Workshop 2007: Wasserstoff aus erneuerbaren Energien - PDF ( 4.5 MB )

ForschungsVerbund Sonnenenergie

Wasserstoff aus erneuerbaren Energien

21.– 22. Mai 2007

Weiterbildungszentrum

Brennstoffzelle Ulm e. V. (WBZU)

Sonnenenergie

Workshop

Wasserstoff aus

erneuerbaren Energien

21.– 22. Mai 2007

Weiterbildungszentrum

Brennstoffzelle Ulm e. V. (WBZU) Helmholtzstraße 6

89081 Ulm

Herausgeber:

Werner Tillmetz

Weiterbildungszentrum Brennstoffzelle Ulm e.V. (WBZU) Gerd Stadermann,

ForschungsVerbund Sonnenenergie (FVS)

FVS ^• Workshop 2007

Veranstalter: Weiterbildungszentrum Brennstoffzelle Ulm e.V.

Inhaltsverzeichnis FVS ^• Workshop 2007

Inhalt

4 Nationales Innovationsprogramm Wasserstoff Brennstoffzelle G. Menzen

16 Strategiepapier zum Forschungsbedarf in der Wasserstoff­Energietechnologie W. Tillmetz

22 Alternative World Energy Outlook (AWEO) – Woher kommt der Wasserstoff?

Eine Analyse der globalen Energiesituation P. Schmidt

38 Wasserstoff aus erneuerbaren Energien – wann ist wie viel möglich und sinnvoll?

F. Musiol

47 Wasserstoff aus Windenergie R. Hamelmann

57 Wasserstofferzeugung: Erfahrungen aus dem CUTE­Projekt K. Stolzenburg

67 Wasserstoff aus Elektrolyse – ein technologischer Vergleich der alkalischen und PEM­Elektrolyse

T. Smolinka

82 Regenerativer Wasserstoff durch thermochemische Konversion biogener Brennstoffe M. Specht

99 Solar thermal Hydrogen Production via Reforming and Thermo­Chemical­Cycles S. Möller

114 Bio­H₂­Erzeugung mit einzelligen Grünalgen O. Kruse

132 Technologischer Status und verbleibende Herausforderungen der Wasserstoffspeicherung U. Eberle

148 Auslegung von Fahrzeug­angepassten H₂­Sorptionsspeichern A. Wörner

161 Die Rolle von technologischen Leitbildern und Visionen in einer Wasserstoff­Wirtschaft:

Gesellschaftliche Handlungskoordination durch strategische Antizipation K. Schäfer

175 Composite­Druckbehältersysteme mit axialen Kraftaufnahmestrukturen zur Wassserstoffspeicherung (CODAK H2)

G. Buttkewitz

177 Schlussfolgerungen und Forschungsperspektiven G. Stadermann / W. Tillmetz

Referentenverzeichnis Teilnehmerverzeichnis

Standorte der Mitgliedsinstitute FVS Anschriften der Mitgliedsinstitute FVS Impressum

Georg Menzen ^• Nationales Innovationsprogramm Wasserstoff und Brennstoffzellen FVS ^• Workshop 2007

Nationales Innovationsprogramm Wasserstoff und Brennstoffzellen

Seit 1990 wird von der Bundesregierung For­

schung und Entwicklung (F&E) zu Wasserstoff und Brennstoffzellen mit hoher Priorität unter­

stützt. Mit dem Zukunftsinvestitionsprogramm (ZIP) konnte die Förderung der Brennstoffzel­

lentechnologien ab 2001 erheblich ausgeweitet werden. Die zusätzlichen Mittel des ZIP ermög­

lichten beispielsweise die realitätsnahe Erpro­

bung der MCFC­Technolgie mit sehr positiven Ergebnissen oder die Beschleunigung der Ent­

wicklungen von PEM­Brennstoffzellen für die Hausenergieversorgung.

2005 wurde die High Tech­Strategie mit der Zielsetzung ins Leben gerufen, u. a. neue

Wachstumsfelder in Spitzentechnologien oder zusätzliche Ausbildungspotenziale zu erschlie­

ßen. Bis 2009 stellt die Bundesregierung Mittel in Höhe von rund 6 Mrd.€ als Beitrag der öffentlichen Hand zur Erreichung des 3 % Anteils von F&E am Bruttosozialprodukt zur Verfügung. Mit diesen Mitteln sollen die Inter­

nationalisierung der Wissenschaft als Teil des europäischen Forschungsraumes voran­

getrieben, die Beteiligung von kleinen und mitt­

leren Unternehmen an den Fachprogrammen ausgebaut und zur Mobilisierung von zusätzli­

chen privaten Mitteln strategische Partnerschaf­

ten mit der Industrie (Public­Private­Partnership) organisiert werden.

G. Menzen

Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie georg.menzen@

bmwi.bund.de

Mittel für Projektförderung 1974–2005

Zukunftsinvestitions­

programm (ZIP) des BMWi

2001–2005

33%

Stationäre (Industrie) – MCFC

Entwicklung und Demonstration von MCFC Anlagen (250 kW) der CFC Solutions GmbH

• Anwendungen: Krankenhäuser, Industrie, Telekommunikation und

Versorgungsunternehmen

• Brennstoff: Erdgas und Biogas

• Wirkungsgrad: 47% (el.), 90% (Gesamt)

• Erreichte Betriebsstunden: 30.000 h (Ziel: 40.000 h)

• Kosten: 7.000

/kW (Ziel: 1.000­2.000

/kW)

• Unterstützt durch BMWi und Bundesländer

Aktivitäten I Beispiele der bisherigen

Georg Menzen ^• Nationales Innovationsprogramm Wasserstoff und Brennstoffzellen FVS ^• Workshop 2007

PEMFC Hausenergieversorgung

• Konzepte: Niedertemperatur (80–100°C) und Hochtemperatur (120°C) PEMFC

• Anwendungen: Stationär (Hausenergie­

versorgung), Mobil (Antriebssystem)

• Hausenergieversorgung:

– Brennstoff: Erdgas, Heizöl, Wasserstoff – Wirkungsgrad: 25­29% (el.),

Ziel >35%

– Leistung: 1–10 kW – Markteintritt: 2012

– Erste Demonstrationsprojekte in Deutschland in 2006

Beispiele der bisherigen Aktivitäten II

Transport – Clean Energy Partnership (CEP)

Wasserstoffprojekt in Berlin zur Demon­

stration der Zuverlässigkeit von Wasserstoff im täglichen Einsatz von Fahrzeugen

• Dauer 2004–2007

• Zwei öffentliche Tankstellen

• Wasserstoff: gasförmig und flüssig

• 17 Personenfahrzeuge von BMW, DaimlerChrysler, Ford, GM/Opel und Volkswagen

• Gesamtkosten: 33 Mio.

, Förderung 5 Mio.

durch die Bundesregierung

• 14 Busse von MAN mit Verbrennungsmotor (im EU­Projekt HyFleet:CUTE)

Beispiele der bisherigen Aktivitäten III

Ziele

• Neue Wachstumsfelder erschließen: Spitzentechnologien, Wachstumspotenziale durch F&E­ und Innovationstätigkeit

• Leitmärkte schaffen: mehr Marktdynamik

• Chancen der internationalen Arbeitsteilung in der Hochtechnologie nutzen: Lagevorteil Mittel­ und Osteuropa, aufstrebende Entwicklungsländer

• Alle Ausbildungspotenziale erschließen: Erhöhung der Quoten bei akademischer Ausbildung

• Neue Technologien verantwortlich nutzen: Menschen mitnehmen

• Arbeit und Wachstum in den neuen Ländern schaffen: Forschungs­ und Innovationspotenziale für die wirtschaftliche Entwicklung

High Tech Strategie der Bundesregierung (I)

Elemente (Ausschnitt)

• Steigerung der Investitionen in Forschung, Entwicklung und Innovation um 6 Mrd.

