Wasserstofflogistik Produktion, Konditionierung, Verteilung, Speicherung und Betankung

Transkript

1 Bernd Höhlein Wasserstofflogistik Produktion, Konditionierung, Verteilung, Speicherung und Betankung u.a. nach einem Vortrag von Bernd Höhlein, Thomas Grube, Jaco Reijerkerk* Thomas Aicher** und Ludwig Jörissen*** Forschungszentrum Jülich, * Linde Gas AG, ** Fraunhofer ISE, *** ZSW anlässlich der Jahrestagung des ForschungsVerbunds Sonnenenergie Wasserstoff und Brennstoffzellen Energieforschung im Verbund Umweltforum Berlin, November 2004

2 Eine veränderte und in Zukunft mehr und mehr nachhaltige Energieversorgung ist Basis für eine höhere Lebensqualität. Unsere Herausforderung besteht darin, mittel- bis langfristig eine saubere, sichere und zugleich zuverlässige Bereitstellung von Energie zu bezahlbaren Preisen und bei wirtschaftlicher Tragfähigkeit zu realisieren. Die Sicherstellung der Energieversorgung muss eine hohe Priorität einnehmen.

3 Zukünftige Primär- und Sekundärenergieträger Erdgas Kohle Biomasse Vergasung Reformierung CO 2 -freies Kraftwerk Pre-combustion + CO 2 -Capture H 2 CO 2 CO 2 CO 2 -freie Stromerzeugung: CO 2 -Lager Synthesegas (H 2, CO 2, CO) Elektrolyse Heterogen katalysierte Synthese H 2 -Abtrennung Aufbereitung Erdgas Methanol Syn-/ Sunfuel Wasserstoff Strom

4 Mittel- bis langfristige Strategie Mittel- bis langfristig werden zunehmend synthetische flüssige Energieträger, Elektrizität und Wasserstoff und diese mehr und mehr auf regenerativer Basis ein Energieversorgungssystem bilden. Energieumwandlungssysteme wie Elektrolyseure, Brennstoffzellen, Verbrennungsmotoren und Gasturbinen werden dabei von Bedeutung sein.

5 Konkurrierende fossil-basierte Kraftstoffe und Antriebe Fern Transport Regional Verteilung Lokal (Tankstelle) Pkw Kompression SET- Herst. Erdgas Förderung/ Aufbereitung L.NG C.H 2 L.H 2 MeOH GTL Tankschiff Pipeline Pipeline Pipeline SET- Herst. C.H 2 L.H2 MeOH LKW Pipeline Pipeline LKW H 2 Kompression H 2 - Herst. GTL MeOH C.H 2 C.NG Speicher L.H 2 C.H 2 GTL MeOH L.NG C.NG C.H 2 / L.H 2 PEFC* GTL MeOH PEFC* C.H 2 / L.H 2 C.NG/ L.NG GTL MeOH VM (Hybrid) Rohöl Förderung/ Aufbereitung Pipeline Tankschiff SET- Herst. Benzin Diesel LKW Benzin Diesel Benzin Diesel VM (Hybrid) * auch Hybridvarianten

6 Option: Wasserstoff Wasserstoff wird für erste Anwendungen im Verkehr in Nischen eingeführt auf Basis verschiedener heute verfügbarer fossiler Quellen und vorhandener Transport- und Speichermöglichkeiten Wasserstoff wird langfristig am Markt wachsen mit neuer Infrastruktur und mehr und mehr auf Basis regenerativer Erzeugung

7 Mögliche Wasserstoffpfade nach HyNet [Executive Report 2004] Renewable Electrolysis from Renewable Electricity Biomass Gasification (w/o or with CO 2 Sequestration) Photochemical Reforming of Fossil Fuels (NG, Oil, Coal) with CO 2 Seq Fossil CO 2 -free Electrolysis from Fossil Fuel derived Electricity with CO 2 Seq Electrolysis from Nuclear Electricity Nuclear (Thermocycles) Centralised Natural Gas Reforming Decentralised Small Natural Gas Reforming Hydrogen from Oil Hydrogen from Coal Electrolysis from Fossil Fuel de rived Electricity SHORT TERM (2010) MEDIUM TERM (2015) LONG TERM (> 2025)

8 Bewertung der Kraftstoff-Speicher-Dichten [nach LINDE]

9 Bewertung der Speichersysteme für Wasserstoff [nach EU HYNET - Executive Summary May 2004] Today

10 Projektbeispiel NRW: Wasserstoffkartusche - Projektführer: OperaThing GmbH, Köln - Ziel: Versorgung portabler BZ Systeme - Kapazität: 3 kwh = 11 MJ - Maße: 2l Außenvolumen, max. 2,5kg - 5,5 MJ/l und 4,4 MJ/kg - Liner aus Edelstahl - Mantel aus Kohlenstofffasern - integrierte Multifunktionsarmatur

11 Hochdruck-Tankstelle für Wasserstoff [nach LINDE] Kriterien: Platzbedarf, Investkosten, Betriebskosten, H 2 -Management Speicherung Kompressor Puffer Bündel 30 MPa H 2 Quelle 43,8 85 C = C Zapfsäule

12 Europaweite H 2 -Pipelines [FZK]: Option für EU Lighthouse Projekte Rhein-Ruhr H 2 -Pipeline, Air Liquide Leuna H 2 -Pipeline, Linde Belgium-France-NL H 2 -Pipeline, Air Liquide Air Liquide: Belgium, France, NL 966 km 10 MPa Germany: Rhine-Ruhr Pipeline 240 km 1.1/ 2.3/ 30 MPa [operative since 1938] Leuna-Merseburg, Linde 100 km MPa Air Products Pipelines: Europoort, NL 50 km UK: ICI Teeside 16 km 5 MPa Sweden: Chemical Industry 18 km MPa

13 Bereitstellungskosten H 2 (10 % Substitutionsquote) (Z Zentral; SMR-Erdgas-Reformierung; E-Elektrolyse; G-Druck H 2 ; L-Flüssig H 2 ; G/L-Betankung) Technik heute Herstellung / kg Verflüssigung / kg Verdichtung / kg Transport / kg Betankung / kg Summe / kg Z SMR 100 t/d* G-Bündel; G-B 1,02 0,42 0,66 0,75 2,8 0,023 /MJ Z SMR 200 t/d* L-Transport; L-B 0,92 1,01 0,21 0,26 US: 0,6-0,3 2,4 0,02 /MJ Onsite SMR G-B* On-Site-E G-B** 2,00 4,40 0,89 0,72 2,9 5,1**2,9*** Z SMR 28 t/d* 50% Quote107 t/d* 1,27 1,01 0,14 0,14 2,73 PL 0,67290km 0,80 G-B 0,80 4,9 2,6 US: NG 1100 th 2 /d**** NG: with CO2 capt. Coal: 1100 th 2 /d**** Coal: s.o.+ CO2 capt. 1,03 $/kg 1,22 $/kg 0,96 $/kg 1,03 $/kg s. Herst. s.o. s.o. s.o. 0,42 600km s.o. s.o. s.o. 0,54 s.o. s.o. s.o 1,99 $/kg 2,17 $/kg 1,91 $/kg 1,99 $/kg *[nach Linde]; On-Site SMR 200 Nm3/h bei 1000 Stck und 777 /kw Invest, Erdgas 7 /GJ (On-Site); ~4-5 /GJ (Z-SMR) ** On-Site-Elektrolyse nach RECHLER bei Strom 6 ct/kwh; *** On-Site-Elektrolyse nach RECHLER bei Strom 2 ct/kwh ****[N RC] Z-SMR Erdgas 4,5 $/GJ, 150 km Pipeline, $/ km, 2,5 t/d H2; Coal 1,2$ / GJ LINDE [ ]: Unpublished Diploma thesis from Reijerkerk, Valentin and Rechler, LINDE GAS, München NRC [2004]: The Hydrogen Economy; NATIONAL RESEARCH COUNCIL and NATIONAL ACADEMY of ENGINEERING, The National Academies Press;

