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: [email protected]