%­Ziels von F&E an BSP in 2010)

• „Internationalisierung der Wissenschaft“, Nationale Forschungs­ und Innovationspolitik als Teil des europäischen Forschungsraumes

• Ausbau der Beteiligung von KMU an Fachprogrammen

• Realisierung von Leuchtturmprojekten in bestimmten Themenbereichen

• Strategische Partnerschaften mit der Industrie, Public Private Partnership zur Mobilisierung zusätzlicher privater Mittel für F&E

High Tech Strategie der Bundesregierung (II)

Georg Menzen ^• Nationales Innovationsprogramm Wasserstoff und Brennstoffzellen FVS ^• Workshop 2007

Das von den drei Bundesministerien für Verkehr, Bau und Stadtentwicklung (BMVBS), für Bildung und Forschung (BMBF) sowie für Wirtschaft und Technologie (BMWi) gemeinsam formulierte

„Nationale Innovationsprogramm Wasserstoff und Brennstoffzellen“ ist Bestandteil dieser High Tech­Strategie. Mit dem Programm werden folgend genannte Ziele verfolgt:

• Ausbau der in Deutschland vorhandenen Spitzenstellung von Industrie und Wissen­

schaft

• Entwicklung einer effizienten und emissions­

armen Energieversorgung verbunden mit der Sicherung und Schaffung von Arbeitsplätzen am Innovationsstandort Deutschland

• Rückkopplung zu F&E sowie gezielte Nutzung von Synergien

Für das Programm werden über einen Zeitraum von 10 Jahren öffentliche Mittel in Höhe von zusätzlich 500 Mio. € zur Verfügung stehen, zu

denen die für F&E im 5. Energieforschungspro­

gramm veranschlagten Fördergelder des BMWi addiert werden müssen. Inklusive des erwarte­

ten privaten Beitrags in mindestens gleicher Höhe können in dem genannten Zeitraum Investitionen in Forschung, Entwicklung und marktvorbereitenden Maßnahmen von etwa 1,4 Mrd. € erwartet werden. Die beteiligten Ministerien haben folgende Arbeitsteilung ver­

einbart:

• BMBF: Grundlagenforschung

• BMWi: Forschung, Entwicklung und Erster­

probung unter Beteiligung der existierenden Zusammenarbeit mit dem Projektträger Jülich

• BMVBS: Demonstration marktfähiger Gesamtsysteme im Alltag (Umsetzung der Kraftstoffstrategie) mit Unterstützung durch die noch zu gründende Nationale Organisa­

tion Wasserstoff und Brennstoffzellen (NOW) und einen Projektträger

Nationales Innovationsprogramm ist eine gemeinsame Initiative von BMVBS, BMBF und BMWi

Ziele

• Weiterer Ausbau der Spitzenstellung der deutschen Industrie und Wissenschaft

• Beitrag zur Entwicklung einer effizienten und emissionsarmen Energie­

versorgung, Sicherung von Arbeitsplätzen am Innovationsstandort Deutschland

• Klärung der Frage der Herstellung des Wasserstoffs

• Abstimmung der Wasserstoff­Infrastruktur mit dem Entwicklungsstand von Wasserstoff­Fahrzeugen

• Rückkopplung mit F&E­Programmen, Nutzung von Synergien

Innovations­

programms (NIP) Wasserstoff und Brennstoffzellen

Transport – Clean Energy Partnership (CEP)

Budget

Zusätzlich 500 Millionen Euro für die nächsten 10 Jahre zur Förderung der Wasserstoff­ und Brennstoffzellentechnologie,

➔

inklusive Fördermittel 5. Energieforschungsprogramm und Industriemittel

Gesamtvolumen von 1,4 Mrd.

.

Zuständigkeiten

• BMBF: Grundlagenforschung

• BMWi: Forschung, Entwicklung und Erprobung von Wasserstoff und Brennstoffzellentechnologien

• BMVBS: Demonstration marktfähiger Gesamtsysteme im Alltag (Umsetzung der Kraftstoffstrategie)

NIP: Budget und Zuständigkeiten

Für die Vorbereitung des Nationalen Innova­ Neben dem Aufsichtsrat, der sich aus Vertretern tionsprogramm wurde der vom BMWi im Jahr von Ministerien zusammensetzt, wurde ein 2005 gegründete Strategierat Wasserstoff und Beirat für die fachliche Ausrichtung und Brennstoffzellen, ein Gremium aus politischen, Überwachung der Aktivitäten von NOW industriellen und akademischen Vertretern, hin­ vorgeschlagen. Dieser Beirat, der im Wesent­

zugezogen. Diese Vorbereitungen, an der die lichen aus der bisherigen Koordinierungsgruppe Koordinierungsgruppe des Strategierats maß­ des Strategierats hervorgeht, besteht aus geblich beteiligt war, sind im Wesentlichen 18 Mitgliedern aus Politik, Wissenschaft, abgeschlossen. Ein Entwicklungsplan zu den Industrie sowie Energie und Infrastruktur.

vier Anwendungsschwerpunkten Verkehr, stationäre Hausenergieversorgung, stationäre Anwendung in der Industrie und den speziellen Märkten wurde formuliert und von der

Generalversammlung des Strategierats geneh­

migt. Zur Zeit wird die Gründung der NOW als bundeseigene GmbH für das Programm­

management vorbereitet. NOW wird in enger Abstimmung mit dem für F&E­Maßnahmen des BMWi zuständigen Projektträger Jülich eine übergeordnete Gesamtkoordination des Programms vornehmen und Demonstrations­

Georg Menzen ^• Nationales Innovationsprogramm Wasserstoff und Brennstoffzellen FVS ^• Workshop 2007

Der Strategierat Wasserstoff und Brennstoffzellen ist ein Gremium von politischen, industriellen und akademischen Vertretern, das die folgenden Maßnahmen übernimmt:

• Strategie: Zusammenführen von Einzelstrategien zu einer nationalen Wasserstoff­ und Brennstoffzellen­Roadmap

• Information: Vertrauensvoller Informationsaustausch zwischen Politik, Industrie und Wissenschaft

• Kommunikation: innerhalb nationaler, europäischer und internationaler Gremien sowie in die Öffentlichkeit

• Arbeitskreise: Lösung spezifischer Aufgaben durch Bildung temporärer Arbeitsgruppen

Strategierat Wasser­

stoff und Brennstoff­

zellen I

Strategierat Wasser­

stoff und Brennstoff­

zellen II

• Mitglieder sind Experten von allen Bereichen Generalversammlung der Wasserstoff­ und Brennstoffzellentechnologien

• Offen für neue Mitglieder

• Verantwortlich für die Vorbereitung von Treffen, Ausarbeitung der Road Maps, Arbeitsprogramme

• Repräsentanten aus Politik, Industrie und Koordinierungsgruppe

Wissenschaft

• Co Chair von Industrie und Wissenschaft

• Spezifische Themen von allgemeinem Interesse Arbeitskreise • Zeitlich begrenzt

• Experten aus der Generalversammlung

Sekretariat • Projektträger Jülich

Nationale Koordinierungsstelle

Strategierat Wasser­

stoff und Brennstoff­

zellen III

Vorbereitungsphase (2006, Anfang 2007)

• Diskussion mit den Bundesländern zur Beteiligung (Treffen mit Repräsentanten im September 2006)

• Commitments der Industrie (Letters of Intent) zur grundsätzlichen Beteiligung (eigener finanzieller Beitrag bei den konkreten Projekten) (Treffen mit Repräsentanten der Industrie Oktober 2006)

• Vorbereitung eines professionellen Programmmanagements

• Notifizierung des Programms bei der EU (ist erfolgt)

• Ausarbeitung und Abnahme des Entwicklungsplans durch den Strategierat Wasserstoff und Brennstoffzellen

NIP: Vorbereitende Maßnahmen I

Georg Menzen ^• Nationales Innovationsprogramm Wasserstoff und Brennstoffzellen FVS ^• Workshop 2007

Entwicklungspläne Forschung und Entwicklung Demonstration Leuchtturmprojekte

1. Verkehr Reduktion Kosten, Gewicht Lebensdauer,

Flottenbetrieb, H2 Bereitstellung

2. Stationäre Anwendung Hausenergie­

versorgung

Kostenreduktion, Erhöhung der Zuverlässigkeit und Lebensdauer

Validierung unter Alltagsbedingungen:

­ 450 Geräte bis 2010

­ > 2000 Geräte bis 2012

3. Stationäre Anwendung Industrie

Kostenreduktion, Erhöhung der Zuverlässigkeit und Lebensdauer

Technologievalidierung

­

el > 50 % bis 2010

­ Stacklebensdauer 40.000 h bis 2015

4. Spezielle Märkte Miniaturisierung,

Produktionstechnologien

Pilotprojekte, Felderprobung

Was bleibt noch zu erledigen?

• Gründung der Nationalen Organisation Wasserstoff und Brennstoffzellen / NOW als bundeseigene GmbH

• Endgültige Einrichtung des Fachlichen Beirats für NOW (setzt sich im Wesentlichen aus den bisherigen Mitgliedern der Koordinierungsgruppe des Strategierats Wasserstoff und Brennstoffzellen zusammen)

NIP: Vorbereitende Maßnahmen II

Strukturen zur Umsetzung von NIP

Struktur der Nationalen Organisation Wasserstoff und Brennstoffzellen (NOW)

Georg Menzen ^• Nationales Innovationsprogramm Wasserstoff und Brennstoffzellen FVS ^• Workshop 2007

• Der Beirat ist verantwort­

lich für die gesamtstrategi­

sche Ausrichtung des NIP

• NOW berichtet dem Beirat vierteljährlich über den Stand der Umsetzung des Gesamtprogramms

• Die Mitglieder des Beirats gewährleisten eine kon­

tinuierliche Kommunika­

tion an ihre Branchen über die entsprechenden Netz­

werke (VES, IBZ, vdma, HGF, etc.)

• Jährliche Berichterstattung an die Vollversammlung des Strategierates

NKJ betreibt das Sekretariat für den Beirat und für die Vollversammlung Der Beirat

Kriterien für Leuchtturmprojekte

• Leuchtturmprojekte zur Überbrückung der Lücke zwischen heutigen Prototypen und weitgehender Kommerzialisierung

• Nutzung der umfangreichen Erfahrungen, insbesondere existierender Infrastruktur in den Regionen

• Konzentration auf wenige Schlüsselregionen (Cluster) am Anfang, später:

Erweiterung der Aktivitäten mit anschließender Vernetzung mit anderen europäischen Regionen

• Fortschritt bei bestehenden F&E­ und Demonstrationsprojekten

• Kooperation vieler Firmen entlang der gesamten Wertschöpfungskette unter besonderer Berücksichtigung der KMU

Leuchtturmprojekte

• Deutsche Brennstoffzellen­Anbieter und deutsche Zulieferindustrie bei der Entwicklung stationärer Anwendungen z. Z. mit guter Weltmarktposition

• Unternehmen stehen in absehbarer Zeit vor Investitionsentscheidungen für die Serienfertigung und fordern für eine erfolgreiche

Technologieumsetzung Markteinführungshilfen

• BMWi­Ausschreibung eines Gutachtens zur Analyse und Bewertung von Instrumenten zur Markteinführung stationärer Brennstoffzellen einschließlich Ableitung entsprechender Handlungsempfehlungen für die Bundesregierung

• Vergabe im September 2005, Präsentation Hannover Messe 2007

Markteinführung stationärer Brennstoffzellen

ERA­Net HYCO

• Koordination Forschungszentrum Jülich

Europäische Technologie Plattform Wasserstoff und Brennstoffzellen

• Deutsche Industrie und Forschung intensiv vertreten in den Gremien der Plattform Advisory Council, Implementation Panel

• BMWi ist deutscher Delegierter in der Mirror Group

• Joint Technology Initiative (Gemeinsames Unternehmen Artikel 171)

Internationale Energieagentur IEA

• Hydrogen Coordination Group

• Beteiligt am Implementing Agreement „Advanced Fuel Cells”

International Partnership for the Hydrogen Economy (IPHE)

• Mitglied im Steering Committee

• Co Chair im Implementation and Liaison Committee

Europäische und internationale Aktivitäten

FVS ^• Workshop 2007 Werner Tillmetz ^• Strategiepapier zum Forschungsbedarf in der Wasserstoff­Energietechnologie

Strategiepapier zum

Forschungsbedarf in der Wasserstoff­

Energietechnologie

W. Tillmetz ZSW

werner.tillmetz@zsw­bw.de

Strategiepapier veröffentlicht im Januar 2005

Sprecher des Strategiekreises

• Prof. U. Wagner – FFE/TU München

• Prof. J. Garche – ZSW

• Dr. H­J. Neef – FZJ

Teilnehmer des Strategiekreises alle Akteure zum Thema aus Politik, Industrie und Wissenschaft

Redaktionelle Leitung

Forschungsstelle für Energiewirtschaft (FFE)

Strategiepapier

Wasserstoff – Energieträger der Zukunft!

• Wasserstoff und Energieversorgungssicherheit

Wasserstoff kann aus allen (fossilen, nuklearen und regenerativen) Primärenergie­

trägern hergestellt werden. Hierdurch ist eine stete Anpassung des Energiemixes an die globale geopolitische Ressourcensituation möglich.

• Wasserstoff als Brückentechnologie

Auch aus konventionellen Energieträgern hergestellter Wasserstoff kann Effizienz­

vorteile bieten. Die Übergangsphase zu einer auf regenerativ erzeugtem Wasserstoff basierenden Energiewirtschaft kann mittels fossiler Energieträger und gegebenenfalls CO

­Abscheidung realisiert werden.

• Wasserstoff und Klimaschutz

Durch Wasserstofftechnologien sind geringere CO

­Emissionen bei gleichen Energiedienstleistungen erreichbar. Zudem ist die Umwandlung von Wasserstoff beim Anwender nahezu schadstofffrei.

• Wasserstoff und regenerative Energien

Wasserstoff ermöglicht eine verstärkte Integration erneuerbarer Energien in die vorhandene Energieinfrastruktur. Wasserstoff leistet somit einen Beitrag zur Schonung erschöpfbarer Energieträger.

Ergebnisse des Berichts

Wasserstoff – Energieträger der Zukunft!

• Wasserstoff und Brennstoffzellen

Wasserstofftechnik und Brennstoffzellen erschließen unabhängig voneinander energiewirtschaftliche und ökologische Vorteile und lassen sich zu besonders energieeffizienten Lösungen kombinieren.

• Wasserstoff und Wettbewerbsfähigkeit

Innovative Wasserstofftechnologien erschließen global neue Märkte –

eine Technologieführerschaft stärkt die Wirtschaftskraft und schafft Arbeitsplätze in deutschen Unternehmen.

• Wasserstoff in Deutschland

Deutschlands Stärke ist das wissenschaftliche und industrielle Know­how zur Entwicklung und Herstellung von Wasserstoff­ und Brennstoffzellentechniken.

Diese Kompetenzen sind Basis für eine Vorreiterrolle zur intensiven Marktvorbereitung.

Ergebnisse des Berichts

FVS ^• Workshop 2007 Werner Tillmetz^•Strategiepapier zum Forschungsbedarf in der Wasserstoff­Energietechnologie

Energieverbrauch und CO

­Emission von Fahrzeugen (ganzheitlich)

• H

aus regenerativen Quellen in BZ­Fahrzeugen: emissionsfreie Mobilität

• H aus Erdgas (Übergangsphase): 30 % Reduktion der CO ­Emission

Vergleich

Ziele einer aktualisierten Förderpolitik sind

• die Entwicklung einer H

­Technologieführerschaft in Deutschland und die

• Stärkung der Wettbewerbsfähigkeit durch den Export von Produkten und Dienstleistungen.

Dazu gehören:

• Unterstützung von Forschung und Entwicklung

• Marktvorbereitung durch Impuls­ und Leuchtturmprojekte

• Schaffung verlässlicher Rahmenbedingungen

Berichts

Handlungsbedarf für eine H

­Technologieführerschaft

Die Forschungs­ und Entwicklungsaktivitäten zur Steigerung der Wettbewerbsfähigkeit sind erheblich zu verstärken:

• Verbesserung und Kostenreduktion von Wasserstoff­Herstellungsverfahren,

­Speicherung und ­Infrastruktur

• Weiterentwicklung von H

­Anwendungstechniken

• Begleitende Systemanalyse und ganzheitliche Bewertung, z. B. von H

­Erzeugung und ­Anwendung

Zur Marktvorbereitung sind internationale Impuls­ und Leuchtturmprojekte mit den folgenden Zielen zu realisieren:

• Erhöhung des Engagements durch Aufteilung der Risiken

• Nachweis der technischen Machbarkeit und Auswertung praxisnaher Erfahrungen

• Aufbau von Keimzellen für eine zukünftige Wasserstoff­Energiewirtschaft

• Steigerung der Akzeptanz in der Gesellschaft durch objektive Information Schaffung verlässlicher Rahmenbedingungen für Entwickler, Hersteller und Investoren:

• Definition der nationalen Ziele und einer europäischen Roadmap

• Zügige Abstimmung und Umsetzung internationaler Vorschriften und Gesetze

• Verbindliche Aussagen der Politik zu Markteinführungsinstrumenten

Ergebnisse des Berichts

Förderungsbereiche

Systemanalyse Grundlagenforschung Anwendungsnahe F&E Demonstrations­

projekte

Technologiebereich

Erzeugung

ganzheitliche Technologie­

bewertung insb.

