Alexander Wokaun 13. Januar 2005 Fernwärme als Brücke zwischen erneuerbarer Energie und fossilen Energieträgern ALEXANDER WOKAUN Paul Scherrer Institut,

Alexander Wokaun 13. Januar 2005

Fernwärme als Brücke zwischen erneuerbarer Energie und fossilen Energieträgern

ALEXANDER WOKAUN Paul Scherrer Institut, Villigen

Alexander Wokaun 13. Januar 2005 Folie 2

Fernwärme als Brücke zwischen erneuerbarer Energie und fossilen Energieträgern

Wege zur Realisierung von Klimaschutzzielen

• Effizienzsteigerung ; Wasserstoff als Energieträger

• Nachfrageseitige Massnahmen, Energiedienstleistungen

Schlussfolgerungen

• Substitution durch Erneuerbare Energien

• Rolle der Fernwärme


Nachfrageseitige Massnahmen

Erbringen äquivalenter Dienstleistung mit drastisch verringertem Einsatz an Endenergie

• öffentlicher Verkehr, Car sharing

• gut isolierte Häuser (Minergie P) 80% weniger Heizenergie

ohne nachfrageseitige Massnahmen ist ein nachhaltiges Energiesystem nicht realisierbar !

• Leichtfahrzeuge

• Recycling, Steigerung der Material- und Nutzungseffizienz


Effizienzsteigerung: Beispiel Kraftwerke

70

60

50

40

30

20

10

0

Eff

icie

ncy

(%

)

Combined cycleSteam turbine plantGas turbine

Oil crisis

1900 1920 1940 1960 1980 2000 2020

erst Wärmenutzung steigert den Wirkungsgrad auf über 80% !


Substitution durch Erneuerbare Energien

keine Option ist verzichtbar !

• Solarthermische Elektrizität und Photovoltaik

• Windelektrizität; Geothermie

Beiträge zum globalen Energieverbrauch je 10 – 25% möglich

• Solarchemische Produktion von Wasserstoff

• Biomassenutzung


Biomassenutzung in der Schweiz Gegenwärtiger Stand, Zukunft und Potential

17.7

0.1 0.0 0.14.6

0.4 0.6

55.0

6.0 3.2

85.0

180.0

40.9

23.0

78.6

29.3

43.733.0

010

203040

506070

80

90100

110120130

140150160

170180

HolzNW

R

Land

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Primärenergie [PJ]

Heute Zukunft Potential

Quelle: Hersener und Meier, Energetisch nutzbares Biomassepotential in der Schweiz sowie Stand der Nutzung in ausgewählten EU-Staaten und den USA, im Auftrag vom BFE (April 1999)


Thermische Vergasung von Biomasse

Nassoxidation ( hydrothermaleVergasung ) bei 300 bar, 400 C

Thermische Vergasung bei 900 C

mit Dampf / CO2in Luft-Unterschuss


Holz zu Methan: Verfahrensschritte

Vergaser

Gasreinigung

Kompression

Methanierung

AufbereitungCH4

CO2

1000NH3 [ppm]

0.3KW [%]

2.6C2H4 [%]

10.3CH4 [%]

21.5CO2 [%]

25.3CO [%]

38.5H2 [%]

Gaszusammensetzung Güssing


Methanisierungsversuchean der Biomasse-Vergasungsanlage in Güssing (A)

Biomasse-Heizkraftwerk Güssing• Pilotanlage• 8 MWth

• 2.5 MWel

Quelle: TU WienAE-Babcock Borsig Powerhttp://www.ficfb.at/


CO + 3 H2 CH4 + H2O

2 CO + 2 H2 CH4 + CO2

H2 / CO - Verhältnis von Holzvergasern: 0,8 .... 1,8

Güssing: 1,5

CO + H2O H2 + CO2

Stand 13.5.03, Güssing A

Erreichte Betriebszeit 2004: 400 h; Problem organische Schwefelverbindungen

Methan aus Synthesegas: Katalysator-LangzeittestsThermische Leistung 10 kW, 5 bar Druck, Wirbelschichttechnik


novatlantis – Grossprojekt ECOGAS – Mobilität1 Mt Holz pro Jahr, umgesetzt in 6 Anlagen à 100 MW, ersetzt 4% Treibstoff

20 MW

Produktions-anlage

Methanaus Holz

Holz-inventar+ 1 Mt/a

AbsatzimTrans-port-sektor

2 MW

Pilot-anlage

KonzeptWald-besitzerHolzge-winnung

LogistikECO-GASCH-weit

CEV

Lang-zeittestsMethani-sierung

Proof ofconcept

10 kW

System-opti-mierung

EMPA

PSI

WSL


Wasserstoff als Energieträger

Kernfragen

• Verteilung

• Herstellung aus CO2 – freien Primärenergien

Analyse der vollständigen Energieketten ist erforderlich !

• Speicherung und sichere Handhabung

• effiziente Nutzung


H2OH2 H2

O2

H2O

Wärme (900°C)

Wasserstoffproduktion aus fossilen Energieträgern

H--C--HH2

CReformierung


Wasserstoffproduktion durch Elektrolyse

H2OH2O

H2H2

O2

Strom

Elektrolyse

Kernfrage: Herkunft des Stroms? Was wird durch H2 ersetzt ?


Thermochemische Zyklen: ohne teuren Umweg über den Strom zum Ziel?

H2OH2O

Wärme (1000-2000°C)

Thermochemische

Zyklen

H2H2

O2


Möglichkeiten der Wasserstoffverteilung

• Schiff (flüssig)

• Pipeline (gasförmig,0,5-30 bar,350-9 900 Nm3/h H2)

• Kryogenbehälter auf LKW (flüssig, bis zu 37 000 Nm3 H2)

• Flaschenbündeltrailer“ (gasförmig, bis zu 200 bar, bis zu 6 000 Nm3 H2)


Aussage des TÜV Deutschland:Sicherheitsaspekte des Wasserstoffs beherrschbar

Wasserstoff 5 – 76 Vol.%, Zündtemperatur 858 K

Benzin 1 – 7 Vol.%, Zündtemperatur 500 K

Zündfähige Gemische Treibstoff / Luft:

Crash von Fahrzeugen mit gleicher Energiemenge (links H2 , rechts Benzin)

nach 5 Sekunden nach 1 Minute


Stabilisation von mageren Vormischflammendurch Wasserstoffbeimischung

H2

• Wasserstofferzeugung in situ– durch partielle Oxidation– durch Dampfreformierung– durch Wasserelektrolyse

• Zumischen von Wasserstoff zum Hauptbrennstoff (meist Erdgas)

• Lokale Injektion in die Flammenzone

Die Stabilisierung extrem magerer Gemische ermöglicht weitere Stickoxidminderung der Gasturbine bei hoher Effizienz.


Wasserstoffanwendung in Verbrennungsmotoren

• Beispiel: europäischer Fahrzyklus (ECE) Benzin: 18 % Wasserstoff: 25 %

• Verbrennung von reinem Wasserstoff in Ottomotor steigert den Wirkungsgrad (vom Tank zum Rad)

• Solange keine Wasserstoffinfrastruktur verfügbar ist, kann Teilrefomierung im Fahrzeug sinnvoll sein.

Benzin-Tank

Partial-oxidation

Pumpe

p=1 bar

90%

10%


Teilreformierung von Benzin im Fahrzeug:

Wirkungsgrad

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

0

4

8

12

16

20

24

28

32

36

=1 - no EGR limit - no EGR =1 - EGR limit

Effi

cie

ncy

Incr

eas

e [%

]

Energy substitution [%]

2000rpm-2bar

mager ( – Grenze),max. Abgasrückfü.

Wirkungsgrad +34% (starke Entdros- selung, geringere Wärmeverluste, vollständige Verbrennung)

mager ( – Grenze),max. Abgasrückfü.

Wirkungsgrad +34% (starke Entdros- selung, geringere Wärmeverluste, vollständige Verbrennung)

+3

4%

+1

4%

= 1, ohne Abgasrückführung

Wirkungsgrad +14% (Entdrosselung, schnel- lere und vollständigere Verbrennung)

= 1, ohne Abgasrückführung

Wirkungsgrad +14% (Entdrosselung, schnel- lere und vollständigere Verbrennung)


Brennstoffzellenfahrzeug HY-LIGHT

Fahrzeuggewicht 850 kg

(4 plätzig + Kofferraum)

Beschleunigung 0-100 km/h < 12 s

Reichweite 400 km ( bei 80 km / h )

Verbrauch < 25 kWh / 100 km ( gasförmiger H2 )

Elektrische Federung und Dämpfung mit erstklassigem Kurvenverhalten

High-Tech Elektromotoren im Rad


Dezentraler Energiehub

Hub auf Stufe Gemeinde / Quartier / Überbauung, typische Grössenordnung: 1 MW

Energyhub

zentralesElektrizitätsnetz

Biomasse

Wärme-verbraucher

Treibstoff-verbraucher

Wasserstoff

dezentralerProduzent

Strom-verbraucher


Schlussfolgerungen

Ein Portfolio von Massnahmen (Dienstleistungen, Effizienz-steigerung, Substitution) ist notwendig keine "Silberkugel"

• Biomasse besitzt für die Schweiz ein hohes Potential

• Trend zu leitungsgebundenen Energieträgern (Elektrizität, Wärme, Erdgas, Biogas, Wasserstoff)

Fern- und Nahwärmenetze haben eine essentielle Funktion als Brücke zwischen fossilen und erneuerbaren Energien.

• Dezentrale Erzeugung von Wasserstoff in "Energy Hubs"

• erst durch Wärmenutzung wird Effizienzpotential ausgeschöpft

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