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1 In diesem Kapitel bekommen Sie einen kurzen Überblick zu 1. Weltenergieversorgung und -bedarf, 2. Weltenergiereserven, 3. Entwicklung erneuerbarer Energien in Europa, 4. Umweltprobleme wie globale CO 2 - Herausforderung, Treibhauseffekt und lokale Luftverschmutzung… …und einen Ausblick auf mögliche Lösungen: 5. Reduzierung des Bedarfs vor der Bedarfsdeckung und 6. Wasserstoffwirtschaft: Visionen, Systemkomponenten, Nutzen und Herausforderung Kapitel: Hintergrundwissen zur Wasserstoffwirtschaft

2 © Grazer Energie Agentur – Anfragen an: Inhalt 1.Weltenergieversorgung und -bedarf von Endverbrauchssektoren, -regionen und –brennstoffen. 2.Weltenergiereserven. 3.Entwicklung erneuerbarer Energien in Europa. 4.Umweltprobleme: Globale CO 2 -Herausforderung: Gefahren, Ausstoß, Treibhauseffekt. Lokale Luftverschmutzung. 5.Erster Schritt: Reduzierung des Bedarfs vor der Versorgung. 6.Wasserstoffwirtschaft: Visionen, Systemkomponenten, Nutzen und Herausforderung: Sozioökonomische Aspekte. Ökologische Aspekte. Teil 1 Teil 2 Teil 3 Teil 4 Teil 5 Teil 6

3 © Grazer Energie Agentur - Anfragen an: # 1: Weltenergieversorgung und -bedarf von Endverbrauchssektoren, -regionen und -brennstoffen Teil 1 Teil 2 Teil 3 Teil 4 Teil 5 Teil 6

4 © Grazer Energie Agentur - Anfragen an: Weltweite Primärenergie von 1850 – 2000 und Schlüsseltechnologien Quelle: Nakicenovic 2006 Teil 1 Teil 2 Teil 3 Teil 4 Teil 5 Teil 6 B

5 © Grazer Energie Agentur - Anfragen an: Weltweite Gesamterzeugung von Primärenergie nach Region von Quelle: IEA 2006 Teil 1 Teil 2 Teil 3 Teil 4 Teil 5 Teil 6 I

6 © Grazer Energie Agentur - Anfragen an: Weltweiter Energieverbrauch nach Endverbrauchssektoren, Teil 1 Teil 2 Teil 3 Teil 4 Teil 5 Teil 6 Quelle: EIA (Energy Information Administration, USA) 2006 I

7 © Grazer Energie Agentur - Anfragen an: Weltweite Primärenergienutzung nach Brennstoffart, Quelle: EIA (US) 2006 Teil 1 Teil 2 Teil 3 Teil 4 Teil 5 Teil 6 I

8 © Grazer Energie Agentur - Anfragen an: Weltenergieverbrauch zur Stromerzeugung nach Brennstoffen, 2003, 2015 und 2030 Quelle: EIA (US) 2006 Teil 1 Teil 2 Teil 3 Teil 4 Teil 5 Teil 6 I

9 © Grazer Energie Agentur - Anfragen an: # 2: Weltenergiereserven Teil 1 Teil 2 Teil 3 Teil 4 Teil 5 Teil 6

10 © Grazer Energie Agentur - Anfragen an: Energiereserven nach Kategorien Teil 1 Teil 2 Teil 3 Teil 4 Teil 5 Teil 6 I

11 © Grazer Energie Agentur - Anfragen an: Primärenergieverbrauch und -reserven weltweit (2001) Quelle: Updated from WEA 2000 A

12 © Grazer Energie Agentur - Anfragen an: Evolution des globalen Primärenergieverbrauchs Quelle: Nakicenovic 2006 Teil 1 Teil 2 Teil 3 Teil 4 Teil 5 Teil 6 I

13 © Grazer Energie Agentur - Anfragen an: Sonneneinstrahlung und fossile Energieressourcen im Vergleich zum weltweiten Jahresbedarf Quelle: Greenpeace Welt- ressourcen: Gas Öl Kohle Uran Weltweiter Energiever- brauch/Jahr Sonnenein- strahlung auf die Erde/Jahr Teil 1 Teil 2 Teil 3 Teil 4 Teil 5 Teil 6 B