Nutzungs­

konflikte

alternative H2­Erzeu­

gungstechniken Katalysatortechnik für dezentrale Reformer

HD­Elektrolyse

H2 aus Vergasungstechniken, wie z. B. aus Kohle oder Bio­

masse

H2 aus Offshore (Windenergie) Systemfragen zu dezentralen Reformen (für Tankstelle, die stationäre und portable Anwendung)

H2­permeable Membranen

nationale Großprojekte und EU Lighthouse

Projects z. B. H2­Schiene Süddeutschland, Hafencity Hamburg

Logistik Gasabtrennung

(H2 und CO2) neue Speicher­

technologien

hocheffiziente Verflüssigungs­

anlagen

GH2­ und LH2­Speicher Tankstellenkomponenten Pipeline­Systeme und Hythane Sicherheitstechnik

Anwendung Materialentwicklung für PEM, MCFC und SOFC Materialentwicklung für HD­H2­Turbinen

H2­Verbrennungsmotor H2­Brenner für Gasturbinen katalytische Brenner Membran­Fertigung BZ­Fertigung

Periphere Komponenten für BZ­ und H­Anwendungen

Ergebnisse des Berichts

Werner Tillmetz ^• Strategiepapier zum Forschungsbedarf in der Wasserstoff­Energietechnologie FVS ^• Workshop 2007

Empfohlene

1. Schwerpunkt­Programm zur Wasserstoff­Speicherung für den

Schwerpunksetzungen

mobilen und portablen Einsatz (ca. 10–20 Projekte à ca. 2 Mio. € )

in der F&E­Förderung

* Zeitrahmen zur Markteinführung bis 2012: 1 bis 2020: 2 nach 2020: 3

Empfohlene

2. Demonstrationsprojekte zur energieeffizienten und

Schwerpunksetzungen

CO

­neutralen Erzeugung von Wasserstoff (ca. x00 Mio. € )

in der F&E­Förderung

* Zeitrahmen zur Markteinführung

i

3. Begleitende Systemstudien (5–10 Projekte á ca. 250.000 € )

Mögliche Themen:

• Ganzheitliche Bewertung von H

­ und Brennstoffzellen­Technologie

• Potenziale von H

­ und Brennstoffzellen­Anwendungen

• H

­Bereit stellung durch Offshore­Windkraftanlagen

• Integration von H

­ und Brennstoffzellen­Techniken in das bestehende System der Stromversorgung

Empfohlene

Schwerpunksetzungen n der F&E­Förderung

• Zusammenlegung mit BERTA zu HYBERT

• Koordinationsbüro beim PtJ in Jülich

• Erstellung einer nationalen Roadmap für H ­ und Brennstoffzellen­Technologie

im europäischen und internationalen Umfeld

(z. B. entsprechend den Kennwerte/Kriterien des DOE)

• Inhaltliche und organisatorische Abstimmung internationaler Gremienarbeit

• Initiierung/Koordination internationaler Großprojekte

Zukunft des Strategiekreises

Patrick Schmidt ^• Alternative World Energy Outlook (AWEO) FVS ^• Workshop 2007

Alternative World Energy Outlook (AWEO): Woher kommt der

Wasserstoff? – Eine Analyse der globalen Energiesituation

Die industrielle Gesellschaft befindet sich in einem Dilemma:

Development implied by economic growth (IEA)

Emission reduction neces­

sary to mitigate climate change (IPCC)

Source: BP Statistical Review of World Energy; LBST

Während auf der einen Seite sowohl die Entwicklung). Die Ingenieure sind aufgerufen Wirtschaftslogik (➔ Wachstumsparadigma) als technische Optionen zur Lösung des Dilemmas auch die Notwendigkeit einer Entwicklung so anzubieten. Die Gesellschaft jedoch muss sich genannter Entwicklungsländer zu einer weiter über dieses Dilemma im Klaren sein und steigenden Energienachfrage führt (voraussicht­ darüber entscheiden.

liche Verdopplung der weltweiten Energienach­

frage bis 2050), gibt es auf der anderen Seite Eine Reduktion der von Menschen gemachten die Notwendigkeit aus Klimaschutzgründen die Treibhausgase ist ein zentrales Problem der weltweiten Treibhausgasemissionen im gleichen Gesellschaft. Anlass und Vortragszeit dieses FVS­

P. Schmidt W. Zittel

Ludwig­Bölkow­System­

technik GmbH (LBST) schmidt@lbst.de

Unresolved Dilemma of Industrialised Society

Methodology:

Scenario building by IEA and LBST

Die Beantwortung der Frage „Woher kommt

Alternative World Energy

der Wasserstoff?“ bedingt zunächst die Beant­

wortung der Frage „Woher kommt in Zukunft

Outlook

unsere Primärenergie?“ Dieser Vortrag widmet

sich daher vor allem der Frage, ob auch in Die Internationale Energie Agentur (IEA) gibt Zukunft, in der von uns gewohnten Form, die mit ihrem regelmäßig erscheinenden „World von vielen Energieexperten angenommene stei­ Energy Outlook“ (WEO) einen der weltweit bei gende Energienachfrage durch einen entspre­ Politik, Wirtschaft und Energieexperten bekann­

chenden Zubau an Primärenergien gedeckt testen Energieanalysen heraus, der vielfach als werden kann. Referenz für energiepolitische Planungen und

Entscheidungen herangezogen wird.

Dieses Manuskript basiert in Teilen auf der

Publikation „Woher kommt die Energie für die Wie in der Folie auf dieser Seite dargestellt, Wasserstofferzeugung – Status und Alterna­ extrapoliert die IEA für ihren „World Energy tiven“, das LBST für den Deutschen Wasserstoff­ Outlook“ die zu erwartenden, zukünftige Nach­

und Brennstoffzellen­Verband 2006 erstellt hat frage nach Energie auf der Basis sozio­ökonomi­

und Anfang 2007 von der European Hydrogen scher Kennziffern (Bevölkerungswachstum, Association (EHA) ins Englische übersetzt Wirtschaftswachstum, etc.). Die dahinter

wurde. stehende Philosophie ist „predict and provide“.

Eine Validierung, ob diese Nachfrage auch primärenergetisch gedeckt werden kann, erfolgte in der Vergangenheit nur sehr rudimen­

tär, so dass die von der IEA gewählte Metho­

dologie systematisch ‘blind’ ist für strukturelle

Patrick Schmidt ^• Alternative World Energy Outlook (AWEO) FVS ^• Workshop 2007

Dies zum Anlass hat die LBST für ihren “Alterna­

tive World Energy Outlook“ (AWEO) einen bot­

tom­up Ansatz gewählt. Dieser basiert auf Ana­

lysen von fossilen und nuklearen Ressourcen, von Potenzialen erneuerbarer Energien sowie Marktdurchdringungsraten neuer Energietech­

nologien. Grundannahme ist, dass alle Energie­

optionen weitgehend ausgeschöpft werden.

Um Wachstumskurven für die Einführung neuer Energietechnologien abzubilden und langfristige Trends zu berücksichtigen, wurde der zeitliche Horizont bis 2100 gespannt. Angesichts dieses Zeitraumes sind eher die qualitativen Trends als die quantitativen Ergebnisse von Bedeutung.

Der Rahmen soll gezeigt werden, innerhalb des­

sen kurz­ und mittelfristige einzuordnen sind.

Besagtes AWEO­Szenario wird in den folgenden Folien vorgestellt.

Kennzeichnend für alle Szenarien ist, dass das im LBST AWEO dargestellte Energieangebot bei allen Primärenergieträgern bis 2030 z. T. deut­

lich unter dem der IEA WEO­Szenarien liegt. Die einzige Ausnahme bilden hier die erneuerbaren Energien, unter der Maßgabe, dass diese im vollen Umfang entwickelt werden. Die Schere

zwischen Gesamtenergieangebot – entspre­

chend AWEO – und Gesamtenergienachfrage – entsprechend WEO – öffnet sich dabei ganz deutlich bis zum Jahre 2030, dem Zeithorizont des IEA WEO.

Die Möglichkeit einer Diskrepanz zwischen Energieangebot und ­nachfrage wird mittler­

weile auch bei der IEA zum Thema, wenn auch noch fokussiert auf Öl. Setzt man sich im Detail mit dem IEA „World Energy Outlook“ auseinan­

der, so stellt man fest, dass sich in den ausführli­

chen Berichten Aussagen finden, die die Mach­

barkeit der Bereitstellung der angenommenen Energienachfrage sehr stark konditionieren.

Diese Aussagen finden jedoch keinen Eingang in die IEA­Szenarien. Sensitivitätsanalysen sind ebenfalls kein Bestandteil des WEO.

Im Folgenden hierzu einige Beispiele für ‘cautio­

nary statements’ in Sachen Ölverfügbarkeit aus dem IEA „World Energy Outlook 2004“:

„The reliability and accuracy of reserve estimates is of growing concern for all who are involved in the oil industry“

[WEO 2004, S. 104]

Primary Energy Supply: Conventional (Extractive) Energies Idealised production pattern

„The rate at which remaining ultimate resources Zusammenhang am Beispiel der US­Ölförderung can be converted to reserves, and the cost of nachweisen konnte. Kennzeichnend für diese doing so, is, however, very uncertain“ Kurve ist ihr Maximum, das nach etwa der [WEO 2004, S. 95] Hälfte der förderbaren Menge erreicht ist.

„By 2030, most oil production worldwide will

come from capacity that is yet to be built“ Was für ein einzelnes Ölfeld gilt, gilt auch für [WEO 2004, S.103] eine ganze Region. Die Folie auf dieser Seite

„In the low resource case, conventional production veranschaulicht den Zusammenhang.

peaks around 2015“

[WEO 2004, S. 102] Zunächst werden die großen Vorkommen aus­

gebeutet, da diese am kosteneffektivsten zu erschließen sind. Hinzu kommt, dass die großen

Fossile und nukleare Energien

Zur Beschreibung der Vorgehensweise der LBST sive werden weitere Felder erschlossen, deren (und anderer Institutionen, wie z. B. der ASPO – Größe und Qualität im Mittel stetig abnimmt.

Association of the Study of Peak Oil and Gas) Kleinere Felder müssen in größerer Zahl bei der Analyse konventioneller (extraktiver) erschlossen werden, um sowohl den Rückgang Ressourcen ist es wichtig zu verstehen, wie das der großen Felder als auch die Nachfragesteige­

typische Produktionsprofil einer Ressource rungen zu decken. In einem begrenzten System aussieht. In der Folie auf Seite 24, linkes Bild, ist (hier: eine geographische Region) kommt es hierzu die idealisierte Kurve einer Entnahmerate unweigerlich zu einem Fördermaximum, wenn für ein Explorationsvorhaben dargestellt. Diese die Erschließungsrate neuer Felder nicht mehr Glockenkurve wird auch „Hubbert“­Kurve den kumulativen Förderrückgang bereits genannt nach dem Ölexperten, der diesen erschlossener Felder ausgleichen kann. Die

• Largest fields exploited first

• Followed by smaller fields

• At some point in time decline in production of large fields cannot be compensated

• The higher initial extraction rate – the earlier decline

starts

– the longer its decline phase

– the lower overall yield

Primary Energy Supply: Conventional (Extractive) Energies Development of regio­

nal oil production

Patrick Schmidt ^• Alternative World Energy Outlook (AWEO) FVS ^• Workshop 2007

Scenario assumption: decline rate after peak of 2.7%/yr

Actual experience: decline rates of 10%/yr and beyond (e.g. Alaska, Mexico, Norway, Oman, UK) Primary Energy

Supply: World Oil Production

Befriedigung einer weiter steigenden Nachfrage ist ab diesem Zeitpunkt nur noch durch die Erschließung neuer Regionen möglich.

Die Folie auf dieser Seite zeigt den historischen Verlauf der Weltölförderung und die wahr­

scheinliche Entwicklung in der Zukunft. Die För­

derung befindet sich nahe am Höhepunkt und wird voraussichtlich noch in diesem Jahrzehnt deutlich zurückgehen – Das Maximum der Erd­

ölförderung stellt einen entscheidenden Wende­

punkt dar.

Eine Vielzahl von Indizien stützen diese These:

Seit 1980 verbrauchen wir jedes Jahr mehr Öl als wir finden und die Schere wird immer größer. Immer mehr Förderregionen haben ihr Fördermaximum schon überschritten. Das gilt insbesondere für alle großen alten Felder, die noch immer einen wesentlichen Beitrag zur Weltölförderung leisten. Es gibt auch deutliche Anzeichen, dass die ölreichen Länder des Nahen Ostens und die Länder der ehemaligen Sowjet­

Staaten außerhalb der OPEC und der ehema­

ligen Sowjetrepubliken um 2000 das Förder­

maximum erreicht hat und seitdem zurückgeht.

Es wird für die verbleibenden Regionen zuneh­

men schwerer, dieses Defizit auszugleichen.

Dem steht die Erwartung einer weiteren Steige­

rung der weltweiten Nachfrage gegenüber, wie sie sich etwa in den Szenarien der IEA ausdrückt.

Die sich abzeichnende Versorgungslücke wird zu schwerwiegenden Verwerfungen in der Welt­

wirtschaft führen, wenn die Ökonomien sich nicht adäquat vorbereiten. Peak Oil stellt einen Strukturbruch dar! Die Suche nach nachhaltigen Strukturen der Energieversorgung kann nicht länger aufgeschoben werden. Es gibt Anlass zu der Sorge, dass die verbleibende Zeit nicht aus­

reichen wird, um einen verträglichen Übergang in eine postfossile Welt zu organisieren.

Im Prinzip ähnlich, wenn auch im Detail unter­

schiedlich, verläuft die Erdgasförderung. Das in der Folie auf Seite 27 dargestellte Szenario geht

Primary Energy Supply: World Oil Production

sich auf die Annahme, dass der Förderrückgang in Nordamerika und Europa durch einen Anstieg der Förderung in Russland und im Nahen Osten überkompensiert wird. Dies erfor­

dert große und rechtzeitige Investitionen in die­

sen Regionen.

Die Zukunft der Gasversorgung ist trotz dieses eher optimistischen Bildes von Risiken über­

schattet. Zu den Problemen der Produktions­

ausweitung in Russland und Nahost kommt die Notwendigkeit, die Infrastrukturen für den Transport von verflüssigtem Erdgas deutlich auszuweiten. Diese Investitionen erfordern erhebliche Mittel und brauchen sehr viel Zeit.

Nur so könnten Ungleichgewichte zwischen den großen bisher unverbundenen regionalen Märkten (insbesondere Nordamerika, Eurasien/

Nordafrika, Ferner Osten) ausgeglichen werden.

Das Szenario zeigt die mögliche Entwicklung gestützt auf die heutige Einschätzung der Reser­

vesituation und beschreibt eher eine Ober­

grenze. Die tatsächliche Entwicklung in den

Die obere Folie auf Seite 28 zeigt Einzelanalysen der Kohleförderung der vier wichtigsten Förder­

regionen der Welt (alle Kohlearten): China, Süd­

asien, Nordamerika und die Pazifikregion. Die Darstellungen sind eher als zu optimistisch anzusehen:

In China wird weltweit am meisten Kohle gefördert (fast doppelt so viel wie in den USA).

Chinas Reserven sind jedoch nur halb so hoch wie die der USA. Seit 1992 hat China seine Reservestatistiken nicht überarbeitet trotz deut­

lich gestiegenem Kohleverbrauch.

Große Teile der US­Kohlereserven befinden sich nahe unter der Erdoberfläche Montanas, die von fruchtbarem Ackerboden bedeckt ist. Diese Kohlereserven können jedoch nur im Tagebau gewonnen werden. Hier besteht ein Zielkonflikt zwischen Fleisch­/Nahrungsmittel­ und Kraft­

stoff­Produktion aus Biomasse, der in der Vergangenheit fast immer zugunsten der Fleischindustrie als wichtigstem Wirtschafts­

faktor entschieden wurde.

Patrick Schmidt ^• Alternative World Energy Outlook (AWEO) FVS ^• Workshop 2007

Primary Energy Supply: World Oil Production

Primary Energy Supply: World Coal Production

__ __

For details on nuclear resource/reserve analyses, see EWG Report No. 1/2006 „Uranium“:

http://www.lbst.de/publications/studies e/2006EWG­uranium e.html

Primary Energy Supply: World Nuclear Power Capacities

Die untere Folie auf Seite 28 basiert auf histori­

schen Förderdaten des US­EIA sowie BGR 2006;

Extrapolation durch LBST. Die Abschätzungen für die zukünftige Kohleförderung sind optimi­

stisch, da weitere Revisionen regionaler Kohle­

reserve­Statistiken zu erwarten sind. Ein Maxi­

mum der Kohleproduktion wird voraussichtlich zwischen 2020 und 2040 erreicht. Weitere Restriktionen im Endenergieangebot (z. B. Koh­

leverflüssigung) sind hier noch nicht berück­

sichtigt.

Die Darstellung erfolgt in Megatonnen (Mt).

Der Energieinhalt der angegebenen Kohlesorten hängt stark von der Kohlequalität ab: Steinkohle (bituminös und sub­bituminös), Braunkohle.

Die zukünftige Kohleförderung in den Staaten der vormaligen Sowjetunion ist möglicherweise ebenfalls nicht sehr zuverlässig, da hier die Reservestatistiken sehr zweifelhaft sind. Darüber hinaus ist die Kohlequalität nur gering, da es sich im Wesentlichen um sub­bituminöse Kohle handelt.

Deutschland hat in seinem Bericht an das World Energy Council im Jahr 2004 die so genannten

„nachgewiesenen“ Steinkohlereserven um 99 % (von 23 Mrd. auf 183 Mio. Tonnen), die Braun­

kohlereserven um 85% (von 43 Mrd. auf 6,5 Mrd. Tonnen) abgewertet.

Detaillierte Information über Kohlereserven und

­ressourcen weltweit gibt der EWG Report Nr.

1/ 2007 „Coal“ (www.lbst.de/publications/

studies__e/2007EWG­coal__e.html).

Die Folie auf dieser Seite zeigt den heutigen Bestand an Kernkraftanlagen weltweit. Die Altersstruktur der heute weltweit betriebenen Kernreaktoren bestimmt wesentlich die künftige Rolle der Kernenergie. Geht man von einer durchschnittlichen Laufzeit der Reaktoren von 40 Jahren aus, dann werden bis zum Jahr 2030 etwa 75 % der heute installierten Reaktoren vom Netz gehen. Soll die Zahl der Reaktoren auch nur konstant gehalten werden, so müssen über diesen Zeitraum jährlich etwa 14 GW an neuen Reaktoren in Betrieb genommen werden.

Patrick Schmidt ^• Alternative World Energy Outlook (AWEO) FVS ^• Workshop 2007

Weltweit sind jedoch gegenwärtig insgesamt nur etwa 28 Reaktoren im Bau, die in den nächsten 5 bis 7 Jahren in Betrieb gehen könn­

ten. Elf dieser Reaktoren sind seit mehr als 20 Jahren „im Bau“ und eine Realisierung unwahr­

scheinlich. Angesichts dieser Realität wären stei­

gende Anstrengungen notwendig die Kapazität auch nur konstant zu halten. Eine Ausweitung dürfte die unwahrscheinlichste Entwicklung sein.

In China sind bis 2020 rund 30 GW an Kern­

kraftkapazität geplant. Bei einem jährlichen Erweiterungsbedarf der Stromerzeugungskapa­

zität von etwa 14 GW würden diese 30 GW im Jahre 2020 nur etwa 3,5–4 % des chinesischen Strombedarfs abdecken. Kernenergie scheint damit keine mittel­ bis langfristige Option zur Erzeugung von Wasserstoff im großen Stil zu sein – außer in den wenigen Fällen, wo bereits jetzt der Anteil der Kernenergie an der Strom­

erzeugung besonders groß ist und Strom in Schwachlastzeiten verfügbar gemacht werden kann, wie z. B. in Frankreich. Dort werden für die Zeit nach 2030 Kernreaktoren der 4. Gene­

ration gesehen, die mit einem Hochtemperatur­

prozess Wasserstoff direkt erzeugen (sog.

„thermo­chemical cycles“).

Die Folie auf dieser Seite zeigt die Ressourcen­

lage für Uran basierend auf Daten des BGR 2003. Wollte man weltweit den Beitrag der Kernenergie nennenswert ausweiten, so würde dies schnell an die Grenzen der Verfügbarkeit von Uranerz stoßen. Eine Option wäre der Ein­

stieg in die Plutoniumwirtschaft unter Nutzung des schnellen Brüters. Dies ist eine bisher kommerziell nicht erprobte Technologie, und sie dürfte auch die nächsten ein bis zwei Jahr­

zehnte nicht zur Verfügung stehen.

Bereits bei konstant gehaltenem Beitrag der Kernenergie müssten in den nächsten 5–10 Jahren die Uranproduktion um 50 % gesteigert werden, um die schwindenden Lagermengen aus Kernwaffen­Abrüstungsbe­

ständen auszugleichen. Detaillierte Information über Uranreserven und ­ressourcen finden sich im EWG Report Nr. 1/2006 „Uranium“

(www.lbst.de/publications/studies__e/2006 EWG­uranium__e.html).

Primary Energy Supply: World Uranium Reserves/

Resources

Primary Energy Supply: Contributions from Fossil and Nuclear Fuels Summary

Die Folie auf dieser Seite zeigt die künftige Ver­

fügbarkeit von fossilen und nuklearen Energie­

trägern für dieses Jahrhundert.

Nach heutigem Wissen ist ein starker Rückgang der Ölproduktion nach dem Produktionsmaxi­

mum sehr wahrscheinlich. Der Grund liegt in den heute eingesetzten Technologien bei der Ölförderung, deren Ziel es ist, die Felder so schnell wie möglich auszufördern. Das führt dazu, dass nach Überschreiten des Fördermaxi­

mums die Förderraten schnell einbrechen.

Die heute bekannten Kohlereserven mit einer Reichweite von etwa 160 Jahren könnten zwar bis etwa 2040 eine steigende Förderung erlau­

ben. Hierbei ist allerdings zu bedenken, dass die Datenqualität schlechter als bei Erdöl ist und hier noch eine Reihe von Reservenaktualisierun­

gen ausstehen. Zudem sind klimapolitische Restriktionen nicht berücksichtigt.

Das Produktionsmaximum bei Öl und später bei Erdgas wird eine spürbare Lücke in der Welt­

einen Zuwachs der Kohlenutzung auf Seiten der Primärenergie teilweise ausgeglichen werden.

Bei der Umwandlung in nutzbare Endenergie, insbesondere Kraftstoffe, entstehen bei Kohle jedoch wesentlich höhere Verluste, so dass der Ersatz deutlich schwieriger wird. Ein verstärkter Einsatz von Kohle zur Kraftstoffproduktion führt darüber hinaus dazu, dass sich das Fördermaxi­

mum der Kohle bereits früher abzeichnet.

Erneuerbare Energien

Unter der Maßgabe, dass in der Zukunft eine breite Palette an erneuerbaren Energien etab­

liert sein muss, wurden hierfür im AWEO Wachs­

tumskurven angenommen. Diese basierend auf historischen Daten, die über die „S­Wachstums­

kurve“ extrapoliert wurden wie in der Folie auf Seite 32 rechts dargestellt. Die S­Kurve ist so ausgelegt, dass sie beim technischen Potenzial der jeweiligen erneuerbaren Energie konvergiert.

Das sich daraus ergebende mittlere Wachstum der verschiedenen erneuerbaren Energietechno­

Patrick Schmidt ^• Alternative World Energy Outlook (AWEO) FVS ^• Workshop 2007

Primary Energy Supply: Contributions from Renewable Energies

Growth rates and methodology

Primary Energy Supply: Contributions from Renewable Energies Summary

Primary Energy Supply: Summary Conventional and Renewable Energies LBST Alternative World Energy Outlook 2006

und Biomasse, weisen erwartungsgemäß ein nur geringes mittleres Wachstum auf angesichts dessen, dass sie bereits etabliert sind und nur noch über begrenztes Ausbaupotenzial verfü­

gen. So genannte „neue“ erneuerbare Energien, allem voran SOT, PV, Wind, Geothermie und Solarkollektoren, weisen demgegenüber Wachs­

tumsraten bis in den höheren zweistelligen Bereich auf.

Die Folie auf Seite 32 zeigt den Beitrag, den erneuerbare Energien bei kontinuierlichem weiterem Ausbau bis 2100 leisten können.

Die traditionelle Biomasse dominiert das Bild bis fast in die Mitte dieses Jahrhunderts. Der Bruch im Jahr 1990 ist auf eine geänderte Methodik in der Bilanzierung der eingesetzten Biomasse zurückzuführen.

