Stand der Arbeiten – Wasserstoff

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

Energieeffizienz nicht-gebäudebezogen BMWi Energietechnologien 2050 Martin Wietschel, Marlene Arens Frankfurt, 19.03.2009

Stand der Arbeiten – Energieeffizienz nicht-gebäudebezogen • 25% erledigt • Neue Verfahren in der chemisch-biologischen Industrie (Enzyme/ Biokatalysatoren, Biogene Rohstoffe, Abwasser/Trinkwasser-aufbereitung, Trocknungstechnologien, Trennverfahren) • Abwärmenutzung / -verstromung (Thermoelektrika, ORC-Prozess, Kalina-Prozess, Wärmetransformator, Wärmetauscher, Industrielle Großwärmepumpe, Kälte aus Abwärme) • Ressourceneffizienz energieintensiver Materialien (Recycling und Sekundärrohstoffnutzung, Werkstoffsubstitution und neue Materialien, Erhöhung der Materialeffizienz, Verlängerung der Nutzungsdauer und Nutzungsintensivierung; fokussiert auf energieintensive Werkstoffe und Querschnittstechnologien) • Neuartige Verfahren in der energieintensiven Grundstoffindustrie • Energiemanagemen • Elektrische Antriebe • 75% erledigt, bilaterale Expertengespräche stehen z.T. noch aus • 85% erledigt • 75% erledigt • 50% erledigt • 50% erledigt

Ressourceneffizienz energieintensiver Materialien

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

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

Produktionszahlen in t Betrachtete Werkstoffe Auswahl nach absoluten Energieverbrauch und CO2-Relevanz

Relevanz des Themas Leichtbaus Hergestellte Masse (Mio t) Energiewirtschaft Endenergie Verkehr (PJ) Bewegte Masse (Mio. t) Verkehr 128 (163 Mio. t CO₂) Stahl 53 Verkehr ≈ 65 (≈ 180Mio. t CO₂) 2600 Zement 32 Papier 22 Chemische Industrie 16 Glas 4 NE-Metalle 2 Maschinenbau Verpackungen Infrastruktur … Endenergieverbrauch 2006: 9150 PJ Endenergieverbrauch der 16 energierelevantesten Werkstoffe: 2800 PJ • Überwiegen wird der Energieverbrauch im Verkehr von der Masse bestimmt (11 000 kWh/t Masse) • Z.B. können durch eine Stahlleichtbau bis • 2020 102 PJPrimär/a bei PKWs eingespart werden (7%) • 2030 124 PJPrimär/a bei PKWs eingespart werden (10%)

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

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

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

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

Primärenergievergleich der beiden Leichtbauvarianten mit dem Szenario Frozen 2.000 Frozen Stahl 1.800 Aluminium 1.600 1.400 Primärenergieverbrauch [PJ] 1.200 1.000 800 2000 2002 2004 2006 2008 2010 2012 2014 2016 2018 2020 2022 2024 2026 2028 2030 Jahr • Materialeffizienzstrategien im Automobilsektor

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

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

Stand der Arbeiten – Energieeffizienz nicht-gebäudebezogen • 25% erledigt • Neue Verfahren in der chemisch-biologischen Industrie (Enzyme/ Biokatalysatoren, Biogene Rohstoffe, Abwasser/Trinkwasser-aufbereitung, Trocknungstechnologien, Trennverfahren) • Abwärmenutzung / -verstromung (Thermoelektrika, ORC-Prozess, Stirling-Motor, Kalina-Prozess, Wärmetransformator, Wärmetauscher, Industrielle Großwärmepumpe, Dämmung, solare Prozesswärme) • Ressourceneffizienz energieintensiver Materialien (Recycling und Sekundärrohstoffnutzung, Werkstoffsubstitution und neue Materialien, Erhöhung der Materialeffizienz, Verlängerung der Nutzungsdauer und Nutzungsintensivierung; fokussiert auf energieintensive Werkstoffe und Querschnittstechnologien) • Neuartige Verfahren in der energieintensiven Grundstoffindustrie • Energiemanagement • Elektrische Antriebe • 75% erledigt, bilaterale Expertengespräche stehen z.T. noch aus • 85% erledigt • 75% erledigt • 50% erledigt • 50% erledigt

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.

Abwärmenutzung - Potenziale • Abwärmenutzung Priorisierung: • Nutzung von Abwärme für einen weiteren Wärmebehandlungsprozess • Nutzung von Abwärme zur Heizungsunterstützung • 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 GWhtherm) • 2. Abwärme Hygienepapier 5 GWhtherm/a bei der Trocknung (Produktion von 44.000t/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

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 13.03.2009 in Frankfurt, 11 Teilnehmer

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.

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

F&E-Empfehlungen Thermoelektrik • Betrachtung der Thermoelektrik als Querschnittstechnologie • Erstellen einer Studie über das ungenutzte Abwärmepotential in der Industrie (thermische Leistung, Temperaturniveau, etc.) • Entwicklung eines kostengünstigen thermoelektrischen Materials für Niedertemperaturanwendung bis 100°C • Entwicklung neuer thermoelektrischer Materialien mit folgenden Eigenschaften: Kostengünstig, Industriell herstellbar, geringe Toxizität, hoher Wirkungsgrad über einen breiteren Temperaturbereich als bisher • 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 • Entwicklung eines Verfahrens zur industriellen Herstellung von Thermoelektrischen Generatoren • Fügematerialien zur Verbindung zw. dem thermeoelektr. Material und dem Modul • Systemintegration und Demonstration von Thermoelektrischen Generatoren im kW-Bereich • Messtechnik

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 PJel/a (Pumpen, Kläranlagen) Haushalte: 300 PJtherm/a zur Warmwasserbereitung Seite 23

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

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

Relevanz einer Öffentlichen F&E-Förderung: Siedlungswasserwirtschaft • Schließung von Stoff- und Energiekreisläufen erfordert neue Gesamtkonzepte  Umsetzung innerhalb des Bestands nur langfristig möglichaufgrund 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

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

Stand der Arbeiten – Wasserstoff