Biowasserstoff - die dauerhafte Lösung der Energieprobleme

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1 Biowasserstoff - die dauerhafte Lösung der Energieprobleme Wege zur energetischen Transformation von der Stromwirtschaft zur Wasserstoffwirtschaft in Richtung Energie-Unabhängigkeit Karl-Heinz Tetzlaff 1, Christine Frenzel 2, Edmund Lengfelder 2 Vortrag in Hohenbrunn 05. März H2-GmbH 2 Otto Hug Strahleninstitut Bad Iburg München 1

2 Moderne Kriege Seit dem 1. Weltkrieg geht es um den Zugang und/oder die Kontrolle von Energie. Das betrifft Lagerstätten, aber auch vorhandene und geplante Transitstrecken zu Wasser und zu Lande, mit und ohne Rohrleitungen. Beispiele für aktuelle heiße und kalte Kriege: Afghanistan, Balkan, Osteuropa, Arabische Halbinsel (Irak), Turk-Staaten, Libyen, Iran, Sudan, Nigeria, Angola, Südamerika, Weltmeere von Vietnam bis zum Nordpol. Siehe auch: T. Seifert u. K. Werner; Schwarzbuch Öl; ISBN Peter Mass; Öl, das blutige Geschäft; ISBN Tetzlaff, Frenzel, Lengfelder (2012) Biowasserstoff

3 Europäische Heerstraßen für Gas Ohne die Interessensgebiete der USA, wie z. B. Afghanistan 3 Tetzlaff, Frenzel, Lengfelder (2012) Biowasserstoff

4 Die Klimarechnung Unabhängig vom Ausgang des wissenschaftlichen und politischen Streites, ob Kohlendioxid ein nennenswerter Klimafaktor ist oder nicht, ist die Erzeugung von Wasserstoff aus Biomasse CO 2 -neutral*. * d. h. kein jährlicher Zuwachs der CO 2 -Emissionen 4 Tetzlaff, Frenzel, Lengfelder (2012) Biowasserstoff

5 Ein Vorschlag Mit einer Wasserstoffwirtschaftauf Basis Biomasse lässt sich die Abhängigkeit von Öl und Gas im Zeitfenster von Jahren stoppen. Es kostet uns lediglich eine intellektuelle Anstrengung sonst nichts. Wir bekommen sogar noch Geld heraus. Und der Umweltschutz ist auch schon dabei. Wie geht das? 5 Tetzlaff, Frenzel, Lengfelder (2012) Biowasserstoff

6 Wasserstoff - ein sekundärer Energieträger Wasserstoff ist keine Energiequelle, sondern ein sekundärer Energieträger wie Strom. Wasserstoff kann man, wie Strom, aus allen Formen von Energie herstellen. Es versteht sich heute von selbst, dass nur nachhaltig hergestellter Wasserstoff genutzt werden sollte. Technisch verfügbar sind zwei Formen der Herstellung: Wasserelektrolyse mit Strom als Überschussprodukt aus Photovoltaik und Wind Steam-Reforming mit kohlenstoffhaltigen Energieträgern wie Biomasse Daneben gibt es eine Vielzahl von Forschungsprojekten, wie thermische und katalytische Zersetzung des Wassers, biologische Prozesse (Grünalgen, Dunkelfermentation) usw. 6 Tetzlaff, Frenzel, Lengfelder (2012) Biowasserstoff

7 In einer Wasserstoffwirtschaft wird auf allen Ebenen mit Wasserstoff gehandelt und gewirtschaftet. Praktisch bedeutet das, dass der Wasserstoff zum Endkunden ins Haus gebracht werden muss. Das geschieht vorzugsweise über ein Rohrnetz. Das Erdgasnetz ist dazu bestens geeignet. Wasserstoff hat als Energieträger gegenüber Strom den entscheidenden Vorteil, dass er effizient und sehr kostengünstig gespeichert werden kann. 7 Tetzlaff, Frenzel, Lengfelder (2012) Biowasserstoff

8 Echte grüne Wasserstoffwirtschaft Solarstrom Wasserstoff aus Biomasse mittels Steam-Reforming ist mit Abstand das kostengünstigste Verfahren EL Steam- Reformer Biomasse Dezentrale Strom-u. Wärmeerzeugung mit Brennstoffzellen Elektrolyse Vergasung Ehemaliges Erdgasnetz Wasserstoff zum Verbraucher H 2 Wasserstoffspeicher (ehemalige Erdgasspeicher) Systembedingter Stromüberschuss, daher Wärmegeführte Energiewirtschaft ohne Energieverluste 8 Tetzlaff, Frenzel, Lengfelder (2012) Biowasserstoff

9 Paradigmenwechsel Öl, Gas Treibstoffe Heizöl CO 2, NOx... Verluste Kohle Biomasse Stromnetz Atom Treibstoffe Heizöl CO 2, NOx... Öl Fernwärmenetz Heute CH 4 Erdgas reine Luft Wasserstoff (Steam-Reformer MW) Biomasse Verkehr u. dezentrale Kraft- Wärme-Kopplung mit Brennstoffzellen reine Luft Morgen CO 2 Speicher-Option H 2 ehemaliges Erdgasnetz Wasserstoff Eine biomasse-basierte basierte Wasserstoffwirtschaft ist mehr als eine Technologie 9 Tetzlaff, Frenzel, Lengfelder (2012) Biowasserstoff

10 60 m Transportkosten vom Erzeuger zum Haushalt Wasserstoff = 0,7 ct/kwh Strom = 9,3 ct/kwh (für 2009 in D genehmigt) 600 MW Strom Beispiele für Stromkosten: Wasserstoff-Herstellkosten = 2 ct/kwh (typisch) Strom aus eigenen Brennstoffzellen = 2 + 0,7 = 2,7 ct/kwh Strom aus abgeschriebenen Atomreaktoren = 2 + 9,3 = 11,3 ct/kwh Wüstenstrom (DESERTEC) ,3 = 18,3 ct/kwh 600 MW Wasserstoff:ein Rohr ø40 cm (maßstäblich gezeichnete Rohrleitung) 10 Tetzlaff, Frenzel, Lengfelder (2012) Biowasserstoff

11 Beim Verbraucher: Brennstoffzellenheizung mit Wasserstoff Wasserstoff Strom Brennstoffzelle 10 kw Wasser 50 kw Wärme Die Brennstoffzelle hat die Funktion eines Brenners, der den Wasserstoff je zur Hälfte in Strom und Wärme wandelt. Überschuss-Strom wird ins Netz eingespeist Wegen Stromüberschuss Tauchsieder wenn mehr Wärme nötig ist zu den Heizkörpern IR-Strahler, "Kachelofen"... Brennstoffzellensysteme kosten bei Massenfabrikation von Stück ca. 50 /kw el. Es wird eine Standzeit von h erwartet. (Final Report Roads2HyCom 2009) Räume werden nur bei Bedarf elektrisch beheizt. 11 Tetzlaff, Frenzel, Lengfelder (2012) Biowasserstoff

12 Einsatz Gabelstapler Brennstoffzellen Serienprodukte Fa. Ballard, Canada Einsatz Linienbusse 12 Tetzlaff, Frenzel, Lengfelder (2012) Biowasserstoff

13 Globale Geldverbrennung Projekt DESERTEC Quelle: Siemens 13 Tetzlaff, Frenzel, Lengfelder (2012) Biowasserstoff

14 H 2 Herstellung/Schema Biomasse (feucht) M Schnecke 3 MPa 850 C Synthesegas Asche Zyklon als Dünger nutzbar Wirbelschicht (Sand) Heizung oder Sauerstoff Wasserdampf Steam-Reformer + CO + CO 2 + H 2 O Im Shift-Reaktor wird aus CO + H 2 O CO 2 + Der Vergasungsprozess an sich ist bekannt. Alle Industrienationen haben so aus Kohle Stadtgas hergestellt. 14 Tetzlaff, Frenzel, Lengfelder (2012) Biowasserstoff

15 Zusammensetzung Stadtgas (Leuchtgas) Wasserstoff H 2 (51 %) Methan CH 4 (21 %) Stickstoff N 2 (15 %) Kohlenmonoxid CO (9 %) Kohlendioxid CO 2 (minimal) 15 Tetzlaff, Frenzel, Lengfelder (2012) Biowasserstoff

16 Teerfreier Wasserstoff Synthesegas teerfrei + CO + CO 2 + H 2 O, Biomasse (feucht) M Schnecke 3 MPa 850 C 600 C elektr. Heizung oder Sauerstoff Teere werden im heißen Koksbett zerstört Kokspartikel fliegen mit dem teerhaltigen Pyrolysegas in die nächste Stufe ca. 1 m Durchmesser bei 50 MW Im Shift-Reaktor wird aus CO + H 2 O CO 2 + Hoher Wirkungsgrad Keine Abgasverluste durch die Heizung Daher kann ein sehr hoher Wirkungsgrad von über 90% (Hu) erreicht werden. Wasserdampf 16 Tetzlaff, Frenzel, Lengfelder (2012) Biowasserstoff

