Wasserstoff als Chemischer Speicher: Erzeugung, Verteilung und Speicherung

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1 Folie 1 Wasserstoff als Chemischer Speicher> A. Friedrich Wasserstoff als Chemischer Speicher: Erzeugung, Verteilung und Speicherung K. Andreas Friedrich Institut für Technische Thermodynamik Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.v.

2 Energieerzeugung / TWh Installierte Leistung / GW Folie 2 Wasserstoff als Chemische Speicher > A. Friedrich Entwicklung der Erneuerbaren Energien (EE) 70 Energiekonzept der Bundesregierung: Anteil EE an Bruttoendenergieverbrauch: 30 % bis % bis % bis % Bruttostromverbrauch aus EE bis 2020 Stand 2011: 20,1 % des Strombedarfes aus EE 7,5 GW Zubau an Photovoltaik Integration offshore Windkraft Solarstrom Windkraft Wasserkraft Biomasse Klärgas Geothermie Solarstrom Windkraft Waserkraft Biomasse Klärgas Geothermie - -StatischeSeiten/Breg/Gesetzesaenderungen2011/ Jahr Nach Angaben der Arbeitsgruppe EE des BMU 2011

3 Belastung der Elektrizitäts-Übertragungsnetze - Belastung der Stromtransportnetze durch fluktuierende EE im Norden hauptsächlich betroffen: Höchst- (380/ 220 kv) und Hochspannungsleitungen (110 kv) - Beispiel Übertragungsnetzbetreiber (ÜNB) 50Hertz Transmission GmbH / Regelzone Nord-Ost: 42 % der Windenergieerzeugungskapazität nur 22% der Bevölkerung - Seit 2009 Netzengpässe im 110 kv als auch im 220/380 kv-übertragungsnetz - Folge: Abregelung nach 13 Abs. 2 EnWG 2013 Leistungsexport aus der Regelzone von 11,7 GW erwartet (bei Starkwind) Quelle: Deutsche Umwelthilfe

4 Netzstrukturwandel zum Smart Grid Situation: Fluktuierende EE Chance für koordiniert steuerbare dezentrale Erzeuger, Speicher und Verbraucher Entlastung durch Speicher 110/220/380 kv 10/20 kv import/ export Wasserstofferzeugung als chemischer Speicher 400 V Dezentrale flexible Kraftwerke (z.b. Hybridkraftwerke SOFC/Gasturbine) mit hohem Wirkungsgrad

5 Speicherdauer in h Speichertechnologien im Vergleich Gasnetz hat die größte Speicherkapazität Rehden, Wingas Fairbanks, Alaska Huntdorf Goldisthal Praxair, TX kwh MWh GWh TWh TWh Speicherkapazität in kwh

6 Vergleich der elektrischen Speicher Speicherdichte kwh m -3 Wirkungsgrad bei Rückverstromung Annahmen Pumpspeicher 0,7 0,8 Fallhöhe 300 m Druckluftspeicher (adiabat) 2,9 0,7 Druckänderung 20 bar Wasserstoff (je nach Umwandlungswirkungsgrad) 0,3-0,4 Angaben der Speicherdichte nach Praxair* mit Kavernenspeicherung in Texas *Ram Watwe Large Scale Hydrogen Storage in Salt Caverns, Renewable Resources for Fuel Cells Workshop, San Antonio, TX,

7 Windenergie im Höchstspannungsnetz und Kapazität verschiedener Speicherkraftwerke F. Crotogino und R.Hamelmann Tagungsband XIV Energie Symposium, Nutzung Regenerativer Energiequellen und Wasserstofftechnik Stralsund,

8 Folie 10 Wasserstoff als Chemische Speicher > A. Friedrich Wind-Wasserstoff Systemkonzept Netz Spitzenabdeckung Turbine/ Motor/BZ O 2 Gas H 2 Gas Wasserstof- -Speicherung Inverter -AC/DC Konverter -Sicherheitsystem -Etc. Regelung + V - Elektrolyseur - Wasserreinigung - Druckregelung - Gastrocknung - Sicherheitssystem - etc. Lokale H 2 Nutzung H 2 Transport H 2 Pipeline Wasser Wind-Wasserstoff-Zyklus ist technisch machbar

9 Folie 11 > Wasserstoff als Chemische Speicher > A. Friedrich Schema der Solar Wasserstoffherstellung in Stuttgart (Hysolar ) 10 kw Eine 350 kw-anlage wurde in Saudi-Arabien betrieben 11 Erich Gülzow

10 Auswertung des Solaren Langzeit-Elektrolysebetriebs optimal, normal dynamisch, minimal Spannung am Elek. Solare Einstrahlung Gas-Übertritt Optimaler Betrieb Minimalbetrieb Dynamischer Betrieb

11 Plasma Gase Elektrolyse für intermittierenden Betrieb VPS-Raney Nickel-Kathode vor Aktivierung VPS-Raney Nickel-Kathode nach Aktivierung Prinzip des Vakuumplasmaspritzverfahrens und Bild während der Beschichtung Ar H 2 N 2 He Partikel Injektion Beschichtung

12 Zellspannung/ V Elektrolyse für intermittierenden Betrieb 2,6 2,4 Intermittierend betreibbare Elektrolyseure Stuttgart/Riad 1 & 3: DLR-Technologieträger ; 2: 350 kw Elektrolyseur Vergleich der Zellspannungen bei 70 o C 600 cm 2 K & A: bl. Ni P = 400 kpa 6,0 Spez. Energieverbrauch/ kwh/nm 3 5,5 2,2 2, cm 2 K: APS; A: bl. Ni P = 700 kpa 5,0 1,8 1, cm 2 K & A: VPS P = 400 kpa 4,5 4,0 1, Stromdichte/ ma/cm ,5

