Gebäudeenergieversorgung mit Wasserstoff - Sackgasse oder realistische Zukunftsoption?

Transkript

1 Gebäudeenergieversorgung mit Wasserstoff - Sackgasse oder realistische Zukunftsoption? Dipl.-Ing. Andreas Herrmann, TU Bergakademie Freiberg, Deutschland 15. Symposium Energieinnovation EnInnov2016, Graz/ Österreich,

2 Entschädigungszahlungen durch Abregelung der erneuerbaren Energien Ø Entschädigungszahlungen in D. im Jahre 2016: ca. 640 Mio. Euro Ø Anteil Windkraft: ca. 70% Ø Folgen: Ø Lokale / regionale Netzengpässe Ø Negative Strompreise Ø Regelenergiemarkt 20,6% 6,7% 72,6% Windenergie Solare Strahlungsenergie Biomasse Entschädigungszahlung in Mio ,0 314,8 33,5 33,1 43,7 82,7 6,0 10, Quelle: Bundesnetzagentur; EEG in Zahlen

3 Kumulierte Leistung der verkauften Brennstoffzellen-Systeme Jährliche inst. BZ-Leistung in MW Rest Europa Asien Nord Amerika Quelle: U.S. Department of Energy; 2016 Renewable Energy Data Book 3

4 HYPOS (Hydrogen Power Storage & Solutions East Germany) Ø Zweitgrößtes Wasserstoffpipelinenetz von Deutschland (150 km) Ø Kavernenspeicher in der näheren Umgebung Ø Hohes Potential für Stromerzeugung aus Photovoltaik und Windenergie Ø Anschluss von Gebäuden H 2 -Netz prinzipiell möglich Ø Energiebedarf private Haushalte: 27% an Ø Diskrepanz zwischen Erzeugung und Verbrauch / Speicherung von erneuerbarer Energie notwendig Ø Grundlegende Voraussetzungen der Infrastruktur bestehen bereits 4

5 H2home: Dezentrale Energieversorgung mit H2-Brennstoffzellen Projektziele Ø Gebäudeenergieversorgung mit grünen Wasserstoff Ø Nutzung von elektrischer Energie in AC und DC Netzen Ø Niedertemperaturheizung und Kühlung (Nutzung von Flächenheizungen) Ø Optimierte Speicherauslegung (thermisch & elektrisch) Ø Invest.-kosten der Brennstoffzelle: /kw el. Ø Hohe elektrische Wirkungsgrade 5

6 H2home: Dezentrale Energieversorgung mit H2-Brennstoffzellen Kenngrößen: inhouse engineering H 2 -BZ-BHKW Zelltyp Niedertemperatur - PEM Brennstoff Wasserstoff Nennleistung elektrisch ca. 5 kw Nennleistung thermisch ca kw Gesamtwirkungsgrad ca. 95% Nettowirkungsgrad el. ca. 50 % Heizkreis (Vorlauf/Rücklauf) 50 C / 70 C Kaltstart ca. 1 min Modulation 25 % bis 100 % ca. 3 min Abmessungen (b x l x h) (740 x 1,550 x 1,159) mm Betrieb netzgekoppelt H 2 -Spitzenlastbrenner ja (ca kw) Lebensdauer PEM Stack h Lebensdauer System > 10 Jahre 6

7 Vorgehensweise: Untersuchung eines Referenzgebäudes Bauteilausführung Kennwert Wert Außenwand U 0,28 Bodenplatte, Decke* U 0,35 Fenster U 1,3 Fenster g 0,6 U Wärmedurchgangskoeffizient in W/(m²*K) g Gesamtenergiedurchlassgrad der Verglasung *zu unbeheizten Räumen Gebäudedaten Einheit Wert Grundfläche m Nutzfläche m ,6 Geschosshöhe m 3,5 Länge m 28 Breite m 11 Wohneinheiten

