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Seite 1 Stand der Arbeiten – Wasserstoff Weitgehend abgeschlossen (Inhalt und Dokumentation plus teilweise Expertenfeedback (LBST)) Expertenfeedback (NOW)

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1 Seite 1 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

2 Energieeffizienz nicht-gebäudebezogen BMWi Energietechnologien 2050 Martin Wietschel, Marlene Arens Frankfurt,

3 Seite 3 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

4 Seite 4 Ressourceneffizienz energieintensiver Materialien

5 Seite 5 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

6 Seite 6 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

7 Seite 7 Betrachtete Werkstoffe Auswahl nach absoluten Energieverbrauch und CO 2 -Relevanz Stahl Hochofenstahl Elektrostahl Nicht-Eisen-Metalle Primäraluminium Sekundäraluminium Kupfer (Primärroute) Kupfer (Sekundärroute) Zink Papier Glas Behälterglas Flachglas Sonstiges Zement Process: Cement Grinding Chemie Chlor Kunststoffe Salpetersäure Ammoniak Produktionszahlen in t

8 Seite 8 Relevanz des Themas Leichtbaus 128 (163 Mio. t CO) Hergestellte Masse (Mio t) Energiewirtschaft Stahl 53 Zement 32 Papier 22 Chemische Industrie 16 Glas 4 NE-Metalle 2 Bewegte Masse (Mio. t) Verkehr Endenergie Verkehr (PJ) Verkehr 65 ( 180 Mio. t CO) Maschinenbau Verpackungen Infrastruktur … 2600 Überwiegen wird der Energieverbrauch im Verkehr von der Masse bestimmt ( kWh/t Masse) Z.B. können durch eine Stahlleichtbau bis PJ Primär /a bei PKWs eingespart werden (7%) PJ Primär /a bei PKWs eingespart werden (10%) Endenergieverbrauch 2006: 9150 PJ Endenergieverbrauch der 16 energierelevantesten Werkstoffe: 2800 PJ

9 Seite 9 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

10 Seite 10 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

11 Seite 11 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

12 Seite 12 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

13 Seite 13 Primärenergievergleich der beiden Leichtbauvarianten mit dem Szenario Frozen Jahr Primärenergieverbrauch [PJ] Frozen Stahl Aluminium Materialeffizienzstrategien im Automobilsektor

14 Seite 14 Gegenüberstellung der Sekundärmenge an Aluminium aus dem PKW- Recycling zur Sekundäraluminiumnachfrage bei der PKW-Produktion Materialeffizienzstrategien im Automobilsektor

15 Seite 15 Öffentliche F&E-Energieförderung - Leichtbau F&E-Themen Interessant auch Verbundwerkstoffe, Smart Materials, Nanokomposite, Aerogele, Strukturkeramiken, Bionek -> Weitere Schwerpunktsetzung steht noch aus

16 Seite 16 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

17 Seite 17 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.

18 Seite 18 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 GWh therm ) 2. Abwärme Hygienepapier 5 GWh therm /a bei der Trocknung (Produktion von t/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

19 Seite 19 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 in Frankfurt, 11 Teilnehmer

20 Seite 20 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.

21 Seite 21 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

22 Seite 22 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

23 Seite 23 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 PJ el /a (Pumpen, Kläranlagen) Haushalte: 300 PJ therm /a zur Warmwasserbereitung

24 Seite 24 Möglichkeiten der energetischen und stofflichen Wiederverwendung 1) Niedertemperaturabwärmenutzung aus Abwasser Potential 2050: 20…30 PJ therm /a (Aufwand 5…8 PJ el /a) 2) Vergärung der organischen Bestandteile, Nutzung des Biogases (Synergien mit Biotechnologie, Abfallwirtschaft, Landwirtschaft) Potential 2050: 30…50 PJ prim /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 PJ el /a (problematisch bei hohen Schadstoffgehalten (ggf. Elimination))

25 Seite 25 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 Seite 25

26 Seite 26 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 Seite 26

27 Seite 27 Weitere Technologien Untersuchung von weiteren Abwämenutzungstechnologien ORC-Prozess Stirling-Motor Kalina-Prozess Industrielle Großwärmepumpe Wärmedämmung Wärmeerzeugungstechnologien


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