17 Bestehende Pilot-Anlagen 8 MW Biomasse-Anlage Güssing bei Wien (seit 2001) einstufig (Synthesegas) Bei einem Druck von 30 bar hätte diese Anlage eine Leistung von 200 MW 17 Tetzlaff, Frenzel, Lengfelder (2012) Biowasserstoff

18 18 Tetzlaff, Frenzel, Lengfelder (2012) Biowasserstoff Brennstoff in Güssing meist Holz- Hackschnitzel

19 Bestehende Pilot-Anlagen 11 MW Biomasse-Anlage Senden bei Ulm einstufig wie Güssing, Betrieb seit 2012 Holzhackschnitzel ca t/a (feucht) 19 Tetzlaff, Frenzel, Lengfelder (2012) Biowasserstoff

20 Pilot-Anlage im Bau Biomasse-Anlage Göteborg 1. Phase 20 MW (Inbetriebn. gepl. 2013) 2. Phase MW Betreiber: Gobigas-Goteborgenergi 20 Tetzlaff, Frenzel, Lengfelder (2012) Biowasserstoff

21 Energiewirtschaft heute und morgen Energiewirtschaft DE 2007 Wasserstoff-Wirtschaft DE 2030 Primärenergie: PJ 1) Fossil, nuklear: 93% Erneuerbar: 7% Primärenergie: PJ Biomasse: 70% EE-Strom: 30% Trend-Fortschreibung Verluste 8% Thermodynamische Maschinen Heizkessel (die es in einer Wasserstoffwirtschaft nicht gibt) In einer künftigen Wasserstoffwirtschaft sinkt der Primärenergieverbrauch auf ein Viertel bei gleichem Komfort. 1) inklusive ca PJ nichtenergetischer Verbrauch * aus BWK61,6 (2009) mit Korrektur: Strom = Nutzenergie ( =4.600 PJ) 21 Tetzlaff, Frenzel, Lengfelder (2012) Biowasserstoff Infolge des hohen Stromanteils kann die Energie effizienter genutzt werden keine Einschränkung im Energiekomfort

22 Was kostet eine Wasserstoff-Fabrik? kleinste industrielle Einheit Tetzlaff, Frenzel, Lengfelder (2012) Biowasserstoff 22

23 Vergleich: biologisch thermochemisch Projektion auf die weltgrößte Biogasanlage (Penkun) 23 Tetzlaff, Frenzel, Lengfelder (2012) Biowasserstoff

24 Werbung der Biogas-Branche Aber: 2,5 mal mehr Strom möglich aus Biowasserstoff/Brennstoffzelle 24 Tetzlaff, Frenzel, Lengfelder (2012) Biowasserstoff

25 Umbaukosten Die Installation einer nachhaltigen Wasserstoffwirtschaft für Deutschland kostet einmaligetwa 40 Mrd. *. Diesen Betrag investiert die Energiewirtschaft heute jährlich. Es kostet uns also nur eine intellektuelle Anstrengung, um uns aus der Abhängigkeit der fossilen Energieträger zu befreien. * die Hälfte davon entfällt auf die Wasserstoff-Fabriken, der Rest auf die Erweiterung des Gasnetzes und auf Tankstellen. 25 Tetzlaff, Frenzel, Lengfelder (2012) Biowasserstoff

26 Biomasse: unübertroffen nachhaltig und kostengünstig Biomasse mit der anschließenden Erzeugung von Biowasserstoff ist mit Abstand die kostengünstigste und auch am meisten nachhaltige Energie-Ressource. Die Nutzung von Biomasse als Energiequelle bietet zudem der Land-und Forstwirtschaft durch die Vermarktung von Reststoffen und Zwischenfrüchten bzw. Waldhackgut jeder Art ein weitreichendes ökonomisches Potential, ohne die Produktion von Nahrungsmitteln einzuschränken. 26 Tetzlaff, Frenzel, Lengfelder (2012) Biowasserstoff

27 EU bezeichnet Wasserstoff als Energieträger der Zukunft Die Europäische Union hat von 2004 bis 2009 ein internationales multizentrisches Forschungsprojekt durchgeführt, an dem sich Forschungsinstitute und Gasunternehmen aus 12Nationen beteiligt haben. Bezeichnung des Projekts: Preparing for the hydrogen economy by using the existing natural gas system as a catalyst. Der Abschlußbericht des Projekts (SES6/CT/2004/502661) zeigt deutlich das Konzept der EU, das bestehende Erdgasnetz für die zukünftige Wasserstoffwirtschaft zu nutzen. 27 Tetzlaff, Frenzel, Lengfelder (2012) Biowasserstoff

28 Mischungen von Erdgas und Wasserstoff bzw. Wasserstoff im Erdgasnetz Eine Einspeisung in bestehende Erdgasnetze ist in mehreren Studien untersucht worden (z.b. das über 5 Jahre durchgeführte wegweisendes EU-Forschungsprojekt NATURALHYwww.naturalhy.net). Die in Deutschland gültigen Gasnormen (DVGW G260/262, SVGW/G13) schreiben derzeit noch eine Grenze von 5 % Wasserstoffanteil vor, werden jedoch bereits überarbeitet. In Italien (Lombardei) beispielsweise ist die Einspeisegrenze bereits 30 %. 28 Tetzlaff, Frenzel, Lengfelder (2012) Biowasserstoff

29 Volkswirtschaftlich betrachtet Durch die Wertschöpfung im Lande kann Deutschland seine Überweisungen für Energie ins Ausland um rund 100 Mrd. /a reduzieren. Energiekosten können um rund 100 Mrd. /a gesenkt werden. Die sozialen Kosten der Energieerzeugung (externe Energiekosten) können um rund 100 Mrd. /a reduziert werden. Die Zahlungsverpflichtungen von rund 100 Mrd. (Schulden) durch Zusagen im Rahmen des EEG können abgebaut werden. Vollen Umwelt- und Klimaschutz gibt es gratis. 29 Tetzlaff, Frenzel, Lengfelder (2012) Biowasserstoff

30 Bio-Wasserstoff ist billiger als Erdöl und Erdgas Rohöl: 80 US$/bbl 4 ct/kwh Biomasse 50 /t atro Die Haushaltstarifesind 0,7 ct/kwh höher als der Herstellpreis. Strombzw. Wärme kostet dann 1,8-2,5 ct/kwh. 30 Tetzlaff, Frenzel, Lengfelder (2012) Biowasserstoff

31 Terra Preta Im Herstellungsprozess von Biowasserstoff kann optional auch Terra Preta (schwarze Erde) erzeugt werden. Durch die Einbringung von Biokoksentsteht eine neue Form von Humus, der über 500 Jahre stabil ist. Dadurch ist in tropischen und subtropischen Gebieten eine Landwirtschaft mit sesshaften Landwirten entstanden. Die Hochkulturen der indigenen Völker im Amazonasbecken sind so erst möglich geworden. Durch die Bindefähigkeit von Wasser und Nährstoffen im hochporösen Biokoks kann auf niederschlagsarmen und nährstoffarmen Böden Landwirtschaft mit hohen Erträgen betrieben werden. Das 21. Jahrhundert könnte das Jahrhundert der Landwirtschaft werden, das unsere Hochkultur nachhaltig sichert. Alles: Lebensmittel, Energie und Produkte des täglichen Bedarfs können mit Hilfe der Landwirtschaft erzeugt werden. 31 Tetzlaff, Frenzel, Lengfelder (2012) Biowasserstoff

32 Grüne Chemie durch grünen Wasserstoff Kunststoffe Schmiermittel Treibstoffe Lösungsmittel Farben Arzneimittel Nahrungsmittel (Poteine, Vitamine ) Wasserstoff (H 2 ) Kohlendioxid (CO 2 ) 32 Tetzlaff, Frenzel, Lengfelder (2012) Biowasserstoff

33 Warum haben westliche Industrienationen keine Wasserstoffwirtschaft In Deutschland und anderen westlichen Staatenwird durch die privatwirtschaftliche Monopolstrukturdes Energie-Marktes die Einführung der Wasserstofftechnologie scharf bekämpft. Denn sie führt automatisch zu einer Dezentralisierung und Kommunalisierung des Energiemarktes und zu einer deutlichen Senkung der Energiepreise. Der Energiegrundstoff wird durch die heimische Landwirtschaft geliefert und nicht durch Energiekonzerne importiert. Die Energiekonzerne befürchten dadurch den Verlust riesiger Marktanteile und Gewinne, sie üben deshalb massiven Druck auf die Regierungen aus. 33 Tetzlaff, Frenzel, Lengfelder (2012) Biowasserstoff

