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Alexander Wokaun 13. Januar 2005 Fernwärme als Brücke zwischen erneuerbarer Energie und fossilen Energieträgern ALEXANDER WOKAUN Paul Scherrer Institut,

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1 Alexander Wokaun 13. Januar 2005 Fernwärme als Brücke zwischen erneuerbarer Energie und fossilen Energieträgern ALEXANDER WOKAUN Paul Scherrer Institut, Villigen

2 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

3 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

4 Alexander Wokaun 13. Januar 2005 Folie 4 Effizienzsteigerung: Beispiel Kraftwerke Efficiency (%) Combined cycle Steam turbine plant Gas turbine Oil crisis erst Wärmenutzung steigert den Wirkungsgrad auf über 80% !

5 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

6 Alexander Wokaun 13. Januar 2005 Folie 6 Biomassenutzung in der Schweiz Gegenwärtiger Stand, Zukunft und Potential Holz NWR Landschaftspflege Ernterückstände und Hofdünger Abfälle Gesamte Biomasse Primärenergie [PJ] HeuteZukunftPotential 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)

7 Alexander Wokaun 13. Januar 2005 Folie 7 Projekt ECOGAS Waldwirtschaft Landwirtschaft Abfallwirtschaft Gas Strom Treibstoffe Wärme BiomasseVektorProdukte Technologien? Kosten? Eco-Efficiency? Märkte?

8 Alexander Wokaun 13. Januar 2005 Folie 8 Thermische Vergasung von Biomasse Nassoxidation ( hydrothermale Vergasung ) bei 300 bar, 400 C Thermische Vergasung bei 900 C mit Dampf / CO 2 in Luft-Unterschuss

9 Alexander Wokaun 13. Januar 2005 Folie 9 Holz zu Methan: Verfahrensschritte Vergaser Gasreinigung KompressionMethanierung Aufbereitung CH 4 CO NH 3 [ppm] 0.3KW [%] 2.6C 2 H 4 [%] 10.3CH 4 [%] 21.5CO 2 [%] 25.3CO [%] 38.5H 2 [%] Gaszusammensetzung Güssing

10 Alexander Wokaun 13. Januar 2005 Folie 10 Methanisierungsversuche an der Biomasse-Vergasungsanlage in Güssing (A) Biomasse-Heizkraftwerk Güssing Pilotanlage 8 MW th 2.5 MW el Quelle: TU Wien AE-Babcock Borsig Power

11 Alexander Wokaun 13. Januar 2005 Folie 11 CO + 3 H 2 CH 4 + H 2 O 2 CO + 2 H 2 CH 4 + CO 2 H 2 / CO - Verhältnis von Holzvergasern: 0, ,8 Güssing: 1,5 CO + H 2 O H 2 + CO 2 Stand , Güssing A Erreichte Betriebszeit 2004: 400 h; Problem organische Schwefelverbindungen Methan aus Synthesegas: Katalysator-Langzeittests Thermische Leistung 10 kW, 5 bar Druck, Wirbelschichttechnik

12 Alexander Wokaun 13. Januar 2005 Folie 12 novatlantis – Grossprojekt ECOGAS – Mobilität 1 Mt Holz pro Jahr, umgesetzt in 6 Anlagen à 100 MW, ersetzt 4% Treibstoff 20 MW Produktions- anlage Methan aus Holz Holz- inventar + 1 Mt/a Absatz im Trans- port- sektor 2 MW Pilot- anlage Konzept Wald- besitzer Holzge- winnung Logistik ECO- GAS CH-weit CEV Lang- zeittests Methani- sierung Proof of concept 10 kW System- opti- mierung EMPA PSI WSL

13 Alexander Wokaun 13. Januar 2005 Folie 13 Wasserstoff als Energieträger Kernfragen Verteilung Herstellung aus CO 2 – freien Primärenergien Analyse der vollständigen Energieketten ist erforderlich ! Speicherung und sichere Handhabung effiziente Nutzung

14 Alexander Wokaun 13. Januar 2005 Folie 14 H2OH2O H2H2 H2H2 O2O2 H2OH2O Wärme (900°C) Wasserstoffproduktion aus fossilen Energieträgern H--C--H H2H2 C Reformierung

15 Alexander Wokaun 13. Januar 2005 Folie 15 Wasserstoffproduktion durch Elektrolyse H2OH2O H2OH2O H2H2 H2H2 O2O2 Strom Elektrolyse Kernfrage: Herkunft des Stroms? Was wird durch H 2 ersetzt ?

16 Alexander Wokaun 13. Januar 2005 Folie 16 Thermochemische Zyklen: ohne teuren Umweg über den Strom zum Ziel? H2OH2O H2OH2O Wärme ( °C) Thermochemische Zyklen H2H2 H2H2 O2O2

17 Alexander Wokaun 13. Januar 2005 Folie 17 Möglichkeiten der Wasserstoffverteilung Schiff (flüssig) Pipeline (gasförmig, 0,5-30 bar, Nm 3/ h H 2 ) Kryogenbehälter auf LKW (flüssig, bis zu Nm 3 H 2 ) Flaschenbündeltrailer (gasförmig, bis zu 200 bar, bis zu Nm 3 H 2 )

18 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 H 2, rechts Benzin) nach 5 Sekundennach 1 Minute

19 Alexander Wokaun 13. Januar 2005 Folie 19 Stabilisation von mageren Vormischflammen durch Wasserstoffbeimischung H2H2 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.

20 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%

21 Alexander Wokaun 13. Januar 2005 Folie 21 Teilreformierung von Benzin im Fahrzeug: Wirkungsgrad 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) +34% +14% = 1, ohne Abgasrückführung Wirkungsgrad +14% (Entdrosselung, schnel- lere und vollständigere Verbrennung) = 1, ohne Abgasrückführung Wirkungsgrad +14% (Entdrosselung, schnel- lere und vollständigere Verbrennung)

22 Alexander Wokaun 13. Januar 2005 Folie 22 Brennstoffzellenfahrzeug HY-LIGHT Fahrzeuggewicht 850 kg (4 plätzig + Kofferraum) Beschleunigung km/h< 12 s Reichweite 400 km ( bei 80 km / h ) Verbrauch < 25 kWh / 100 km ( gasförmiger H 2 ) Elektrische Federung und Dämpfung mit erstklassigem Kurvenverhalten High-Tech Elektromotoren im Rad

23 Alexander Wokaun 13. Januar 2005 Folie 23 Dezentraler Energiehub Hub auf Stufe Gemeinde / Quartier / Überbauung, typische Grössenordnung: 1 MW Energy hub zentrales Elektrizitätsnetz Biomasse Wärme- verbraucher Treibstoff- verbraucher Wasserstoff dezentraler Produzent Strom- verbraucher

24 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


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