Synthetische Treibstoffe Chancen und Risiken

Christian Bach Abteilungsleiter Fahrzeugantriebssysteme

CO2-Entwicklung Brenn- und Treibstoffe Entwicklung seit 1990

Brennstoffe: auf Kurs Treibstoffe: nicht auf Kurs

Analyse Brenn- und Treibstoffentwicklung Problemzerlegung

𝐶𝐶𝐶𝐶2 = 𝐶𝐶𝐶𝐶2𝐸𝐸∗ 𝐸𝐸𝑚𝑚2𝐵𝐵𝐵𝐵𝐵𝐵

∗ 𝑚𝑚2𝐵𝐵𝐵𝐵𝐵𝐵𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐

∗ 𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐

Energie- mix

Gebäude- verbrauch

Wirtschafts- wachstum/ Gesellsch.

Entwicklung

Bevölkerungs- wachstum

𝐶𝐶𝐶𝐶2 = 𝐶𝐶𝐶𝐶2𝐸𝐸∗ 𝐸𝐸𝑐𝑐𝑝𝑝𝑚𝑚

∗ 𝑐𝑐𝑝𝑝𝑚𝑚𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐

∗ 𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐

Energie- mix

Fz- verbrauch

Wirtschafts- wachstum/ Gesellsch.

Entwicklung

Bevölkerungs- wachstum

Raumwärme Personenwagen

Reale CO2-Emissionen Hohe Relevanz der Vielfahrer (Mikrozensus)

Source: ETHZ/Empa (2018)

Mikrozensus: Die 70% kürzesten Autofahrten machen 30% der Laufleistung aus bzw. die 30% der längsten Autofahrten 70% der Laufleistung. Übertragung auf Fahrzeuge: Ein kleiner Teil (z.B. 30%) der Vielfahrer-Fahrzeuge sind für den grössten Teil (z.B. 70%) der CO2-Emissionen verantwortlich. Ansatz Empa Ein besseres Verständnis der Vielfahrer-Anwendungen ist zentral für CO2-Reduktion in der Realität.

Anzahl Fahrten Laufleistung

70% der Fahren

30% der Laufleistung

Was sind «synthetische Treibstoffe» [aus Strom und CO2 hergestellte chemische Energieträger]

Synthetische Treibstoffe Übersicht PtX-Prozesse

Methanol/DME/OME

Elektrolyse Wirkungsgrade: 82 – 84% (2050)

Methanisierung Wirkungsgrade: 80 – 90%

Methanolsynthese FT-Verfahren Wirkungsgrade: 56 - 66%

Quelle: DENA – Strategieplattform PtX (2018)

Power to X (Fuel)

Strom zu X (Treibstoff)

Investitionskosten

Synthetische Treibstoffe Gestehungskosten (Zum Vergleich: Benzin (Einkauf): ca. 0.07 CHF/kWhchem)

Quelle: Brynolf etal; Electrofuels for the transport sector: A review of production costs; (2018) (Anlagengrösse: 1 – 830 MW)

0.22 CHF/kWhchem) (0.13 – 0.65 CHF/kWhchem)

0.25 CHF/kWhchem) (0.16 – 0.83 CHF/kWhchem)

0.18 CHF/kWhchem) (0.12 – 0.32 CHF/kWhchem)

0.22 CHF/kWhchem) (0.13 – 0.38 CHF/kWhchem)

Synthetische Treibstoffe Relevanz des ökologischen Mehrwerts und von Skaleneffekten

(2) (3) (4) (5) (6)

(1) CNG-Fahrzeug vergleichbar zu Benzinfahrzeug trotz Nischenanwendung

(1)

(2) PtG erhöht TCO um ca. 20%

(3) Erhöhung Marktanteil von 0.3 auf 1.2% reduziert TCO (v.a. geringere CAPEX bei Tankstellen)

(4) Skaleneffekte in Fahrzeugproduktion senken Kaufpreis

(5) Ökologischer Mehrwert CNG-Fahrzeug aufgrund CO2-Reduktion senkt Kaufpreis

(6) Ökologischer Mehrwert PtG-Fahrzeug aufgrund CO2-Reduktion senkt Kaufpreis

Beispiel: TCO von mit synthetischem Methan betriebenes Gasfahrzeug

Synthetische Treibstoffe Was geschieht ohne PtX? Situation in Deutschland Bundesnetzagentur, Montoringbericht 2016

Situation in China Agora, Energy Transition in the Power Sector in China: State of Affairs in 2016 Review on the Developments in 2016 and an Outlook

Energetische und ökologische Bewertung [Stromüberschüsse nutzbar machen]

Ohne AKWs

Energetische und ökologische Bewertung Aktuelle Stromflüsse Heutige Situation

Ptot =17.5 GW

Ptot =37.7 GW für gleiche Energieproduktion

Energetische und ökologische Bewertung Saisonale Unterschiede

Stromverbrauchsanalyse 2010 – 2017 ohne Atomkraft, mit Tag/Nach-Ausgleich.

0% PV: - Winter: ca. 100 GWh/Tag Importstrom - Sommer: Wasserkraft deckt Bedarf

25% PV: - Winter: ca. 75 GWh/Tag Importstrom - Sommer: Wasserkraft übersteigt Bedarf um bis 50 GWh/Tag

50% PV: - Winter: ca. 50 GWh/Tag Importstrom - Sommer: Wasserkraft übersteigt Bedarf um bis 100 GWh/Tag

Quelle: Empa – for internal use only (unpublished Data)

0% PV

25% PV

50% PV

Energetische und ökologische Bewertung CO2-Emissionen von PtG-Methan (Gesamtsystem)

CO2-

Emis

sion

en

der A

nlag

e W

irkun

gsgr

ad

der A

nlag

e

A: 100% Wasserkraftwerk (10 gCO2/kWh) Wh)

A B

-90% -70%

B: 50% Wasserkraft / 50% PV (40 gCO2/kWh)

Energetische und ökologische Bewertung «Gleichwertigkeit» von Effizienz und Flexibilität bez. CO2

Annahmen

Verbrauch- Benzin: 6.2 l/100km 5.0 l/100km- Diesel: 5.3 l/100km 4.2 l/100km- CNG/PtGV: 4.3 kg/100km 3.4 kg/100km

- BEVSommer 13.6 kWh/100km- BEVWinter 18.4 kWh/100km

CO2-Belastung Strom- Sommer 20 g/kWh- Winter 200 g/kWh

Wirkungsgrade- Ladegerät 95%- Synth. CH4 (200 bar) 47%- H2 (700 bar; -40°C) 61%

Fz-Herstellung- HEV (Be/Di) 5.5 t- FCV 7.5 t- CNG/PtGV 6.0 t- BEV40kWh @ 100 kg/kWh 9.0 t

ICEV HEV

Mittel 16.0 kWh/100km

Elektrofahrzeuge weisen eine hohe energetische Effizienz und eine geringe energetische Flexibilität auf SynFuel-Fahrzeuge weisen eine geringe energetische Effizienz und eine hohe energetische Flexibilität auf Für ein nachhaltiges Energiesystem braucht es BEIDES!

Future Mobility Demonstrator [Methanisierung mit atmosphärischem CO2-Kollektor]

PtG-Mobilität

Batteriespeicher für EVs

350 bar HCNG- Praxiserprobung

350 Bar H2- Kehrfahrzeug 700 Bar H2-

Personenwagen

Realverbrauch / Carsharing

PtX-Studie Schweiz

Future Mobility Demonstrator Erweiterung Methanisierung

CO2-Kollektor 1. Stufe Methanisierung

(PSI)

2. Stufe Methanisierung

(Empa)

Vielen Dank für die Aufmerksamkeit! Dank Kollegen: Dr. Brigitte Buchmann Dr. Patrik Soltic Thomas Bütler Urs Cabalzar Dr. Sinan Teske Bei Fragen: christian.bach@empa.ch