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Stand der Arbeiten – Wasserstoff

• Weitgehend abgeschlossen (Inhalt und Dokumentation plus teilweise Expertenfeedback (LBST))

• Expertenfeedback (NOW) steht z.T. noch aus und muss eingearbeitet werden

• 1. Arbeitsversion der ausführlichen Dokumentation liegt STE zur Kommentierung vor

Energieeffizienz nicht-gebäudebezogen

BMWi Energietechnologien 2050

Martin Wietschel, Marlene Arens

Frankfurt, 19.03.2009

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Stand der Arbeiten – Energieeffizienz nicht-gebäudebezogen

1. Neue Verfahren in der chemisch-biologischen Industrie

(Enzyme/ Biokatalysatoren, Biogene Rohstoffe, Abwasser/Trinkwasser-aufbereitung, Trocknungstechnologien, Trennverfahren)

2. Abwärmenutzung / -verstromung

(Thermoelektrika, ORC-Prozess, Kalina-Prozess, Wärmetransformator, Wärmetauscher, Industrielle Großwärmepumpe, Kälte aus Abwärme)

3. Ressourceneffizienz energieintensiver Materialien

(Recycling und Sekundärrohstoffnutzung, Werkstoffsubstitution und neue Materialien, Erhöhung der Materialeffizienz, Verlängerung der Nutzungsdauer und Nutzungsintensivierung; fokussiert auf energieintensive Werkstoffe und Querschnittstechnologien)

4. Neuartige Verfahren in der energieintensiven Grundstoffindustrie

5. Energiemanagemen

6. Elektrische Antriebe

25% erledigt

75% erledigt, bilaterale Expertengespräche stehen z.T. noch aus

85% erledigt

75% erledigt

50% erledigt

50% erledigt

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Ressourceneffizienz energieintensiver Materialien

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Vorgehensweise

• Sehr weites und heterogenes Feld

• Fokus deshalb auf

Literaturauswertung und

eigene Vorarbeiten

- Rohstoffbedarf für Zukunftstechnologien - Einfluss des branchenspezifischen Rohstoffverbrauchs in rohstoffintensiven Zu-kunftstechnologien auf die zukünftige Rohstoffnachfrage (BMWi)

- Studie zur Konzeption eines Programms für die Steigerung der Material-effizienz in mittelständischen Unternehmen (BMWi)

- Werkstoffeffizienz. Einsparpotenziale bei Herstellung und Verwendung energieintensiver Grundstoffe (BMWI)

• Zu Abrundung werden noch bilaterale Expertengespräche geführt

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Technologiebeschreibung und Entwicklungsstand

• Recycling und Sekundärrohstoffnutzung

• Werkstoffsubstitution und neue Materialien (Leichtbau)

• Erhöhung der Materialeffizienz

• Verlängerung der Nutzungsdauer und Nutzungsintensivierung

Ergebnis verschiedener Studien: 20 bis 30% Endenergieeinsparung Industrie wirtschaftlich darstellbar

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Betrachtete Werkstoffe Auswahl nach absoluten Energieverbrauch und CO2-Relevanz

  2007 2010 2020 2030

Stahl        

Hochofenstahl 33.706.520 33.057.849 31.677.198 30.504.327

Elektrostahl 14.931.496 14.081.960 14.950.059 15.871.673

Nicht-Eisen-Metalle        

Primäraluminium 634.933 615.433 550.433 485.433

Sekundäraluminium 726.655 749.155 824.155 899.155

Kupfer (Primärroute) 296.000 296.000 296.000 296.000

Kupfer (Sekundärroute) 301.000 301.000 301.000 301.000

Zink 334.000 334.000 334.000 334.000

Papier        

Papier 22.443.075 23.368.200 23.170.593 25.362.220

Glas        

Behälterglas 3.925.188 4.026.990 4.230.557 4.430.327

Flachglas 1.587.205 1.628.370 1.710.685 1.791.465

Sonstiges 1.308.164 1.342.092 1.409.936 1.476.514

Zement        

Process: Cement Grinding 31.391.426 33.080.564 32.913.354 32.604.678

Chemie        

Chlor 4.137.944 4.258.467 4.660.209 5.061.951

Kunststoffe 4.806.042 4.871.430 4.675.265 4.838.736

Salpetersäure 4.410.000 4.410.000 4.410.000 4.410.000

Ammoniak 2.848.000 2.848.000 2.848.000 2.848.000

Produktionszahlen in t

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Relevanz des Themas Leichtbaus

