JOANNEUM RESEARCH. Aktueller Stand und zukünftige Perspektiven für Elektromobilität, Biotreibstoffe und Wasserstoff

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1 JOANNEUM RESEARCH Forschungsgesellschaft h mbh WER GEWINNT DAS WETTRENNEN DER ERNEUERBAREN TREIBSTOFFE? Aktueller Stand und zukünftige Perspektiven für Elektromobilität, Biotreibstoffe und Wasserstoff Gerfried Jungmeier 11. Symposium Energieinnovation Alte Ziele Neue Wege", Februar 2010, TU Graz

2 Die Herausforderungen für erneuerbare Treibstoffe Nachhaltige Transportdienstleistungen Erfolgreiche Markteinführung und Implementierung Nachhaltigkeit der Entwicklung von Entwicklung von 1. Generation Batterie-Elektro- H 2 -Fahrzeugen & Entwicklung der Fahrzeugen & Aufbau 2. Generation &Lade-Infrastruktur H 2 -Infrastruktur Biotreibstoffe Nachhaltigkeit und Energieeffizienz zertifizierte Biomasse, erneuerbare Elektrizität und erneuerbarer Wasserstoff B-Mobility, E-Mobility & H 2 -Mobility

3 Entwicklung der Treibhausgas- Konzentration in der Atmosphere Lachgas (N 2 O) Kohlendioxid id (CO 2 ) Methan (CH 4 ) PCC 2007 Quelle: IP Industrielle Revolution seit 1850

4 Beobachtete Klimaveränderungen in den letzten 150 Jahren Quelle: IPCC 2007

5 Treibhaugas-Emissionen Verkehrssektor Österreich 23 Mio. t/a aus Transportsektor 26% der österreichischen Treibhausgas-Emissionen 61% Zunahme zwischen

6 Der österreichische Verkehrssektor Treibstoff-Bedarf 2008: 350 PJ/a Bioethanol bioethanol, 0,82% 0.82% Biodiesel biodiesel, 4,93% 4.93% 5,75% Biotreibstoffe durch Beimischung: 6,5% Biodiesel zu Diesel 3,4% Bioethanol zu Benzin Benzin gasoline, 23% 23.38% *) Bewertungsfaktoren lt. EU-Direktive RED : 2,5, für erneuerbaren Stromdiesel, Diesel 70.87% 71% 2 für Biotreibstoffe aus Abfällen, Reststoffen, Non-food Materialien und Lignozellulose

7 Die Treibstoffe der Zukunft H 2 -Mobility Wasserstoff-Fahrzeug mit - Verbrennungskraftmotor (inkl. Hybrid) - Brennstoffzelle E-Mobility Batterie-Elektrofahrzeug B-Mobility Biotreibstoff-Fahrzeug mit - Verbrennungskraftmotor (inkl. Hybrid) - Brennstoffzelle

9 Überblick Biotreibstoffe 1. und 2. Generation 1) (Reines) Pflanzenöl 2) Biodiesel a) Konventioneller Biodiesel aus Veresterung b) Hydrierter Biodiesel aus Hydrierung 3) Bioethanol a) Konventionelles Bioethanol aus Zucker und Stärke b) Lignozelluloses Bioethanol 4) Biobutanol 5) Biogas ( Biomethan ) 6) Synthetische Biotreibstoffe a) Fischer-Tropsch h Treibstoffe (e.g. FT-Diesel) b) Synthetisches Erdgas (SNG) ( Biomethan ) c) Dimethylester (DME) d) Biomethanol e) Synthetischer Wasserstoff 7) Biologischer Wasserstoff 8) (aufbereitetes) Pyrolyseöl y 9) Biotreibstoffe aus der Direktverflüssigung a) HTU-Biotreibstoffe aus der hydro-thermalen Umwandlung (Hoch-Druck-Temperatur) b) KNV-Biotreibstoffe aus katalytischer Nieder-Druck-Temerpatur Umwandlung

