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

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

Energie weltweit – möglicher Bedarf und seine Deckung

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

Wasserstoff-Bereitstellung

Bausteine einer Wasserstoff-Energiewirtschaft

Erzeugung • Restwasserstoff • Dampfreformierung • Kvaerner-Prozess • Elektrolyse • Biomassevergasung etc.

Logistik flüssiger oder gasf. H2 • Speicherung • Transport • Verteilung

Anwendung • mobil • stationär • portabel

Heutige Wasserstoff-Erzeugung

Erdgas-Dampfreformierung 18%

48%

Kohlevergasung Partielle Oxidation von Erdöl

gesamte Wasserstoff Produktion p.a.:

Wasserelektrolyse

9

600 · 10 m³ (6.5 EJ) 30%

4%

Erdgas-Dampf-Reformierung Wasserstoff PSA CO2Abtrennung Dampf

CO-Shift

Dampf

Reformierung Entschwefelung

Produktionskapazität: bis zu 100.000 m³/h Wirkungsgrad: ca. 70 - 78 %

Erdgas

CO2

H2S bzw. ZnS

Wasser-Elektrolyseur Wasserstoff

Sauerstoff Feuchtigkeitsabscheider U > 1,4 V

H2

O2

450 kW Druckelektrolyseur Flughafen München OH

KOH + H2O Produktionskapazität: bis zu 500 m³/h Wirkungsgrad: ca. > 70 %

Kathode

-

Anode

Diaphragma

KOH

Stromgestehungskosten von Solarkraftwerken im globalen Vergleich

LEC [€c/kWh] 9 – 10 10 - 11 11 - 12 12 - 13 13 - 14 14 - 15 15 - 16 16 - 20 20 - 25 25 - 30 > 30 39185B04

Simulationsergebnisse auf Basis 100 MW Parabolrinnenkraftwerk Lehrstuhl für Energiewirtschaft und Anwendungstechnik Prof. Dr.-Ing. U. Wagner

Sea Transport of Liquefied Hydrogen

Carrier for 1,000 t of LH2 Thyssen Nordsee Werke GmbH

Carrier for 8,000 t of LH2 Howaldtswerke – Deutsche Werft AG

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

Hydrogen Distribution to the Consumer Munich Airport Hydrogen Project:First Public Hydrogen Fuel Station

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

Energiewirtschaftliche Bewertung der WasserstoffBereitstellung

GH2-Bereitstellung für stationäre Anwendungen durch Vergasung von Biomasse aus Waldrestholz

1,42 kWh Aufb ereitung und Transport 0,07 kWh

Waldrestholz 1,42 kWh

Biomassebereitstellung Strom 0,28 kWh Anlag enbereitstellung 0,02 kWh

0,07 kWh Biomasse 1,42 kWh

Vergasung

Anlag en, Transportmittel 0,002 kWh

GH2 1,04 kWh

0,68 kWh

Inlandsverteilung b = 56 % EF = 2,7

GH2 1,0 kWh

0,04 kWh

E R rdg ef a or s m – ie ru ng Sc O h – xi w G da er H tio öl 2 n –p – a G rt H ie St lle Ve ei 2 rg nk as oh un le B g Ve iom – rg a G H as ss PV 2 un e – E. ( -ly N g – se -Af G r – ik H Pi e) So 2 pe – E. la -ly rt lin se ur e m -G So – P (N E. la ip -A H2 -ly rr el fr se inn ine ike - ) – e Pi (N GH – pe -A 2 f Er line rik e R dg ef a - G ) – or s H m 2 ie ru ng -L H

2,5

2,0

1,5

0,0 2000 2025

2

KNRA in kWh/kWhH2

Kumulierter nichtregenerativer Energieaufwand zur Bereitstellung von H2 für stationäre Anwendungen 3,0

Energieträger H2-Erzeugung Verflüssigung Ferntransport Verteilung Wasserstoff

1,0

0,5

Kosten €ct/kWhH2 40

30

10

2

E R rdg ef a or s m – ie ru ng Sc O h – xi w G da er H tio öl 2 n –p – a G rt H ie St lle Ve ei 2 rg nk as oh un le B g Ve iom – rg a G H as ss PV 2 un e E. ( -ly N g – A – se f G r – ik H Pi e) So 2 pe – E. la -ly rt lin se ur e m -G So – P (N E. la ip -A H2 -ly rr el fr se inn ine ike - ) – e Pi (N GH – pe -A 2 f Er line rik e R dg ef a - G ) – or s H m 2 ie ru ng -L H

Kosten der Bereitstellung von H2 für stationäre Anwendungen 50

Energieträger H2-Erzeugung Verflüssigung Ferntransport Verteilung

20 2000

2025

0

Brennstoffzellen-Technologie

Funktionsweise einer Brennstoffzelle Elektrolyt Anode Kathode

H2

O2

H2 H+

O2

Kühlwasser, Nutzwärme

H+

Kühlwasser

H2O

Rest-H2 Anodenreaktion: H2 Æ2 H+ + 2 e-

H2O, Rest-O2

Elektrischer Verbraucher

e- e-

Gesamtreaktion: H2 + ½ O2 Æ H2O

Kathodenreaktion: ½ O2 + 2 H+ + 2 e- Æ H2O

PEMFC - Proton Exchange Membrane Fuel Cell

Elektrischer Wirkungsgrad: (System)

40 - 55 % im H2-Luft Betrieb

Betriebstemperatur:

80°C

Mobile Anwendung:

PKW, Busse

Stationäre Anwendung:

BHKW: 50 - 250 kWel Hausenergieversorgung: 1 - 10 kWel

Portable Anwendung:

Stromversorgung für Mobiltelefone, Laptops

Entwicklungsstand:

F&E, Demonstration

Markteintritt:

ab 2010

MCFC - Molten Carbonate Fuel Cell

Elektrischer Wirkungsgrad: (System)

55-60 % Brennstoff Erdgas

Betriebstemperatur:

650°C

Stationäre Anwendung:

KWK: 300 kWel - 3 MWel

Entwicklungsstand:

F&E, Demonstration

Markteintritt:

ab 2010

Besonderheiten:

Kombination mit Dampfturbine MCFC zur CO2-Produktion

Brennstoffzellen-Anwendung

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

Datentransfer Austausch aller wichtigen Parameter zwischen den BZA, dem Trafo und der zentralen Steuerung

weitere weitere weitere Verbraucher Verbraucher Verbraucher

NS-Trafo

Zentrale Steuerung 2. Priorität: Optimierung der Betriebsweise auf Netzebene => dezentrale Stromerzeugung MS-Netz

B en zi n nH yb rid

5

MJ/km

Er D B ie dg io se -D as l ie (E se U l( -M W ix al ) dr es th ol C H z) 2 (E rd ga LH s) 2 (E rd ga s) C H 2 (W in d) LH 2 (W in C d) H 2 (E rd ga LH s) 2 (E rd ga s) C H 2 (W M in et d) L ha H no 2 (W l( W in d) al dr es th ol z)

B en zi

Energieverbrauch verschiedener Pkw-Antriebskonzepte im well-to-wheel-Vergleich Verbrennungsmotoren

Quelle: GM European Well-to-Wheel-Study

Brennstoffzellen

4

3

2

1

0

Fazit und Ausblick

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.

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

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

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

Wasserstoff-Initiative Bayern

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

Danke für Ihre Aufmerksamkeit!