Chemische Speicher: ein Technologieangebot für die Speicherung von Elektrizität und Nutzung im Bereich der Mobilität

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1 Chemische Speicher: ein Technologieangebot für die Speicherung von Elektrizität und Nutzung im Bereich der Mobilität Prof. Wolfgang Arlt Universität Erlangen-Nürnberg Lehrstuhl für Thermische Verfahrenstechnik Wiss. Sprecher des Energie Campus Nürnberg EnCN Mitglied des bayerischen Energierates 1

2 Sparen Intelligent nutzen Energie aus regenerativen Quellen erzeugen und speichern Keine Reduzierung des Lebensstandards des Bürgers Keine Beeinträchtigung des Ferienstandorts Bayern (Umsatz 24 Mrd. /a, Arbeitsplätze ( Aufbau einer innovativen Industrielandschaft für Energie Die Säulen Bayerischer Energiepolitik 2

3 Quelle: Energiekonzept Bayern 2011: 51,5 % Daten 2009 Daten : 4,9% aus Anlagen Das Problem. 3

4 Name Menge GWh Netto-Leistung, MW Volllast-h Isar Isar Grafenrheinfeld Grundremmingen B Grundremmingen C Summe Summe: im Mittel 92 in % Voll-Laststunden PV 1000 Bedarf an Menge aus PV (6135 MW x 8) MW in D IST-PV (Ende 2011, aus Zeitung) MW Bei 1000 Volllaststunden Strommenge in GWh GWh bei Zubau von 600 MW/a = 70 a Mittlerer Verbrauch an Elektrizität in Bayern Maximaler elektrischer Abtransport Ungedeckt sind GW = MW MW MW Ausstieg aus der Kernenergie in Bayern: Grenz- Szenario Kompensation Kernkraft allein mit PV 4

5 Ingenieurtechnische / naturwissenschaftliche Energieforschung an der FAU 5

6 ENERGIE CAMPUS NÜRNBERG Spitzenforschung entlang der Energiekette! Erzeugung Transport & Speicherung Nutzung Materialforschung für Energiegewinnung und Energietransport Leistungselektronik, Informationstechnik und Energieflusssteuerung für elektrische Netze, chemischer Transport & Speicherung Energieeffizienz durch neue Materialien, Prozesse, Elektronik und intelligente Steuerungen Simulation und Optimierung von Energienetzen Sozioökonomische Begleitforschung Design für Energieeffizienz Forschungsprogramm des Energie Campus Nürnberg 6

7 Elektrolyse Hydrierung Speicher Regenerative Quelle Dehydrierung Beispiel: Speicherung von Strom bzw. Biomasse zu Strom Wärmekraft maschine Brennstoff zelle Ziel: Wasserstoff-Wirtschaft sicher ohne niedrige Temp./hohen Druck ohne neue Infrastruktur Energiewende, die Antwort Bayerns: Gründung des BHC im Mai

8 Die wichtigsten Forschungsziele sind: 1. Weiterer deutlicher Preissturz der nachhaltigen Energieerzeugung auch unter Inkaufnahme einer Marktbereinigung 2. Speicher Kurzzeitspeicher: Kondensatoren, elektrochemische Speicher Mittel- und Langzeitspeicher: chemische Stoffe (Methan, Carbazol ) Wasserstoff ist ein ideales Energieträgermolekül, aber: Sehr schlechte Transportdichte Extrem schlechte Speicherfähigkeit Sehr ungewöhnliche Transportbedingungen (hoher Druck, niedrigste Temperatur) Keine öffentliche Infrastruktur Außerhalb einer professionellen Umgebung Sicherheitsbedenken Hauptforschungsziele BHC/EnCN 8

9 Wieviel Volumen brauche ich für 10 MWh elektrischer Energie? Das ist etwa 2-4 Volllaststunden einer Windanlage 5 Vollaststunden eines Photovoltaik-Parks 30 sec eines Atomkraftwerkes Ein Bild musste aus Gründen des Copyrights entfernt werden Pumpspeicher sehr effektiv; Potential in Deutschland ausgenutzt; Bayern: 590 MW/Gesamtenergie (in Summe 2564 MWh); Bedarf MW! Verdichtete Luft Pilotanlage in Nord- Deutschland; Kavernen notwendig; braucht Wärmeintegration LOHC höchste Speicherdichte; nutzt die Infrastruktur von Benzin/ Diesel Ein volumetrischer Vergleich von Speichern 9

10 Summe der deutschen Pumpwasserspeicher MWh (max. Leistung 7 GW) das sind 1 Promille der jährlichen deutschen Elektrizitätsmenge 1.) entspricht 1/5 eines Öltanks in Ingolstadt In 1 cbm Diesel/Benzin sind etwa 10 MWh = Tank 21x21x21 m incl. Wandlungsverlust 2.) entspricht Elektro-PKW als Speicher 10 kwh Kapazität, 300 Speichervorgänge/a Fazit 1. Die chemische Energiespeicherung ist in Bezug auf Verlust und Volumenbedarf mit großem Abstand vornweg 2. Elektroautos können nur marginale Beiträge liefern (falls die Netze reichen). Speicherfähigkeit chemisch 10

