Bereit für die Energiewende? Mit Wasserstoff in die Zukunft.

Übersicht Energiewirtschaft und Energiewende heute Zweifel und Probleme Machbarkeit der Energiewende Warum wir Wasserstoff brauchen Die Vision einer Wasserstoffwirtschaft Zusammenfassung

Heutige Energieversorgung Verlust Stromspeicher Solar Zentrale Großkraftwerke Solar Strom Stromnetz Wind Solar Biomasse Warmwasser Raumwärme Heizenergie-träger Heizöl Erdgas Heizung

Notwendigkeit der Energiewende Klimawandel Ressourcenknappheit Abhängigkeit von Importen Energiewende: 100% Erneuerbare Energien

Machbarkeit der Energiewende technisch und wirtschaftlich

Globales Szenario: 100 % erneuerbare Energien Einsparungen + Effizienzmaßnahmen

Kosten der konventionellen Energien Forschungsausgaben und Subventionen Gesellschaftliche Kosten Anpassung an den Klimawandel Belastung des Gesundheitssystems Kernenergie: Rückbau und Endlagerung

Kosten der erneuerbaren Energien 10 Jahre Quelle: Zentrum für Solar und Wasserstoffforschung, aus Energiekonzept 2050 FVEE, 2010 Verzerrte Darstellung, großer Sprung durch 10 Jahre… Relative Mehrkosten! Netzausbau und Stromspeicher vernachlässigt, Kosten jedoch verhältnismäßig gering, nach Netzausbauplan in den nächsten Jahren 20 Mrd. € + Speicher, jedoch auf Jahre verteilt gering 1-2 Mrd. Ausbau der EE verursacht zunächst Mehrkosten Jahresspezifische Betrachtung: Max. der Mehrkosten wird bereits 2015 erreicht: ca. 17 Mrd. € Relative Betrachtung: dies sind lediglich 8% der Gesamtausgaben für Energie in Deutschland, die sich bezogen auf Endenergie auf 212 Mrd. €/a belaufen d. h. KEINE erheblichen Kostensteigerungen durch EE relative Minderkosten im Jahr 2030: ca. 8%, 2040: 28%, 2050: 50% Quelle: Zentrum für Solar und Wasserstoffforschung

Problem der Energiewende Verbraucher Verbraucher Konventioneller Erzeuger fluktuierend regelbar Verbraucher Stromnetz Erneuerbarer Erzeuger fluktuierend kontrolliert Erneuerbarer Erzeuger Wenn man sich die Animationen dazu anschaut, ist es leichter zu verstehen ;) Wir haben heute ein Stromnetz. Aus diesem Stromnetz möchten wir als Verbraucher bei Bedarf Strom „entnehmen“. Damit wir Strom bekommen können, muss die Stromproduktion dem Verbrauch genau angepasst sein. Heute ist es so, dass wir konventionelle Kraftwerke (z.B. Kohle- oder Atomkraftwerke) benutzen. Deren Stromproduktion können wir an unseren Verbrauch anpassen. Im Zuge der Energiewende sollen mehr und mehr konventionelle Kraftwerke durch Kraftwerke, die regenerative Energiequellen nutzen, ersetzt werden (z.B. Windräder, Solaranlagen etc.) Daraus ergeben sich 2 Probleme: (s. Fragen auf Folie); Diese können durch einen massiven Netzausbau behoben werden (-> Große Kosten etc. ? Und keine Möglichkeit zu saisonalen Speicherung) oder durch Stromspeicher. Speicher saisonal langfristig Erneuerbarer Erzeuger Wie werden Verbrauch und Erzeugung in Einklang gebracht?

Zusammenfassung des Fluktuationsproblems Mögliche Lösung Massiver Netzausbau Speicherausbau Break-Even-Point zwischen Netz- und Speicherausbau Nachteile des Netzausbau nur begrenzt sinnvoll (Großwetterlagen) hohe Infrastrukturkosten/aufwendiges Lastmanagement Erneuerbare Energien von Natur aus dezentral Lösungen in der heutigen Strominfrastruktur gedacht

Die Wasserstoffwirtschaft Wie eine Vision Wirklichkeit wird! Speicher/Netz Diskussion in H2 Wirtschaft ganz anders! ! !