14 © Grazer Energie Agentur - Anfragen an: # 3: Entwicklung der erneuerbaren Energien in Europa Teil 1 Teil 2 Teil 3 Teil 4 Teil 5 Teil 6

15 © Grazer Energie Agentur - Anfragen an: Entwicklung der erneuerbaren Primärenergieerzeugung in Europa (in %) Quelle: STATE OF RENEWABLE ENERGIES IN EUROPE – 2006 EurObserv'ER Teil 1 Teil 2 Teil 3 Teil 4 Teil 5 Teil 6 B

16 © Grazer Energie Agentur - Anfragen an: Entwicklung der Stromerzeugung aus erneuerbaren Energien in Europa (in %) Quelle: STATE OF RENEWABLE ENERGIES IN EUROPE – 2006 EurObserv'ER Teil 1 Teil 2 Teil 3 Teil 4 Teil 5 Teil 6 B

17 © Grazer Energie Agentur - Anfragen an: # 4: Umweltprobleme - Globale CO 2 -Herausforderung: Gefahren, Ausstoß, Treibhauseffekt - Lokale Luftverschmutzung Teil 1 Teil 2 Teil 3 Teil 4 Teil 5 Teil 6

18 © Grazer Energie Agentur - Anfragen an: Beobachtete Klimaveränderungen: Oberflächentemperatur, Meeresspiegel und Schneebedeckung Quelle: IPCC 2007 Teil 1 Teil 2 Teil 3 Teil 4 Teil 5 Teil 6 I

19 Folgen des Klimawandels Quelle: Stern 2006 Teil 1 Teil 2 Teil 3 Teil 4 Teil 5 Teil 6 I

20 © Grazer Energie Agentur - Anfragen an: Globale Erwärmung – Gefahren für Millionen Menschen im Jahr 2080 Teil 1 Teil 2 Teil 3 Teil 4 Teil 5 Teil 6 I

21 Aktuelle Verursacher von Treibhausgasemissionen Quelle: IEA 2004 B

22 © Grazer Energie Agentur - Anfragen an: Was ist ein Treibhausgas? Gasförmige Stoffe in der Luft, die globale Erwärmung und Klimawandel hervorrufen Hauptsächlich: Kohlenstoffdioxid (CO 2 ), Methan (CH 4 ) und Distickstoffoxid (N 2 0) Weniger verbreitet – dafür mit enormen Auswirkungen – Fluorkohlenwasserstoffe (FKW), Perfluorkohlenstoff (PFC) und Schwefelhexafluorid (SF 6 ) Quelle: UNFCC Teil 1 Teil 2 Teil 3 Teil 4 Teil 5 Teil 6 B

23 © Grazer Energie Agentur - Anfragen an: Was ist der Treibhauseffekt? Quelle: UNFCC 2006 B Teil 1 Teil 2 Teil 3 Teil 4 Teil 5 Teil 6

24 © Grazer Energie Agentur - Anfragen an: Quelle: Verweildauer von Treibhausgasen in der Atmosphäre und ihre menschgemachten Quellen Teil 1 Teil 2 Teil 3 Teil 4 Teil 5 Teil 6 I

25 © Grazer Energie Agentur - Anfragen an: Techn. Möglichkeiten zur CO 2 -Reduktion - Veranschaulichung der Aufgabe Quelle: ExxonMobil on 22 October 2004 Teil 1 Teil 2 Teil 3 Teil 4 Teil 5 Teil 6 I

26 © Grazer Energie Agentur - Anfragen an: Lokale Luftverschmutzung durch Verwendung fossiler Brennstoffe 1.Säuerung – saurer Regen. 2.Photochemischer Smog. 3.Feinstaub (PM 10 ). Teil 1 Teil 2 Teil 3 Teil 4 Teil 5 Teil 6 B

27 © Grazer Energie Agentur - Anfragen an: Säuerung – saurer Regen Säuerung ist der Prozess bei dem Luftverschmutzung (hauptsächlich Ammoniak, Schwefeldioxid und Stickstoffoxid) in saure Substanzen umgewandelt werden. Dieser saure Regen verursacht Schäden an Wäldern und Seen und verhilft Schwermetallen dazu, ins Grundwasser zu gelangen. Quelle: Scottish Environment Protection Agency (www.sepa.org.uk)www.sepa.org.uk Teil 1 Teil 2 Teil 3 Teil 4 Teil 5 Teil 6 B

