Power-to-Gas Eine neue Technologie zur Speicherung von elektrischem Strom als Wasserstoff- oder Methangas

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1 Vortragsreihe Schiller-Volkshochschule Kreis Ludwigsburg 06. November 2013, Bürgersaal Ditzingen Power-to-Gas Eine neue Technologie zur Speicherung von elektrischem Strom als Wasserstoff- oder Methangas Dipl.-Ing. Andreas Brinner 1 mit Beiträgen von: M. Specht 1, J. Brellochs 1, V. Frick 1, B. Stürmer 1, U. Zuberbühler 1, M. Sterner 2, G. Waldstein 3 1) ZSW Zentrum für Sonnenenergie- und Wasserstoff-Forschung, Stuttgart 2) Fraunhofer IWES, Kassel 3) etogas GmbH, Stuttgart

2 Vortragsinhalt: Kurze Vorstellung des ZSW Warum benötigen wir neue Energieträger? Welche Energieträger gibt es und welche brauchen wir? Wie kann ein Energieversorgungsszenario mit Power-to-Gas aussehen? Von der erneuerbaren Energie (EE) zum Wasserstoff Kommerzieller Stand der Elektrolysetechnik Leistungsanpassung von EE und Elektrolyse Betriebsergebnisse von PV-Elektrolysesystemen Übertragung der Ergebnisse auf Wind-Elektrolysesysteme Power-to-Gas-Anlagenentwicklung von ZSW und Solar Fuel Wo ist der Markt? Elektrolyse ist entscheidend für den Erfolg! Keine Angst vor neuen Energieträgern! -2-

3 Zentrum für Sonnenergie- und Wasserstoff-Forschung (ZSW): Neue Energietechnologien Angewandte Forschung und Entwicklung Enge Kooperation mit Unternehmen und Universitäten 25 Millionen Umsatz, 220 Angestellte Photovoltaik Dünnschicht-Technologien (CIS) & Anwendungssysteme Regenerative Energieträger und Verfahren Brennstoffzellen Technologie, Systeme, Testzentrum Batterien & Superkondensatoren Material, Systeme, Qualifizierung Systemanalyse & Politikberatung Stuttgart Widderstall Ulm -3- Kurze Vorstellung des ZSW

4 Ein Energieversorgungssystem mit hohem erneuerbarem Energieanteil benötigt Speicher -4- Warum neue Energieträger?

5 Ziel: Ein Energiesystem ohne Schadstoffe Lösung 1: Erneuerbare Energie zu Wasserstoff mit geschlossenem Wasser-Kreislauf Grafik: DLR Stuttgart aus Broschüre Solarer Wasserstoff ein möglicher Energieträger der Zukunft -5-

6 Ziel: Ein Energiesystem ohne Schadstoffe Lösung 2: Erneuerbare Energie zu Ersatz-Erdgas mit geschlossenem Kohlenstoff-Kreislauf (Engl.: Substitute Natural Gas SNG) SNG (Kohlenstoff-basierter Kraftstoff) -6-

7 Energieverbrauch und -speicherkapazitäten in Deutschland (2008) Strom Erdgas Flüssigkraftstoffe 1) Verbrauch [TWh/a] durchschnittliche Leistung [GW] ) 81 Speicherkapazität [TWh] 0,04 3) 217 4) 250 5) rechnerische Speicherreichweite 6) [h] 0, ) Benzin, Diesel, Kerosin 2) jahreszeitlich stark schwankend 3) Pumpspeicherkraftwerke 4) 47 Untertage Gasspeicher / für weitere 79 TWh Rahmenbetriebsplan eingereicht / weitere Speicher in Planung [LBEG, Hannover] 5) Bevorratung an Benzin, Diesel, Kerosin und Heizöl EL 6) bezogen auf die durchschnittliche Leistung -7-

8 Energieverbrauch und -speicherkapazitäten durch Elektrofahrzeuge in Deutschland 1) 1 Mio. Elektrofahrzeuge 40 Mio. Elektrofahrzeuge Verbrauch 2) [TWh/a] 1,9 76 Anteil am Stromverbrauch [%] 0,3 12 Speicherkapazität 3) [TWh] 0,01 0,4 rechnerische Speicherreichweite 4) [h] 0,15 6 1) Bezugsjahr ) 0,16 kwh/km; km/a 3) verfügbare Speicherkapazität pro Fahrzeug: 10 kwh 4) bezogen auf die durchschnittliche Leistung von 70 GW -8-

9 Speichertypen für Erneuerbare Energie: Kapazität und Entladezeit a 1000 SEG 1 m 100 WPS Entladezeit [h] d 1 h Batterien ADLS CAES H 2 0,1 Schwungrad 0,01 0,001 1 kwh 10 kwh 100 kwh 1 MWh 10 MWh 100 MWh 1 GWh 10 GWh 100 GWh Speicherkapazitäten für verschiedene Speicherypen ADLS Adiabater Druckluftspeicher WPS Wasser-Pumpspeicher SEG Synthetisches Erdgas 1 TWh 10 TWh 100 TWh -9- Warum neue Energieträger?

10 Was wollen wir? Wir wollen Energie und Mobilität ohne Einschränkungen und ohne Nachteile für die Umwelt. Das geht nur in gekoppelten Systemen. NETZ GAS VERTEILUNGSSYSTEM Wind Solar GSP / BCHP GSP BCHP Gas and steam power plant Block-type heating power station ENERGIEERZEUGUNG GASTANK ENERGIESPEICHERUNG CO 2 CO 2 Elektrolyse / H 2 Speicher CO 2 Speicher H 2 CO 2 Methanisierung H 2 CH 4 Gasverteilungs- und Speichersystem auf der Basis von synthetischem Erdgas Elektrische Energie Wasserstoff Synthetisches Erdgas BEV FCEV CNG-V Plug-In HEV Plug-In HEV Mobilität BEV: FCEV: CNG-V: Plug-In HEV: Battery Electric Vehicle Fuel Cell Electric Vehicle Compressed Natural Gas Vehicle Plug-In Hybrid Electric Vehicle -10- Welche Energieträger brauchen wir?

11 Was wollen wir? Wir wollen Energie und Mobilität ohne Einschränkungen und ohne Nachteile für die Umwelt. Das geht nur in gekoppelten Systemen. NETZ GAS VERTEILUNGSSYSTEM Wind Solar GSP / BCHP GSP BCHP Gas and steam power plant Block-type heating power station ENERGIEERZEUGUNG GASTANK ENERGIESPEICHERUNG Elektrische Energie Elektrolyse / H 2 Speicher Wasserstoff Gasverteilungs- und Speichersystem auf der Basis von Wasserstoff Elektrische Energie Wasserstoff BEV FCEV ICE-V Plug-In HEV Plug-In HEV Mobilität BEV: FCEV: ICE-V: Plug-In HEV: Battery Electric Vehicle Fuel Cell Electric Vehicle Internal Combustion Engine Vehicle Plug-in Hybrid Electric Vehicle -11- Welche Energieträger brauchen wir?

12 Von der Primärenergie zum Sekundärenergieträger Energiewandler und Wasserstoff-Erzeugungsprozesse der nicht-fossilen Wasserstoffherstellung aus Sonnenenergie Die Strukturierung der H 2 -Herstellungsverfahren ist allgemein anerkannt -12- Von der erneuerbaren Energie (EE) zum Wasserstoff

13 Technische Verfahren zur Erzeugung von Wasserstoff als Sekundärenergieträger von der Entwicklung bis zum Anlagenbau Thermochemische Verfahren Thermochemische Kreisprozesse Entwicklung Technischer Reifegrad Elektrochemische Verfahren Anlagenbau -13- Von der erneuerbaren Energie (EE) zum Wasserstoff

14 Einschätzung der System-Wirkungsgrade verschiedener Wasserstoffherstellungsverfahren Quelle: J. Blumberg, TU München -14- Von der erneuerbaren Energie (EE) zum Wasserstoff

15 Funktionsprinzip einer alkalischen Elektrolysezelle Quelle: A. Brinner, DLR 2 H 2 O + elektrische Energie 2 H 2 + O 2-15-

16 Prinzipien der Wasserelektrolyse AEL: T = C PEMEL: T = C SOEL: T = C -16- Von der erneuerbaren Energie (EE) zum Wasserstoff

17 Einfacher atmosphärischer, alkalischer Elektrolyseur mit 2 10 kw elektrische Leistung H 2 -Seite Gasabscheidekammern O 2 -Seite Elektrolytniveau Aktive Elektrodenfläche Kathoden-Kreislauf Zellrahmen -17- Elektrolytsammelkammern Anoden-Kreislauf Kathodenpumpe Anodenpumpe Quelle: A. Brinner, DLR Wärmeübertrager

