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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
Alexander Wokaun 13. Januar 2005 Folie 3
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
Alexander Wokaun 13. Januar 2005 Folie 4
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% !
Alexander Wokaun 13. Januar 2005 Folie 5
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
Alexander Wokaun 13. Januar 2005 Folie 6
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
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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)
Alexander Wokaun 13. Januar 2005 Folie 8
Thermische Vergasung von Biomasse
Nassoxidation ( hydrothermaleVergasung ) bei 300 bar, 400 C
Thermische Vergasung bei 900 C
mit Dampf / CO2in Luft-Unterschuss
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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
Alexander Wokaun 13. Januar 2005 Folie 10
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/
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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
Alexander Wokaun 13. Januar 2005 Folie 12
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
Alexander Wokaun 13. Januar 2005 Folie 13
Wasserstoff als Energieträger
Kernfragen
• Verteilung
• Herstellung aus CO2 – freien Primärenergien
Analyse der vollständigen Energieketten ist erforderlich !
• Speicherung und sichere Handhabung
• effiziente Nutzung
Alexander Wokaun 13. Januar 2005 Folie 14
H2OH2 H2
O2
H2O
Wärme (900°C)
Wasserstoffproduktion aus fossilen Energieträgern
H--C--HH2
CReformierung
Alexander Wokaun 13. Januar 2005 Folie 15
Wasserstoffproduktion durch Elektrolyse
H2OH2O
H2H2
O2
Strom
Elektrolyse
Kernfrage: Herkunft des Stroms? Was wird durch H2 ersetzt ?
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Thermochemische Zyklen: ohne teuren Umweg über den Strom zum Ziel?
H2OH2O
Wärme (1000-2000°C)
Thermochemische
Zyklen
H2H2
O2
Alexander Wokaun 13. Januar 2005 Folie 17
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)
Alexander Wokaun 13. Januar 2005 Folie 18
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
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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.
Alexander Wokaun 13. Januar 2005 Folie 20
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%
Alexander Wokaun 13. Januar 2005 Folie 21
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)
Alexander Wokaun 13. Januar 2005 Folie 22
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
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Dezentraler Energiehub
Hub auf Stufe Gemeinde / Quartier / Überbauung, typische Grössenordnung: 1 MW
Energyhub
zentralesElektrizitätsnetz
Biomasse
Wärme-verbraucher
Treibstoff-verbraucher
Wasserstoff
dezentralerProduzent
Strom-verbraucher
Alexander Wokaun 13. Januar 2005 Folie 24
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