28 © Grazer Energie Agentur - Anfragen an: Photochemischer Smog Das ist eine Art von Luftverschmutzung, die dadurch entsteht, dass Sonnenlicht auf Abgase trifft und auf diese Weise schädliche Stoffe, wie z. B. das Ozon (O 3 ), Aldehyde und Peroxoacetylnitrat (PAN) entstehen. Quelle: Teil 1 Teil 2 Teil 3 Teil 4 Teil 5 Teil 6 B

29 © Grazer Energie Agentur - Anfragen an: Feinstaub (PM10) Fein- oder Schwebstaub ist die Summe aller Partikel in der Luft, wobei viele dieser Partikel gefährlich sind. Solche Partikel kommen in vielen verschiedenen Größen und Zusammensetzungen vor, was bestimmt, wie die Gesundheit des Menschen beeinflusst wird. Die Messgröße PM10 (Partikel kleiner oder gleich 10 µm) wurde geschaffen, um Partikel zu bestimmen, die von Menschen leicht eingeatmet werden können. PM10 ist in Europa eine allgemeingültige Messgröße für Partikel in der Atmosphäre geworden. Die Hauptquellen von primärem PM10 sind Straßengüterverkehr (dabei wird immer PM10 emittiert, aber Dieselfahrzeuge emittieren mehr Partikel pro Fahrzeug-kilometer), stationäre Verbrennung (häusliche Kohleverbrennung ist seit jeher die Hauptquelle von Partikel-Emissionen) und industrielle Verfahren (z. B. Schüttgutförderung, Bau, Bergbau und Steinbruch). Quelle: NAEI (www.naei.org.uk) Teil 1 Teil 2 Teil 3 Teil 4 Teil 5 Teil 6 B

30 © Grazer Energie Agentur - Anfragen an: Technologien zur Kontrolle lokaler Luftprobleme wegen fossiler Brennstoffe 1.End-of-pipe-Systeme an Kraftwerken und Fahrzeugen. 2.Steigerung der Effizienz von Kraftwerken und Fahrzeugen. 3.Ersatz fossiler Brennstoffe für Strom und Transport durch sauberere Brennstoffe, möglicherweise auch kohlenstofffrei und erneuerbar. Teil 1 Teil 2 Teil 3 Teil 4 Teil 5 Teil 6 B

31 © Grazer Energie Agentur - Anfragen an: # 5: Erste Lösung: Reduzierung des Bedarfs vor der Bedarfsdeckung! Teil 1 Teil 2 Teil 3 Teil 4 Teil 5 Teil 6

32 © Grazer Energie Agentur - Anfragen an: Energieeinsparung/Effizienz zuerst! Auch für die H 2 -Wirtschaft! Grundlegendes Gestaltungsprinzip für sämtliche Energieversorgungssysteme: 1. Schritt: Reduzierung des Energiebedarfs. 2. Schritt: Effiziente Versorgung des verbleibenden Bedarfs. Grundsatz: Jedes Prinzip sollte zuerst alle Möglichkeiten einer Bedarfsreduzierung ausschöpfen. Hiernach sollte der verbleibende Bedarf so effizient wie möglich gedeckt werden, insbesondere wenn erneuerbare Energien im Spiel sind. Herangehensweise und Anforderungen: Aneignung von Wissen über den wahren (reduzierten) Bedarf. Dafür werden gute technische Fähigkeiten und eine detaillierte Planung benötigt (weniger zusätzliche Sicherheitszuschläge). Systemgestaltung im Gegensatz zu Komponentengestaltung. Und: Bedarf hängt von Informationen und Preis ab: z. B. Verbrauchsmessung und -abrechnung => Einführung von bedarfsabhängiger Abrechnung!. Neue Vorgehens-Philosophie: vom je größer desto besser zum je effizienter desto besser. Teil 1 Teil 2 Teil 3 Teil 4 Teil 5 Teil 6 B

33 © Grazer Energie Agentur - Anfragen an: Reduzierungs-Potenzial bei CO 2 - relevanten Emissionen nach Sektoren und Regionen Quelle: IEA WEO `04 Teil 1 Teil 2 Teil 3 Teil 4 Teil 5 Teil 6 B

34 © Grazer Energie Agentur - Anfragen an: Kosten der über BAU hinausgehenden CO2- Minderungsmaßnahmen 2030 weltweit Quelle: Vattenfall 2007 I