18 Funktionsprinzip einer alkalischen Elektrolysezelle H 2 -Seite Elektrolyt- Sammelkammer Kathoden- Kreislauf Aktive Elektrodenfläche Zellrahmen O 2 -Seite -18- Elektrolytniveau Elektrolyt- Sammelkammer Anoden- Kreislauf Quelle: A. Brinner, DLR Elektrolysezelle mit Naturumlauf

19 Einfacher atmosphärischer, alkalischer Elektrolyseur mit 2 10 kw elektrische Leistung Elektrolyseblock Gas- Abscheidung Elektrodenfläche -19- Quelle: A. Brinner, DLR Laugensammler Laugen- Kreislauf

20 Fortschrittlicher alkalischer Druck-Elektrolyseur mit kw elektrische Leistung Wasser- Rückgewinnung Elektrolyseblock Gas- Abscheidung Laugen- Kreislauf Quelle: A. Brinner, DLR -20- Druckregelung

21 Fortschrittlicher alkalischer Druck-Elektrolyseur mit 500 kw elektrische Leistung in Saudi Arabien H 2 -Wasser- Trennung Elektrolyseblock Laugen- Kreislauf N 2 -Spül- System Wasserabscheider Wasser- Kreislauf Quelle: A. Brinner, DLR -21-

22 Kommerzieller technischer Stand der Wasserelektrolyse Alkalische Elektrolyse (AEL) Anlagenbau, Serienprodukte PEM-Elektrolyse (PEMEL) Prototypen, Einzelstücke Oxidkeramik-Elektrolyse (SOEL) Noch nicht kommerziell verfügbar ELT, 30bar, 2,4MW Siemens, 50bar, 100kW, ab 2012 Idaho NL, 1bar, 17,5kW Hydrogenics, 10bar, 320kW ABB, 1bar, 100kW, bis 2000 Leistung: Hydrotechnik, 1bar, 0,6MW 1 kw 2,5 MW FUMATech, 30bar, 1,7kW Leistung: 0,1 kw 100 kw Druck: drucklos 100 bar Druck: drucklos 100 bar -22- Kommerzieller Stand der Elektrolysetechnik

23 Dynamischer, vorhersehbarer Photovoltaik-Elektrolysebetrieb Optimaler Betrieb Minimalbetrieb Dynamischer Betrieb Messungen im Rahmen des Deutsch Saudi Arabischen HYSOLAR-Projektes Quelle: A. Brinner, DLR-TT, Stuttgart -23- Leistungsanpassung von EE und Elektrolyse

24 Dynamischer, nicht vorhersehbarer Wind-Elektrolysebetrieb Messungen im Rahmen des Europäischen Joule II- Projektes JOU2-CT Quelle: W. Hug, H. Dienhart, DLR-TT, Stuttgart Windanlagen-Testbetrieb 1997 Dynamischer Elektrolysebetrieb Leistungsanpassung von EE und Elektrolyse

25 Kopplungskonzepte der Energiewandler Photovoltaik und Elektrolyse Funktionsprinzip Technische Ausführung Quelle: A. Brinner, DLR-TT, Stuttgart -25- Leistungsanpassung von EE und Elektrolyse

26 Auch Wind-Elektrolysesysteme benötigen eine optimale Spannungs-/ Leistungsanpassung! Elektronische Leistungsanpassung ELA Elektronische Spannungsanpassung ESA Quelle: W. Hug, H. Dienhart, DLR-TT, Stuttgart -26- Übertragung der Ergebnisse auf Wind-Elektrolysesysteme

27 Fortschrittliche Druckelektrolyseure mit vakuum-plasmagespritzter Elektrodenaktivierung (DLR-Konzept) 1,7 kw N alkalischer Versuchselektrolyseur, atmosphärischer Betrieb, 22 % Energieeinsparung im Vergleich zu unbeschichteten Elektroden 10 kw N alkalischer Druckelektrolyseur, 5 bar Betriebsdruck, 18 % Energieeinsparung im Vergleich zu unbeschichteten Elektroden Quelle: Hysolar Final Report, Phase II , Stuttgart Vergleichsstromdichte 500 ma/cm Leistungsanpassung von EE und Elektrolyse

28 Direkt gekoppelter PV-Elektrolysebetrieb ohne elektrischen Zwischenspeicher Direkt gekoppelter PV-Elektrolysebetrieb mit 49,5V MPP-Spannung Quelle: A. Brinner, DLR-TT, Stuttgart -28- Leistungsanpassung von EE und Elektrolyse