Zusammenfassung

Die Folie auf dieser Seite zeigt zusammenfassend die nach dem LBST „AWEO 2006“ absehbaren Beiträge zur Weltenergieversorgung durch kon­

ventionelle und erneuerbare Energien bis zum Jahr 2100.

Augenfällig sind zwei Dinge:

• Wie auch bei den einzelnen Analysen kon­

ventioneller Ressourcen ist eine Deckung der von der IEA bis zum Jahr 2030 gesehenen, global steigenden Energienachfrage kaum möglich.

• Selbst bei kontinuierlichem Ausbau erneuer­

barer Energie ist ein Rückgang der Primär­

energiebereitstellung im Zeitraum 2020–2040 wahrscheinlich, da der Zubau erneuerbarer Energie langsamer erfolgt als der Rückgang konventioneller Energien („Energie­Delle“).

Typisch für Wachstumskurven sind die zu

Patrick Schmidt ^• Alternative World Energy Outlook (AWEO) FVS ^• Workshop 2007

den, dass der Ausbau erneuerbarer Energien sehr früh und kontinuierlich erfolgen muss, damit gerade die so genannten „neuen“ erneu­

erbaren Energie noch vor Mitte dieses Jahrhun­

derts einen signifikanten Beitrag zur Weltener­

gieversorgung leisten können. Diese Beiträge können eben nicht quasi „über Nacht“ aufge­

baut werden, wenn gerade der Handlungsdruck am größten ist, sprich sinkende Beiträge konventioneller Energie zu kompensieren und steigende Energienachfrage aus Entwicklungs­

ländern abzudecken sind.

Zur Mitte des Jahrhunderts würden alle erneuer­

baren Energien zusammen 50 % des Primär­

energieangebotes decken. 2100 sind es bereits über 80 %.

Potenziale und Erträge

Die Folie auf dieser Seite zeigt, dass fast jede erneuerbare Energiequelle das Potenzial hat, den gegenwärtigen Weltstrombedarf von etwa 17.500 TWh/a abdecken zu können. Solarstrom

(entweder aus Photovoltaik oder aus solarthermischen Kraftwerken – SOT) hat bei weitem das größte Potenzial, dicht gefolgt von Wind. Der Beitrag der Biomasse zur Stromerzeu­

gung ist ungewiss, da bereits große Teile der Agrarflächen allokiert sind für die Bereitstellung von Futter­ und Nahrungsmitteln sowie Wärme.

Biogene Abfälle könnten ebenfalls einen Beitrag leisten.

Wasserkraft, Geothermie und in gewissem Umfang auch Biomasse­ und SOT­Kraftwerke verfügen über eine hohe gesicherte Leistung („capacity factor“). Unser heutiges Bild von Grund­, Mittel­ und Spitzenlast wird sich mit steigendem Anteil erneuerbarer Energien am gesamten Strommix zunehmend wandeln hin zu einer Kraftwerkseinsatzplanung, die die Ver­

fügbarkeit und Regelbarkeit der verschiedenen konventionellen und erneuerbaren Kraftwerke in den Mittelpunkt stellt.

Die obere Folie auf Seite 35 stellt das technische Potenzial zur Wärmeproduktion weltweit dar.

Rein rechnerisch könnte die Geothermie Wär­

meenergie bereitstellen, die doppelt so hoch

Electricityproductionin[TWh/yr]

Technical Potential:

Electricity Production World by region

Technical Potential:

Heat Production World by region

Thermalenergyproductionin[Mtoe/yr]

Yield per ha and year for different

transportation fuels

Yield[GJfinalfuel/(hayr)]

Patrick Schmidt ^• Alternative World Energy Outlook (AWEO) FVS ^• Workshop 2007

sind wie der gesamte Wärme­ und Kraftstoffbe­

darf. Die Biomasse kann einen nennenswerten, jedoch begrenzten Beitrag zur Wärmebereitstel­

lung weltweit übernehmen. Ca. 50 % des vor­

handenen technischen Potenzials sind bereits erschlossen. Eine Einschätzung des technischen Bereitstellungspotenzials ist noch Gegenstand von Analysen bei der LBST. Das Potenzial ist ver­

mutlich größer als bei der Geothermie.

Einen weiteren Hinweis darauf, warum gerade Wasserstoff eine Alternative zu Flüssigkraftstof­

fen darstellt und woher dieser nun eigentlich kommen kann, gibt die untere Folie auf Seite 35.

Es zeigt den Flächenbedarf verschiedener Kraft­

stoff­Herstellungspfade. Der Flächenertrag von Wasserstoff ist durchweg höher als bei biomas­

se­basierten Kohlenwasserstoffen. Eine Ausnah­

me stellt das obere Ende von Biomethan dar, was auf eine sehr hohe Angabe zum Flächen­

ertrag aus der Literatur zurückzuführen ist.

Wichtig zu bemerken ist, dass für dieses Rechen­

beispiel für PV nur 1/3 Überdeckung der Nutz­

fläche angenommen wurde. Ähnlich bei der Windenergie: Die physische Überdeckung der

Nutzfläche durch das Fundament einer Windan­

lage beträgt etwa 1 %. 99 % der restlichen Flä­

che steht beispielsweise weiterhin für andere landwirtschaftliche Zwecke zur Verfügung.

Wasserstoff:

Woher? Woher nicht?

Die Folie auf dieser Seite fasst die Erkenntnisse aus den Analysen zur Primärenergieverfügbar­

keit mit Blick auf die Frage zusammen, woher der Wasserstoff in Zukunft kommen könnte. Mit einiger Bestimmtheit kann zu diesem Zeitpunkt nur gesagt werden, woher der Wasserstoff nicht kommen wird. Der LBST „Alternative World Energy Outlook“ zeigt hierzu die Leitplanken auf. Der Spielraum ist nicht groß und erfordert eine neue Sicht der Dinge (siehe

Ausführungen).

Die wichtigsten Informations­ und Projekt­Web­

seiten der LBST sind auf der Folie auf Seite 37 zusammengestellt.

Leitplanken einer zukünftigen Energieversorgung

• Verknappung von Öl, Erdgas, Kohle und Uran lange vor Erschöpfung der Ressourcen ➔ Peak!

• Peak oil trifft vor allem den Transportsektor

• Beiträge durch Biomasse im Transportsektor stark begrenzt ➔ Wettbewerb!

• Kohle und Uran können Rückgang bei Öl und Gas nicht kompensieren

• Wasserstoff ist vielseitig hinsichtlich der eingesetzten Primärenergien.

Kurzfristig kann, langfristig muss Wasserstoff aus erneuerbaren Energiequellen kommen ➔ Ressourcen, Klimawandel!

• Kritische Phase für Primärenergieversorgung ist 2015–2025 (regional unterschiedlich)

• Massive Steigerung der Effizienz erforderlich, aber alleine nicht ausreichend

• Weichenstellung für erneuerbare Energien und Wasserstoff jetzt notwendig für langfristige Sicherung der Energieversorgung ➔ Fokus!

Wasserstoff woher?

Woher nicht?

LBST.de SERVICE WEBSITES

• HyWeb.de

• H2mobility.org

• H2stations.org

• EnergyShortage.com

• H2data.de

PROJECT WEBSITES

• HFPeurope.org

• HyLights.org

• HyWays.de

• HyNet.info

• AcceptH2.com

• HyApproval.org

• EIHP.org

• ...

Webseiten der LBST

Frank Musiol ^• Wasserstoff aus erneuerbaren Energien – wann ist wie viel möglich und sinnvoll?

FVS ^• Workshop 2007

Wasserstoff aus erneuerbaren

Energien – wann ist wie viel möglich und sinnvoll?

Um die Frage der Potenziale der Wasserstoff­

erzeugung aus erneuerbaren Energien zu disku­

tieren ist es notwendig, Wasserstoff im Gesamt­

kontext seiner Rolle als Speichermedium in einer auf erneuerbaren Energien basierenden Energiewirtschaft zu betrachten. Eine Solar­

wasserstoffwirtschaft sollte nur bzw. erst dann etabliert werden, wenn die Wasserstoffbereit­

stellung vor diesem Hintergrund ökologisch wie ökonomisch sinnvoll ist.

Erneuerbare Energien haben in den vergange­

nen Jahren in Deutschland zwar rasant an Bedeutung gewonnen, ihr Beitrag ist aber mit 5,8 Prozent am Primärenergieverbrauch bzw.