8 Energieflüsse im Sankey - Diagramm 8

9 Nutz-, End- und Primärenergiebedarf sowie CO 2 -Emissionen Energiebedarf in kwh/(m² a) Anf. GEG 22,00 99,45 99,45 126,47 96,04 52,43 99,24 20,68 20,68 25,57 H2-BZ-BHKW "grauer" Wasserstoff H2-BZ-BHKW "grüner" Wasserstoff 26,88 128,13 98,90 144,09 72,32 101,12 16,87 102,15 48,91 73,50 127,73 72,09 42,72 42,72 42,72 42,72 ý ü? ü ü? ý Erdgas- BHKW Pelletkessel Sole/Wasser Wärmepumpe Gasbrennwerttherme + Solarthermie 43,80 158,14 Gasbrennwerttherme CO 2 -Emissionen in kg/(m² a) Nutzenergie: Heizung Warmwasser Elektroenergie (Haushalt) Endenergie: Brennstoff Hilfsenergie Elektroenergie Primärenergie/Emissionen: PE (erneuerbar) PE (nicht erneuerbar) CO 2 -Emissionen 9

10 Invest.-kosten für verschiedene Energieversorgungskonzepte 10

11 Wirtschaftliche Bewertung - Herstellungskosten von Wasserstoff 0, (Anza hl) Arbeitspreis in /kwh 0,30 0,20 0,10 0,00 Dampfreformierung zentral Dampfreformierung dezentral Elektrolyse Windstrom Elekrolyse PV Biogas Reformierung 11

12 Gesamtkostenvergleich Bedarfsgebundene Kosten (Brennstoff und Hilfsenergie) Bedarfsgebundene Kosten (Netzstrom) Betriebsgebundene Kosten Kapitalgebundene Kosten Erlöse Gesamtkosten in /(m² a) ,05 16,79 6,33 6,01 6,01 7,43 2,22 2,22 2,49 5,78 12,42 3,62 5,01 12,42 2,68 3,24 12,42 1,46 4,63 12,42 0 4,88 4,88 4,35-0,60 5,35 4,56 3,87 0,61 1,72 H2-BZ-BHKW "grauer" Wasserstoff H2-BZ-BHKW "grüner" Wasserstoff Erdgas- BHKW Pelletkessel Sole/Wasser Wärmepumpe Gasbrennwerttherme + Solarthermie Gasbrennwerttherme Ø Reduktion der Strombezugskosten durch H 2 -BZ-BHKW um 50% möglich Ø Bedarfsgebunde Kosten überwiegen 12

13 Zusammenfassung Ø Voraussetzungen für energetisch, wirtschaftlich und ökologisch sinnvoll Gebäudeenergieversorgung mit grünem Wasserstoff: 1. Optimale Anlagen- und Speicherauslegung (NT-Heizsystem wegen Brennwertnutzung, optimale Speichergrößen) 2. H 2 -BZ-BHKW mit hohem elektrischen Wirkungsgrad 3. Volllaststunden: mind h 4. Hoher Eigennutzungsanteil der erzeugten Elektroenergie (Mieterstrommodelle für BHKW s) 5. H 2 -BZ-BHKW und H 2 -Spitzenlastkessel: vergleichbare Invest.- kosten wie motorische BHKW s bzw. Gaskessel 6. Leitungsgebundenes Wasserstoffnetz vorhanden 7. Wasserstoffkosten vergleichbar mit Kosten für Erdgas Ø Ergebnisoffener Wettbewerb mit anderen Gebäudeenergieversorgungskonzepten (NT-Nahwärmenetz in Verbindung mit BHKW, Power to heat, Photovoltaik und Solarthermie; Photothermie; Wärmepumpe; Biogas; Holz; Heizen ohne Heizung) 13

14 Vielen Dank! Dipl.-Ing. Andreas Herrmann TU Bergakademie Freiberg Institut für Wärmetechnik und Thermodynamik Gustav-Zeuner-Str Freiberg Andreas.Herrmann@iwtt.tu-freiberg.de Danksagung: Das Vorhaben H2home wird mit Mitteln des Bundesministeriums für Bildung und Forschung unter dem Förderkennzeichen 03ZZ0709C im Förderbereich Zwanzig20 - Unternehmen Region - HYPOS gefördert. Die Autoren danken für die finanzielle Unterstützung. 14