Klaus Görner Sauber, verfügbar und bezahlbar? · LUAT Lehrstuhl für Umweltverfahrens-technik und Anlagentechnik Univ.-Prof. Dr.-Ing. habil. Klaus Görner Uni-Colleg Stromfürmorgen:

LUATLehrstuhl für Umweltverfahrens-technik und AnlagentechnikUniv.-Prof. Dr.-Ing. habil.Klaus Görner

Uni-CollegStrom für morgen: sauber, verfügbar und bezahlbar?Duisburg

10.12.2008

Folie 1

ef.RuhrUniversitäten

BochumDortmundDuisburg-Essen

Klaus GörnerUniv.-Prof. Dr.-Ing. habil.

Lehrstuhl für Umweltverfahrenstechnik und Anlagentechnik LUATUniversität Duisburg-Essen

Titel

Strom für morgen:Strom für morgen:Sauber, verfügbarSauber, verfügbar

und bezahlbar? und bezahlbar?

VortragUni-Colleg Duisburg

10. Dezember 2008



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EU-Strategien

Dr. Linkohr, EU-Berater, VGB Kraftwerke 2005, Krakau

Die EU verfolgt im Bereich Energie 4 Strategien

Intelligenter Umgang mit Energie- ohne Einschränkung des Lebensstandards- Energieeffizienzoffensive in NRW

CO2-arme Energiebereitstellung- in allen Leistungsbereichen- alle zur Verfügung stehenden Technologien

Kernenergieeinsatz

Erneuerbare Energien- in allen Leistungsbereichen- alle zur Verfügung stehenden Technologien



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Inhalt

LUAT ef.Ruhr KN KWT NRW

Dezentrale Erzeugung

• Virtuelles Kraftwerk• Mikro-KWK-Technik• Technologieentwicklung

•• CO2-Minderungstechnologien• Technologieentwicklung• Brennstoffportfolio

Zentrale Erzeugung



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Energiebedarf und Energiebedarf und ErzeugungskapazitätenErzeugungskapazitäten

weltweitweltweit

Energiebedarf



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Quelle: Alstom, Schimkat, 2007

Kopplung von Bruttosozialprodukt und StromerzeugungBruttosozialprodukt:Jährliche Wachstumsraten

Weltweites BruttosozialproduktInstallierte Stromerzeugungskapazität

Inst

allie

rte

Stro

mer

zeug

ungs

kapa

zitä

t [G

W]

Jahr

Bru

ttoso

zial

prod

ukt B

SP [

Trili

onU

SD]

Inst. Kap.Steigerung

3 %/a

Reale Steigerung BSP 3 %

Stromerzeugungskapazität

Energiebedarf



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Quelle: IEA WEO 2006, Referenz-Szenaro

Ener

gieb

edar

f[M

toe]

Jahr [-] Jahr [-]

Stro

mer

zeug

ung

[TW

h]

Energiebedarf Stromerzeugung

Weltweit erwarteter Energiebedarf bzw. Stromerzeugung

Energiebedarf



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Erneuerbare Energien*KernenergieErdgasKohleMineralöl

2003 2010 2020 2030

10,712,4

14,4

16,3 Mrd. t OE

* inkl. AbfallDifferenzen durch RundungenQuelle: IEA, World Energy Outlook 2005

Primärenergienachfrage weltweit

Energiebedarf



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Quelle: IEA WEO 2006, Referenz-Szenario

Weltweit erwarteter Stromerzeugung 2004-2030

Neue Kraftwerkskapazitäten und alle Primärenergieträger

Stro

mer

zeug

ung

[TW

h]

Energiebedarf



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Weltweit erwarteter Kapazitätszuwachs 2004-2030Für erneuerbare Energien

Biomasse Wind Geothermie Sonne Gezeiten& Abfall & Wellen

Kap

azitä

t[G

W]

Quelle: IEA WEO 2006, Referenz-Szenario

Energiebedarf



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Energiebedarf und Energiebedarf und ErzeugungskapazitätenErzeugungskapazitäten

Europa Europa (EU 15)(EU 15)



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Prognostizierter Zubau- und Ersatzbedarf (EU-15)

0

100

200

300

400

500

600

700

800

900

2000 2005 2010 2015 2020 2025 2030

Inst

allie

rte

Leis

tung

[GW

] EU

-15 Gesamtbedarf:

300 GWbis 2020

Zusatzbedarf

Ersatzbedarf

Wasser

Nuklear

Kohle

ÜbrigeGas

InstallierteLeistungjünger als40 Jahre

Zum Vergleich:

China hat im Jahr 2004 115 GW KW-Leistung geordert

Deutschland hat eine Bruttostromerzeugungskapazität von ca. 120 GW



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0

1500

3000

4500

2000 2005 2010 2015 2020 2025 2030

Stro

mbe

darf

[TW

h] E

U-1

5 Gesamtbedarf:2.000 TWhbis 2020

Zusatzbedarf (1.000 TWh)

Ersatzbedarf (1.000 TWh)

Wasser

Nuklear

Kohle

ÜbrigeGas

Quelle: VGB

Deckung des Zubau- und Ersatzbedarfs (EU-15)

167 Kernkraftwerksblöcke mit je 1.600 MW oder

266 Braunkohleblöcke mit je 1.000 MW oder

444 Steinkohleblöcke mit je 600 MW oder

666 GuD-Kraftwerks mit je 400 MW oder

133.000 WEA mit je 5 MW + Reservekapazität (80%) z.B. 355 Steinkohleblöcke oder

532 GuD-Kraftwerke

Basisannahmen:

Mittl. Ausnutzungsdauer

• 7.500 h/a für therm. KW

• 3.000 h/a für WEA (onshore und offshore)



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EnergieEnergie--bereitstellungbereitstellung

WirtWirt--schaftschaft--lichkeitlichkeit

VerVer--sorgungssorgungs--sicherheitsicherheit

UmweltUmwelt--verträgverträg--lichkeitlichkeit



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Energiebereitstellung im Spannungsfeld

Erwartungshorizont für 2020 (weltweit)

Quelle: SIEMENS, Thementag Energie, Dr. Riedle



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COCO22--MinderungMinderung

MotivationMotivation



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CO2-Konzentrationen und Temperaturen

Quelle: ef.Ruhr, RUB, LEAT, Prof. Scherer

Motivation für eine CO2-Minderung



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Prognosen zur Klimaerwärmung





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Weltweite CO2-Quellen


Stromerzeugung Industrie Transport Andere

USA Europa

China & Indien

Haushalte & Betriebe



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Freigesetzte CO2-Emissionen 2005für ausgewählte Regionen bzw. Länder


10.757.000.000 tAsien und Ozeanien

6.526.000.000 tUSA

29.166.000.000 tWelt

CO2-EmissionRegion / Land

880.000.000 tDeutschland

4.632.000.000 tEuropa

5.327.000.000 tChina

Quelle: BMWi, 2006



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Freigesetzte CO2-Emissionen 2005 in Deutschlandnach Verursachern


42,5%

20,1%

13,6%

12,1%

6,1% 5,5%

EnergiewirtschaftVerkehrHaushalteVerarbeitendes GewerbeÜbrigeKleinverbraucher

Absolute CO2-Emissionen der Energiewirtschaft in Deutschaland 2004:

362.000.000 t CO2

Zum Vergleich: CO2-Emissionen der 3 RWE Braunkohlestandorte in NRW70.000.000 t CO2

Zum Vergleich: CO2-Emissionen eines 600 MW SK-Grundlast-Kraftwerks4.000.000 t CO2



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KraftKraft--WärmeWärme--

KopplungKopplung

WirkungsWirkungs--gradgrad--

steigerungsteigerung

BrennBrenn--stoffstoff--

wechselwechsel

COCO22--SequeSeque--

strierungstrierung

CO2-Minderung



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Effizienzsteigerung• Ressourcenschonung• Direkte Reduzierung der spez. CO2-Emission pro kWhel

• Klassische „non regret“-Strategie

Möglichkeiten der CO2-Emissions-Minderung bei der Stromerzeugung

Brennstoffwechsel• Reduzierung der spez. CO2-Emission pro kWhel

• Geostrategisch kritische Ressourcenallokation• Verschiebung des Energiemixes (Versorgungssicherheit)

CO2-Abtrennung und Speicherung CCS• Zielgröße ist ein Abtrenngrad von 90 % • Geeignet für Neu- und teilweise für Altanlagen• Transport und Speicherung ist noch nicht abschließend klar

CO2-Minderung



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COORETEC: Ziele

2050

2020

2015

Nutzu

ngsp

oten

zial a

uf d

er Z

eitsk

ala

2010

2005

Forschungs- und Entwicklungsrisikohochgering mittel

Vision

DKW η=50%GuD η>60%

DKW η=55%GuD η=65%

Hybrid-kraftwerke

KraftwerkNahe-Null-

Emissionen

Abtrennung mit

Membranen

Oxyfuel-Demo

IGCC-Demo

CO2-Wäsche

Speicher-stätten

CO2/H2-Turbine

Werk-stoffe

Werkstoffe700°C

Auslegungs-verfahren

Schutz-schichten

Werkstoffe800°C

Leckage-minimierung

Strategielinie: Effizienz Strategielinie:CO2-Speicherung

CO2-Minderung - Forschungsprogramme



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WirkungsWirkungs--gradgrad--



wechselwechsel


strierungstrierung

KraftKraft--WärmeWärme--

KopplungKopplung

CO2-Minderung - Kraft-Wärme-Kopplung

Details



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Kraftwerks-Prozess

WB

Pel

QN

Kennzahlen der Kraft-Wärme-Kopplung




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Kraftwerk HeizkraftwerkHeizkraftwerk

WB

WB

WB

Pel

Pel

QN

Pel

QN

39,5

100 100100

34,2 26,3 29,2 48,2Verlu

ste

60,5

Verlu

ste

39,5

Verlu

ste

22,6




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Motivation Motivation WirkungsWirkungs--gradgrad--



wechselwechsel


strierungstrierung

CO2-Minderung - Wirkungsgradsteigerung

Details



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0

510

1520

25

3035

40

35 40 45 50 55

angehobener Wirkungsgrad [%]

Bre

nnst

off-

bzw

. C

O 2-E

insp

arun

g [

%]

eta 35 %eta 40 %

eta 45 %

Ausgangs-wirkungsgrad

Weltweit liegt das CO2-Einsparungspotential bei der Stromerzeugung bei ca. 35 %.




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Netto-Wirkungsgrad [%]

Spez

ifisc

he C

O2-

Emis

sion

[g

CO

2/kW

h el]

Quelle:Alstom, 2006




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Quelle: VGB PoweTech 2005

Der weltweite CO2-Ausstoss bei der zentralen Stromerzeugung in fossilen Kraftwerken von derzeit

5,5 Mrd. t/akönnte um 35%, das entspricht

2,9 Mrd. t/a,reduziert werden, würde man alle diese mit einem mittl. Wirkungsgrad

von 29% durch moderne Kraftwerke, die heute schon 45% im Durchschnitt erreichen, ersetzen..

Weitere InfosEffizienzsteigerung




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wechselwechsel


strierungstrierung

CO2-Minderung - Brennstoffwechsel



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Brennstoffumsatz

Kohle:C + O2 + 4 N2 ⇒ CO2 + 4 N2

Öl:CxH2x+2 + y O2 + 4y N2 ⇒ x CO2 +(x+1) H2O + 4y N2

Erdgas:

CH4 + 2 O2 + 8 N2 ⇒ CO2 + 2 H2O + 8 N2

Verbrennung von Luft führt immer zu einer Mischung von CO2 mit N2 (und H2O, O2 für λ > 1)

CO2 im Abgas von Kraftwerken

Kohle (DT): 14 – 17 %

Öl (GT): 4 – 6 %

Erdgas (GT): 3 – 4 %





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Optionen bei einem Kraftwerksneubau

Quelle: SIEMENS, Thementag Energie, Dr. Riedle




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0,01

0,21

0,41

0,61

0,81

1,01

1,21

1,41

1,61

25 30 35 40 45 50 55 60 65Kraftwerkswirkungsgrad [%]

spez

. CO

2 -E

mis

sion

[kg

CO

2 /kW

hel ] Braunkohle

Steinkohle

Erdgas

BraunkohleCO2 reduziertSteinkohleCO2 reduziertErdgas CO2reduziert

Basis:SK: 0,333 kg CO2/kWhthBK 0,407 kg CO2/kWhthEG: 0,197 kg CO2/kWhth

Stand der Technik

Kraftwerkswirkungsgrad [%]

Spez

. CO

2-Em

issi

on [

kg C

O2/k

Wh e

l]

Annahmen:- Basiswirkungsgrad 45 % SK- 10 %-Punkte Wirkungsgradeinbuße durch CO2 -Rückhaltung- CO2 -Rückhaltegrad 90 %- Energetischer Aufwand je kg CO2 ist konstant




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BrennstoffportfolioBrennstoffportfolio

ErdgasErdgas



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55,35,5

13,510,9

71,47,4

7,1

NordamerikaWesteuropa

Südamerika

Afrika

Mittel- u.Nahost

GUS/Zentral-europa

Fernost/Pazifik

Sicher gewinnbare Erdgasreserven gesamt: 171,1 Billionen m³

1 m³ = 11,5 kWh

Quelle: e.on Ruhrgas

Erdgasreserven der Welt (Stand 2005)



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1990 95 00 040

30.000

60.000

90.000

120.000

150.000

180.000

1990 95 00 040

500

1.000

1.500

2.000

2.500

3.000

Mittel-undNahost

Russland

übrige GUS

EuropaNordamerikaLateinamerikaFernost/PazifikAfrika

Mrd. m³

Reserven Förderung171.000 2.555

8%

3%

4%4%

5%

28%

6%

42%

Fernost/Pazifik

EuropaAfrikaLateinamerikaMexikoKanada

Mittel- und Nahost

Russland

übrige GUS

USA

28%

5%

19%

7%2%4%

6%12%9%12%

1990 95 00 040

30.000

60.000

90.000

120.000

150.000

180.000

1990 95 00 040

500

1.000

1.500

2.000

2.500

3.000

Mittel-undNahost

Russland

übrige GUS

EuropaNordamerikaLateinamerikaFernost/PazifikAfrika

Mrd. m³

Reserven Förderung171.000 2.555

8%

3%

4%4%

5%

28%

6%

42%

Fernost/Pazifik

EuropaAfrikaLateinamerikaMexikoKanada

Mittel- und Nahost

Russland

übrige GUS

USA

28%

5%

19%

7%2%4%

6%12%9%12%

Welterdgasreserven und -förderung

Mrd.-m3 Mrd.-m3

Quelle: e.on Ruhrgas



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Quelle: e.on Internet-Dokumentation

Quelle: Siemens

Zum Vergleich

Der Erdgastransport aus Sibirien nach Europa benötigt eine installierte Leistung von

ca. 20.000 MW

Basis

Leitungslänge ca. 3.000 km2 Stränge á 6 RohreVerdichterstation alle 100 - 150 km

Erdöl und Erdgas



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Versorgungssicherheit

Erdöl und Erdgas



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BrennstoffportfolioBrennstoffportfolio

KohleKohle



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Kohlereserven der Welt (Stand 2006)



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Hauptseehandelsströme der Welt in Mio-t (Stand 2006)

Hauptkohleexportstaaten



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wechselwechsel


strierungstrierung



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0,01

0,21

0,41

0,61

0,81

1,01

1,21

1,41

1,61

25 30 35 40 45 50 55 60 65Kraftwerkswirkungsgrad [%]

spez

. CO

2 -E

mis

sion

[kg

CO

2 /kW

hel ] Braunkohle

Steinkohle

Erdgas

BraunkohleCO2 reduziertSteinkohleCO2 reduziertErdgas CO2reduziert

Basis:SK: 0,333 kg CO2/kWhthBK 0,407 kg CO2/kWhthEG: 0,197 kg CO2/kWhth

Stand der Technik

Kraftwerkswirkungsgrad [%]

Spez

. CO

2-Em

issi

on [

kg C

O2/k

Wh e

l]

mit CO2-Abtrenn

Annahmen:- Basiswirkungsgrad 45 % SK- 10 %-Punkte Wirkungsgradeinbuße durch CO2 -Rückhaltung- CO2 -Rückhaltegrad 90 %- Energetischer Aufwand je kg CO2 ist konstant

CO2-Sequestrierung



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Kessel Gas-reinigung

CO2-Abtrennung

Post-Combustion-Capture

Kessel Gas-reinigung

H2O-Kondensat.

Oxy-Combustion-Capture

Luft-zerleg.

Ver-gasung

Gasreinig.CO-Shift

CO2-Abtrennung

Pre-Combustion-Capture

Luft-zerleg.

GuD mit H2-Turbine

CO2

CO2

CO2

Luft

Luft

Luft

Brennstoff

Brennst.

Brennst.

atmosphärisch

atmosphärisch

druckaufgeladen

CO2-Sequestrierung



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2006 2010 2012 2014 2016Jahr 2018 20202008

Pre-Combustion(O2/H2O-Vergasung und GuD)

Post-Combustion

Oxy-Combustion

Möglicher Zeitplan auf dem Weg zur CO2-Sequestrierung

2022 2024

Oxy-Gasification und Oxy-Combustion(O2/CO2-Vergasung und GuD)

CO2-Sequestrierung



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TechnologieTechnologie--entwicklungentwicklung

GasGas--kraftkraft--werkwerk

SteinkohleSteinkohle--kraftkraft--werkwerk

BraunkohleBraunkohle--KraftKraft--werkwerk

AndereAndere



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Dezentrale ErzeugungDezentrale ErzeugungVirtuelles KWVirtuelles KWMikroMikro--KWKKWK

TopologieTopologieeineseines

virtvirt. KW. KW

DezentraleDezentraleWärmeerzWärmeerz. .

+ Strom + Strom

TechnoTechno--logienlogien

SystemSystem--anfordeanforde--rungen rungen



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Dezentrale Erzeugung - Virtuelles Kraftwerk

Einbindung von Mikro-KWK-Anlagen

Virtuelles = dezentrale + zentraleKraftwerk KWK-Anlagen Einsatzplanung



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Folie 50



Zentrale Einsatzplanung

Quelle: Fa. Schmack




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Elektrische Netzbilanz

Arb

eit

[kW

h]

Nachfragedeckungz.B. dezentrale Erzeugung

oder allgemein durchMikro-KWK-Anlagen

Quelle: Fa. Schmack




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Quelle: www.ea-nrw.de/_database/

28,0%

26,0%16,0%

30,0%

WohnenIndustrieGewerbeVerkehr

Primärenergieverbrauch

79,0%

12,0%

9,0%

RaumwärmeWarmwasserStrom

Strom- / Raumwärmebedarf:

1 / 9

Dezentrale Erzeugung - Mikro-Kraft-Wärme-Kopplung (μ-KWK)

Energiebedarf für Gebäude



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100% Primärenergie-Input

60% Verluste

40% elektr. Wirkungs-grad

3% Verluste

37%Übertragungs-verluste

Nur 37 % der ein-gesetzten Primär-energie werden im Gebäude genutzt

Konv. Strom- und Wärmebereitstellung

100% Primärenergie-Input Über 90% der ein-

gesetzten Primär-energie werden genutzt

10% Verluste

90% und höherGesamtwirkungsgrad

Dezentrale Mikro-KWK-Technologie

Vorteile der μ-KWK-Technologie

Quelle: microgen




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SolarthermieSolarthermie

WärmepumpentechnikWärmepumpentechnik

Primärenergie-btr. WärmepumpePrimärenergie-btr. Wärmepumpe

Aufbau H2-InfrastrukturAufbau H2-Infrastruktur

H2-BrennstoffzelleH2-Brennstoffzelle

2010 2020 2030 2040 2050

GeothermieGeothermie

BrennwerttechnikBrennwerttechnik

Vorbereitung Marktreife

Techno-logieent-wicklung

Mikro-KWKMikro-KWK

Langzeit-WärmespeicherLangzeit-Wärmespeicher

KWK/NahwärmenetzeKWK/Nahwärmenetze

Markt-verfügbare Techno-logien

Fossile BrennstoffzelleFossile Brennstoffzelle

Quelle: BDH


Technologieentwicklung



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Technologische Entwicklungsstufen

Sinkender Wärmebedarf erfordert kleine und hocheffiziente Gasgeräte

Stand der TechnikBrennwerttechnikMotorisches BHKW

„Brückentechnologie“Gasbetriebene Wärmepumpe

ZukunftstechnologienMikro-KWK-Technologien (langfristig)

- Stirlingmotoren, dampfbetriebene und gasmotorisch betriebene KWK-Anlagen

- Mikro-Gasturbinen- Brennstoffzelle




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0:00

2:00

4:00

6:00

8:00

10:0

0

12:0

0

14:0

0

16:0

0

18:0

0

20:0

0

22:0

0

0:00

0

2

4

6

8

10

Bedarf BZA

Ele

ktris

che

Leis

tung

in k

W

Ein Tag im Januar

Deckung des Strombedarfs

Trotz Stromerzeugung über Bedarfsmenge beträgt der Deckungsgrad nur 43,5 % Quelle: GWI Anlage A (840 Wel)

Technisch / wirtschaftliche AnforderungenWärmemanagement und Energieeffizienz

Elek

tris

che

Leis

tung

[kW

]




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ZusammenZusammen--fassungfassung



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Primärenergiemix sollte ausgewogen bleiben

Zusammenfassung

Zentrale Erzeugung wird weiter wichtigste Rolle spielen

Effizienzsteigerung ist Basis für weitere Entwicklungen

Nur ein breiter Mix an regenerativen Energien kann einenwesentlichen Beitrag zur Energiebereitstellung leisten

Gesamtemissionen bei Kohlekraftwerken sind auf einem akzeptablen Niveau

CO2-Thematik wird zunehmend in den Fokus rücken

Zentrale Erzeugung

Verfügbarkeit von Brennstoffen gewinnt an Bedeutung



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Folie 59



Nur ein breiter Mix an regenerativen Energien kann einenwesentlichen Beitrag zur Energiebereitstellung leisten

Mikro-KWK-Technologien bieten ein attraktives Potential

Dezentrale Erzeugung wird an Bedeutung gewinnen(auf begrenztem Niveau)

Dezentrale Erzeugung

Zusammenfassung



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Folie 60



Vielen Dankfür Ihre

Aufmerksamkeit

Ende



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Koordinaten

Universität Duisburg-EssenFakultät IngenieurwissenschaftenAbteilung Maschinenbau

Lehrstuhl für Umweltverfahrenstechnik und Anlagentechnik LUATLeimkugelstraße 1045141 Essen

Tel.: +49 (0)201 183-7511Fax.: +49 (0)201 183-7513

Mail [email protected]

http: www.uni-due.de

Ansprechpartner:Prof. Dr.-Ing. Klaus GörnerTel.: +49 (0)201 183-7511Mail [email protected]



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KraftwerksneubauKraftwerksneubauDeutschlandDeutschland

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