29 Elektronisch angepasster PV-Elektrolysebetrieb ohne elektrischen Zwischenspeicher PV-Elektrolysebetrieb mit elektronischem Spannungswandler (DC/DC-Wandler) Quelle: A. Brinner, DLR-TT, Stuttgart -29- Leistungsanpassung von EE und Elektrolyse

30 PV-Elektrolysebetrieb ohne elektrischen Zwischenspeicher Direktkopplung Elektronische DK Spannungsanpassung ESA DK + teilw. ESA Quelle: A. Brinner, DLR-TT, Stuttgart -30- Referenz: Solarenergieleistung auf der PV-Feldfläche Leistungsanpassung von EE und Elektrolyse

31 Wichtiges Elektrolyseergebnis: Der Wirkungsgrad ist unabhängig vom Energieumsatz Der Betriebsstart mit Leistung < 7% P N ist reproduzierbar Ab 5% Nominalleistung erhält man nutzbaren Wasserstoff Quelle: A. Brinner, DLR-FK, Stuttgart -31- Leistungsanpassung von EE und Elektrolyse

32 Technisches Konzept einer Wasserstoff- Erzeugungsanlage mit Druckelektrolyseur -32- Power-to-Gas-Anlagenentwicklung von ZSW und Solar Fuel

33 Containerisierte alkalische Druckelektrolyseanlage mit 320 kw elektrische Leistung O 2 -Abblaseleitung Systemkühler H 2 -Abblaseleitung Kühlertrockner -33- Elektrolyse- Kernsystem Kühlersystem Gleichrichter Systemsteuerung

34 Detail-Blick in den Elektrolyse-Container Gaserzeugung in 4 Elektrolyse- Doppelblöcken Gleichrichteranlage mit 4 einzeln regelbaren 80kW Gleichrichtern -34-

35 Detail-Blick in den Elektrolyse-Container Wasseraufbereitungsanlage mit Umkehrosmose und Mischbett-Filterung Gastrocknungsanlage und Kondensatabscheidung auf 99,999% Reinheit und -75 C Taupunkt Katalytische O 2 -Rekombination und Wechsel-Adsorberkolonne -35-

36 Herstellung von Ersatz-Erdgas (SNG) Methanisierung von CO x 2 CO + 2 H 2 CH 4 + CO 2 H 298K = kj/mol CH4 CO + 3 H 2 CH 4 + H 2 O(g) H 298K = kj/mol CH4 CO H 2 CH H 2 O(g) H 298K = kj/mol CH4 SNG = Substitute Natural Gas -36-

37 CO 2 + elektrische Leistung SNG Experimentalergebnisse Speisegase (Edukte) Katalysator Substitute Natural Gas (Produkt) H 2 79,5 CH 4 92,0 Vol.% Methanisierung Vol.% CO 2 20,5 Parameter der Methanisierung: T C p e < 10 bar SV wet > /h H 2 3,9 CO 2 4,1-37-

38 -38- Wind-zu-SNG - Konzept: Energetischer Wirkungsgrad (Sankey Diagramm ohne direkte H 2 -Abgabe)

39 Power-to-Gas - Technologie: Technische Realisierung für die Firma Etogas Methanreaktor CH 4 -Abfüllstation ca. 15 kg, 200 bar CO 2 - Gewinnung Elektrolyseur -39- Power-to-Gas-Anlagenentwicklung von ZSW und Solar Fuel

40 Verfahrenstechnischer Umfang der ZSW 250kW-Anlage (PtG250) -40- Power-to-Gas-Anlagenentwicklung von ZSW und Solar Fuel

41 PtG250-Anlageninstallation auf dem Versuchsgelände Subsysteme der Versuchsanlage 1 Methansynthese 1 2 Methansynthese 2 3 Gasaufbereitung 4 Gasbereitstellung 5 Rezykl.-Verdichter 6 Feuerungsanlage 7 H 2 -Elektrolyse 8 CO 2 -Bereitstellung 9 N 2 -Bereitstellung 10 Brenngas-Bereitstellung 11 Wasseraufbereitung 12 Sicherheitsleitung Gase 13 Sicherheitsleitung Dampf 14 Kamin 15 Sicherheitsleitung H 2 16 Abgabeleitung O 2 17 Lüfter -41- Power-to-Gas-Anlagenentwicklung von ZSW und Solar Fuel

