JOANNEUM RESEARCH Forschungsgesellschaft mbh

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1 JOANNEUM RESEARCH Forschungsgesellschaft mbh Entwicklungen in der ung Perspektiven für die Grüne Chemie in Österreich Chemische aus der Sicht eines Energieforschers K.-P. Felberbauer, G. Jungmeier Symposium Grüne Chemie, Wien,

2 Warum? Endenergie Angebot=Bedarf Primärenergie Angebot fossile, erneuerbare Energie Diskontinuierliches Angebot Angebot für Stunden, Tage, Wochen und Monate Endenergieträger (Strom, Wärme, Brennstoffe) Diskontinuierlicher Verbrauch Bedarf Nutzenergie Bedarf Raumwärme Verkehr mech. Arbeit Prozessw. Licht 2 Kontinuierliches Endenergieangebot deckt kontinuierlichen Endenergiebedarf

3 im Überblick Elektrische Supraleitende Spulen 1) Schwungradspeicher 1) Kondensatoren 1) 1) für kurzzeitige Stromspeicherung zur Abdeckung von Leistungsspitzen Pumpspeicher Thermische Druckluftspeicher Elektrochem. Speicher Brennstoffe als elektrische EE- CH 4 2) H 2 3) Feststoffspeicher Erdsondenspeicher Aquiferspeicher Wasserspeicher Kies-Wasserspeicher Latentwärmespeicher Thermochem. Speicher Brennstoffe als Fossile Brenn- & Treibstoffe 3 EE-CH 4 2) H 2 3 Feste Biomasse Gasförmige Biomasse Flüssige Biomasse 2) EE-CH 4 :erneuerbares Methan 3) H 2 :Wasserstoff

4 Überblick Latent- & thermochemische Steigender Speicherbedarf? Elektrochemische Brennstoffe als 5

5 Brennstoffe als für Strom - Wasserstoff Funktionsprinzip: Speicherung elektrischer Energie in Form von H2. Speicherung in Kavernen oder in Druckflaschen Stand d. Technik: Einsatzbereiche: Energiedichte: Technologie im Versuchsstadium, Speicherung bereits in großem Maßstab realisiert Bisher: Petrochemie; zukünftig: Energieerzeugung,, Verkehr 530 kwh/m³ (bei 200 bar) η=30-40% Strom η 75% η 90% η=50-60% Elektrolyseur H 2 Kompressor GuD Strom G H 2 H 2 6 H 2 -Speicher (Kaverne)

6 Vorteile: Brennstoffe als für Strom - Wasserstoff Hohe spezifische gravimetrische Energiedichte 33,3 kwh/kg (Erdgas im Vergleich: 13,9 kwh/kg) Kostengünstiges Speichervolumen Nachteile: Wirkungsgrad derzeit (Strom-Speicher-Strom): etwa 30 % Bei GuD-Betrieb derzeit noch Zu-Feuerung von Erdgas erforderlich Entwicklungspotentiale: Erhöhung der Wirkungsgrade von Elektrolyseuren & deren Lebensdauer Entwicklung von reinen H 2 -Gasturbinen 7

7 Quelle: Crotogino, KBB Underground Technologies Brennstoffe als für Strom Wasserstoff - realisierte Kavernenspeicher Teesside Großbritannien Lake Jackson USA Betreiber S.Petrochemical Conoco Phillips Praxair Inbetriebnahme ca Speichervolumen [m³] 3 x Liberty County USA Speicherdruck [bar] 45 (konstant) Energieinhalt [GWh] ~ 25 ~ 92 ~ 80 8

8 Brennstoffe als für Strom erneuerbares Methan Funktionsprinzip: Stand d. Technik: Einsatzbereiche: Energiedichte: Speicherung elektrischer Energie in Form von synthetischem CH 4 z.b. in Erdgasspeichern Technologie im Versuchsstadium, Unterschiedliche Verfahren in Erprobung Energieerzeugung,, Verkehr kwh/m³ (bei 200 bar) η 20-35% Strom Erdgas-Netz η 60-75% Elektrolyseur H 2 η 75-85% Methanisierung CH 4 CO 2 η=50-60% GuD G H 2 O CH 4 Strom Erdgas-Netz 9 CH 4 Kompressor η 90% Erdgas-Speicher (Kaverne) CH 4

