Projekt HYDROCELL: Wasserstoffproduktion mit Hochtemperatur Brennstoffzellen Wien, 22. September 2014

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1 Projekt HYDROCELL: Wasserstoffproduktion mit Hochtemperatur Brennstoffzellen Wien, 22. September 2014 Richard Schauperl, AVL List GmbH Lead Engineer Fuel Cell Phone: or mobile

2 Inhalt Einleitung Power to Gas Stromspeichertechnologien Wasserstoffproduktion Funktionsprinzip Hochtemperatur-Elektrolyse (SOE) Projektvorstellung und Ziele des Projektes HYDROCELL

3 Power-to-Gas Strom aus erneuerbaren Energien speichern und transportfähig machen HYDROCELL Vgl. [2] [3] Konzept eines geschlossenen Kreislaufs: Für gesicherte Nutzung im Mobilitäts- und Wärmesektor

4 Was ist grüner Strom? Stromerzeugung und -verbrauch müssen stets ausgeglichen sein, damit das Stromnetz stabil arbeitet. Daher speisen die Versorger immer genau die Menge ins Netz ein, die von den Kunden entnommen wird. Quelle:

5 Bilanz der öffentlichen Elektrizitätsversorgung Quelle: Energie Control GmbH.

6 Entwicklung der anerkannten Ökostromanlagen in Österreich

7 Stromproduktion dass es zu keinem Flächennutzungskonflikt kommt. Die vermehrte Einspeisung von EE in aus erneuerbaren Energien das Stromnetz, insbesondere von Strom aus Windenergie, bringt jedoch das Problem der Fluktuationen mit sich. Spätestens ab einem Anteil von etwa 40% wird dies bei z.b. Stromerzeugung und Last für einen Zeitraum von einem Jahr bei 15% und 47 EE-Anteil. vorhandener Infrastruktur problematisch, wie in Abb.1.1 veranschaulicht. Vgl. [1] Abb Fluktuationen EE nach BEE Szenario (Sterner et al;2010;folie 7-8) Zunehmender Anteil von erneuerbaren Energien (EE) in der Stromerzeugung führt zu mehr Überschuss- bzw. Defizit-Situationen. Um die Fluktuationen auszugleichen müssten konventionelle Kraftwerke im Lastfolgebetrieb arbeiten, was häufiges An- und Abfahren notwendig macht. (Sterner et al,2010) Dies ist unwirtschaftlich und ineffektiv, da durch das ständige Ab- und Anlaufen der Generatoren der Wirkungsgrad der Kraftwerke deutlich gesenkt wird und außerdem

8 Konventionelle Stromspeichertechnologien Damit erneuerbare Energie gesichert zur Verfügung steht, kann mit Hilfe von Energiespeichern zum Produktionszeitpunkt überschüssige Energie gespeichert und zu einem späteren Zeitpunkt bedarfsgerecht bereitgestellt werden. Am weitesten verbreitet: Pumpspeicherkraftwerk Druckluftspeicherkraftwerke Windkraftwerk Superkondensator Batterien Quellen: kbbnet, voith, Windkraft Simonsfeld AG, Maxwell Technologies, Banner

9 Konventionelle Stromspeichertechnologien Vgl. [1]

10 hoch Kapazität niedrig Limits von konventionellen Stromspeichertechnologien Kurz Speicherzeit lang PSKW CAES Flywheels Supercapacitors VBR und ZnBr Batterien Li-ion NiCd Lead-acid Batterien

11 Alternative: Erzeugung von Wasserstoff und synthetischem Erdgas Mit der Hochtemperaturelektrolyse ist die Speicherung von überschüssiger Energie im GW-TW Bereich möglich! year month day hour