128(163 Mio. t CO₂)

Hergestellte Masse (Mio t)Energiewirtschaft

Stahl 53Zement 32Papier 22Chemische Industrie 16Glas 4NE-Metalle 2

Bewegte Masse(Mio. t) Verkehr

Endenergie Verkehr (PJ)

Verkehr≈ 65

(≈ 180 Mio. t CO₂)

MaschinenbauVerpackungenInfrastruktur

…

2600

Überwiegen wird der Energieverbrauch im Verkehr von der Masse bestimmt (11 000 kWh/t Masse)Z.B. können durch eine Stahlleichtbau bis- 2020 102 PJPrimär/a bei PKWs eingespart werden (7%)- 2030 124 PJPrimär/a bei PKWs eingespart werden (10%)

Endenergie (ohne Querschnittstechnologien)

0 100 200 300 400 500 600 700

Stahl

Papier

Zement

Glas

Chlor

Aluminium

[PJ]

Endenergieverbrauch 2006: 9150 PJ

Endenergieverbrauch der 16 energierelevantesten Werkstoffe: 2800 PJ

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Weitere Vorteile

• Senkung der Produktionskosten und der Kosten über die Nutzungsphase

• Erhöhung der Rohstoffsicherheit

• Senkung der Umweltbelastung über den Gesamtlebenszyklus

Kostenstruktur im verarbeitenden Gewerbe, Deutschland 2006

Material; 42%

Personal; 18,10%

Handelsawre; 11,70%

Steuern; 3,40%

Abschreibungen; 2,80%

Lohnarbeiten; 2,40%

Energie; 1,80%

Mieten/Pachten; 1,40%

Sonstige; 16,40%

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Öffentliche F&E-Energieförderung - Leichtbau

Warum?

• Extrem hohes Potenzial zum Beitrag an Energieeinsparung, Treibhausgasemissionen und Versorgungssicherheit

• Beitrag zur Erreichung von wichtigen Politikzielen Gerade im Rahmen von Klimaschutzsstrategien und steigenden fossilen Energieträgerpreisen sind viele Maßnahmen wirtschaftlich

• Stärkung der Wettbewerbsfähigkeit

• Hohes wirtschaftliches Risiko

- Hohe Entwicklungskosten bei vagen Erfolgsaussichten

• Fehlende ökonomische Anreize für Werkstoffentwickler (wegen geringer Partizipation an ROI)

• Mangel an Finanzierungsquellen

• Schwierige gesetzliche Rahmenbedingungen (Lange Genehmigungszeiten, bestehende Gesetze und Normen)

• Hohe Markteintrittsbarrieren

• Erfolgreiche Projekte zeichnen sich durch Konsortienbildung zwischen Forschung und Industrie und langfristiger Planung in vorwettbewerblicher Phase aus

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Öffentliche F&E-Energieförderung - Leichtbau

F&E-Themen

• Ausrichtung der F&E-Forschung: Ganzheitlich-orientiert an Wertschöpfungskette

- Materialforschung und -entwicklung- Herstellungsverfahren- Fertigungstechniken- Produktentwicklung- Recycling

• Forderung nach integrierter Energie- und Ressourceneffizienzstrategie

• Fokus auf Leichtbau im Verkehr (Luft- und Raumfahrt, Fahrzeugindustrie)

• Interessant auch Maschinen- und Anlagenbau (Leichtbau bei schnellbeschleunigten und bewegten Massen)

- Aber Potenzialstudien fehlen

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Öffentliche F&E-Energieförderung - Leichtbau

F&E-Themen

• Fokus auf konventionelle metallische Werkstoffe

Massenreduzierung durch neue höherfeste Stahlsorten (z.B. Dualphasenstähle)

Entwicklung neuer Werkstoffe/Halbzeuge (z.B. Verbundelemente aus Stahl und Aluminium, Tailered Blanks)

Entwicklung neuer Fertigungs- und Fügeverfahren (z.B. Laserschweißen, Innenhochdruckumformen)

• Interessant auch Einsatz neuer metallischer Leichtbauwerkstoffe und Legierungen (Metallschaum, Aluminiumschaum, Al, Mg, Al-Sc-Legierungen, Al-Mg-Sc-Legierungen, Faser-Metall-Laminate,..)

- Aber ganzheitliche, dynamische Bilanzierung notwendig (oft geforderte und angewendete Life-Cycle-Analyse nicht ausreichend) um positive Gesamtenergiebilanz sicher zustellen und

- Recylingverfahren sind sicherzustellen

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Primärenergievergleich der beiden Leichtbauvarianten mit dem Szenario Frozen

800

1.000

1.200

1.400

1.600

1.800

2.000

2000

2002

2004

2006

2008

2010

2012

2014

2016

2018

2020

2022

2024

2026

2028

2030

Jahr

Pri

mär

ener

gie

verb

rau

ch [

PJ]

Frozen

Stahl

Aluminium

Materialeffizienzstrategien im Automobilsektor

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Gegenüberstellung der Sekundärmenge an Aluminium aus dem PKW-Recycling zur Sekundäraluminiumnachfrage bei der PKW-Produktion

0

200

400

600

800

1000

1200

Jahr

Alu

min

ium

[100

0 t]

SekundäraluminiumeinsatzPKW-Produktion imAluminium-Szenario

RecycelteAluminiummenge imAuluminium-Szenario (100% Volldemontage)

RecycelteAluminiummenge imAlumiunium-Szenario (56%Volldemontage)

SekundäraluminiumeinsatzPKW-Produktion imFrozen-Szenario

RecycelteAluminiummenge imFrozen-Szenario (56 %Volldemontage)

Materialeffizienzstrategien im Automobilsektor

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Öffentliche F&E-Energieförderung - Leichtbau

F&E-Themen

• Interessant auch Verbundwerkstoffe, Smart Materials, Nanokomposite, Aerogele, Strukturkeramiken, Bionek

-> Weitere Schwerpunktsetzung steht noch aus

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Stand der Arbeiten – Energieeffizienz nicht-gebäudebezogen

1. Neue Verfahren in der chemisch-biologischen Industrie

(Enzyme/ Biokatalysatoren, Biogene Rohstoffe, Abwasser/Trinkwasser-aufbereitung, Trocknungstechnologien, Trennverfahren)

2. Abwärmenutzung / -verstromung

(Thermoelektrika, ORC-Prozess, Stirling-Motor, Kalina-Prozess, Wärmetransformator, Wärmetauscher, Industrielle Großwärmepumpe, Dämmung, solare Prozesswärme)

3. Ressourceneffizienz energieintensiver Materialien

(Recycling und Sekundärrohstoffnutzung, Werkstoffsubstitution und neue Materialien, Erhöhung der Materialeffizienz, Verlängerung der Nutzungsdauer und Nutzungsintensivierung; fokussiert auf energieintensive Werkstoffe und Querschnittstechnologien)

4. Neuartige Verfahren in der energieintensiven Grundstoffindustrie

5. Energiemanagement

6. Elektrische Antriebe

25% erledigt

75% erledigt, bilaterale Expertengespräche stehen z.T. noch aus

85% erledigt

75% erledigt

50% erledigt

50% erledigt

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Abwärmenutzung - Potenziale

Umfangreiche Literaturrecherche zu Abwärmepotentialen in der Industrie:

Wirkungsgradansatz

Wirkungsgrade von Prozesstechnologien oder Querschnittstechnologien, Branchenansatz, Abschätzung über das Abwärmepotential in einer Leistungsgröße (z.B. U.S.Department of Energy: Energy Use, Loss and Opportunities Analysis – U.S. Manufacturing & Mining)

• Nachteile: Keine Temperaturniveaus, keine Aussage über schon bestehende Nutzung der Abwärme, keine Aussage über die Art der Abwärme (Gasförmig, Wärmestrom, Kühlwasser, konvektiv, Ort der Abwärme, etc.)

Exemplarische Befragung einzelner (Industrie-)Betriebe:

Spezifische Angaben über Abwärmepotentiale vorhanden (z.B. Bayerisches Landesamt für Umweltschutz: Effiziente Energieverwendung in der Industrie – Teilprojekt Metallschmelzbetriebe, 2005; Brancheenergiekonzept Papierindustrie, 2008)

• Nachteile: So spezifisch, dass eine Extrapolation schwierig erscheint, da nicht bekannt ist, wie repräsentativ das Unternehmen ist oder wie spezifisch es an besondere Begebenheiten angepasst ist

Fazit I: keine Studie vorhanden (weder national noch international), die die ungenutzten Abwärmepotentiale in der Industrie untersucht und quantifiziert Forschungsbedarf

Fazit II: Potentialabschätzungen für Abwärmenutzungstechnologien sind mit einer großen Unsicherheit belegt.

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Abwärmenutzung - Potenziale

Abwärmenutzung Priorisierung:

1. Nutzung von Abwärme für einen weiteren Wärmebehandlungsprozess

2. Nutzung von Abwärme zur Heizungsunterstützung

3. Verstromung der Abwärme (ORC, Stirling, Kalina, Thermoelektrik)

Exemplarische Beispiele:

1. Abgasstrom eines Schmelzofens in einem Aluminium und Magnesium verarbeitenden Gewerbe: 270kW(thermisch) bei 200 bis 300°C (Jährl. Abwärmemenge 1,8 GWhtherm)

2. Abwärme Hygienepapier 5 GWhtherm/a bei der Trocknung (Produktion von 44.000t/a)

Ungenutzte Abwärme in der Norwegischen Industrie (Norsk Energi, 2009)

7.0 TWh über 140°C

3.1 TWh von 60 bis 140°C

5.8 TWh von 40-60°C

3.3 TWh von 25-40°C

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Vorgehensweise bei der Technologie Thermoelektrik

Literaturrecherche insb. zu den Entwicklungen der Thermoelektrik in den letzten 15 Jahren.

Intensive Zusammenarbeit mit dem Fraunhofer Institut IPM in Freiburg (Unterauftragsvergabe)

Zahlreiche bilaterale Gespräche mit Forschern, Technologieexperten und Vertretern der KMU

Workshop "Thermoelektrik – Welchen Beitrag leistet sie zu einer zukünftigen Energieversorgung?" am 13.03.2009 in Frankfurt, 11 Teilnehmer

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Entwicklungsstand & Hemmnisse - Thermoelektrik

Kommerzielle Thermoelektrische Generatoren im Temperaturbereich bis 250°C auf BleiTellurid-Basis (Tellur ist Rohstoffkritisch)

Derzeitig gibt es eine Vielzahl von Materialien die thermoelektrisch interessant sein können Auswahl von 2 oder 3 vielversprechenden

Schwierigkeiten bei den Verbindungen zwischen den thermoelektrischen Generatoren (Modul) und dem System (Zyklusstabilität, Lebensdauerbeständigkeit)

Die Effizienz der Materialien konnte in Laborversuchen in den letzten 15 Jahren deutlich gesteigert werden (von ZT=1 auf ZT=2,4); allerdings ist das bisher nicht reproduzierbar

Weitere Schwierigkeit: die ZT-Werte (Effizienz) sind extrem temperaturabhängig und haben ihr Maximum in einem nur relativ kleinen Temperaturfenster.

Es gibt keine standardisierten Messmethoden die Forscher müssen daher einen großen zeitlichen Aufwand für die Messmethodenentwicklung legen

Es gibt in Deutschland kein universitäres Institut, welches sich ausschließlich mit Thermoelektrik befasst die Thermoelektrikforschung läuft immer nur als ein Projekt neben (vielen) anderen.

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Relevanz einer öffentlichen F&E-Förderung für Thermoelektrik

Hoher Forschungs- und Entwicklungsbedarf bis zu einer Kommerzialisierung in einem breiten Anwendungsgebiet

Vielversprechende Technologie, die aufgrund des starken Maschinenbaus in Deutschland eine gute Ausgangsposition hat.

Alleinstellungsmerkmale der Thermoelektrik: Umwandlung von Wärme in Strom ohne bewegte Teile, daher wartungsarm. Leise, zuverlässig, langlebig

Autarker Einsatz möglich

Maximale zukünftige Anlagenleistung: 1 MW

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F&E-Empfehlungen Thermoelektrik

1. Betrachtung der Thermoelektrik als Querschnittstechnologie

2. Erstellen einer Studie über das ungenutzte Abwärmepotential in der Industrie (thermische Leistung, Temperaturniveau, etc.)

3. Entwicklung eines kostengünstigen thermoelektrischen Materials für Niedertemperaturanwendung bis 100°C

4. Entwicklung neuer thermoelektrischer Materialien mit folgenden Eigenschaften: Kostengünstig, Industriell herstellbar, geringe Toxizität, hoher Wirkungsgrad über einen breiteren Temperaturbereich als bisher

5. Mitteltemperaturmaterialien für einen Bereich von 200°C bis 500°C (da bisher nur Bismuttellurid und Tellur als ein kritischer Rohstoff zu betrachten ist), z.B. Eisensilizid, Skutterudite, Kobaltantimon

6. Entwicklung eines Verfahrens zur industriellen Herstellung von Thermoelektrischen Generatoren

7. Fügematerialien zur Verbindung zw. dem thermeoelektr. Material und dem Modul

8. Systemintegration und Demonstration von Thermoelektrischen Generatoren im kW-Bereich

9. Messtechnik

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Energieeffizienz in der Siedlungswasserwirtschaft

Wichtigste Aufgaben: Hygiene, Gewässerschutz, keine einseitige Optimierung hinsichtlich Energieeffizienz

Deutschland: Sehr hohe Standards, technologisch international führend

Energiebedarf in Deutschland:

Stromverbrauch 20 … 30 PJel/a (Pumpen, Kläranlagen)

Haushalte: 300 PJtherm/a zur Warmwasserbereitung

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Möglichkeiten der energetischen und stofflichen Wiederverwendung

1) Niedertemperaturabwärmenutzung aus Abwasser

Potential 2050: 20…30 PJtherm/a (Aufwand 5…8 PJel/a)

2) Vergärung der organischen Bestandteile, Nutzung des Biogases (Synergien mit Biotechnologie, Abfallwirtschaft, Landwirtschaft)

Potential 2050: 30…50 PJprim/a (unter Einbezug von anderen organischen Reststoffen oder Energiepflanzen)

3) Rückgewinnung der Nährstoffe aus Abwasser:

Relevante Mengen: von der in Deutschland verwendeten Menge an Makronährstoffen Stickstoff, Phosphor und Kalium aus Dünger befinden sich 20-40% im Abwasser

Komplettes Recycling der Nährstoffe aus dem Abwasser spart 30 PJel/a (problematisch bei hohen Schadstoffgehalten (ggf. Elimination))

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F&E-Themen zur Energieeffizienz in der Siedlungswasserwirtschaft

1) Abwärme aus Abwasser: flexible Wärmetauscher, auch zum nachträglichen Einbau in die Kanalisation Neue Oberflächen für Wärmetauscher gegen Fouling Wärmespeicher

2) Anaerobe Vergärung: Prozessstabilität, Erhöhung der Gasausbeute bei wechselnden Bedingungen besseres Verständnis der anaeroben Vergärung und (effektive) Mikroorganismen

3) Nährstoffrückgewinnung: selektive Ionentauscher zur Rückgewinnung von Nährstoffen (Stickstoff,

Phosphor, Kalium) Nutzung des aufgereinigten Abwassers zur Produktion von Biomasse (insb.

Mikroalgen): Optimierung des Photobioreaktors: Lichtverteilung, Strömungsverhältnis

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Relevanz einer Öffentlichen F&E-Förderung: Siedlungswasserwirtschaft

Schließung von Stoff- und Energiekreisläufen erfordert neue Gesamtkonzepte Umsetzung innerhalb des Bestands nur langfristig möglich aufgrund der hohen Pfadabhängigkeit der konventionellen Wasserinfrastruktursysteme

großtechnische Demonstrationsprojekte notwendig zum Nachweis der Vorteilhaftigkeit neuer Systemansätze (aufbauend auf neuen Technikkomponenten)

in den bestehenden Förderprogrammen stärkere Schwerpunktsetzung auf Energie- und Ressourceneffizienz

Untersuchungen zu rechtlichen und organisatorischen Randbedingungen notwendig

weltweit erheblicher Bedarf für neue Systemlösungen

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Weitere Technologien

Untersuchung von weiteren Abwämenutzungstechnologien

ORC-Prozess

Stirling-Motor

Kalina-Prozess

Industrielle Großwärmepumpe

Wärmedämmung

Wärmeerzeugungstechnologien