42 Power-to-Gas - Container: Betrieb mit CO 2 und an Biogasanlagen mit Biogas und PSA Abfall-Gas Der Nordwesten Deutschlands wurde als geeigneter Standort von Audi für die SolarFuel Anlage gewählt Anlage an Biogasanlage Beta-Anlage Werlte Morbach 2009 Alpha-Anlage 2011 Stuttgart Source: SolarFuel -42- Power-to-Gas-Anlagenentwicklung von ZSW und Solar Fuel

43 -43- Kommerzialisierung in Werlte: Power-to-Gas - Anlage / Biogas-Anlage

44 CO 2 -Neutralität für e-tron und g-tron Strom H 2 4 Windkrafträder à3,6 MWel Elektrolyse, 6,3 MW el Methanisierung CH 4 BEV-Fahrzeug CO 2 -neutraler Betrieb von Audi A3 e-trons CO 2 - aus Luft oder Biogasanlage -Kläranlage - Erdgasfahrzeug CO 2 -neutraler Betrieb von A3 g-tron-fahrzeugen CH 4-44-

45 Markt für Power-to-Gas auf deutschen Biogasanlagen: Anzahl der Anlagen und Leistungsklasse Anzahl der Biogasanlagen: ca (Stand 2010) Installierte Leistung: 2,3 GW el Mittl. Anlagenleistung: 380 kw el (korrespondiert mit ca. 1 MWB Biogasleistung ) Benötigte Elektrolyseleistung für die CO 2 -Methanisierung in Biogas: ca. 1 MW el (für 1 MW Biogasleistung )* Source: DBFZ * Abhängig vom CH 4 /CO 2 Verhältnis im Biogas und vom Elektrolyse-Wirkungsgrad -45- Wo ist der Markt?

46 Einfluß des Elektrolyse-Wirkungsgrades (spez. Leistungsbedarf) auf den Wind-to-SNG System-Wirkungsgrad (CO 2 /H 2 -zu-sng) 70 System-Wirkungsgrad [%] ,5 3,7 3,9 4,1 4,3 4,5 4,7 4,9 5,1 Spezifischer Elektrolyse-Leistungsbedarf [kwh el /m N 3 H2 ] -46- Elektrolyse entscheidend für Erfolg!

47 Wichtige Kunden für Erneuerbare Energie: Fahrzeuge Die Tankstelle von heute wird sich zur Tankstelle von morgen weiterentwickeln Erdgas-Zapfsäule Wasserstoff-Zapfsäule Strom-Zapfsäule -47- Quelle: eigene Aufnahmen Keine Angst vor neuen Energieträgern!

48 Keine Angst vor der Betankung: Evolution der Zapfpistolen am Beispiel Wasserstoff Funktionsprinzip Test und Zulassung Kundenfreundliches System Quelle: ; eigene Aufnahmen -48- Keine Angst vor neuen Energieträgern!

49 Die Bedienung wird sich weiterentwickeln aber das Prinzip bleibt gleich. Sicherheit gegen Verwechselung ist Pflicht! Strom-Zapfpistole Auch ein Vorschlag: Strom-Zapfpistole, Wasserstoff-Zapfpistole schönes Modell aber kaum durchsetzbar Quelle: ; eigene Aufnahmen Erdgas-Zapfpistole -49- Keine Angst vor neuen Energieträgern!

50 Die Vergleichbarkeit der Preise ist Pflicht! Alle Tankstellen nutzen die gleiche Preisauszeichnung. Es ist direkt ersichtlich welchen Preis die Energie hat. Vorteile: Vergleichbarkeit Neue Energieträger wie Strom oder Wasserstoff lassen sich leicht integrieren. Rechtsgrundlage: Preisangabenverordnung Verbraucherschutz wird gestärkt Umstellungsaufwand an Tankstellen geringfügig /10kWh oder /fu Benzin Diesel Erdgas LPG Strom Wasserstoff Tankstelle XY 1 Fuel-Unit (fu) = 10kWh -50- Keine Angst vor neuen Energieträgern!

51 Noch Fragen? Herzlichen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! Dipl.-Ing. Andreas Brinner Zentrum für Sonnenenergie- und Wasserstoff-Forschung Baden-Württemberg Regenerative Energieträger und Verfahren Industriestr. 6, D Stuttgart Tel: ++49 (0) ,