Wasserstoffnutzung stationär mobil Heutiges Energiesystem - Probleme Bild Kraftwerk: http://www.flickr.com/photos/joesaar/1224927162/ Bild Leitungen: http://www.flickr.com/photos/sjalex/364568738/

Brennstoffzellenheizung Produktion von Strom und Wärme etwa im Verhältnis 1:1 Im Sommer ist das Verhältnis von Warmwasser- zu Strombedarf etwa 40:60. Brennstoffzelle Wärme Strom Platinproblem erwähnen Zu BZ: HTPEM/PEM elektrischer Wirkungsgrad ca. 60% abhängig vom Lastbereich Leistungsbereich bis 250 kW Größe der Brennstoffzelle im Haus, Heutige Verfügbarkeit! Bilderquellen: Haus: wikimedia BZ: Tetzlaff Heizung: http://www.flickr.com/photos/w3p706/3263399381/ PC: http://www.flickr.com/photos/kansirnet/2056634863/ Prinzip der BZ: http://de.wikipedia.org/w/index.php?title=Datei:Brennstoffzelle_funktionsprinzip.png&filetimestamp=20100415231409 H2O H2

Brennstoffzellenfahrzeuge hoher Komfort Elektromotor Brennstoffzelle und Wasserstoffdrucktank Bremsenergierückgewinnung Mercedes F-Cell, 700 Bar Tank, 400 km Vorweg: Tankdauer beträgt mittlerweile ca. 3 min Prinzip: Brennstoffzelle wandelt H2 in Strom und Wärme, wodurch der eingebaute Elektromotor der das Fahrzeug antreibt betrieben wird. - Möglichkeit der Bremsenergierückgewinnung durch Nutzung des Elektromotors als Generator – Die Energie, die beim Bremsen frei wird, kann in Akkus gespeichert werden und danach z.B. zum Anfahren genutzt werden. 3 Beispiele für Prototypen die bereits im Straßenverkehr getestet werden: 1. Mercedes F-Cell - 700 Bar Tank - 400 km Reichweite 2. Toyota - 700 Bar Tank - 800 km Reichweite → beide Fahrzeuge haben Tank im Unterboden – keine Einschränkung im Kofferaumbereich, sowie hervorragendes Fahrverhalten durch niedrig liegenden Tiefpunkt 3. Van Hool Busl - 350 Bar Tank - 350 km Reichweite Van Hool Reichweite: http://www.greencarcongress.com/2007/05/van_hool_utc_po.html Tankdruck: http://www.vanhool.be/Home%20EN/coaches%20&%20buses/public%20transport/alternative%20drive%20systems/Resources/folderFuelCell.pdf Toyota FCHV, 700 Bar Tank, 800 km Van Hool, 350 Bar Tank, 350 km

Wasserstofftransport und Speicherung Heutiges Energiesystem - Probleme Bild Kraftwerk: http://www.flickr.com/photos/joesaar/1224927162/ Bild Leitungen: http://www.flickr.com/photos/sjalex/364568738/

Wasserstofftransport Stromnetz Gasnetz Verluste ca. 6% Verluste < 0,1% verbrauchsabhängige Erzeugung nötig Speichermöglichkeit 600 MW-Leitung, 110kV: 1,2 Mio. €/km 600 MW-Leitung: 0,5 Mio. €/km Netzentgelt 2011: 5,06 Ct/kWh Netzentgelt 2011: 1,42 Ct/kWh 1,2 Mio und 0,5 Mio  Tetzlaff neue Datennetzentgelt 6 % Verluste im Stromnetz, steht bei Wiki mit Verweis auf einen nicht mehr funktionierenden Link zu: ↑ Monatsbericht über die Elektrizitätsversorgung Statistischen Bundesamts, Wiesbaden, Stand 4. Quartal 2008 Stromnetz (Verluste bis 15% auf 1000 km)2 2 Bund der Energieverbraucher, HGUE_170907.pdf Netzausbau: In den nächsten 10 Jahren: 40 Mrd. € Netzaus- und Umbau: ca. 10 Mrd. €

Wasserstofftransport Sicherheit Wasserstoff ist hochflüchtig. Wasserstoff verbrennt mit geringer Strahlungshitze. Geruchsmittel/Sensoren für Wasserstoff