9 Vorteile: Brennstoffe als für Strom erneuerbares Methan Höhere volumetrische Energiedichte (2.580 kwh/m 3 *) als Wasserstoff (530 kwh/m 3 *) Direkte Einspeisung in das bestehende Erdgasnetz möglich Verteil- und Speicherinfrastruktur bereits vorhanden Nachteile: Wirkungsgrad (Strom-Speicher-Strom): 20-35% 10 *) bei 200 bar

10 Überblick Latent- & thermochemische Steigender Speicherbedarf? Elektrochemische Brennstoffe als 11

11 Elektrochemische im Überblick Elektrochemische Mit internem Speicher Mit externem Speicher Hochtemperatur- Batterien Redox-Flow- Batterien Elektrolyseur & Brennstoffzelle Nickelbasierte Batterien Blei-Säure Batterien Lithiumbasierte Batterien NaS- Batterien NaNiCl- Batterien 12

12 Elektrochemische Funktionsprinzip: Stand d. Technik: Einsatzbereiche: Energiedichte: Speicherung elektrischer Energie durch Ladungstrennung Technologie abhängig v. Einsatzbereich bereits etabliert bzw. in Demoanlagen im Einsatz oder im Labormaßstab tragbare Anwendungen (z.b. Mobiltelefone, MP3-Player) in Elektro-Fahrzeugen stationäre Anwendungen im Stromnetz zentral & dezentral (z.b. Regelenergie) kwh/m³ η 63-93% η 90-98% η 70-95% 13 Strom Konverter Strom Elektrochemische

13 Elektrochemische im stationären Einsatz Blei-Säure Batterien Stadtwerke West-Berlin (bis Anfang 1990er): 17 MW & 14 MWh Puerto Rico (1994): 20 MW & 14 MWh Stadtwerke Herne (1997): 1,2 MW & 1,2 MWh Einsatzbereich: Netzdienstleistungen Lithiumbasierte Batterien Chile 20 MW & 5 MWh Einsatzbereiche: Netzdienstleistungen Quelle: Stadtwerke Herne 14 Quelle: A123 Systems

14 Elektrochemische im stationären Einsatz Hochtemperatur Batterien (NaS) Japan: 34 MW & 238 MWh NaS-Batterien & 51 MW Windpark Deutschland, Frankreich, Spanien: mehrere 1 MW Anlagen in Betrieb Quelle: NGK Insulators 15

15 Vehicle to Grid (V2G) Funktionsprinzip: Stand d. Technik: Einsatzbereiche: Energiedichte: Speicherung elektrischer Energie im elektrochemischen eines am Stromnetz angeschlossenen Elektro-Fahrzeuges Technologie im Versuchsstadium zukünftig: Bereitstellung von Netzdienstleistungen (z.b. Regelenergie) kwh/m³ η 58-73% η 90% Strom η 65-85% Strom Trafo 16

16 Überblick Latent- & thermochemische Steigender Speicherbedarf? Elektrochemische Brennstoffe als 17

17 Latentwärmespeicher - Grundlagen Quelle: ZAE Bayern 18

18 Latentwärmespeicher - Grundlagen Quelle: ZAE Bayern 19

19 Latentwärmespeicher - Grundlagen Quelle: ZAE Bayern 20

20 21 Latentwärmespeicher - Grundlagen Phasenwechselmedien (PCM) & ihre Eigenschaften Medium Phasenwechsel Temperatur - Phasenwechsel Enthalpie- Phasenwechsel spezifische Wärmekapazität Wärmeleitfähigkeit [ C] [kj/kg] [kj/kg K] [W/m K] Wasser fest/flüssig ,1/4,19 2,3 / 0,6 flüssig/gasförmig ,19/1,86 0,6 / 0,025 Paraffin Eicosan fest/flüssig 36, ,94/2,08 ~ 0,2 Salzgemische 48NaCl/52MgCl 2 fest/flüssig ,9/1,0 67NaF/33MGF 2 fest/flüssig ,42/1,38 ~0,6 Energiedichten: kwh/m 3 Paraffin: nicht toxisch oder korrosiv brennbar geringe Wärmeleitfähigkeit Salzgemisch: höhere Wärmeleitfähigkeit korrosiv unkongruentes Schmelzen Quelle: nach BINE

21 Latentwärmespeicher techn. Umsetzung / Stand d. Technik Aktives System: Quelle: ZAE Bayern 22

22 Latentwärmespeicher techn. Umsetzung / Stand d. Technik Passives System Temperaturstabilisierung in Gebäuden Gipsbauplatte von Knauf Gipsinnenputz mit PCM-Materialien PCM-Platten von DuPont Energain Quelle: ZAE Bayern 23