11 Art der Speicherung Batterien Redox-Flow Batterien Mechanische Speicher (Schwungmassen) Druckluft in Kavernen Pumpspeicher Chemische Speicher Bemerkung Hohe Effizienz Strom->Strom; sehr teuer; geringe Kapazität; Selbstentladung für kurzzeitige Speicherung kleiner Mengen Hohe Effizienz Strom->Strom; im Entwicklungsstadium; sehr giftige Stoffe Sicherheitsbedenken bei großen Energiemengen In BY keine Kavernen; Wirkungsgrad hängt vom Wärmehaushalt ab Hohe Effizienz Strom->Strom; hoher Landverbrauch; in D ausgereizt Mittlere Effizienz Strom->Strom; orientiert sich am natürlich Vorbild Erdöl-/-gas; Infrastruktur vorhanden; Beispiele: Carbazol und Methan Möglichkeiten der Speicherung 11

12 Energie Tragende Stoffe Brauchen keine Atmosphäre = intrinsische Lösung des Klimaproblems Kreislaufwirtschaft Reduzierter Netzausbau 1) LOHC (siehe nächste Folie) 2) Alkalioxide Energieträger 1) CO 2 -> Methan: braucht reinstes CO 2, energetisch weniger günstig 2) Beimischung von Wasserstoff zu Erdgas: energetisch günstig; Festhalten an fossiler Versorgung (5 Vol% Wasserstoff erlaubt) Chemische Speicher nutzen die vorhandene Infrastruktur! Chemische Speicheroptionen 12

13 Lösungsansatz: Wasserstoff als Langzeitspeichermedium Problem: verlustfreie Lagerung bei hoher volumetrischer Energiedichte Ein Bild musste aus Gründen des Copyrights entfernt werden Angewandte H 2 - Speichermethoden Druckgasspeicherung (p = 700 bar) Flüssigspeicherung (T = -253 C) Thermodynamik Dr. Mokrushina 6 Doktoranden Wasserstoff: Energieträger der Zukunft? 13

14 Flüssige organische Wasserstoffträger (engl. Liquid Organic Hydrogen Carriers, LOHCs) als mögliches Speichermedium für Wasserstoff Anforderungen: flüssig bei Umgebungsbedingungen (25 C, 1 bar) niedriger Dampfdruck hohe thermische Stabilität ungiftig für den menschlichen Organismus nicht umweltgefährdend hohe massenbezogene H 2 -Speicherkapazität Ein Bild musste aus Gründen des Copyrights entfernt werden Thermodynamik Dr. Mokrushina 6 Doktoranden LOHCs als Speichermedium für H 2 14

15 Konzept der Energiespeicherung mit Hilfe von LOHCs Elementarer Wasserstoff ist schlecht lager- oder transportfähig Speicherung auf einem Energietragenden Stoff Für Wasserstoff: Liquid Organic Hydrogen Carrier (LOHC) Ungesättigte organische Verbindung wird zur Speicherung hydriert Dehydrierung zur Wasserstofffreisetzung Aktuelle Modellkomponente: N-Ethylcarbazol LOHC 15

16 Ein Bild musste aus Gründen des Copyrights entfernt werden Carbazol ist die in der Presse verwendete und unwissenschaftliche Kurzform des am weitestgehenden untersuchten LOHCs, des Systems Dodecahydro-N-ethylcarbazol (H12-NEC)/ N-Ethylcarbazol (NEC) Patent: Air Product & Chemicals [2004] in den USA Liquid Organic Hydrogen Carrier als ein Energie Tragender Stoff 16

17 Auswahl neuer LOHCs Reaktionsgleichgewicht der Dehydrierung 17

18 1 Liter Perhydro-N-Ethylcarbazol liefert 667 Liter (1 bar, 20 C) Wasserstoff (100% Nutzung der Tragfähigkeit). Das ist ein Ballon mit 1m Durchmesser. 1 m 1kg Carbazol trägt max. 58 g H 2. Wasserstoff hat die Dichte (20C, 700 bar) von 39,7 kg/m 3. 70% mehr Wasserstoff pro Liter Innenvolumen 100% mehr Wasserstoff pro Liter Außenvolumen Speicherdichte 18

19 Name Strom rein Strom raus Anwendung Energie-handelndes Haus 15 kw 5 kw Dezentral Christkindlesmarkt 400 kw Dezentral, Green Hospital Großanlage 50 MW Zentral: Island, Marokko, Griechenland Geplante Baugrößen 19

20 CO H 2 CH H 2 O R H + = -165 kj/mol Ein Teil des eingesetzten Wasserstoffs wird bereits bei der Sabatierreaktion verbrannt. Die Reaktion ist stark exotherm. Diese Exothermie kann aber kaum genutzt werden. Der erhaltene Brennwert ist geringer als der eingesetzte Brennwert. Bei LOHC wird soviel Brennwert erhalten, wie eingesetzt wird. Bewertung - Bisher nur Großtechnik - Problem der kostengünstigen CO2-Quelle in Menge und Qualität - Gute Lagermöglichkeit - Ist auf fossile Kraftwerke angewiesen Methanisierung 20

21 Elektrischer Wirkungsgrad des Prozesses ist von den elektrischen Wirkungsgraden aus Brennstoffzelle (55%) und Elektrolyse (70%) bestimmt. Maximaler elektrischer Wirkungsgrad: 38,5% Speicher-Wärme-Kopplung: LOHC- Speicher Abwärme der Brennstoffzelle und der Hydrierung wird für die Klimatisierung des Gebäudes verwendet. Gesamtwirkungsgrad steigt Energieeffizienzanalyse chemische Speicherung 21

22 Gesamtwirkungsgrad bei Verbrennung im Gasmotor Methanisierung LOHC Elektrolyse 70 % 70 % Speicherung 90 % 98,6 % Stromerzeugung 42 % 42 % Gesamt 26,5 % 29 % Bei der Methanisierung gehen etwa 9 % der Energie verloren, die beim LOHC-Konzept zurückgewonnen wird. Vergleich: Methanisierung - LOHC 22

23 Stationäre Anwendung Dezentrale Speichertechnik, Speicher-Wärme-Kopplung = inkrementelle Einführung einer neuen Technologie 23

24 Jedes Haus mit Heizöltank ist ein potentieller Energiespeicher für unstete Energie! Ein Bild musste aus Gründen des Copyrights entfernt werden Energie-autarkes Haus bzw. Haus als dezentraler Energiespeicher 24

25 Schere Einkauf Verkauf Mögliche Entwicklung Einspeisevergütung/Preis der Elektrizität 25

26 Haushalte in Bayern 6,1 Mill. Anteil Ölheizung ( 30% gleich 1,8 Mill Haushalte Mittlere Tankkapazität 5000 L Tankkapazität aller bayerischen Ölheizungsanlagen 9 Mill. cbm In einem cbm Carbazol sind 2 MWh Theoretische Speicherfähigkeit Wärme GWh 30 GW PV-Zusatzleistung bedeutet pro ölheizendem Haushalt 16 kw Leistung. Diese Haushalte speisen max. 5 kw/haushalt = 9,6 GW für alle Haushalte ins Netz zurück. Das sind 100% des mittleren Verbrauchs. Fazit In bayerischen Haushalten können 22% der jährlichen Elektrizitätsmenge Bayerns gespeichert werden. Modellrechnung Bayern 26

27 Investkosten Infrastruktur Akzeptanz in der Bevölkerung Nutzung der Ab wärme Steuerung Betreiberstruktur Eignung zentral fallen durch die Größe der Anlage notwendig zur Hin- und Ableitung wie Chemieanlage Nicht möglich, wenn an keine Industrieanlage gekoppelt Sehr gut möglich, professionelle Umgebung Großunternehmen wie Chemie = übersichtlich wenn Verbrauch vor Ort gering ist = Export dezentral fallen durch die Zahl der hergestellten Einheiten nur in geringem Ausmaß notwendig hoch sehr gut möglich in Immobilien Nur per Datenfernübertragung=einfacher Aufbau; Datensicherheit? Stadtwerke, kleine Gesellschaften = unübersichtlich wenn die Elektrizität am Ort verbraucht wird Vergleich dezentrale-zentrale Energiespeicherung 27

28 Mobile Anwendung 28

29 Nord- Afrika, Island Offshore-Erzeugung, Norddeutschland Elektrizität oder beladenes Carbazol O2 Energie-arm H2O H2 Energie-reich Die Versorgung mit Energie 29

30 Ein Bild musste aus Gründen des Copyrights entfernt werden Carbazol-Kreislauf Mobilität 30

31 Ein Bild musste aus Gründen des Copyrights entfernt werden Energiequellen: Windräder, PV-Farmen, Import Tankstelle für Busse mit Druckflaschen auf dem Dach Zwischentechnologie: Gastankstelle 31

32 1. LOHC haben das Potential, die Pufferung der regenerativen Elektrizitätsversorgung, die Hausheizung und die Mobilität mit einem System zu lösen. 2. LOHC passen in die heutige Infrastruktur von Diesel und Benzin. 3. LOHC bieten intrinsisch eine Lösung des Klimaproblems. 4. Die Technik vieler LOHC-Einzelschritte ist in der chemischen Industrie bekannt. 5. LOHC bringt 4 leistungsfähige deutsche Industriezweige zusammen: Chemie Elektrotechnik Fahrzeugbau - Umwelttechnik Bayern startet spät aber mit Macht in die regenerative Energietechnik! Zusammenfassung 32