Fernwärme als Brücke zwischen erneuerbarer Energie und fossilen Energieträgern ALEXANDER WOKAUN Paul Scherrer Institut, Villigen

Wege zur Realisierung von Klimaschutzzielen Fernwärme als Brücke zwischen erneuerbarer Energie und fossilen Energieträgern Wege zur Realisierung von Klimaschutzzielen Nachfrageseitige Massnahmen, Energiedienstleistungen Effizienzsteigerung ; Wasserstoff als Energieträger Substitution durch Erneuerbare Energien Rolle der Fernwärme  Schlussfolgerungen

Nachfrageseitige Massnahmen Erbringen äquivalenter Dienstleistung mit drastisch verringertem Einsatz an Endenergie gut isolierte Häuser (Minergie P)  80% weniger Heizenergie öffentlicher Verkehr, Car sharing Leichtfahrzeuge Recycling, Steigerung der Material- und Nutzungseffizienz  ohne nachfrageseitige Massnahmen ist ein nachhaltiges Energiesystem nicht realisierbar !

Effizienzsteigerung: Beispiel Kraftwerke 70 60 50 40 30 20 10 Efficiency (%) Combined cycle Steam turbine plant Gas turbine Oil crisis 1900 1920 1940 1960 1980 2000 2020  erst Wärmenutzung steigert den Wirkungsgrad auf über 80% !

Substitution durch Erneuerbare Energien keine Option ist verzichtbar ! Windelektrizität; Geothermie Solarthermische Elektrizität und Photovoltaik Solarchemische Produktion von Wasserstoff Biomassenutzung  Beiträge zum globalen Energieverbrauch je 10 – 25% möglich

Biomassenutzung in der Schweiz Gegenwärtiger Stand, Zukunft und Potential 180 Primärenergie [PJ] 180.0 170 160 Heute Zukunft Potential 150 140 130 120 110 100 90 85.0 78.6 80 70 60 55.0 50 43.7 40.9 40 29.3 33.0 30 17.7 23.0 20 6.0 10 4.6 0.1 0.0 0.4 3.2 0.1 0.6 Holz NWR Abfälle Ernterückstände und Hofdünger Landschaftspflege Gesamte Biomasse 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)

Projekt ECOGAS Waldwirtschaft Landwirtschaft Abfallwirtschaft Gas Strom Treibstoffe Wärme Biomasse Vektor Produkte Technologien? Kosten? Eco-Efficiency? Märkte?

Thermische Vergasung von Biomasse Thermische Vergasung bei 900 C mit Dampf / CO2in Luft-Unterschuss Thermische Vergasung von Biomasse Nassoxidation ( hydrothermale Vergasung ) bei 300 bar, 400 C

Holz zu Methan: Verfahrensschritte Vergaser 1000 NH3 [ppm] 0.3 KW [%] 2.6 C2H4 [%] 10.3 CH4 [%] 21.5 CO2 [%] 25.3 CO [%] 38.5 H2 [%] Gaszusammensetzung Güssing Gasreinigung Kompression Methanierung Aufbereitung CH4 CO2

Methanisierungsversuche an der Biomasse-Vergasungsanlage in Güssing (A) Biomasse-Heizkraftwerk Güssing Pilotanlage 8 MWth 2.5 MWel Quelle: TU Wien AE-Babcock Borsig Power http://www.ficfb.at/

Methan aus Synthesegas: Katalysator-Langzeittests Thermische Leistung 10 kW, 5 bar Druck, Wirbelschichttechnik CO + 3 H2 Þ CH4 + H2O CO + H2O Þ H2 + CO2 2 CO + 2 H2 Þ CH4 + CO2 H2 / CO - Verhältnis von Holzvergasern: 0,8 .... 1,8 Güssing: 1,5 Stand 13.5.03, Güssing A Erreichte Betriebszeit 2004: 400 h; Problem organische Schwefelverbindungen

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

Wasserstoff als Energieträger Kernfragen Herstellung aus CO2 – freien Primärenergien Verteilung Speicherung und sichere Handhabung effiziente Nutzung  Analyse der vollständigen Energieketten ist erforderlich !

Wasserstoffproduktion aus fossilen Energieträgern H2O H2 O2 Wärme (900°C) H2 H--C--H Reformierung C

Wasserstoffproduktion durch Elektrolyse Strom H2O H2 O2 Elektrolyse  Kernfrage: Herkunft des Stroms? Was wird durch H2 ersetzt ?

Thermochemische Zyklen: ohne teuren Umweg über den Strom zum Ziel? Wärme (1000-2000°C) H2 H2O H2 Thermochemische Zyklen H2O O2

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)

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

Stabilisation von mageren Vormischflammen durch Wasserstoffbeimischung Zumischen von Wasserstoff zum Hauptbrennstoff (meist Erdgas) H2 Wasserstofferzeugung in situ durch partielle Oxidation durch Dampfreformierung durch Wasserelektrolyse Lokale Injektion in die Flammenzone  Die Stabilisierung extrem magerer Gemische ermöglicht weitere Stickoxidminderung der Gasturbine bei hoher Effizienz.

Wasserstoffanwendung in Verbrennungsmotoren Pumpe Benzin- 90% Tank Partial- oxidation p=1 bar 10% Verbrennung von reinem Wasserstoff in Ottomotor steigert den Wirkungsgrad (vom Tank zum Rad) Beispiel: europäischer Fahrzyklus (ECE) Benzin: 18 % Wasserstoff: 25 % Solange keine Wasserstoffinfrastruktur verfügbar ist, kann Teilrefomierung im Fahrzeug sinnvoll sein.

Teilreformierung von Benzin im Fahrzeug: Wirkungsgrad +14% l = 1, ohne Abgasrückführung Wirkungsgrad +14% (Entdrosselung, schnel- lere und vollständigere Verbrennung) mager (l – Grenze), max. Abgasrückfü. Wirkungsgrad +34% (starke Entdros- selung, geringere Wärmeverluste, vollständige Verbrennung) +34% 2000rpm-2bar

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

Dezentraler Energiehub zentrales Elektrizitätsnetz dezentraler Produzent Energy hub Biomasse Wasserstoff Wärme- verbraucher Strom- verbraucher Treibstoff- verbraucher Hub auf Stufe Gemeinde / Quartier / Überbauung, typische Grössenordnung: 1 MW

Schlussfolgerungen Ein Portfolio von Massnahmen (Dienstleistungen, Effizienz- steigerung, Substitution) ist notwendig  keine "Silberkugel" Trend zu leitungsgebundenen Energieträgern (Elektrizität, Wärme, Erdgas, Biogas, Wasserstoff) Biomasse besitzt für die Schweiz ein hohes Potential Dezentrale Erzeugung von Wasserstoff in "Energy Hubs" erst durch Wärmenutzung wird Effizienzpotential ausgeschöpft  Fern- und Nahwärmenetze haben eine essentielle Funktion als Brücke zwischen fossilen und erneuerbaren Energien.