13 Folie 15 > Vortrag > Autor Dokumentname > Datum Langzeitmessung des Elektrolyseurs mit VPS- Elektroden Verlauf der Zellspannung einer mit VPS-Elektroden ausgerüsteten Zelle bei Referenzbedingungen (300 ma/cm 2, 80 C) Kopplung mit Windprofilen ebenfalls ohne Probleme

14 Folie 16 Wasserstoff als Chemische Speicher > A. Friedrich Herstellverfahren für Wasserstoff Alkalische Wasserelektrolyse - konventionelle - fortschrittliche Membran Elektrolyse Hochtemperatur Elektrolyse Reformierung Biomasse MW Alkalische Elektrolyse (NEL Hydro, formerly Norsk Hydro) Herstellung mittels Wasserelektrolyse: - Für einen Normkubikmeter Wasserstoff muss eine Energie von theoretisch 3,54 kwhel aufgewendet werden - Das entspricht dem Brennwert von Wasserstoff

15 Cell Voltage [mv] Vergleich Alkalische und Polymer-Elektrolyse Unbeschichtete Ni-Bleche 600 cm Aktivierte Ni-Bleche 600 cm PEM-Elektrolyse DLR- Trockensprühverfahren 25 cm Current Density [ma/cm²]

16 Salzkaverne für Wasserstoffspeicherung Betriebserfahrungen mit H 2 -Speicher schon vorhanden: Praktische Erfahrungen mit Stadtgas (H 2 -Anteil > 50%) in Salzkavernen und Aquiferen. Speicher bis zur Einführung von Erdgas in Betrieb, z. B. in Kiel, Bad Lauchstädt und in Frankreich Wasserstoffkavernen aktuell in Betrieb: Teeside, UK, Betreiber Sabic Petrochemicals, 3 x m 3, 4.5 MPa (konst.), 25 GWh, ca. 30 Jahre in Betrieb Clemens, Dome, Lake Jackson, Texas, USA, Betreiber ConocoPhillips, m 3, 7,0 13,5 MPa, 92 GWh, seit 1986 Moss Bluff Salzdom, Liberty County, Texas, USA, Betreiber Praxair, m 3 maximal genehmigtes Volumen, 7,6 13,4 MPa, 100 GWh, seit 2007 Praxair in Liberty County, Texas

17 Vergleich der Übertragungsnetze Stromnetz Gasnetz Verteilungskapazität: ca. 540 TWh (2008) Speicherkapazität: 0,075 TWh el Verteilungskapazität: ca TWh (2010) Speicherkapazität: ca. 220 TWh th + Netze

18 Vergleich der Übertragungsnetze Strom-Transportnetz Erdgas-Transportnetz Eigenschaften Verteilungskapazität: ca. 540 TWh (2008) Speicherkapazität: 0,075 TWh el AC-Übertragungsverluste: 3-10% / 1000km Vor- / Nachteile + Hochwertige Energie + Hochpreisige Energie - Strom kaum speicherbar + Direkte Nutzung hocheffizient Verteilungskapazität: 1000 TWh Speicherkapazität: 220 TWh th + Netze Übertragungsverluste: 0,5% / 1000 km H 2 Grenzen heute: 2% PKW; 5% Speicher + Universeller Energieträger - Niedrigpreisige Energie + Große Speicher - Umwandlungsverluste hoch 100% des Windenergieertrages (ca. 27 TWh/a) des Jahres 2009 würden einen mittleren Wasserstoffanteil von 7,8 Vol.-% im Erdgasleitungsnetz ergeben

19 Energy Demand (kwh/m 3 H 2 ) Hochtemperaturelektrolyse Einzelzellen basierend auf DLR Metall getragenem Konzept DH (Total Energy Demand) DG (Electrical Energy Demand) Q=TDS (Heat Demand) Temperature ( C)

20 Folie 22 > Wasserstoff als Chemische Speicher > A. Friedrich Forschungs- und Demonstrationsbedarf PEM-Elektrolyse - Leistungs- und Effizienzsteigerung sowie Kostensenkung auf Zell/Stackebene - Entwicklung Scale-Up-Konzept für großflächige PEM-Zellen - Analyse von Alterungsprozessen zur Erhöhung der Lebensdauer Alkalische Elektrolyse - Leistungs- und Effizienzsteigerung sowie Kostensenkung auf Zell/Stackebene - Optimierung von Betriebsfestigkeit, Wirkungsgrad, Betriebskosten Einspeisung in das Erdgasnetz - Simulation der Verteilung von Wasserstoff im Erdgasnetz Gesamtsystem - Erhöhung der Dauerhaltbarkeit des System bei dynamischem Betrieb - Methodenentwicklung zur Bewertung technologischer Komponenten Rückverstromung - Experimentelle Untersuchungen zur Rückverstromung - Untersuchung Einfluss Wasserstoffbeimischung in Erdgas

21 -Performing Energy - Bündnis für Windwasserstoff Wasserstoff mit überschüssiger Windenergie produzieren -Brandenburgische Technische Universität, DBI Gas- und Umwelttechnik GmbH, Deutsche Umwelthilfe e.v., DLR TT, ENERTRAG AG, Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme, GASAG Berliner Gaswerke AG, hysolutions GmbH, Linde AG, NOW GmbH Nationale Organisation Wasserstoff-

22 VIELEN DANK FÜR IHRE AUFMERKSAMKEIT Prüfstand für alkalischen Elektrolyseur (1 kw)