10 Überblick Biotreibstoffe 1. Generation 1) (Reines) Pflanzenöl 2) Biodiesel a) Konventioneller Biodiesel aus Veresterung 3) b) Hydrierter Biodiesel aus Hydrierung Bioethanol Heute kommerziell a) Konventionelles Bioethanol aus Zucker und Stärke b) Lignozelluloses Bioethanol 4) Biobutanol 5) Biogas ( Biomethan ) 6) Synthetische Biotreibstoffe a) Fischer-Tropsch h Treibstoffe (e.g. FT-Diesel) b) Synthetisches Erdgas (SNG) ( Biomethan ) c) Dimethylester (DME) d) Biomethanol e) Synthetischer Wasserstoff erzeugt 7) Biologischer Wasserstoff 8) (aufbereitetes) Pyrolyseöl y 9) Biotreibstoffe aus der Direktverflüssigung a) HTU-Biotreibstoffe aus der hydro-thermalen Umwandlung (Hoch-Druck-Temperatur) b) KNV-Biotreibstoffe aus katalytischer Nieder-Druck-Temerpatur Umwandlung

11 Überblick Biotreibstoffe 2. Generation 1) (Reines) Pflanzenöl 2) Biodiesel a) Konventioneller Biodiesel aus Veresterung b) Hydrierter Biodiesel aus Hydrierung 3) Bioethanol a) Konventionelles Bioethanol aus Zucker und Stärke b) Lignozelluloses Bioethanol 4) Biobutanol mittelfristig sehr 5) Biogas ( Biomethan ) interessant (> 2010) 6) Synthetische Biotreibstoffe a) Fischer-Tropsch h Treibstoffe (e.g. FT-Diesel) b) Synthetisches Erdgas (SNG) ( Biomethan ) c) Dimethylester (DME) d) Biomethanol e) Synthetischer Wasserstoff 7) Biologischer Wasserstoff 8) (aufbereitetes) Pyrolyseöl y 9) Biotreibstoffe aus der Direktverflüssigung a) HTU-Biotreibstoffe aus der hydro-thermalen Umwandlung (Hoch-Druck-Temperatur) b) KNV-Biotreibstoffe aus katalytischer Nieder-Druck-Temerpatur Umwandlung

12 Vom Rohstoff zum Biotreibstoff Rohstoff ölhältige Pflanzen zuckerhältige Pflanzen stärkehältige Pflanzen lingnozellulose Pflanzen organische Reststoffe Verfahren Bio-chemisch i h Thermo-chemisch Physikalisch-chemisch sonstige zur Aufbereitung Biotreibstoffe Pflanzenöl Biodiesel Bioethanol Biobutanol Biogas Synthetische Biotreibstoffe Biologischer Wasserstoff (aufbereitetes) Pyrolyseöl Biotreibstoffe der Direktverflüssigung Derzeit etwa 40 Kombinationen Derzeit etwa 40 Kombinationen Rohstoff/Verfahren/Biotreibstoff in Diskussion

13 Die AGRANA Bioethanol-Anlage Bioethanol-Kapazität m³/a Rohstoffe bis t/a - Trockenmais - Nassmais *) - Dicksaft (Zuckerrüben) - Weizen Bioethanol t/a Futtermittel (DDGS **) ) bis t/a *) max. 2 Monate während der Erntezeit möglich; **) Distiller's Dried Grains with Solubles

14 Die AGRANA Bioethanol-Anlage Bioethanol-Kapazität m³/a Rohstoffe bis t/a - Trockenmais - Nassmais *) - Dicksaft (Zuckerrüben) - Weizen Bioethanol t/a Futtermittel (DDGS **) ) bis t/a *) max. 2 Monate während der Erntezeit möglich; **) Distiller's Dried Grains with Solubles

15 Grazer Stadtwerke AG Verkehrsbetriebe Biodiesel Busse in Graz

16 Treibhausgas-Emissionen 245 Ohne Berücksichtigung der Kohlenstoffspeicherung aus Landnutzungsänderung 200 Bis zu 90% Treibhausgas- Reduktion Treibhausgas-Emissionenn [g CO2-Äq/P km] KW- Benzin Diesel FT-Diesel (Holz) max FT-Diesel (Holz) min Bioethanol (Holz&Lauge) max Bioethanol (Holz&Lauge) min Biodiesel (Raps, Altspeise efett) Bioethanol (Mais, Weizen) fossile Treibstoffe 2. Gen. Biotreibstoffe 1. Gen. Biotreibstoffe