23 Latentwärmespeicher techn. Umsetzung / Stand d. Technik Passives System Temperaturstabilisierung in Gebäuden Quelle: Fraunhofer ISE 24

24 Latentwärmespeicher Stand der Technik Latentwärmespeicher Schwierigkeiten: Schlechte Wärmeleitfähigkeit des Speichermediums Große Wärmetauscherflächen erforderlich Wechsel des Aggregatzustandes fest-flüssig (z.b. unkongruentes Schmelzen) Volumenänderung fest-flüssig teilweise korrosive Eigenschaften 25

25 Thermochemische Speicher - Grundlagen Chemische Wärmespeicherung Q m h Reaktion Q Wärmemenge [kj] m Masse [kg] h Reaktion Reaktionsenthalpie [kj/kg] Chemische Speicherarten: Sorptionsspeicher Speicher mit reversiblen chemischen Bindungen bisher keine Anwendungen über den Labormaßstab hinaus 26

26 Thermochemische Speicher - Grundlagen Adsorption An der Oberfläche mikro-poröser Materialien Absorption In wässriger Salzlösung Speichermedium (mikro-porös) Laden Speichermedium (wässrige Salzlösung) Laden 27 Speichermedium (mikro-porös) Entladen Speichermedium (wässrige-salzlösung) Entladen

27 Thermochemische Speicher - Grundlagen Eingesetze Materialien - Sorptionsspeicher Zeolithe Medium Metallhydride Silikagel Zeolithe Arbeitstemperatur Energiedichte [ C] [kwh/m 3 ] bis zu kwh/m 3 Quelle: Fraunhofer INT Silikagel 28 Quelle: Silikagel.de

28 Überblick Latent- & thermochemische Steigender Speicherbedarf? Elektrochemische Brennstoffe als 31

29 Modell E-Store Austria Modell E-Store Austria Modellierung Jahresbilanz Szenarien-Parameter Grunddaten Modellierung Monatsbilanz Modellierung Tagesbilanz-Strom Speicherverluste Ergebnisse Tageslastgänge Strombedarf, Stromangebot 32 Ergebnisse Speicherbedarf Je Endenergieträger (EET) Je Nutzenergieart (NE)

30 4 Szenarien im Modell E-Store Austria 1. Basis 2009 Datenbasis: Gesamtenergiebilanz Österreich (Statistik Austria) 2. Energiestrategie 2020 Modifizierte Datenbasis: Energiestrategie Österreich (Lebensministerium & bmwfj, 2010) % erneuerbar 2050 konstant Modifizierte Datenbasis: Energieautarkie für Österreich 2050 (Streicher et al., 2010) Niveau d. Energiedienstleistung 2050 wie 2008; kein Import/Export Verteilinfrastruktur jeglicher Art ist vorhanden (z.b. Stromnetze) % erneuerbar 2050 Wachstum Modifizierte Datenbasis: Energieautarkie für Österreich 2050 (Streicher et al., 2010) Wachstum d. Energiedienstleistungen bis 2050 um 0,8%/a (+40% gegenüber 2008) Steigerung d. Energieeffizienz ebenfalls konstant Kein Import/Export Verteilinfrastruktur jeglicher Art ist vorhanden (z.b. Stromnetze) 33

31 Ermittlung Primärenergieangebot & Nutzenergiebedarf Endenergie Angebot=Bedarf Primärenergie Angebot fossile, erneuerbare Energie Diskontinuierliches Angebot Angebot für Stunden, Tage, Wochen und Monate Endenergieträger (Strom, Wärme, Brennstoffe) Diskontinuierlicher Verbrauch Bedarf Nutzenergie Bedarf Raumwärme Verkehr mech. Arbeit Prozessw. Licht 34 Kontinuierliches Endenergieangebot deckt kontinuierlichen Endenergiebedarf

32 Primärenergieangebot [PJ/a] Basis 2009 Primärenergieangebot Energiestrategie % % erneuerbar konstant sonstige (z.b. Solarwärme) Geothermie PV Wind Wasserkraft Biomasse Erdgas Erdöl Kohle 100% erneuerbar Wachstum

33 Nutzenergiebedarf [PJ/a] Nutzenergiebedarf Basis 2009 Energiestrategie % % erneuerbar konstant % erneuerbar Wachstum 36 Licht Verkehr Raumwärme Prozesswärme mechanische Arbeit

34 Ermittlung Endenergieangebot = Endenergiebedarf Endenergie Angebot=Bedarf Primärenergie Angebot fossile, erneuerbare Energie Diskontinuierliches Angebot Angebot für Stunden, Tage, Wochen und Monate Endenergieträger (Strom, Wärme, Brennstoffe) Diskontinuierlicher Verbrauch Bedarf Nutzenergie Bedarf Raumwärme Verkehr mech. Arbeit Prozessw. Licht 38 Kontinuierliches Endenergieangebot deckt kontinuierlichen Endenergiebedarf

35 Endenergieangebot = Endenergiebedarf [PJ/a] Endenergieangebot & Endenergiebedarf Basis 2009 Energiestrategie 2020 Sonstige (Solarwärme, Umgebungswärme) Wasserstoff Fernwärme 39 flüssige fossile Brennstoffe -50% % erneuerbar konstant Strom biogene Brennstoffe gasförmige fossile Brennstoffe 100% erneuerbar Wachstum

36 Endenergieangebot [PJ/Quartal] Monatlicher Endenergieangebot je Endenergieträger Szenario 100 % erneuerbar 2050 konstant Jän Feb Mär Apr Mai Jun Jul Aug Sep Okt Nov Dez Umgebungswärme PV Wind feste Biobrennstoffe Fernwärme flüssige Biobrennstoffe Solarwärme 40 biogene kalorische KW Wasserkraft Wasserstoff Geothermie gasförmige Biobrennstoffe

37 Endenergiebedarf je Nutzenergieart [PJ/Monat] Monatlicher Endenergiebedarf je Nutzenergieart Szenario 100 % erneuerbar 2050 konstant Jän Feb Mär Apr Mai Jun Jul Aug Sep Okt Nov Dez 41 Raumwärme Verkehr Prozesswärme mech. Arbeit Licht

38 Endenergie [PJ/Monat] Abschätzung monatlicher Speicherbedarf 60 Szenario 100% erneuerbar 2050 konstant Jän Feb Mär Apr Mai Jun Jul Aug Sep Okt Nov Dez Endenergiebedarf Endenergieangebot

39 Speicherbedarf je Endenergieträger [PJ/a] Abschätzung Jahresspeicherbedarf Solarwärme Basis 2009 Energiestrategie 2020 feste fossile Brennstoffe gasförmige fossile Brennstoffe feste Biobrennstoffe gasförmige Biobrennstoffe Strom - gesamt Minimale Speicherverluste % erneuerbar 100% erneuerbar konstant Wachstum flüssige fossile Brennstoffe Fernwärme flüssige Biobrennstoffe Wasserstoff Umgebungswärme Speicherverluste gesamt

40 Lastverlauf [MW] Ermittlung Strom Tageslastgänge 100% erneuerbar 2050 konstant Sommertag Zusätzliches Stromangebot (00:00-24:00): 81,5 GWh = 55% des Strombedarfs an einem Sommertag im Jahr 2050 Max. Leistung (14:00) : 15,0 GW Überschussleistung (14:00): 7,9 GW :00 02:00 04:00 06:00 08:00 10:00 12:00 14:00 16:00 18:00 20:00 22:00 Verbrauch ohne Pumpspeicherung 2050 PV Wind-2050 kalorische Biomasse-Kraftwerke & Geothermie 2050 Laufkraftwerke-2050

41 Schlussfolgerungen Strom (PV & Wind) Wärme (Solarwärme) Steigender Speicherbedarf (saisonal, kurzfristig) EE-CH 4, H 2? Elektrochem.? Thermochemische? Intelligente Steuerung v. 46 Angebot & Bedarf Energie speichern & überall Chemie Zukünftige? Weitere Optionen? Elektrische Thermische Brennstoffe als Brennstoffe als Wesentliche Faktoren Für mehr erneuerbare Energie oft einfach speicherbar Speicherverluste oft gering bedarfsgerechte Bereitstellung von Energie Steigende Energieeffizienz Breites Forschungsportfolio im Bereich der

42 JOANNEUM RESEARCH Forschungsgesellschaft mbh Ansprechpartner: DI (FH) DI Karl-Peter Felberbauer DI Dr. Gerfried Jungmeier Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! JOANNEUM RESEARCH Forschungsgesellschaft mbh RESOURCES Institut für Wasser, Energie und Nachhaltigkeit Energieforschung Elisabethstraße Graz Projekt Partner: Fördergeber: