Mit Bio-Wasserstoff aus dem KWK-Dilemma

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1 Mit Bio-Wasserstoff aus dem KWK-Dilemma Karl-Heinz Tetzlaff / Deutscher Wasserstoff-Verband / Mörikestr. 6 / D Kelkheim / k@k-tz.de / OTTI-KOLLEG: 10. Symp. Energie aus Biomasse; ; Kloster Banz, Tagungsband (ISBN ) Seite Zusammenfassung Es wird gezeigt, wie die fehlende Übereinstimmung von Stromproduktion und Wärmeproduktion zur Raumheizung überwunden werden kann. Das neue Konzept besteht darin, die Energie der Biomasse in einem thermochemischen Prozess (Steam-Reforming) auf Wasserstoff zu übertragen. Der Wasserstoff ist Transportmedium und Speichermedium zugleich. Daher ist eine Entkopplung von Energieproduktion und Verbrauch möglich. Durch die Nutzung von Brennstoffzellen und Brennstoffzellenheizungen kann die Stromerzeugung in die einzelnen Wohneinheiten verlegt werden. Aufgrund hoher Effizienz und hoher Dynamik wäre das Konzept gegen eine konventionelle Versorgung von Strom und Wärme wettbewerbsfähig. Der Vorschlag enthält auch eine Option auf einen doppelten Klimaschutz. Das Dilemma Da die KWK-Anlagen aus technischen und ökonomischen Gründen mit maximaler Leistung stromgeführt betrieben werden müssen, kann man die entstehende Wärme im Sommer nicht zur Raumheizung verkaufen. Es handelt sich bei diesen Anlagen also nicht um eine vollständige Kraft-Wärme-Kopplung. Auch das tägliche Anforderungsprofil für eine sparsame Heizung ist nur unvollkommen erfüllt. Das Dilemma zwischen konstanter Stromproduktion und dem tatsächlichen Bedarf ist daher offensichtlich. Kraft-Wärme-Kopplung morgen Die Lösung des Dilemmas sind Brennstoffzellen, die über ein Gasnetz mit Wasserstoff versorgt werden. Wasserstoff kann direkt (ohne Umweg über den Strom)

2 aus allen kohlenstoffhaltigen Energieträgern durch Reformierung hergestellt werden, also auch aus Biomasse. Ein Wasserstoffnetz kann sowohl den Transport der Energie übernehmen als auch die Energie speichern. Damit ist die Erzeugung und der Verbrauch der Energie entkoppelt. Mit der in kürze zu erwartenden Massenproduktion von Brennstoffzellen steht ein preiswerter hochdynamischer Energiewandler zur Verfügung, der die Haushalte direkt mit Strom und Wärme versorgen kann. Durch den hohen elektrischen Wirkungsgrad dieser Wandler geht keine Energie verloren, da die Abwärme gerade für das warme Wasser in Küche und Bad ausreicht. Strom 10-25% Biomasse Gas- o. Dampf BHKW Wärme Nutzung: 10-70% Biomasse Vergaser Wasserstoff 75% (Hu) dünne Gasleitung Dicke isolierte Wasserleitungen Brennstoffzelle FC Vorhandene Infrastruktur (Erdgasleitungen) Nutzung: ganzjährig 85% Wahlfreiheit zwischen Strom u. Wärme (Strom: 11 Pf/kWh Wärme: 9 Pf/kWh) CO2 2 DM/100 km (ohne Steuern) Doppelter Klimaschutz durch CO2-Speicherung in tiefen Erdschichten Abbild 1 BHKW heute und morgen Vergaser Der Prozess zur Umwandlung kohlenstoffhaltiger Energieträger ist aus der Stadtgaszeit gut bekannt. Für Biomasse sind jedoch in der ersten Reaktionsstufe (Synthesestufe) einige Modifikationen notwendig, die den speziellen Eigenschaften der Biomasse Rechnung tragen. Der Energie-Umwandlungsgrad von Biomasse zu Wasserstoff beträgt etwa 75% (bezogen auf den Heizwert, Hu). Die Entwicklung

3 dieses Verfahrens befindet sich in Deutschland noch ganz im Anfang und wird von kleinen innovativen Firmen getragen. Nach amerikanischen Ingenieurstudien 1 erhält man bei einem Rohstoffpreis von 3 Pf/kWh (ca. 140 DM/t Biomasse) Herstellungskosten von ca. 8 Pf/kWh für den Wasserstoff. In diesem Preis ist die Speicherung von CO2 im Untergrund bereits eingeschlossen 2. Die Hektarerträge betragen bei typischen Energiepflanzen (Miscantus) und bei zwei Ernten pro Jahr 3 mit heimischen Pflanzen ca. 20 t/a. Der Landwirt kann bei Biomassepreisen von 140 DM/t durchaus mehr verdienen als bei der Produktion von Nahrungsmitteln. Die Energiezentrale im Haus Das Schlüsselelement der neuen Kraft-Wärme-Kopplung ist zweifellos die Brennstoffzelle. Eine Brennstoffzelle in Verbindung mit einem Wasserstoffnetz kann jeder plötzlichen Laständerung folgen. Wasserstoff Strom Brennstoffzelle 15 kw Wärme Wasser Tauchsieder wenn mehr Wärme nötig ist zu den Heizkörpern IR-Strahler Der Wirkungsgrad ist in allen Lastzuständen stets 116% Abbild 2 Brennstoffzellenheizung Brennstoffzellen werden bei Massenproduktion so billig sein, dass auf einen extra Brenner für die Heizung verzichtet werden kann. Bei einem typischen Wirkungsgrad von 60% steht mehr als die Hälfte der benötigten Heizenergie auch in Form elektrischer Energie zur Verfügung. Mit einer Strahlungsheizung lässt sich

4 bekanntlich der Heizenergiebedarf erheblich senken. Der Wirkungsgrad der gesamten Energiekette beträgt 87% (75% x 1,16). Infrastruktur Wenn es gelingt, mit den Gasnetzbetreibern zu kooperieren, ist ein Neubau von Wasserstoffleitungen nicht erforderlich. Die bestehenden Erdgasnetze können ohne grundlegende Modifikationen (wieder) auf Wasserstoff umgestellt werden. Die Energiebranche sollte an einer Wasserstoffwirtschaft interessiert sein, denn auch mit fossilen Energieträgern lässt sich ein vollständiger Klimaschutz bei gleichzeitiger Halbierung der Energiekosten erreichen 4. Die spezifischen Kosten für den Energietransport mittels Wasserstoff werden erheblich kleiner sein als beim Erdgas, weil die Bereiche Strom und Verkehr mitversorgt werden. Im Gegensatz zum Wärmemarkt, haben die neuen Kunden einen über das Jahr gleichmäßigen Verbrauch. Das Rohrnetz muss daher nur geringfügig erweitert werde, transportiert aber mehr als die doppelte Energiemenge. Energiepreise Bei einem Herstellpreis von 8 Pf/kWh kann man den Wasserstoff mit ca. 11 Pf/kWh (Hu, Inkl. MWSt.) zum Hausanschluss bringen. Bei einer Altbauwohnung mit einem Wärmebedarf von kwh und einem Strombedarf von kwh ist eine Vollversorgung mit Wasserstoff und Brennstoffzellenheizung erheblich billiger als eine konventionelle Versorgung heute. Zum Beispiel müsste bei einer konventionellen Versorgung der Erdgaspreis unter 3,8 Pf/kWh und der Strompreis unter 27 Pf/kWh liegen um mit Bio-Wasserstoff mithalten zu können. Das ist undenkbar! Bei besser isolierten Gebäuden ist die Wettbewerbsposition noch günstiger. Der Wasserstoff aus Biomasse verliert aber seine Wettbewerbsfähigkeit, wenn Wasserstoff aus billigen fossilen Energieträgern hergestellt wird. Deshalb erfordert Bio-Wasserstoff eine angemessene politische Begleitung. Da die Preisdifferenz zwischen fossilem und biologischem Wasserstoff nur wenige Pf/kWh beträgt, sollte das nicht schwer sein.

5 Klima- und Umweltschutz Bei der Herstellung von Wasserstoff aus kohlenstoffhaltigen Energieträgern fällt als Kuppelprodukt konzentriertes CO2 kostenlos an. Dieses Klimagas lässt sich zur tertiären Erdöl- und Erdgasförderung verwenden oder in tiefen porösen Erdschichten (Aquifer) speichern. Das CO2 kann von künftigen Generationen als willkommene Kohlenstoffquelle für Produkte der Kohlenstoffchemie verwendet werden. Nach Untersuchungen der EU (JOULE II) haben wir in Europa mehr CO2- Speicherkapazität als wir brauchen. Der Energieaufwand zum Einpressen beträgt weniger als 3 DM/t CO2 (< 0,1 Pf/kWh). Eine Wasserstofffabrik emittiert weder CO2 noch Luftschadstoffe. Wie bekannt, ist die Verbrennung von Biomasse bereits klimaneutral. Mit CO2-Speicherung erhält man daher eine negative CO2-Bilanz. Die bereits gemachten Klimaschulden kann man auf diese Weise also wieder zurückzahlen. Die CO2-Speicherung sollte man bei der Nutzung der Biomasse von Anfang an mit einbeziehen. Unsere CO2-Bilanz lässt sich mit Biomasse um mehr als 30% verbessern. Literatur: 1 Robert U. Ayres: Eco-restructuring: Implications for sustainable development; United Nations University Press TOKYO NEW YORK PARIS (1998) ISBN Karl-Heinz Tetzlaff; Synergien von Wasserstoff und Biomasse nutzen; III Internationale EUROSOLAR-Konferenz im Rahmen der Grünen Woche Berlin 2001; Konferenzband, Seite ; EUROSOLAR-Verlag Bonn 3 Konrad Scheffer; Energie aus der Vielfalt der Pflanzenarten ein neuer Ansatz zur ökonomischen und ökologischen Optimierung der Biomassenutzung. Energie und Umwelt: Wo liegen optimale Lösungen? Hrsg: Union der deutschen Akademie der Wissenschaften durch Jürgen Worlfrum u. Sigma Wittig. Springer-Verlag Berlin, Heidelberg, New York (2000) S Karl-Heinz Tetzlaff: Das Treibhausproblem lösen und die Energiekosten senken das geht; Shaker Verlag (1999); ISBN