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Fernwärme als Brücke zwischen erneuerbarer Energie und fossilen Energieträgern

Fernwärme als Brücke zwischen erneuerbarer Energie und fossilen Energieträgern ALEXANDER WOKAUN Paul Scherrer Institut, Villigen. Fernwärme als Brücke zwischen erneuerbarer Energie und fossilen Energieträgern. Wege zur Realisierung von Klimaschutzzielen.

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Fernwärme als Brücke zwischen erneuerbarer Energie und fossilen Energieträgern

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

  2. 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

  3. 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 !

  4. 70 60 50 40 30 20 10 0 Oil crisis Combined cycle Steam turbine plant Gas turbine Efficiency (%) 1900 1920 1940 1960 1980 2000 2020 Effizienzsteigerung: Beispiel Kraftwerke  erst Wärmenutzung steigert den Wirkungsgrad auf über 80% !

  5. 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

  6. 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 85.0 90 78.6 80 70 55.0 60 43.7 50 40.9 33.0 29.3 40 30 23.0 17.7 20 6.0 4.6 3.2 10 0.4 0.6 0.1 0.0 0.1 0 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)

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

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

  9. Methanisierungsversuchean der Biomasse-Vergasungsanlage in Güssing (A) • Biomasse-Heizkraftwerk Güssing • Pilotanlage • 8 MWth • 2.5 MWel Quelle: TU WienAE-Babcock Borsig Power http://www.ficfb.at/

  10. Methan aus Synthesegas: Katalysator-LangzeittestsThermische Leistung 10 kW, 5 bar Druck, Wirbelschichttechnik Þ CO + 3 H2 + H2O CH4 Þ CO + H2O + CO2 H2 Þ 2 CO + 2 H2 + CO2 CH4 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

  11. novatlantis – Grossprojekt ECOGAS – Mobilität1 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 Methanaus Holz Logistik ECO-GAS CH-weit 2 MW Pilot- anlage Absatz im Trans- port- sektor CEV EMPA System- opti- mierung Proof of concept 10 kW Lang- zeittests Methani- sierung PSI

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

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

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

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

  16. Schiff (flüssig) • Pipeline (gasförmig,0,5-30 bar,350-9 900 Nm3/h H2) • Flaschenbündeltrailer“ (gasförmig, bis zu 200 bar, bis zu 6 000 Nm3 H2) Möglichkeiten der Wasserstoffverteilung • Kryogenbehälter auf LKW (flüssig, bis zu 37 000 Nm3 H2)

  17. Zündfähige Gemische Treibstoff / Luft: Benzin 1 – 7 Vol.%, Zündtemperatur 500 K Wasserstoff 5 – 76 Vol.%, Zündtemperatur 858 K nach 5 Sekunden nach 1 Minute Aussage des TÜV Deutschland:Sicherheitsaspekte des Wasserstoffs beherrschbar Crash von Fahrzeugen mit gleicher Energiemenge (links H2 , rechts Benzin)

  18. H2 Stabilisation von mageren Vormischflammendurch Wasserstoffbeimischung • Zumischen von Wasserstoff zum Hauptbrennstoff (meist Erdgas) • 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.

  19. Pumpe Wasserstoffanwendung in Verbrennungsmotoren 90% Benzin- 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.

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

  21. 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 Brennstoffzellenfahrzeug HY-LIGHT

  22. Hub auf Stufe Gemeinde / Quartier / Überbauung, typische Grössenordnung: 1 MW Dezentraler Energiehub zentralesElektrizitätsnetz dezentralerProduzent Energyhub Biomasse Wasserstoff Wärme-verbraucher Strom-verbraucher Treibstoff-verbraucher

  23. 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.

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