34 Klimaschutzverhandlungen? Wozu brauchen wir noch Klimaschutzverhandlungen, wenn wir ein Konzept implementieren, bei dem die Energie günstiger ist als heute, nachhaltig erzeugt wird und Umwelt-und Klimaschutz keine Extrakosten verursachen? 34 Tetzlaff, Frenzel, Lengfelder (2012) Biowasserstoff

35 Anwendungsbeispiel Nahverkehr Antrieb mit Wasserstoff/Brennstoffzelle 220 kw 35 Tetzlaff, Frenzel, Lengfelder (2012) Biowasserstoff

36 Bedarf für Hohenbrunn Wärme: 84,9 GWh/a (2010) Strom: 34,6 GWh/a (2010) Wasserstoff-Reaktor Leistung 50 MW Elektr. und therm. Leistung jeweils 200 GWh/a Landw. Fläche bei 50% Nutzung Radius um die Anlage ca. 5 km Ein 50 MW Wasserstoffreaktor liefert das 2,5 fache der Wärmemenge und das 6-fache des Strombedarfs der Gemeinde Der Energieträger Biomasse kann zu 100 % durch die heimische Land-und Forstwirtschaft sichergestellt werden, ohne die Nahrungsproduktion zu verdrängen. 36 Tetzlaff, Frenzel, Lengfelder (2012) Biowasserstoff

37 Beitrag verschiedener Energieträger zur regionalen Wertschöpfung 37 Tetzlaff, Frenzel, Lengfelder (2012) Biowasserstoff

38 Fazit Mit der Installation einer Wasserstoffwirtschaft durch Biomasse kann Deutschland eine Dezentralisierung und Kommunalisierung des Energiemarktes und eine deutlichen Senkung der Energiepreise erreichen die Energieversorgung des eigenen Landes durch Verwendung eigener Energierohstoffe auf Dauer sichern Kosten für Import von Öl und Gas einsparen einen Technologievorsprung entwickeln verlorene Investitionen in nur temporär nutzbare Energiearten wie Photovoltaik und Windkraft vermeiden einen Beitrag zur Vermeidung von Öl- und Klimakonflikten leisten 38 Tetzlaff, Frenzel, Lengfelder (2012) Biowasserstoff

39 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit 39 Tetzlaff, Frenzel, Lengfelder (2012) Biowasserstoff

40 Kompetente Internet-Adressen für Biowasserstoff Tetzlaff, Frenzel, Lengfelder (2012) Biowasserstoff

41 Fachbuch zu Biowasserstoff von Dipl.-Ing. Karl-Heinz Tetzlaff 512 Seiten, 147 Abbildungen (z. T. farbig), 54 Tabellen BoD Verlag, Norderstedt, ISBN (2011) 47,- 41 Tetzlaff, Frenzel, Lengfelder (2012) Biowasserstoff

42 Anhang 42 Tetzlaff, Frenzel, Lengfelder (2012) Biowasserstoff

43 Maßeinheiten der Energietechnik 1 J = 1 Ws 1 Joule = 1 Wattsekunde 1 PJ = 0,278 TWh 1 TWh = 3,6 PJ 1 kwh = 3600 kj = 0,113 m 3 Erdgas 1 kwh = 860 kcal 1 MPa = 10 bar 43 Tetzlaff, Frenzel, Lengfelder (2012) Biowasserstoff

44 Selbst denken und entscheiden Am Vorabend der Französischen Revolutionschrieb Immanuel Kant ( ) drei Sätze, die die Welt nachhaltiger verändert haben als alle Kriege vorher und nachher: Aufklärung ist der Ausgang des Menschen aus seiner selbstverschuldeten Unmündigkeit. Unmündigkeit ist das Unvermögen, sich seines Verstandes ohne Leitung eines anderen zu bedienen. Selbstverschuldet ist diese Unmündigkeit, wenn die Ursache derselben nicht am Mangel des Verstandes, sondern im Mangel der Entschließung und des Mutes liegt, sich seiner ohne Leitung eines anderen zu bedienen. Nun ist uns eine neue Feudalherrschaft zugewachsen. Vor der schieren Machtfülle des Energiesektors müssen alle Regierungen der Welt ihre Knie beugen. Diese neue Feudalherrschaft ist mal brutaler als die aristokratische zu Zeiten der Französischen Revolution. Jean Ziegler, UN-Sonderberichterstatter für das Recht auf Nahrung 44 Tetzlaff, Frenzel, Lengfelder (2012) Biowasserstoff