12 Warum Hochtemperaturelektrolyse? Der Gesamtenergiebedarf der Elektrolyse verlagert sich bei hohen Temperaturen hin zu mehr Wärme und weniger wertvollen Strom. Dadurch ist bei der Hochtemperaturelektrolyse der elektrische Energiebedarf um bis zu 25% niedriger als bei den heute üblichen Verfahren (PEM & Alkali). Steht eine Abwärmequelle ( C) für diesen Bedarf zur Verfügung können mit Hochtemperaturelektrolyse extrem hohe Wirkungsgrade bis zu über 85% dargestellt werden. Die Hochtemperaturzelle SOEC benötigt keine teuren Katalysatormaterialien (z.b. Pt). Als Katalysator wird Ni verwendet. In der Hochtemperaturelektrolyse kann direkt unter Zugabe von CO2 und H2O ein Synthesegas (H2 & CO) gewonnen werden, dass direkt einer Methanisierungsstufe zugeführt werden kann. Quelle: Konzept für eine 10 kw SOEC-Elektrolyseanlage Bernd Wede. Masterarbeit AVL/TU-Graz

13 Aufbau einer Hochtemperaturelektrolysezelle Interkonnektor / Bipolarplatte Elektrolyse von H 2 O CO- Elektrolyse von CO 2 und H 2 O + + H 2 O H 2 O, CO2 O 2 - O 2 O 2 - O 2 Kathode Anode Kathode Anode H 2 H 2 O, H2, CO Elektrolyt Elektrolyt Wiederholeinheit SOE Stack

14 Power-to- Wheel* η 65% 47% 72.3% 100% Hochtemperatur Elektrolyse η 85% 85% H 2 Transport und Speicherung η 85% 72.3% Brennstoffzelle η 60% 43.4% Power-to-Power und Power-to-Wheel Effizienz Hochtemperatur Wasserstoffelektrolyse 43.4% elektrische Energie (Power-to-Gas-to-Power) [4] [4] 56.6% Energieverlust 53% Energieverlust [4] 47% in kinetische Energie *Angenommener Wirkungsgrad FCV 65%

15 Projekt HYDROCELL: Fakten: Projektleitung AVL Projektlaufzeit Gesamtprojektkosten EUR Förderung EUR Ziele: Sehr hohe Wirkungsgrade, 80% and 90% Kraftstoffe: Wasser, Luft und Gleichspannung Neues Elektrolysekonzept wird untersucht und demonstriert mit einem Proof-Of-Concept System in 2015

16 AP1 Lastenheft und Wertschöpfungsanalyse AP 1.1: Abbildung der Wertschöpfungskette Strukturbaum des Systems (Hauptbaugruppen, Komponenten) Rohstoffe, Fertigungsverfahren/Produktion Wertschöpfungsstruktur / Kette AP 1.2: Erstellung eines Lastenheftes Identifikation der Nutzergruppen Identifikation relevanter Rahmenbedingungen (Regulatorisches) Anforderungsanalyse (Leistungsmerkmale, Dimensionierung, etc.) Nutzergruppenspezifisches Lastenheft AP 1.3: Analyse der Wertschöpfungspotenziale in Österreich Identifikation von österreichischen Unternehmen zur Herstellung der SOEC- Komponenten Erarbeiten von Stückzahlszenarien und Marktdiffussionsgeschwindigkeiten in Form einer Technologie-Roadmap Wertschöpfungs- und Beschäftigungsanalyse gemäß Basiskonzept

17 AP2 Komponenten Zellentwicklung In AP2 sollen die einzelnen Stackkomponenten derart adaptiert werden, dass sie den hohen Anforderungen im SOEC-Betrieb standhalten können. Zellpräparation Zellcharakterisierung Vermeidung von Degradation

18 AP2 Komponenten Interkonnektor Pulvermetallurgische Herstellung von einbaufertigen Interkonnektoren Weiterentwicklung des MK-Designs und Optimierung der Prozessroute Untersuchung neuer Legierungsvarianten und Schutzschichten Reduzierung der Übergangswiderstände Nachweis der Verbesserung der Hochtemperaturkorrosionsbeständigkeit Nachweis der Einsatzmöglichkeit der Chrom-Eisen-Yttrium-Legierung für SOEC- Anwendungen

19 AP3 Stacks Stackbau Stacktests Stackmodul Reproduzierbarer und zuverlässiger Stackaufbau Screening von Zellen im Stack Messungen von Langzeitstabilität und Robustheit Post-mortem Analyse Festlegung einheitlicher Prozedur für Stack-Tests Bestimmung der Stack- Degradation Untersuchungen bzgl. Degradation Ermittlung von Kennfeldern und Grenzbedingungen Design und Aufbau HotBox für SOEC-Modul Betriebsdaten für SOEC- Modul im Prüfstand und im System Aufbau des Moduls mit zwei SOEC-Stacks

20 AP4 - Systemkonzept Auslegung einer SOEC Anlage im Leistungsbereich von kW Aufbau und Betrieb eines SOEC proof-of-concept Systems am Prüfstand Entwicklung von Betriebsstrategien für eine SOEC Anlage Ergebnisse: Systemkonzept für eine kW SOEC Anlage SOEC System-Komponenten Tests Auslegung und Spezifikation der Komponenten Erstellen von Lastenheften für die Hauptkomponenten

21 AP5: Beispiel für ein SOEC System Konzept Wasserstoffproduktion mit Wasser, Luft und Gleichspannung

22 AP5 - Upscaling und Anwendungsszenarien Ziele Upscale der Technologie auf eine großindustriell relevante Leistungsklasse (1-100MW) Analyse von Anwendungsszenarien für eine großindustrielle SOEC Anlage Bewertung der Wirtschaftlichkeit einer großindustriellen SOEC Anlage Analyse zur Kopplung der SOEC Anlage mit Methanisierung Ergebnisse: Anlagenkonzept und Bewertung für eine 1-100MW SOEC Anlage

23 AP6 - SOEC CFD Modellierung und Zuverlässigkeitsanalyse Ziele 3D CFD Modellierung von SOEC Zellen mit AVL FIRE Validierung der 3D CFD Modellierung mit Einzelzellentests Zuverlässigkeitsanalyse SOEC Anlage Ergebnis: AVL FIRE kompatibel mit SOEC Zellsimulation Validierung der 3D CFD Simulationsergebnisse mit Einzelzellentests Liste mit priorisierten Fehlerarten SOEC Zelle/Stack/Modul Darstellbare Zuverlässigkeit/Lebensdauer von SOEC Stacks auf Basis der im Projekt geplanten Tests Validierungsstrategie SOEC Stacks

24 Gute Gründe für das Projekt: Wasserstoff, Brennstoffzellen und Elektrolyse sind Schlüsseltechnologien für eine zukünftige, nachhaltige, sichere, leistbare und wettbewerbsfähige Energieversorgung mit einer im Gegensatz zum heutigen Ölimport hohen regionalen und nationalen Wertschöpfung. Der SOEC Prozess erlaubt die effiziente Umwandlung von erneuerbarer elektrischer und thermischer Energie in das chemische Speichermedium Wasserstoff (oder Synthesegas) und kann damit einen wesentlichen Beitrag zur Energiespeicherung von erneuerbaren Ressourcen leisten Der Wasserstoff ist ein ungiftiges Gas mit hoher Energiedichte (somit gut als Speichermedium geeignet) und kann durch elektrochemische Prozesse mit der SOEC sowohl zentral wie auch dezentral erzeugt werden Wasserstoff kann in einem chemischen Reaktor (Synthese) unter Zumischung von CO2 in flüssige und gasförmige Kohlenwasserstoff - Verbindungen umgewandelt werden, wodurch die Energiedichte noch weiter erhöht werden kann. Höherer Wirkungsgrad verglichen mit am Markt verfügbaren Produkten

25 Quellenangabe [1] Systems analyses Power to Gas: A technology review. Part of TKI project TKIG01038 Systems analyses Power-to-Gas pathways Deliverable 1: Technology Review. Lukas Grond, Paula Schulze & Johan Holstein. Groningen, June 2013 GCS 13.R [2] Power to Gas Research Roadmap- Offering a Solution to the Energy Storage Problem? Robert Judd, Dave Pinchbeck. In: Gas-for-Energy ISSN: X [3] Bioenergy and renewable power methane in integrated 100% renewable energy systems. Dissertation. University of Kassel. Dr.M.Sterner. Germany, Sept 2009 [4] Energiehandbuch: Gewinnung, Wandlung und Nutzung von Energie. Eckhard Rebhan (Hrsg.). VDI Springer publishing. Mai 2002 ISBN-13: