Perspektiven einer Wasserstoff-Energiewirtschaft

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1 Perspektiven einer Wasserstoff-Energiewirtschaft Vortragsreihe Naturwissenschaften Seniorenstudium der LMU München, 8. Januar 2007 Prof. Dr.-Ing. U. Wagner Lehrstuhl für Energiewirtschaft und Anwendungstechnik Forschungsstelle für Energiewirtschaft e.v., München

2 Inhalt Wasserstoff-Bereitstellung Energiewirtschaftliche Bewertung Brennstoffzellen-Technologie Brennstoffzellen-Anwendung Fazit und Ausblick

3 Energie weltweit möglicher Bedarf und seine Deckung Lehrstuhl für Energiewirtschaft und Anwendungstechnik Prof. Dr.-Ing. U. Wagner

4 Wasserstoff-Bereitstellung

5 Bausteine einer Wasserstoff-Energiewirtschaft Erzeugung Restwasserstoff Dampfreformierung Kvaerner-Prozess Elektrolyse Biomassevergasung etc. Logistik flüssiger oder gasf. H 2 Speicherung Transport Verteilung Anwendung mobil stationär portabel

6 Heutige Wasserstoff-Erzeugung Erdgas-Dampfreformierung 48% gesamte Wasserstoff Produktion p.a.: m³ (6.5 EJ) 18% 30% Kohlevergasung Partielle Oxidation von Erdöl Wasserelektrolyse 4%

7 Erdgas-Dampf-Reformierung Wasserstoff PSA CO 2 - Abtrennung CO 2 Dampf CO-Shift Dampf Produktionskapazität: bis zu m³/h Wirkungsgrad: ca % Reformierung Entschwefelung Erdgas H 2 S bzw. ZnS

8 Wasser-Elektrolyseur Wasserstoff Feuchtigkeitsabscheider U > 1,4 V Sauerstoff 450 kw Druckelektrolyseur Flughafen München H 2 O 2 OH - KOH + H 2 O Produktionskapazität: bis zu 500 m³/h Wirkungsgrad: ca. > 70 % Kathode Diaphragma Anode KOH

9 Stromgestehungskosten von Solarkraftwerken im globalen Vergleich LEC [ c/kwh] > 30 Simulationsergebnisse auf Basis 100 MW Parabolrinnenkraftwerk 39185B04 Lehrstuhl für Energiewirtschaft und Anwendungstechnik Prof. Dr.-Ing. U. Wagner

10 Sea Transport of Liquefied Hydrogen Carrier for 1,000 t of LH 2 Thyssen Nordsee Werke GmbH Carrier for 8,000 t of LH 2 Howaldtswerke Deutsche Werft AG Lehrstuhl für Energiewirtschaft und Anwendungstechnik Prof. Dr.-Ing. U. Wagner

11 Hydrogen Distribution to the Consumer Munich Airport Hydrogen Project:First Public Hydrogen Fuel Station Lehrstuhl für Energiewirtschaft und Anwendungstechnik Prof. Dr.-Ing. U. Wagner

12 Energiewirtschaftliche Bewertung der Wasserstoff- Bereitstellung

13 GH 2 -Bereitstellung für stationäre Anwendungen durch Vergasung von Biomasse aus Waldrestholz 1,42 kwh Aufb ereitung und Transport 0,07 kwh Strom 0,28 kwh Anlag enbereitstellung 0,02 kwh Waldrestholz 1,42 kwh Biomassebereitstellung Biomasse 1,42 kwh Vergasung 0,07 kwh Anlag en, Transportmittel 0,002 kwh GH2 1,04 kwh Inlandsverteilung 0,68 kwh b = 56 % EF = 2,7 GH2 1,0 kwh 0,04 kwh

14 Kumulierter nichtregenerativer Energieaufwand zur Bereitstellung von H 2 für stationäre Anwendungen 3,0 2,5 2,0 1,5 1,0 KNRA in kwh/kwhh2 0, Energieträger H 2 -Erzeugung Verflüssigung Ferntransport Verteilung Wasserstoff Erdgas Reformierung GH2 0,0 Schweröl partielle Oxidation GH2 Steinkohle - Vergasung GH2 Biomasse Vergasung GH2 PV (N-Afrike) E.-lyse Pipeline - GH2 Solarturm (N-Afrike) E.-lyse Pipeline - GH2 Solarrinne (N-Afrike) E.-lyse Pipeline - GH2 Erdgas - Reformierung- LH2

15 Solarrinne (N-Afrike) E.-lyse Pipeline - GH2 Erdgas - Reformierung- LH2 Solarturm (N-Afrike) E.-lyse Pipeline - GH2 Kosten der Bereitstellung von H 2 für stationäre Anwendungen Energieträger H 2 -Erzeugung Verflüssigung Ferntransport Verteilung Kosten ct/kwhh2 Erdgas Reformierung GH2 0 Schweröl partielle Oxidation GH2 Steinkohle - Vergasung GH2 Biomasse Vergasung GH2 PV (N-Afrike) E.-lyse Pipeline - GH2

