Treibstoffe der Zukunft. Biotreibstoffe, E-Mobility, Wasserstoff: Entwicklungen und Einsatzmöglichkeiten

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1 Treibstoffe der Zukunft Biotreibstoffe, E-Mobility, Wasserstoff: Entwicklungen und Einsatzmöglichkeiten Gerfried Jungmeier JOANNEUM RESEARCH Nachhaltigkeits-Workshop der österreichischen Getränkewirtschaft Wiener Neudorf, 10. November 2009

2 Entwicklung der Treibhausgas- Konzentration in der Atmosphere Lachgas (N 2 O) Kohlendioxid (CO 2 ) Methan (CH 4 ) Source: IPCC 2007 Industrielle Revolution seit 1850

3 Beobachtete Klimaveränderungen in den letzten 150 Jahren Quelle: IPCC 2007

4 Der österreichische Verkehrssektor I Treibhausgas-Emissionen Mio. t/a aus Transportsektor 26% der österreichischen Treibhausgas-Emissionen 83% Zunahme zwischen 1990/2006

5 Der österreichische Verkehrssektor I Treibstoff-Bedarf 2008: 350 PJ/a Bioethanol bioethanol, 0,82% 0.82% Biodiesel biodiesel, 4,93% 4.93% 5,75% Biotreibstoffe durch Beimischung: 6,5% Biodiesel zu Diesel 3,4% Bioethanol zu Benzin Benzin gasoline, 23% 23.38% diesel, Diesel 70.87% 71%

6 Energie-Versorgungssicherheit Jänner 2006&2009 WEC: S64/Figure 15 Source: WEC 2000

7 Immission: Feinstaub Source: Umweltbundesamt 2005 Mehr als 2 Monate über den Immissions-Grenzwerten

8 Erneuerbare Treibstoffe im energiewirtschaftlichen Umfeld Erhöhung der Energieversorgungs-Sicherheit z.b. Nutzung heimischer Energieträger Reduktion der lokalen Schadstoffe z.b. Feinstaub, Stickoxide Reduktion der Treibhausgas-Emissionen, z.b. Kyoto-Ziel: minus 13% bis 2008/2012 bzgl (Weitere) Erhöhung der Nutzung erneuerbarer Energie z.b. Biotreibstoffe, Ökostrom Erhöhung der Energieeffizienz bei Energieumwandlung, z.b. Hybrid-Fahrzeuge Energie-Sparen Reduktion Nutzenergiebedarf bei gleicher Energiedienstleistung, z.b. öffentl. Verkehr statt motorisierter Individualverkehr

9 Die Treibstoffe der Zukunft H 2 -Mobility Wasserstoff-Fahrzeug mit - Verbrennungskraftmotor (inkl. Hybrid) - Brennstoffzelle E-Mobility Batterie-Elektrofahrzeug B-Mobility Biotreibstoff-Fahrzeug mit - Verbrennungskraftmotor (inkl. Hybrid) - Brennstoffzelle

10 Überblick Biotreibstoffe 1. und 2. Generation 1) (Reines) Pflanzenöl 2) Biodiesel a) Konventioneller Biodiesel aus Veresterung b) Hydrierter Biodiesel aus Hydrierung 3) Bioethanol a) Konventionelles Bioethanol aus Zucker und Stärke b) Lignozelluloses Bioethanol 4) Biobutanol 5) Biogas ( Biomethan ) 6) Synthetische Biotreibstoffe a) Fischer-Tropsch Treibstoffe (e.g. FT-Diesel) b) Synthetisches Erdgas (SNG) ( Biomethan ) c) Dimethylester (DME) d) Biomethanol e) Synthetischer Wasserstoff 7) Biologischer Wasserstoff 8) (aufbereitetes) Pyrolyseöl 9) Biotreibstoffe aus der Direktverflüssigung a) HTU-Biotreibstoffe aus der hydro-thermalen Umwandlung (Hoch-Druck-Temperatur) b) KNV-Biotreibstoffe aus katalytischer Nieder-Druck-Temerpatur Umwandlung

11 Vom Rohstoff zum Biotreibstoff Rohstoff ölhältige Pflanzen zuckerhältige Pflanzen stärkehältige Pflanzen lingnozellulose Pflanzen organische Reststoffe Verfahren Bio-chemisch Thermo-chemisch Physikalisch-chemisch sonstige zur Aufbereitung Biotreibstoffe Pflanzenöl Biodiesel 1) Bioethanol 2) Biobutanol Biogas Synthetische Biotreibstoffe 3) Biologischer Wasserstoff (aufbereitetes) Pyrolyseöl Biotreibstoffe der Direktverflüssigung 4) 1) - konventioneller Biodiesel aus Versterung - hydrierter Biodiesel aus Hydrierung 2) - konventionelles Bioethanol aus Zucker u. Stärke - lignozelluloses Bioethanol aus Holz u. Stroh 3) - FT-Biotreibstoff, FT...Fischer Tropsch - SNG, SNG...synthetic natural gas - Sonstige: z.b. Bio-DME, H2, DME...Dimethylester 4) - HTU-Biotreibstoffe, HTU...hydro-thermal upgrading - KNV Biotreibstoffe, KNV...katalytische Niederdruck-Verölung Derzeit etwa 40 Kombinationen Rohstoff/Verfahren/Biotreibstoff in Diskussion

12 Die AGRANA Bioethanol-Anlage Bioethanol-Kapazität m³/a Rohstoffe bis t/a - Trockenmais - Nassmais *) - Dicksaft (Zuckerrüben) - Weizen Bioethanol t/a Futtermittel (DDGS **) ) bis t/a *) max. 2 Monate während der Erntezeit möglich; **) Distiller's Dried Grains with Solubles

13 Die AGRANA Bioethanol-Anlage Rohstoffe bis t/a - Trockenmais - Nassmais *) - Dicksaft (Zuckerrüben) - Weizen Bioethanol-Kapazität m³/a Bioethanol t/a t/a Treibhausgas-Reduktion im Verkehrssektor 47-51% weniger Treibhausgas-Emissionen als Benzin t Rohöl-Äquivalent/a Reduktion fossile Energie Futtermittel (DDGS **) ) bis t/a t/a weniger Sojafutter-Import *) max. 2 Monate während der Erntezeit möglich; **) Distiller's Dried Grains with Solubles

14 Biodiesel-Produktion in der Steiermark 1. Demo-Biodieselanlage Biodiesel-Anlagen (2008) Biodiesel Produktion (2008): t/a Rohstoff-Bedarf: t/a Nebenprodukte: Rapskuchen: Nutzung als Tierfutter als Ersatz von Sojafutter Glycerin: Nutzung als Pharmaglycerin und für Biogas-Erzeugung palm, 6% Plamöl 6% 14% Sojaöl soya, 14% 34% Altspeiseöl waste cooking oil, 34% Graz 46% Rapsöl rape, 46%

15 Treibhausgas-Reduktion Berechnet nach Vorgaben der EU-Direktive 2009 Biodiesel 63, CO2 CH4 N2O - 57% bzw t/a Diesel 148, , , , , , , , , Treibhausgas-Reduktion Greenhouse emissions [t CO [t CO 2 -Äq/a] 2 -eq/a]

16 Grazer Stadtwerke AG Verkehrsbetriebe Biodiesel Busse in Graz

17 Nutzung von Reststoffen aus Gewerbe und Haushalten 70 80% weniger Treibhausgas-Emissionen als Diesel 30 50% weniger Feinstaub-Emissionen In Richtung Nachhaltigkeit Biodiesel Busse in Graz Grazer Stadtwerke AG Verkehrsbetriebe

18 Machbarkeitsanalyse Anlage für Fischer-Tropsch-Biotreibstoffen Partner: Holz und Stroh t/a Biotreibstoff Finanzierungspartner:

19 Treibhausgas-Emissionen Ohne Berücksichtigung der Kohlenstoffspeicherung aus Landnutzungsänderung Bis zu 90% Treibhausgas- Reduktion Benzin Diesel FT-Diesel (Holz) max FT-Diesel (Holz) min Bioethanol (Holz&Lauge) max Bioethanol (Holz&Lauge) min Biodiesel (Raps, Altspeisefett) Bioethanol (Mais, Weizen) fossile Treibstoffe 2. Gen. Biotreibstoffe 1. Gen. Biotreibstoffe Treibhausgas-Emissionen [g CO 2 -Äq/PKWkm]

20 Waldhackgut für FT-Diesel als Treibstoff Machbarkeit einer Demonstrationsanlage Biotreibstoff Hackgut (4,6 t/h) Holz Biotreibstoff (450 l/h) Brennstoff Strom (netto) Wärme (70/90 C) Effizienz (Strom 11%, Wärme 40%, Treibst. 29%) 35,000 t/a 3.4 Mio. l/a 15 MW f 1.6 MW el 5.8 MW th 80% Strom Wärme Graz

21 87% Reduktion im Vergleich zu konventionellen System Waldhackgut für FT-Diesel als Treibstoff Machbarkeit einer Demonstrationsanlage Holz Hackgut (4,6 t/h) 35,000 t/a Biotreibstoff (450 l/h) 3.4 Mio. l/a Brennstoff Strom (netto) Wärme (70/90 C) Effizienz (Strom 11%, Wärme 40%, Treibst. 29%) 15 MW f 1.6 MW el 5.8 MW th 80% Biotreibstoff Strom In Richtung Nachhaltigkeit Wärme t/a Treibhausgas-Reduktion im Verkehrs-, Stromund Wärmesektor Nachhaltige Nutzung von regionalem Waldhackgut Graz

23 Beispiel: Strombedarf E-Mobility 4 1 Mio. Batterie-Elektrofahrzeuge (derzeit in Österreich 4,2 Mio. PKW) 4 Strombedarf Batterie-Elketro-Fahrzeug: 20 kwh/100 km 3% 4 Jahreskilometer: km/a (25 30 km/tag) 4 Strombedarf E-Mobility: GWh/a 4 Strombedarf Österreich (2006) GWh 97% Zum Vergleich: Stromzuwächse jährliche 2 4% ABER Hohe zusätzliche Leistungsspitzen bei unkontrollierter Ladung möglich

24 Lastprofil in einer Winterwoche mit 1,5 Mio.Batterie-Elketrofahrzeugen Lastgang [MW] Load [MW] Monday Tuesday Wednesday Thursday Friday Saturday Sunday Montag Dienstag Mittwoch Donnerstag Weekday Quelle: Joanneum Research e-drive 1.0 Wochentag Freitag Samstag Sonntag Electric Batterie-Elektrofahrzeuge vehicles Public Öffentl. electricity Stromnetz grid

25 Tages-Lastgang mit unterschiedlichen Nutzergruppen für Elektrofahrzeuge Lastgang Load [MW] :00 02:00 04:00 06:00 08:00 10:00 12:00 14:00 16:00 18:00 20:00 22:00 Quelle: Joanneum Research e-drive 1.0 Uhrzeit Time Commuter Pendler Delivery Zustellerservice Second Zweitauto passenger cars Average Durchschnittsauto passenger cars Two-wheel Zweiräder vehicles

26 Kenndaten von Batteriesystemen Source: saftbatteries Warum Lithium-Ion-Batterien? Höhere Energiedichte und/oder Leistung als andere Batterien ABER 1) Hohe Investitionskosten derzeit etwa /PKW Massenproduktion zu Kostenreduktion notwendig 2) Lebensdauer und 3) Betrieb bei < 0 C