35 © Grazer Energie Agentur - Anfragen an: # 6: Wasserstoffwirtschaft: Visionen, Systemkomponenten, Nutzen und Herausforderung Teil 1 Teil 2 Teil 3 Teil 4 Teil 6 Teil 5

36 © Grazer Energie Agentur - Anfragen an: Skizze einer zukünftigen (H 2 -)Energiewirtschaft Quelle: EC DGRD 2003 Teil 1 Teil 2 Teil 3 Teil 4 Teil 6 Teil 5 B

37 Die erneuerbare Wasserstoffwirtschaft – eine Vision B Straßenverkehr Luftfahrt Raumfahrt Flüsse Meere Atmosphäre Grundwasser Wiederver- stromung Wärmemarkt Petrochemie Wasserstoffchemie Elektrolyse Entmineralisierung Stromerzeugung durch Solar-, Windkraft- und Wasserkraftanlagen Verflüssigung Luft

38 Verwendung von Wasserstoff heute Wasserstoff ist ein wichtiger Rohstoff in der chemischen Industrie Produktion von Düngern. Petrochemie (Entschwefelung, Hydrocracken) Lebensmittelindustrie (Fetthärtung). metallurgische Prozesse (Glühen, Härten, Sintern). Halbleiter (Dotierelement). Wasserstofftechnologie existiert bereits als Hochtechnologie, allerdings nicht als Energietechnologie. Wasserstofflagerung und -transport sind sehr bekannt industrielle Nutzung, z.B. Gasschweißen. Diese könnte als der Anfang der Wasserstoffära gesehen werden! erste Anwendungen im Ballonfahren Verflüssigung in LH 2 durch James Dewar. Verwendung in Stadtgas, H 2 -Gehalt ca %. In einer zukünftigen Solar-Wasserstoff-Wirtschaft könnte Wasserstoff genutzt werden. als sauberer Treibstoff. als saisonaler Energiespeicher. zum überseeischen Energietransport. als chemisches Rohmaterial (regenerative Petrochemie). A

39 © Grazer Energie Agentur - Anfragen an: Wasserstoff: Primärenergiequellen, Umwandlung und Anwendung Quelle: EC DGRD 2003 Teil 1 Teil 2 Teil 3 Teil 4 Teil 6 Teil 5 I

40 © Grazer Energie Agentur - Anfragen an: Wasserstoff: Brennstoffzellentechno- logie, Brennstoffe und Anwendungen Quelle: EC DGRD 2003 Teil 1 Teil 2 Teil 3 Teil 4 Teil 6 Teil 5 I

41 © Grazer Energie Agentur - Anfragen an: Technologien zur Wasserstoff- produktion (Zusammenfassung) Quelle: EC DGRD 2003 Teil 1 Teil 2 Teil 3 Teil 4 Teil 6 Teil 5 I

42 © Grazer Energie Agentur - Anfragen an: Technologien zur Wasserstoff- speicherung (Zusammenfassung) Quelle: EC DGRD 2003 Teil 1 Teil 2 Teil 3 Teil 4 Teil 6 Teil 5 I

43 © Grazer Energie Agentur - Anfragen an: Allgemeine Vorteile von Brennstoff- zellensystemen Hoher Wirkungsgrad. Keine Emissionen bei Einsatz von Wasserstoff und sehr geringe Emissionen (z. B. NOx, CO) bei Anwendung anderer Brennstoffe. Einfacher mechanischer Aufbau, keine Vibrationen und kein Lärm, minimale Wartungsanforderungen. Hohes Strom-Wärme-Verhältnis im Vergleich zu herkömmlichen KWK-Anlagen. Quelle: EC DGRD 2003 Teil 1 Teil 2 Teil 3 Teil 4 Teil 6 Teil 5 B

44 © Grazer Energie Agentur - Anfragen an: Vorteile von stationären Brennstoffzellen Effizienz: Brennstoffzellen haben einen hohen Wirkungsgrad (Größe spielt dabei keine Rolle) und eine große Leistungsfähigkeit. Emissionen: Sehr geringe bis gar keine Kohlenstoffemissionen und keine Emissionen von Luftschadstoffen wie Stickstoffdioxid, Schwefeldioxid oder Kohlenmonoxid. Umwelt: Geringer Lärm und geringe Emissionen bedeuten, dass Brennstoffzellen in empfindlichen Gebieten eingesetzt werden können. Vorteil: Brennstoffzellen können sowohl Wärme als auch Strom aus einer Vielzahl von Brennstoffen produzieren; verglichen mit herkömmlichen KWK-Anlagen haben sie ein höheres Strom- Wärme-Verhältnis. Quelle: EC DGRD 2003 Teil 1 Teil 2 Teil 3 Teil 4 Teil 6 Teil 5 B

45 © Grazer Energie Agentur - Anfragen an: Vorteile von transportablen Brennstoffzellen (1/2) Effizienz: Autos mit Brennstoffzellen haben sehr hohe Wirkungsgrade gezeigt, wenn sie mit Wasserstoff betrieben werden - verglichen mit Verbrennungsmotoren und Brennstoffzellen mit integrierter Reformierung von Methanol und Ottokraftstoff. CO2-Emissionen und Energie-Sicherheit: Fahrzeuge mit Brennstoffzellen, die mit Wasserstoff betrieben werden, bieten die größten Vorteile gegenüber Verbrennungsmotoren der Zukunft und gegenüber Fahrzeugen mit Brennstoffzellen, die andere Brennstoffe verwenden, insbesondere wenn dies in Zusammenhang mit einer Langzeitumstellung auf regenerativen Wasserstoff gesehen wird. Emissionsregulierung: Autos mit Brennstoffzellen haben geringe Emissionen und sind sogar emissionsfrei wenn Wasserstoff eingesetzt wird. Quelle: EC DGRD 2003 Teil 1 Teil 2 Teil 3 Teil 4 Teil 6 Teil 5 B

46 © Grazer Energie Agentur - Anfragen an: Vorteile von transportablen Brennstoffzellen (2/2) Strom: Brennstoffzellen können Elektrizität an Ort und Stelle mit einem hohen Wirkungsgrad produzieren. Autos mit Brennstoffzellen könnten Strom für Häuser, Büros oder entfernte Orte produzieren (sog. Backup). Leistung und Komfort: Wasserstofffahrzeuge und Fahrzeuge mit Brennstoffzellen könnten ähnliche oder verbesserte Eigenschaften in Bezug auf Leistung und Komfort liefern. Stau: Fahrzeuge, die kaum Lärm produzieren, könnten Waren auch in der Nacht liefern; somit wären am Tage die Straßen nicht mehr stark belastet. Komfort: Fahrzeuge mit Brennstoffzellen haben einen höheren Fahrkomfort und sind geräuscharm. Quelle: EC DGRD 2003 Teil 1 Teil 2 Teil 3 Teil 4 Teil 6 Teil 5 B

47 © Grazer Energie Agentur - Anfragen an: Allgemeine Klassifikation von Treibhausgasminderungs- möglichkeiten => H2 hat geringste Kosteneffektivität! Quelle: Center for European Policy Studies (CEPS) 2006 Teil 1 Teil 2 Teil 3 Teil 4 Teil 6 Teil 5 A

48 © Grazer Energie Agentur - Anfragen an: Zukünftige Herausforderungen für Brennstoffzellen Kosten: Außer in Premium-Anwendungen wie z. B. der Backup-Strom- Produktion für bedeutende Finanzinstitute sind Brennstoffzellen meist noch zu teuer für die Markteinführung. Lebensdauer: Einige Brennstoffzellensysteme haben bereits einen Betrieb über mehrere Tausend Stunden bewiesen, aber die Mehrheit muss noch geprüft werden. Zuverlässigkeit: Nicht nur Brennstoffzellen, sondern auch zusätzliche Ausrüstung wie die Reformer müssen sich bewähren werden. Neuerung: In den meisten konservativen Märkten benötigt jede neue Technologie starke Unterstützung und öffentliches Verständnis, um wettbewerbsfähig zu sein. Technologische Durchbrüche werden benötigt, um Leistung, Zuverlässigkeit und Kosten der Brennstoffzelle zu verbessern. Infrastruktur: Wiederaufladung, Massenproduktion und unterstützende Infrastrukturen, wie z. B. ausgebildetes Personal, sind für Brennstoffzellensysteme noch nicht verfügbar. Quelle: EC DGRD 2003 Teil 1 Teil 2 Teil 3 Teil 4 Teil 6 Teil 5 B


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