12 Prozent am Bruttostromverbrauch noch

immer vergleichsweise klein. In diesem Stadium ist es bei weitem am effizientesten, den Strom aus erneuerbaren Energien direkt zu nutzen, zumal die erneuerbaren Energien teilweise wichtige Funktionen in der Stromversorgung ausüben, die erheblich zur CO₂­Minderung bei­

tragen. Nur in wenigen Sparten – hierzu gehört vor allem die Offshore­Windenergienutzung an küstenfernen Standorten – könnte sich die Was­

serstoffherstellung schon mittelfristig anbieten.

F. Musiol ZSW

frank.musiol@zsw­bw.de

Stand 2006:

• Anteil EE am Primärenergieverbrauch:

• Anteil EE am Endenergieverbauch:

• Anteil EE am Bruttostromverbrauch:

5,8 % 8,0 % 12,0 %

davon Wind

Wasser Biomasse Photovoltaik

3,5 % 2,4 % 0,3 %

5,0 %

erneuerbarer Energien in Deutschland

biogene Brennstoffe,

Photovoltaik 1,0 %

10,7 %

19,7 % Wärme

41,4 %

Geothermie 0,9 %

Quelle: AGEE­Stat

Wasserkraft

Windenergie 15,0 %

Biokraftstoffe

biogene Brennstoffe, Strom Solarthermie

9,7 % 1,6 %

Endenergiebereit­

stellung aus erneuerbaren Energien 2006

des Abfalls 4,9 % Wasserkraft

29,3 %

biogener Anteil

Deponiegas 1,4 %

Windenergie 41,3 %

Photovoltaik 2,7 %

biogene Festbrennstoffe 9,7 %

Biogas 7,3 %

biogene flüssige Brennstoffe 2,2 %

Klärgas 1,2 %

S a E

trombereitstellung us erneuerbaren nergien 2006

Frank Musiol ^• Wasserstoff aus erneuerbaren Energien – wann ist wie viel möglich und sinnvoll?

FVS ^• Workshop 2007

Perspektiven / Leitstudie 2007:

2020

• Anteil EE am Primärenergieverbrauch: 16 %

• Anteil EE am Bruttostromverbrauch: 27 %

2030

• Anteil EE am Primärenergieverbrauch: 25 %

• Anteil EE am Bruttostromverbrauch: 45 %

2050

• Anteil EE am Primärenergieverbrauch: 48,5 %

• Anteil EE am Bruttostromverbrauch: 77 %

Energien in Deutschland

Ausbau erneuerbarer Energien in

Deutschland

Perspektiven / Leitstudie 2007

Wasserkraft

• derzeit rund 4 % des Stromverbrauchs

• Ausbaupotenziale in D gering

• ersetzt im Wesentlichen Braunkohle in der Grundlast

• Speicherung nicht sinnvoll

Erneuerbare Energien für die Wasserstoff­

erzeugung?

Wasserkraft

Windenergie an Land

• derzeit rund 5 % des Stromverbrauchs

• Ausbaupotenziale mindestens in gleicher Größenordnung (v.a. Repowering)

• spielt Rolle wesentlich in der Mittellast

• stößt ohne Speicher bei derzeitiger Netzstruktur an Grenzen

• Speicherung könnte trotz Netz­

umbau zeitlich und örtlich punktuell sinnvoll sein

• für Wasserstoff wenig praktikabel (Infrastruktur!)

Erneuerbare Energien für die Wasserstoff­

erzeugung?

Windenergie an Land

Frank Musiol ^• Wasserstoff aus erneuerbaren Energien – wann ist wie viel möglich und sinnvoll?

FVS ^• Workshop 2007

Windenergie Offshore

• bisher in D keine Anlagen errichtet aber 17 Windparks mit rund 5 GW genehmigt

• Testfeld soll 2008 in Betrieb gehen

• Ausbaupotenzial bis 40 GW bzw.

15 % des Strombedarfs

• erheblicher Netzausbau erforderlich

• einige Parks sind sehr weit von der Küste geplant (>> 100 km), so dass sich Wasserstoffherstellung als Alternative zur Stromableitung anbieten könnte

Erneuerbare Energien für die Wasserstoffer­

zeugung?

Windenergie Offshore

Biomasse

• 2006: 2,4% des Stromverbrauchs, stark steigende Tendenz

• Potenziale sind begrenzt (Anbau­

fläche!)

• Speichereigenschaften führen zu potenziell wichtiger Rolle in allen Lastbereichen

• zusätzlich Bedeutung im Wärme­

und Kraftstoffsektor

• Für H

­Herstellung könnte aber die direkte Umwandlung

(z. B. Vergasung) als Einstiegs­

Erneuerbare Energien für die Wasserstoff­

erzeugung?

Biomasse

Photovoltaik (heimisch)

• rasante Entwicklung – Beitrag aber bislang nur 0,3 % des

Stromverbrauchs

• Leitstudie geht von gemäßigtem aber stabilen weiteren Ausbau aus

• etwa 2–3 % bis 2030 erwartet

• Trägt z. T. zur Abdeckung von Spitzenlast bei („Mittagsspitze“)

• Bis auf weiteres weder Überschuss noch Speicherbedarf erkennbar

Erneuerbare Energien für die Wasserstoff­

erzeugung?

Photovoltaik (heimisch)

Geothermie

• erste Strom erzeugende Anlage seit 2004

• zweiter Entwicklungsschritt mit 3 weiteren Anlagen 2007

• kann verlässlich Grundlaststrom liefern, damit wichtige Rolle im Energiemix

• Stromerzeugungspotenzial wird durch gleichzeitige (ökologisch sinnvolle) Wärmenutzung gemindert

• Wasserstofferzeugung nicht sinnvoll

Erneuerbare Energien für die Wasserstoff­

erzeugung?

Geothermie

Frank Musiol ^• Wasserstoff aus erneuerbaren Energien – wann ist wie viel möglich und sinnvoll?

FVS ^• Workshop 2007

Die Leitstudie des Bundesumweltministeriums Die Zeit der Solarwasserstoffwirtschaft wird (BMU) zum Ausbau erneuerbarer Energien geht kommen – aber später, als vielfach angenom­

jedoch davon aus, dass der Beitrag zum Strom­ men wird. Für mindestens die nächsten 2 Jahr­

verbrauch bis 2030 auf bis zu 45 Prozent anstei­ zehnte macht die Wasserstoffbereitstellung öko­

gen kann. Etwa ab dieser Größenordnung logisch wie ökonomisch keinen Sinn, da die genügen Umstrukturierungen der Stromnetze, direkte Nutzung des Stroms aus erneuerbaren Kombination verschiedener erneuerbarer Ener­ Energien technisch machbar und deutlich effi­

gien und Maßnahmen des Lastmanagements zienter als über den Umweg der Wasserstoff­

nicht mehr, die zum erheblichen Teil fluktuie­ herstellung ist. Erst ab einem Anteil von etwa renden erneuerbaren Energien vollständig ins 50 Prozent erneuerbarer Energien an unserer Stromnetz zu integrieren. Es werden Speicher­ Stromversorgung ändert sich dies. In der medien benötigt und hierfür bietet sich kein Zwischenzeit bieten sich gegebenenfalls perfekteres an als Wasserstoff. Dieser wird daher einzelne Sparten wie Offshore­Windenergie und ab diesem Zeitpunkt insbesondere im Kraftstoff­ der Solarenergieimport für den allmählichen bereich steigende Bedeutung erlangen. Etwa Aufbau der entsprechenden Infrastruktur an.

um das Jahr 2050 wird er nach der BMU­Leit­

studie über 10 Prozent des Energiebedarfs des Verkehrs abdecken.

Fazit

• von den heimischen EE bietet sich im Wesentlichen die Offshore­Windenergie teilweise für sinnvolle Wasserstofferzeugung an

• Voraussetzungen: große Küstenentfernung / hoher Ausbaugrad (beides geht einher!)

• Die direkte Biomassekonversion bietet sich als weitere Einstiegstechnologie an (begrenzte Verfügbarkeit!)

• weitere EE­Quelle für die Wasserstofferzeugung kann importierte

Solarenergie sein (z. B. Solarthermie Nordafrika), wobei bis auf Weiteres die Stromübertragung mit Wasserstofferzeugung und ­transport ökonomisch und ökologisch abzuwägen sind.

Erneuerbare Energien für die Wasserstoff­

erzeugung?

Fazit