27 Österreichische Road Map für Batterie-Elektro-Fahrzeuge 4 Mögliche Fahrzeug-Entwicklung bis Entwicklung Batterie-Technologien 4 Markt Übersicht von Batterie-Elektrofahrzeugen 4 Kosten und Umwelt-Analyse 4 Anforderungen an die Infrasstruktur 4 Szenarien zur Markteinführung 4 Chancen für die österreichische Industrie Projektpartner: Finanzierungspartner:

28 Die Chancen & Herausforderungen Öko-Stromerzeugung Ladeinfrastruktur Monitoring Fahrzeuge Konsumenten und Akteure

30 Erzeugung und Nutzung Öko-Wasserstoff Biomasse Wasserkraft Windkraft Photovoltaik Vergasung und H 2 -Erzeugung Vergärung und Dampfreformierung Elektrolyse Öko-Wasserstoff Speicherung, Verdichtung, Verflüssigung, Verteilung Transport Strom & Wärme G. Jungmeier, R. Haas et al. 2006

31 Öko-Wasserstoff im Vergleich zu anderen Energiesystemen Öko-Wasserstoff Energiesystem R e f e r e n z - E n e r g i e s y s t e m e Direkte Nutzung erneuerbarer Energie Fossiles Energiesystem Erneuerbare Energie Erneuerbare Energie Fossile Energie Öko-H 2 Erzeugung Transport Speicherung Verteilung Umwandlung Transport Speicherung Verteilung Umwandlung Transport Speicherung Verteilung Umwandlung Transport Strom&Wärme

32 Die Öko-Wasserstoff-Tankstelle der Zukunft 0,27 l Wasser 1,43 kwh Strom Elektrolyse Öko- Wasserstoff 0,33 Nm³ = 1 kwh 0,16 Nm 3 Sauerstoff < 0,43 kwh Wärme C Technisches Gas Heizung Warmwasser Austrian Advanced Automotive Technology H 2 -Fahrzeug

33 Die Treibstoffe der Zukunft - Zusammenfassung H 2 -Mobility Wasserstoff-Fahrzeug mit - Verbrennungskraftmotor (inkl. Hybrid) - Brennstoffzelle E-Mobility Batterie-Elektrofahrzeug B-Mobility Biotreibstoff-Fahrzeug mit - Verbrennungskraftmotor (inkl. Hybrid) - Brennstoffzelle

34 Stand der Technik und Infrastruktur B-Mobility E-Mobility H 2 -Mobility Treibstoff- Erzeugung + 1) /- 2) + - Tankstellen Infrastruktur Fahrzeuge ) 1. Generation Biotreibstoffe: Biodiesel, Biothanol aus Zucker und Stärke 2) 2. Generation Biotreibstoffe: synthetische Biotreibstoffe und Bioethanol aus Holz und Stroh

35 Die Frage der Energie-Effizienz Treibhausgas-Emissionen [g CO 2 -Äq/PKW-km] Öko-Strom Wasserkraft Strom Erdgas Strom UCTE mix Treibstoff-Bedarf [kwh/100 PKW-km] Diesel Biodiesel Raps Öko-H 2 Wasserkraft FT-Biodiesel Waldhackgut Quelle: basierend auf Lebenszyklusanalyse, Joanneum Research

36 Mischformen von E-, B- und H 2 -Mobilität I Mild-Hybrid Voll-Hybrid Plug-In-Hybrid Verbrennungskraftmotor (VKM) ICE Generator Generator ICE ICE Battery ICE Transmission Transmission LE LE Motor/ Generator Motor LE Motor Inverter Inverter Inverter Transmission Transmission Batteries 120V DC/DC Batteries 120V DC/DC Batteries 120V DC/DC Battery 12V Tank Battery 12V Tank Battery 12V Tank Tank Quelle: AVL 2009