14 Bewertung der Kraftstoffbereitstellung Der Versorgungssicherheit und dem Klimaschutz dient das veränderte Energieträgersystem nur dann, wenn es für alle Prozesse von der Quelle bis zur Nutzung einen geringen Primärenergiebedarf sowie geringe Treibhausgasemissionen bei entsprechender Wirtschaftlichkeit bewirken kann. Eine ständig begleitende System- und Wirtschaftlichkeitsanalyse der gesamten Energiebereitstellung und -nutzung und nicht einzelner Pfade für eine zu versorgende Region muss dies sicherstellen.

15 Kraftstoffbereitstellung: Treibhausgase und Kraftstoffkosten Treibhausgasemissionen: Bereitstellung und Nutzung/ g CO2eq / MJ 150 Strom EEX Benzin/ Diesel (Öl) D EU F-T-Diesel (Erdgas) Druckerdgas Erdgas an D Methanol (Erdgas) Fossil to renewable H2 aus Steinkohle + CCS H2 aus Steinkohle ohne CCS Flüssigwasserstoff (Erdgas) Druckwasserstoff (Erdgas) Strom privat mit Steuern Benzin, mit Steuern (Öl) Biodiesel Ethanol (Raps, Zuckerrüben) Druckwasserstoff (Wind-Strom) Kraftstoffkosten / EUR / GJ Ohne Steuern Ohne CO 2 -Management Fossile Herkunft Regenerative Herkunft Druck- oder Flüssigwasserstoff (Solar-Strom) F-T-Diesel (Holz)

16 Fazit: Kraftstoffe der Zukunft Bereitstellungskosten für konventionelle Energieträger werden sich erhöhen: wg. Rohölqualität und Verfügbarkeit Mittelfristig gibt es keine Monolösung für Kraftstoffangebot Infrastrukturkosten für neue Energieträger in Ergänzung zu heutigen Infrastrukturen müssen sorgfältig analysiert werden Erdgas als neuer Kraftstoff (CNG) und kann als Brückenfunktion für den Aufbau einer H 2 -Infrastruktur dienen H 2 -Brennstoffzellenantriebe haben einen besonders niedrigen Verbrauch bei höheren Anschaffungs- und Kraftstoffkosten gegenüber Benzin und Diesel im Verbrennungsmotor Staatliche Regulierungen sind erforderlich

17 Weltweite Aktivitäten DoE Program FreedomCAR (R&D) California Fuel Cell Partnership Clean Energy Partnership (GER) VES, Hybert (GER) Initiativen: NRW, BW, Bayern (GER) European Bus Project Cute (EU) 6 th Framework Program (EU) Technology Platform 7. RP (EU) IPHE International Partnership for the Hydrogen Economy IEA International Energy Agency Hydrogen Fuel Cells METI, NEDO actions

18 Zukünftige Aufgaben weltweit Verfahren entwickeln für die Umwandlung von Erdgas und Kohle mit CO 2 -Abtrennung und-speicherung. Verfahren für marktfähige Erneuerbare Energieträger sowie synthetische Kraftstoffe entwickeln. H 2 -Speicherungsprobleme und Infrastrukturfragen lösen. Bereitstellung marktfähiger Energieumwandlungssysteme wie Brennstoffzellen mit peripheren Einheiten fördern. Begleitende System- und Wirtschaftlichkeitsanalyse für die Bewertung zukünftiger Energieversorgungssysteme und verlässliche Rahmenbedingungen sicherstellen.

19 18 th World Hydrogen Energy Conference 2010 in Essen, Germany, May 16-21, 2010