Wasserstofftransport Umnutzung des heutigen Erdgasnetzes Strategiepapier des „Strategiekreis Wasserstoff des Bundesministeriums für Wirtschaft und Arbeit“: "Für eine zukünftige Wasserstoff-Energiewirtschaft […] ein Verteilnetz zu betreiben, das […] zu einem größeren Teil durch Umwandlung von dann nicht mehr benötigten Erdgasleitungen entstünde. “ TÜV Süd, Website: „[…] ein Pipelineverteilnetz aufzubauen, welches im Prinzip unseren heutigen Erdgasleitungen entspricht. So könnte einmal jedes Haus mit Wasserstoff statt Erdgas versorgt werden.“ „Weltweit werden rund 1000 Kilometer Wasserstoff-Pipelines betrieben.“ Auszug aus dem „Strategiepapier zum Forschungsbedarf in der Wasserstoff-Energietechnologie“ des „Strategiekreis Wasserstoff des Bundesministeriums für Wirtschaft und Arbeit“ (Forschungsbericht Nr. 546): "Für eine zukünftige Wasserstoff-Energiewirtschaft ist es denkbar und nahe liegend, für Wasserstoff ebenso wie für Erdgas ein Verteilnetz zu betreiben, das zu einem geringen Teil durch Neubau und zu einem größeren Teil durch Umwandlung von dann nicht mehr benötigten Erdgasleitungen entstünde. Aufgrund der geringeren Dichte von Wasserstoff im Vergleich zu Erdgas wären allerdings besondere Vorkehrungen bezüglich der Dichtigkeit von Leitungen und Apparaturen zu treffen."

Wasserstoffspeicherung Flüssig- oder Druckspeicher marktreif Langzeitdruckspeicher in Salzkavernen Erfahrung mit Stadtgas (H2-Anteil >50%) Erfahrung mit reinem H2 für chemische Industrie Leckageverlust ca. 0,015 % p.a. Kapazitäten Untertagespeicher: 73 TWh H2 Wasserstoff-Speicherung in Salzkavernen zur Glättung des Windstromangebots F. Crotogino und R. Hamelmann KBB Underground Technologies GmbH, Baumschulenallee 16, D-30625 Hannover, und Kompetenzzentrum für Wasserstoff- und Brennstoffzellentechnologie, Fachhochschule Lübeck, Mönkhofer Weg 239, 23562 Lübeck. Gasspeicher Ausbau geplant

Salzkavernenspeicher

Wasserstoffspeicherung Speichervolumen: 8.000.000 m3 Pumpspeicherkraftwerk Druckluftspeicherkraftwerk (adiabat) Wasserstoffspeicher und Brennstoffzelle Leistung in MW Druckluft Wasserstoff, zentral verstromt Pumpspeicher „Als Speichervolumen wurde einheitlich ein Wert von 3 Mio. m³ angenommen. Zum Vergleich: Das größte und modernste deutsche Pumpspeicherkraftwerk in Goldisthal verfügt über ein geometrisches Speichervolumen von ca. 12 Mio. m³, der Erdgas-Kavernenspeicher, Nüttermoor, einer der großen deutschen Speicher, verfügt über ein geometrisches Volumen von ca. 7,5 Mio. m³.“ [6] Abb. 4 zeigt die verschiedenen abgeschätzten Energiemengen bzw. Speicherkapazitäten der 3 Mio. m³ Speicher im Kontext mit der prognostizierten bzw. der tatsächlichen Windenergie-Leistung für einen zufällig ausgewählten Monat im Jahr 2007 im Übertragungsnetz der E.ON Netz AG:“ [7] Wie die Abbildung zeigt, sind Luft- und Pumpspeicher nur für einen kurzfristigen Ausgleich von Prognoseabweichungen geeignet und sind weit entfernt von einem Ausgleich über mehrere Tage. „Erst der Wasserstoffspeicher verfügt über eine Kapazität, die im gewählten Beispiel die innerhalb des Monats erzeugten Windenergieeinspeisung übertrifft; erst bei Speicherkapazitäten dieser Größenordnung ist an eine längerfristige Vergleichmäßigung der fluktuierenden Windenergie- Leistung zu denken. Hiermit könnte z.B. der Anteil an fossilen Schattenkraftwerken reduziert werden, die als Backup für die Windkraftwerke eingesetzt werden müssen.“ [8] Akku-Elektrofahrzeuge Potential: alle 45 Mio. PKW Speicherleistung von 10 kWh  nur 0,46 TWh Gasnetz + Untertagespeicher = 217 TWh Endenergieverbrauch Deutschland: 2.413 TWh, Brutto-Stromerzeugung: 614,5 TWh Zeit in Tagen Quelle: KBB Underground Technologies GmbH

Wasserstoffproduktion Elektrolyse Biomassevergasung Heutiges Energiesystem - Probleme Bild Kraftwerk: http://www.flickr.com/photos/joesaar/1224927162/ Bild Leitungen: http://www.flickr.com/photos/sjalex/364568738/

Elektrolyse Wasser  Wasserstoff + Sauerstoff 2 H2O  2 H2 + O2 Wirkungsgrad ist spannungsabhängig 1,42 V: nahe 100% Wirkungsgrad Strom Lurgi Druckelektrolyseur (30bar) mit einer Leistung von 2,3 MW Wirkungsgrad: 65%-70% Hi 1. Verfahren der Wasserstoffproduktion: Elektrolyse Elektrische Energie der erneuerbaren Energien z.B. Wind können wie folgt eingebunden werden: Wasser wird durch diese elektrische Energie in H2 und O gespalten Wasserkreislauf - in Brennstoffzelle Rückprozess Technik vorhanden: Beispiel Elektrolyseur: Druckelektrolyseur Leistung von 2,3 MW (Quelle: Prospekt Giovanola) auf den Brennwert bezogen: 75%- 81% Wirkungsgradpotenzial: bis zu 85% Quelle für heutige Wirkungsgradangabe (System-Energiebedarf auf Wirkungsgrad umgerechnet): QUELLE:NOW-Studie „Stand und Entwicklungspotenzial der Wasserelektrolyse zur Herstellung von Wasserstoff aus regenerativen Energien“ Kurzfassung des Abschlussberichts Tom Smolinka, Martin Günther (Fraunhofer ISE) Jürgen Garche (FCBAT)

Elektrolyse Wirtschaftlicher Wirkungsgrad abhängig von den Stackkosten Produktionsmenge NOW Studie heute 40-66,7 % (Hi) Wirkungsgrad langfristig 52,6-73 % (Hi) Lurgi Druckelektrolyseur (30bar) mit einer Leistung von 2,3 MW Wirkungsgrad: 65%-70% Hi

Herstellung von Wasserstoff aus Synthesegas Biomassevergasung Vergasung Synthesegas: H2 + CO + CO2 + H2O Biomasse Sauerstoff Produktionsdruck bis zu 70bar Effizienz: 75% - 84% (feucht) Mineraldünger C Gasreinigung O Shift-Reaktion Herstellung von Wasserstoff aus Synthesegas H 2. Verfahren der Wasserstoffproduktion: Biomassevergasung Biomassevergasung: vergleichbar mit Verbrennung mit gedrosselter Sauerstoffzufuhr Grafik: 1. Ausgangsstoffe: feuchte Biomasse (Energiepflanzen, Reststoffe) und O 2. Im Steam-Reformer: Herstellung von Synthesegas (ca. 50% H2, 40% CO, 10% CO2) durch Biomassevergasung Stadtgas: bis 1980 im Rohrnetz, durch Kohlevergasung hergestellt, ähnliche Zusammensetzung wie Synthesegas aus Biomasse 3. Gas wird gereinigt 4. Mineraldünger fällt ab - Nährstoffkreislauf 5. Im Shiftreaktor: Synthesegas → CO2 + H2 6. Trennung der Gase in Druckwechseladsorptionsanlage 6. Endprodukte: H2 und CO2 - CO2-Kreislauf Wirkungsgrad wird im Bereich 72 – 93 % beziffert nachfolgend wird 78% angenommen (heute alle Kraftwerke: ca.30%, Autos: 25%, Moderne Kraftwerke: 43%, Gas und Dampfkraftwerk 60%) Gesamtwirkungsgrad des heutigen Systems – allerhöchstens 40 % Gesamteffizienz = Effizienz der Wasserstofffabrik * Effizienz der Brennstoffzellenheizung = > 78 % * 115,4 % = 90 % O Trennung H2 H CO2

Biomasse in einer Wasserstoffwirtschaft Reststoffe und Energiepflanzen aller Art nutzbar Ökologischer Anbau nach Prof. Scheffer möglich Roggen und Wintererbsenmischkultur

Vergleich der Effizienz verschiedener Biomassenutzungsarten Kraftstoffnutzung Stromnutzung Gasmotor bzw. BZ bei Verstromung Hektarenergieertrag ca. doppelt so groß wie bei Biogas Quellen: FNR Siemens Wettberwerb Verbrennungsmotor Brennstoffzelle

