1 Bereit für die Energiewende? Mit Wasserstoff in die Zukunft

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Bereit für die Energiewende?

Mit Wasserstoff in die Zukunft.

Übersicht

• Energiewirtschaft und Energiewende heute– Zweifel und Probleme– Machbarkeit der Energiewende

• Warum wir Wasserstoff brauchen– Die Vision einer Wasserstoffwirtschaft

• Zusammenfassung2

Heutige Energieversorgung

Zentrale Großkraft

werke

Solar

WindStrom

Heizenergie-träger

• Heizöl• Erdgas

Solar

Heizung

• Warmwasser• Raumwärme

Verlust

Stromnetz

SolarStromspeicher

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Biomasse

Notwendigkeit der Energiewende

• Klimawandel• Ressourcenknappheit• Abhängigkeit von Importen

• Energiewende: 100% Erneuerbare Energien

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Machbarkeit der Energiewende

technisch und wirtschaftlich

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Globales Szenario: 100 % erneuerbare Energien

Einsparungen + Effizienzmaßnahmen

Kosten der konventionellen Energien

• Forschungsausgaben und Subventionen

Gesellschaftliche Kosten

• Anpassung an den Klimawandel

• Belastung des Gesundheitssystems

• Kernenergie: Rückbau und Endlagerung7

Kosten der erneuerbaren Energien

8Quelle: Zentrum für Solar und Wasserstoffforschung

10 Jahre

Problem der Energiewende

• Wie werden Verbrauch und Erzeugung in Einklang gebracht?

KonventionellerErzeuger

VerbraucherVerbraucher

Verbraucher

ErneuerbarerErzeuger

ErneuerbarerErzeuger

ErneuerbarerErzeuger

Stromnetz

fluktuiere

nd

regelbarfluktuierend

kontrolliert

Speichersaisonallangfristig

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Zusammenfassung des Fluktuationsproblems

• Mögliche Lösung– Massiver Netzausbau

– Speicherausbau

– Break-Even-Point zwischen Netz- und Speicherausbau

• Nachteile des Netzausbau– nur begrenzt sinnvoll (Großwetterlagen)

– hohe Infrastrukturkosten/aufwendiges Lastmanagement

– Erneuerbare Energien von Natur aus dezentral

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Die Wasserstoffwirtschaft

Wie eine Vision Wirklichkeit wird!

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Wasserstoffnutzung• stationär• mobil

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H2

O2

H2O

Wärme

Strom

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Brennstoffzellenheizung

Produktion von Strom und Wärme etwa im Verhältnis 1:1

Im Sommer ist das Verhältnis von Warmwasser- zu Strombedarf etwa 40:60.

Brennstoffzelle

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Brennstoffzellenfahrzeuge

• hoher Komfort – Elektromotor– Brennstoffzelle und

Wasserstoffdrucktank• Bremsenergierückgewinnung

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Mercedes F-Cell, 700 Bar Tank, 400 km

Van Hool, 350 Bar Tank, 350 km

Toyota FCHV, 700 Bar Tank, 800 km

Wasserstofftransport und Speicherung

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Wasserstofftransport

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Stromnetz Gasnetz

Verluste ca. 6%

verbrauchsabhängige Erzeugung nötig

600 MW-Leitung, 110kV: 1,2 Mio. €/km

Netzentgelt 2011: 5,06 Ct/kWh

Verluste < 0,1%

Speichermöglichkeit

600 MW-Leitung: 0,5 Mio. €/km

Netzentgelt 2011: 1,42 Ct/kWh

Netzaus- und Umbau: ca. 10 Mrd. €

Netzausbau:In den nächsten 10 Jahren:40 Mrd. €

Wasserstofftransport

• Sicherheit– Wasserstoff ist hochflüchtig.– Wasserstoff verbrennt mit geringer Strahlungshitze.– Geruchsmittel/Sensoren für Wasserstoff

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Wasserstofftransport

• Umnutzung des heutigen Erdgasnetzes

– Strategiepapier des „Strategiekreis Wasserstoff des Bundesministeriums für Wirtschaft und Arbeit“:

"Für eine zukünftige Wasserstoff-Energiewirtschaft […] ein Verteilnetz zu betreiben, das […] zu einem größeren Teil durch Umwandlung von dann nicht mehr benötigten Erdgasleitungen entstünde. “

– TÜV Süd, Website:

„[…] ein Pipelineverteilnetz aufzubauen, welches im Prinzip unseren heutigen Erdgasleitungen entspricht. So könnte einmal jedes Haus mit Wasserstoff statt Erdgas versorgt werden.“

„Weltweit werden rund 1000 Kilometer Wasserstoff-Pipelines betrieben.“

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Wasserstoffspeicherung

• Flüssig- oder Druckspeicher marktreif

• Langzeitdruckspeicher in Salzkavernen– Erfahrung mit Stadtgas (H2-Anteil >50%)

– Erfahrung mit reinem H2 für chemische Industrie

– Leckageverlust ca. 0,015 % p.a.

• Kapazitäten– Untertagespeicher: 73 TWh H2

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Salzkavernenspeicher

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Wasserstoffspeicherung

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Wasserstoff, zentral verstromt

Pumpspeicher

Druckluft

Speichervolumen: 8.000.000 m3

Zeit in Tagen

Lei

stu

ng

in

MW

Quelle: KBB Underground Technologies GmbH

• Pumpspeicherkraftwerk

• Druckluftspeicherkraftwerk (adiabat)

• Wasserstoffspeicher und Brennstoffzelle

Wasserstoffproduktion• Elektrolyse

• Biomassevergasung

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Elektrolyse

Wasser Wasserstoff + Sauerstoff 2 H2O 2 H2 + O2

Wirkungsgrad ist spannungsabhängig 1,42 V: nahe 100% Wirkungsgrad

Strom

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Lurgi Druckelektrolyseur (30bar) mit einer Leistung von 2,3 MWWirkungsgrad: 65%-70% Hi

Elektrolyse

Wirtschaftlicher Wirkungsgrad abhängig von den Stackkosten

Produktionsmenge NOW Studie

heute 40-66,7 % (Hi) Wirkungsgrad langfristig 52,6-73 % (Hi)

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Lurgi Druckelektrolyseur (30bar) mit einer Leistung von 2,3 MWWirkungsgrad: 65%-70% Hi

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H

Biomassevergasung

Biomasse Sauerstoff

(feucht)

H

OC

O

Produktionsdruck bis zu 70bar

Effizienz: 75% - 84%

CO2 H2

Vergasung Synthesegas:

H2 + CO + CO2 + H2O

Gasreinigung

Shift-ReaktionHerstellung von Wasserstoff

aus Synthesegas

Trennung

Mineraldünger

Biomasse in einer Wasserstoffwirtschaft

• Reststoffe und Energiepflanzen

aller Art nutzbar

• Ökologischer Anbau nach Prof. Scheffer möglich

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Roggen und Wintererbsenmischkultur

Vergleich der Effizienz verschiedener Biomassenutzungsarten

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Rapsd

iese

l

Bioet

hano

lBtL

Biom

etha

n H20

20,000

40,000

60,000

80,000

100,000

120,000

140,000

160,000

0

5,000

10,000

15,000

20,000

25,000

30,000

35,000

40,000

kWh/hakm/hak

m/h

a

kW

h/h

a

Kraftstoffnutzung Stromnutzung

Verbrennungsmotor Brennstoffzelle

Systemüberblick

Wasserstoffwirtschaft

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Brennstoffzellen-Heizkraftwerk

Solar

Elektrolyseur

H2 -Gasnetz

Nahwärmenetz

Biomasse• Reststoffe• Anbau

• Heizung• Warmwasser

Steckdose

Hausbrenn-stoffzelle

Lokale Stromnetze

Vergasung

Speicher

Wind

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Kosten einer Wasserstoffwirtschaft

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Endkundenpreis

0,0

1,0

2,0

3,0

4,0

5,0

6,0

7,0

8,0

9,0

10,0

20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140

Biomassepreis in €/atro

Wa

ss

ers

toff

pre

is in

Ce

nt/

kW

h

KostenbereichBeste case

Zukünftige Energiepreise

Erste Anlagen

Prognose

• Endkundenpreise– Bio-H2:

3-6 Cent/kWh– Elektrolyse-H2:

8-10 Cent/kWh• Heute (ohne Steuern)

– Erdgas: 6 Cent/kWh

– Strom: 12 Cent/kWh

Elektrolysewasserstoff

36Datenquellen: DLR, Tetzlaff, eigene Berechnungen

Qualitative Kostenbetrachtung

• Doppelnutzen der Brennstoffzellenheizung– Kosten auf heutigem Niveau

• Massenproduktion

– Übergangsphase: Stabilisierung des Stromnetzes– Verzicht auf Stromnetzausbau

• Dezentrale Verstromung– Vollständige Wärmenutzung

• Weiternutzung Gasnetz– kein Neubau von z.B. Nahwärmenetzen

• Wegfall der Strominfrastruktur ?37

Zusammenfassung

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Zusammenfassung

• Die Energiewende ist technisch und wirtschaftlich machbar.

• Wasserstoff ist das ideale Speicher- und Transportmedium.

• Die Energiewende kann mithilfe von Wasserstoff optimiert werden.

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Bereit für die Energiewende?

Mit Wasserstoff in die Zukunft.

Fragen & Diskussion

Wasserstofftransport

• Diffusion– extrem geringe Diffusionsrate in Metalle

• Versprödung– Beschleunigung der Spannungsrisskorrosion bei

ferritischen Stählen– andere Materialien (z. B. Austenitische Stähle)

können verwendet werden

• Korrosion

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Brennstoffzellenheizung

Produktion von Strom und Wärme etwa im Verhältnis 1:1

Im Sommer ist das Verhältnis von Warmwasser- zu Strombedarf etwa 40:60.