17 Waldhackgut für FT-Diesel Machbarkeit Demonstrationsanlage Holz Biotreibstoff Strom Hackgut (4,6 t/h) Biotreibstoff (450 l/h) Brennstoff Strom (netto) Wärme (70/90 C) Effizienz (Strom 11%, Wärme 40%, Treibst. 29%) 35,000 t/a 3.4 Mio. l/a 15 MW f 1.6 MW el 58MW 5.8 th 80% Wärme Graz

19 Beispiel: Strombedarf E-Mobility 4 1 Mio. Batterie-Elektrofahrzeuge (derzeit in Österreich 4,2 Mio. PKW) 4 Strombedarf Batterie-Elektro-Fahrzeug: 20 kwh/100 km 3% 4 Jahreskilometer: km/a 4 Strombedarf E-Mobility: GWh/a 97% 4 Strombedarf Österreich (2006) GWh Zum Vergleich: Stromzuwächse jährliche 2 4% ABER Hohe zusätzliche Leistungsspitzen bei unkontrollierter Ladung möglich

20 Lastprofil in einer Winterwoche mit 15MioBatterie-Elektrofahrzeugen 1,5 Mio.Batterie Load [M MW] La astgang g [MW] Monday Montag Tuesday Dienstag Wednesday Mittwoch Thursday Donnerstag Friday Freitag Saturday Samstag Sunday Sonntag Quelle: Joanneum Research e-drive 1.0 Wochentag Weekday Electric Batterie-Elektrofahrzeuge vehicles Public Öffentl. electricity Stromnetz grid

21 Kenndaten von Batteriesystemen S Warum Lithium-Ion-Batterien? Höhere Energiedichte und/oder Leistung als andere Batterien ABER 1) Hohe Investitionskosten derzeit etwa /PKW Massenproduktion zu Kostenreduktion notwendig 2) Lebensdauer und 3) Betrieb bei < 0 C

22 Österreichische Road Map für Batterie-Elektro-Fahrzeuge Mögliche Fahrzeug-Entwicklung bis 2020 Entwicklung Batterie-Technologien Markt Übersicht von Batterie-Elektrofahrzeugen Kosten und Umwelt-Analyse Anforderungen an die Infrasstruktur Szenarien zur Markteinführung Chancen für die österreichische Industrie Projektpartner: Finanzierungspartner:

23 Die Chancen & Herausforderungen Ladeinfrastruktur Monitoring Öko-Stromerzeugung Fahrzeuge Konsumenten und Akteure

25 Erzeugung und Nutzung Öko-Wasserstoff Biomasse Wasserkraft a Windkraft Photovoltaik o ta Vergasung und H 2 -Erzeugung Vergärung und Dampfreformierung Elektrolyse Öko-Wasserstoff Speicherung, Verdichtung, Verflüssigung, Verteilung Transport Strom & Wärme

26 Öko-Wasserstoff im Vergleich zu anderen Energiesystemen Öko-Wasserstoff Energiesystem R e f e r e n z - E n e r g i e s y s t e m e Direkte Nutzung erneuerbarer Energie Fossiles Energiesystem Erneuerbare Energie Erneuerbare Energie Fossile Energie Öko-H 2 Erzeugung Transport Transport Transport Speicherung Speicherung Speicherung Verteilung Verteilung Verteilung Umwandlung Umwandlung Umwandlung Transport Strom&Wärme

27 Die Öko-Wasserstoff-Tankstelle der Zukunft 1,43 kwh Strom 0,27 l Wasser Elektrolyse 0,16 Nm 3 Sauerstoff Technisches Gas Austrian Advanced Automotive Technology Öko- Wasserstoff 0,33 Nm³ = 1 kwh < 0,43 kwh Heizung Wärme Warmwasser C H 2 -Fahrzeug

28 Die Treibstoffe der Zukunft - Zusammenfassung H 2 -Mobility Wasserstoff-Fahrzeug mit - Verbrennungskraftmotor (inkl. Hybrid) - Brennstoffzelle E-Mobility Batterie-Elektrofahrzeug B-Mobility Biotreibstoff-Fahrzeug mit - Verbrennungskraftmotor (inkl. Hybrid) - Brennstoffzelle

29 Stand der Technik und Infrastruktur Treibstoff- Erzeugung B-Mobility E-Mobility H 2 -Mobility Tankstellen Infrastruktur Fahrzeuge

30 Stand der Technik und Infrastruktur Treibstoff- B-Mobility E-Mobility H 2 -Mobility + /- + - Erzeugung 1) 2) Tankstellen Infrastruktur Fahrzeuge 1) 1. Generation Biotreibstoffe: Biodiesel, Biothanol aus Zucker und Stärke 2) 2. Generation Biotreibstoffe: synthetische Biotreibstoffe und Bioethanol aus Holz und Stroh

31 Stand der Technik und Infrastruktur Treibstoff- B-Mobility E-Mobility H 2 -Mobility + /- + - Erzeugung 1) 2) Tankstellen Infrastruktur Fahrzeuge 1) 1. Generation Biotreibstoffe: Biodiesel, Biothanol aus Zucker und Stärke 2) 2. Generation Biotreibstoffe: synthetische Biotreibstoffe und Bioethanol aus Holz und Stroh

32 Stand der Technik und Infrastruktur Treibstoff- B-Mobility E-Mobility H 2 -Mobility + /- + - Erzeugung 1) 2) Tankstellen Infrastruktur Fahrzeuge ) 1. Generation Biotreibstoffe: Biodiesel, Biothanol aus Zucker und Stärke 2) 2. Generation Biotreibstoffe: synthetische Biotreibstoffe und Bioethanol aus Holz und Stroh

33 Die Frage der Energie-Effizienz Effizienz Treib bhausg gas-emis ssionen n [g CO 2 -Ä Äq/PKW W-km] Öko-Strom Wasserkraft Strom Erdgas Diesel Biodiesel Raps Öko-H 2 Wasserkraft FT-Biodiesel Waldhackgut Treibstoff-Bedarf [kwh/100 PKW-km] Quelle: basierend auf Lebenszyklusanalyse, Joanneum Research

34 Vergleich der erneuerbaren Treibstoffe B-Mobility E-Mobility H 2 -Mobility Primärenergie Vielfältig Vielfältig Vielfältig Treibstofferzeugung- Technologie Nachhaltigkeit 1. Generation existiert t 2. Generation in Entwicklung Nahrung/Futter/ Biotreibstoff existiert erneuerbar fossil existiert erneuerbare in Entwicklung erneuerbar Lokale Emissionen ja nein gering Infrastruktur existiert existiert teilweise existiert nicht Fahrzeug- Technologie existiert Entwicklung Entwicklung Fahrzeug-Eigenschaften (Reichweite/Betankungszeit) wie gewohnt sehr ungewohnt etwas ungewohnt

35 Vergleich der erneuerbaren Treibstoffe B-Mobility E-Mobility H 2 -Mobility Primärenergie vielfältig vielfältig vielfältig Treibstofferzeugung- Technologie Nachhaltigkeit 1. Generation existiert t 2. Generation in Entwicklung Nahrung/Futter/ Biotreibstoff existiert erneuerbar fossil existiert erneuerbare in Entwicklung erneuerbar Lokale Emissionen ja nein gering Infrastruktur existiert existiert teilweise existiert nicht Fahrzeug- Technologie existiert Entwicklung Entwicklung Fahrzeug-Eigenschaften (Reichweite/Betankungszeit) wie gewohnt sehr ungewohnt etwas ungewohnt

42 Optimale Anwendungsbereiche für Fahrzeuge&erneuerbaren Treibstoffen B-Mobility Biotreibstoff-Fahrzeuge Fahrzue eggewic cht H-Mobility Wasserstoff-Fahrzeuge E-Mobility Mobility Batterie-Elektrofahrzeuge Fahrleistung pro Tankfüllung/Ladung

43 Die Herausforderungen Nachhaltige Transportdienstleistungen Erfolgreiche Markteinführung und Implementierung Nachhaltigkeit der Entwicklung von Entwicklung von 1. Generation Batterie-Elektro- H 2 -Fahrzeugen & Entwicklung der Fahrzeugen & Aufbau 2. Generation &Lade-Infrastruktur H 2 -Infrastruktur Biotreibstoffe Nachhaltigkeit und Energieeffizienz zertifizierte Biomasse, erneuerbare Elektrizität und erneuerbarer Wasserstoff B-Mobility, E-Mobility & H 2 -Mobility