Wasserstoffwirtschaft Systemüberblick Wasserstoffwirtschaft

Hausbrenn-stoffzelle Heizung Warmwasser Nahwärmenetz Speicher Biomasse Reststoffe Anbau Brennstoffzellen- Heizkraftwerk Vergasung Hausbrenn-stoffzelle H2 -Gasnetz Wind Elektrolyseur Steckdose BZHKW erklären Lokale Stromnetze Solar

Kosten einer Wasserstoffwirtschaft

Zukünftige Energiepreise Endkundenpreise Bio-H2: 3-6 Cent/kWh Elektrolyse-H2: 8-10 Cent/kWh Heute (ohne Steuern) Erdgas: 6 Cent/kWh Strom: 12 Cent/kWh Elektrolysewasserstoff Erste Anlagen Prognose Preise Quellenangaben! Datenquellen: DLR, Tetzlaff, eigene Berechnungen

Qualitative Kostenbetrachtung Doppelnutzen der Brennstoffzellenheizung Kosten auf heutigem Niveau Massenproduktion Übergangsphase: Stabilisierung des Stromnetzes Verzicht auf Stromnetzausbau Dezentrale Verstromung Vollständige Wärmenutzung Weiternutzung Gasnetz kein Neubau von z.B. Nahwärmenetzen Wegfall der Strominfrastruktur ?

Zusammenfassung

Zusammenfassung Die Energiewende ist technisch und wirtschaftlich machbar. Wasserstoff ist das ideale Speicher- und Transportmedium. Die Energiewende kann mithilfe von Wasserstoff optimiert werden.

Bereit für die Energiewende? Mit Wasserstoff in die Zukunft. Fragen & Diskussion

Wasserstofftransport Diffusion extrem geringe Diffusionsrate in Metalle Versprödung Beschleunigung der Spannungsrisskorrosion bei ferritischen Stählen andere Materialien (z. B. Austenitische Stähle) können verwendet werden Korrosion Diffusion Dauer für messbare Konzentration außen: mehrere Jahrtausende "Da das Wasserstoffmolekül so klein ist, hat das Gas tatsächlich eine hohe Neigung zur Diffusion, auch in Festkörpern. Für metallische Umschließungen (Gasflaschen) ist das allerdings ein Effekt von rein akademischem Interesse. Bis sich eine nennenswerte Menge Gas draußen ansammeln kann, dürften mehrere Jahrtausende vergehen. Auch bei Behältern aus faserverstärktem Polymerwerkstoff sind die Raten so klein, dass keine Zündgefahr auftreten kann. Hier kann allerdings über längere Zeit hinweg ein durchaus merklicher Gasverlust eintreten." Versprödung " [...] Der Wasserstoff beschleunigt bei diesen Metallen die Spannungsrisskorrosion. Anfällig sind vorwiegend Metalle mit einem kubisch-raumzentrierten Gitter (etwa ferritische Stähle), wogegen Metalle mit einem kubisch-flächenzentrierten Gitter (austenitische Stähle, Aluminiumlegierungen, Nickel) nicht nennenswert angegriffen werden. Auch die Werkstoffe der zuerst genannten Gruppe können verwendet werden, wenn man durch geeignete Gestaltung der Werkstücke die darin auftretenden Spannungen unterhalb einer bestimmten Schwelle hält und wenn man durch Oberflächenbeschichtung usw. das Auftreten von Anrissen unterdrückt."

Brennstoffzellenheizung Produktion von Strom und Wärme etwa im Verhältnis 1:1 Im Sommer ist das Verhältnis von Warmwasser- zu Strombedarf etwa 40:60. Zu BZ: HTPEM/PEM elektrischer Wirkungsgrad ca. 60% abhängig vom Lastbereich Leistungsbereich bis 250 kW Größe der Brennstoffzelle im Haus, Heutige Verfügbarkeit! Bilderquellen: Haus: wikimedia BZ: Tetzlaff Heizung: http://www.flickr.com/photos/w3p706/3263399381/ PC: http://www.flickr.com/photos/kansirnet/2056634863/ Prinzip der BZ: http://de.wikipedia.org/w/index.php?title=Datei:Brennstoffzelle_funktionsprinzip.png&filetimestamp=20100415231409