37 Brennstoffzellen-Fahrzeug (FC-PHEV) FC-System LE Inverter Motor Batteries Transmission H2-Tank Quelle: AVL 2009 Mischformen von E-, B- und H 2 -Mobilität II Batterie- Elektrofahrzeug Plug-In-Hybrid Serieller-Hybrid Batteries 120V ICE ICE Generator Inverter LE Motor LE Generator LE Transmission Inverter Motor Inverter Motor Transmission Batteries 120V Transmission Batteries 120V DC/DC Tank Battery 12V Tank

38 Vergleich der erneuerbaren Treibstoffe Primärenergie Technologie Treibstoff-Erzeugung Nachhaltigkeit B-Mobility E-Mobility H 2 -Mobility Viele Möglichkeiten 1. Generation existiert 2. Generation in Entwicklung Viele Möglichkeiten existiert Nahrung/Futter/Bio- erneuerbar treibstoff Infrastruktur existiert existiert teilweise Fahrzeug Technologie existiert in Entwicklung Bedürfnisse der Konsumenten (Reichweite/Betankungszeit) wie gewohnt sehr ungewohnt Viele Möglichkeiten fossil existiert erneuerbare in Entwicklung erneuerbar existiert nicht In Entwicklung etwas ungewohnt

39 Die Nutzerbedürfnisse und Nutzerverhalten Fahrleistungen pro Tag in km Typisches Verkehrsverhalten eines PKW-Nutzers - Jahresdauerlinie Reichweite 150 km (15 kwh/100 km, Speicher 23 kwh) Tageszahl pro Jahr Quelle: TU-Wien, 2009

40 Optimale Anwendungsbereiche für Fahrzeuge mit erneuerbaren Treibstoffen B-Mobility Biotreibstoff-Fahrzeuge Fahrzueggewicht H-Mobility Wasserstoff-Fahrzeuge E-Mobility Batterie-Elektrofahrzeuge Fahrleistung pro Tankfüllung/Ladung

41 Die Herausforderungen Nachhaltige Transportdienstleistungen Erfolgreiche Markteinführung und Implementierung Nachhaltigkeit der 1. Generation & Entwicklung der 2. Generation Biotreibstoffe Entwicklung von Batterie-Elektro- Fahrzeugen & Lade-Infrastruktur Entwicklung von H 2 -Fahrzeugen & Aufbau H 2 -Infrastruktur Nachhaltigkeit und Energieeffizienz zertifizierte Biomasse, erneuerbare Elektrizität und erneuerbarer Wasserstoff B-Mobility, E-Mobility & H 2 -Mobility

42 Biomasse Wind Wasser Sonne 1) Umgebung 2) Forstwirtschaft Reststoffe Landwirtschaft ) Nicht erneuerbare Energie Rahmenbedingungen Energie-Umwandlung in Energieträger Flüssige, feste und gasförmige Energieträger, Strom, Wärme und Kälte Energie-Verteilung und Speicherung Energieumwandlung im Endverbrauch Strom Wärme Kälte Transport Energiedienstleistung Nicht-energetische Faktoren Marktnachfrage aus Industrie, Gewerbe, Haushalten, Regionen

43 Energieforschung Implementierung und Markteinführung Ökonomische Aspekte Ökologische Aspekte Soziale Aspekte Entwicklung von Energie-Technologien und Energie-Systemen Gesellschaft und Umwelt

44 Unsere Kundenleistungen Energiekonzepte für Betriebe, Cluster und Regionen z.b. E-Mobility, Energieautarkie Umwelt-Bewertung z.b. Treibhausgas- Emissionen in Lebenszyklusanalysen Entwicklung, Einreichung und Koordination von F&E-Projekten Technologie-Entwicklung und Bewertung Unser Angebot für Sie Carbon Footprint von Produkten und Dienstleistungen Messtechnische Evaluierung von Energie-Technologien und -Systemen Entwicklung und Errichtung von Versuchs und Demonstrationsanlagen

45 Ihr Kontakt Gerfried Jungmeier Joanneum Research Forschungsgesellschaft Institut für Energieforschung Elisabethstraße Graz Tel: Fax: Web: gerfried.jungmeier@joanneum.at