16 Brennstoffzellen-Technologie

17 Funktionsweise einer Brennstoffzelle Elektrolyt Anode Kathode H 2 O 2 H 2 H + O 2 Kühlwasser, Nutzwärme H + Rest-H 2 H 2 O Kühlwasser H 2 O, Rest-O 2 Anodenreaktion: H 2 2 H e - Elektrischer Verbraucher e - e - Gesamtreaktion: H 2 + ½ O 2 H 2 O Kathodenreaktion: ½ O H e - H 2 O

18 PEMFC - Proton Exchange Membrane Fuel Cell Elektrischer Wirkungsgrad: (System) % im H 2 -Luft Betrieb Betriebstemperatur: 80 C Mobile Anwendung: Stationäre Anwendung: Portable Anwendung: Entwicklungsstand: Markteintritt: PKW, Busse BHKW: kw el Hausenergieversorgung: 1-10 kw el Stromversorgung für Mobiltelefone, Laptops F&E, Demonstration ab 2010

19 MCFC - Molten Carbonate Fuel Cell Elektrischer Wirkungsgrad: (System) % Brennstoff Erdgas Betriebstemperatur: 650 C Stationäre Anwendung: Entwicklungsstand: KWK: 300 kw el - 3 MW el F&E, Demonstration Markteintritt: ab 2010 Besonderheiten: Kombination mit Dampfturbine MCFC zur CO 2 -Produktion

20 Brennstoffzellen-Anwendung

21 Aufbau des Virtuellen Kraftwerks Siedlung aus Gebäuden mit und ohne BZA auf Niederspannungsebene 1. Priorität: wärmegeführter Betrieb der BZA durch die interne Regelung => lokale Wärmebedarfsdeckung Gebäude 1 mit BZA Gebäude 2 mit BZA Gebäude 3 mit BZA Gebäude n mit BZA weitere weitere Verbraucher weitere Verbraucher Verbraucher Datentransfer Austausch aller wichtigen Parameter zwischen den BZA, dem Trafo und der zentralen Steuerung NS-Trafo Zentrale Steuerung 2. Priorität: Optimierung der Betriebsweise auf Netzebene => dezentrale Stromerzeugung MS-Netz

22 Diesel Erdgas (EU-Mix) Bio-Diesel (Waldrestholz) CH2 (Erdgas) LH2 (Erdgas) CH2 (Wind) LH2 (Wind) CH2 (Erdgas) LH2 (Erdgas) CH2 (Wind) LH2 (Wind) Methanol (Waldrestholz) 5 MJ/km Benzin Benzin-Hybrid 0 Energieverbrauch verschiedener Pkw-Antriebskonzepte im well-to-wheel-vergleich Verbrennungsmotoren Brennstoffzellen Quelle: GM European Well-to-Wheel-Study

23 Fazit und Ausblick

24 Die Wasserstoff-Initiative Bayern Vision: Wasserstoff- und Brennstoffzellentechnologien werden zwei integrale Bestandteile der Energiewirtschaft von Morgen sein. Diese Technologien werden in mobilen, stationären und portablen Anwendungen zu einer ressourcenschonenderen und umweltverträglicheren Energieversorgung beitragen.

25 Die Wasserstoff-Initiative Bayern Motivation - die Vorteile der Wasserstoff- und Brennstoffzellentechniken: Ressourcenschonung und Emissionsminderung durch höhere Nutzungsgrade und niedrigere Emissionen in der Energieanwendung Möglichkeit der Weichenstellung für eine verstärkt auf regenerativen Energieträgern basierende Energiewirtschaft Stärkung der regionalen Wirtschaft durch Entwicklung und weltweite Vermarktung innovativer Energietechnologien

26 Die Wasserstoff-Initiative Bayern Hemmnisse - folgende Rahmenbedingungen erschweren eine rasche Umsetzung von Wasserstoff- und Brennstoffzellentechniken: Früher Entwicklungsstand und noch hohe Kosten sowie Konkurrenz durch ausgereifte konventionelle Technologien Technische Realisierung und Finanzierung der energiewirtschaftlichen Infrastruktur, sehr lange Vorlaufzeiten Informationsdefizite über die Möglichkeiten und Grenzen der Wasserstoff- und Brennstoffzellentechniken

27 Die Wasserstoff-Initiative Bayern Handlungsbedarf Gemeinsame Entwicklung von Strategien mit Industrie, KMU, Energieversorgung, Wissenschaft, Verbänden und Politik: Initiierung und Koordination von F&E- und Demonstrationsprojekten Standardisierung, Normung und neutrale Prüfung von Produkten Ermittlung der Potenziale, Marktchancen sowie der technisch und ökonomisch optimalen Infrastrukturvarianten Information, Beratung und Öffentlichkeitsarbeit

28 Wasserstoff-Initiative Bayern

29 Lehrstuhl für Energiewirtschaft und Anwendungstechnik Prof. Dr.-Ing. U. Wagner

30 Danke für Ihre Aufmerksamkeit!

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