Vierte Österreichische Wasserstoffkonferenz 27. September 2012, Joanneum Research, Graz POWER TO GAS. Dipl.-Ing. Andreas Brinner 1

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1 Vierte Österreichische Wasserstoffkonferenz 27. September 2012, Joanneum Research, Graz POWER TO GAS 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) Solar Fuel GmbH, Stuttgart

2 Vortragsinhalt: Kurze Vorstellung des ZSW Warum benötigen wir neue Energieträger? Welche Energieträger brauchen wir? 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 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 -5- Warum neue Energieträger?

6 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 -6- Welche Energieträger brauchen wir?

7 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 -7- Welche Energieträger brauchen wir?

8 Von der Primärenergie zum Sekundärenergieträger Energiewandler und Wasserstoff-Erzeugungsprozesse der nicht-fossilen Wasserstoffherstellung aus Sonnenenergie Die Strukturierung der H 2 -Herstellungsverfahren ist allgemein anerkannt -8- Von der erneuerbaren Energie (EE) zum Wasserstoff

9 Technische Verfahren zur Erzeugung von Wasserstoff als Sekundärenergieträger von der Entwicklung bis zum Anlagenbau Thermochemische Verfahren Thermochemische Kreisprozesse Entwicklung Technischer Reifegrad Elektrochemische Verfahren Anlagenbau -9- Von der erneuerbaren Energie (EE) zum Wasserstoff

10 Einschätzung der System-Wirkungsgrade verschiedener Wasserstoffherstellungsverfahren Quelle: J. Blumberg, TU München -10- Von der erneuerbaren Energie (EE) zum Wasserstoff

11 Prinzipien der Wasserelektrolyse -1 AEL: T = C PEMEL: T = C SOEL: T = C -11- Von der erneuerbaren Energie (EE) zum Wasserstoff

12 Kommerzieller technischer Stand der Wasserelektrolyse Alkalische Elektrolyse (AEL) PEM-Elektrolyse (PEMEL) Oxidkeramik-Elektrolyse (SOEL) Noch nicht kommerziell verfügbar ELT, 30bar, 2,4MW Siemens, 50bar, 100kW, ab 2012 Idaho NL, 1bar, 17,5kW ABB, 1bar, 100kW, bis 2000 Hydrogenics, 10bar, 320kW 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 -12- Kommerzieller Stand der Elektrolysetechnik

13 Dynamischer, vorhersehbarer Photovoltaik-Elektrolysebetrieb Optimaler Betrieb Minimalbetrieb Dynamischer Betrieb Messungen im Rahmen des Deutsch Saudi Arabischen HYSOLAR-Projektes Quelle: A. Brinner, DLR-TT, Stuttgart -13- Leistungsanpassung von EE und Elektrolyse

14 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

15 Kopplungskonzepte der Energiewandler Photovoltaik und Elektrolyse Funktionsprinzip Technische Ausführung Quelle: A. Brinner, DLR-TT, Stuttgart -15- Leistungsanpassung von EE und Elektrolyse

16 Photovoltaikgenerator gemessenes Kennlinienfeld mit allen ohmschen Verlusten Quelle: A. Brinner, DLR-TT, Stuttgart -16- Leistungsanpassung von EE und Elektrolyse

17 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

18 Elektronisch angepasster PV-Elektrolysebetrieb ohne elektrischen Zwischenspeicher PV-Elektrolysebetrieb mit elektronischem Spannungswandler (DC/DC-Wandler) Quelle: A. Brinner, DLR-TT, Stuttgart -18- Leistungsanpassung von EE und Elektrolyse

19 Direkt gekoppelter PV-Elektrolysebetrieb ohne elektrischen Zwischenspeicher Direkt gekoppelter PV-Elektrolysebetrieb mit 49,5V MPP-Spannung Quelle: A. Brinner, DLR-TT, Stuttgart -19- Leistungsanpassung von EE und Elektrolyse

20 PV-Elektrolysebetrieb ohne elektrischen Zwischenspeicher Direktkopplung Elektronische DK Spannungsanpassung ESA DK + teilw. ESA Quelle: A. Brinner, DLR-TT, Stuttgart -20- Referenz: Solarenergieleistung auf der PV-Feldfläche Leistungsanpassung von EE und Elektrolyse

21 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 -21- Leistungsanpassung von EE und Elektrolyse

22 Auch Wind-Elektrolysesysteme benötigen eine optimale Spannungs-/ Leistungsanpassung! Elektronische Leistungsanpassung ELA Elektronische Spannungsanpassung ESA Quelle: W. Hug, H. Dienhart, DLR-TT, Stuttgart -22- Übertragung der Ergebnisse auf Wind-Elektrolysesysteme

23 Power-to-Gas - Technologie: Technische Realisierung für die Firma SolarFuel Methanreaktor CH 4 -Abfüllstation ca. 15 kg, 200 bar CO 2 - Gewinnung Elektrolyseur -23- Power-to-Gas-Anlagenentwicklung von ZSW und Solar Fuel

24 -24- Wind-zu-SNG - Koncept: Energetischer Wirkungsgrad (Sankey Diagramm ohne direkte H 2 -Abgabe)

25 CO 2 + elektrische Leistung SNG Experimentalergebnisse Feed Gas Katalysator Substitute Natural Gas (SNG) 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 4,1-25-

26 PtG250: Aktueller Arbeitsstand / Ergebnisse AP 2/3 Verfahrenstechnischer Umfang der PtG250-Anlage -27- Power-to-Gas-Anlagenentwicklung von ZSW und Solar Fuel

27 PtG250: Aktueller Arbeitsstand / Ergebnisse AP 2/3 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 -28- Power-to-Gas-Anlagenentwicklung von ZSW und Solar Fuel

28 PtG250: Aktueller Arbeitsstand / Ergebnisse AP 2/3 Modul Elektrolyse: Technische Realisierung Wichtige technische Daten der Elektrolyseanlage aus der Messung während Final Acceptance Test Betriebsdruck: 6 11bar a für 100% Liefermenge DC-Maximalleistung: 280 kw bei 430 ma/cm 2 Max. Wasserstoffabgabemenge: 65 Nm 3 /h Kaskadierter Betrieb mit allen Stacks ab 10 % Sofortiger Lastabwurf ohne Standbybetrieb Rohgasreinheit: 0,11 Vol.-% H 2 ino 2 (P N ) Realisierungsstand Fertigstellung bis: Inbetriebnahmesequenz bis: Final Acceptance Test (FAT) am: Elektrolyse-Doppelblock A = 1000 cm 2 i = 430 ma/cm 2 P = 80 kw max Power-to-Gas-Anlagenentwicklung von ZSW und Solar Fuel

29 PtG250: Aktueller Arbeitsstand / Ergebnisse AP 2/3 Technisches Konzept der Hystat 60 Elektrolyseanlage -31- Power-to-Gas-Anlagenentwicklung von ZSW und Solar Fuel

30 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 -32- Power-to-Gas-Anlagenentwicklung von ZSW und Solar Fuel

31 -33- Kommerzialisierung in Werlte: Power-to-Gas - Anlage / Biogas-Anlage

32 CO 2 -Neutralität für e-tron und TCNG Strom H 2 4 Windkrafträder à3,6 MWel Elektrolyse, 6,3 MW el Methanisierung CH 4 BEV-Fahrzeug CO 2 -neutraler Betrieb von Audi A1 e-trons CO 2 - aus Luft oder Biogasanlage -Kläranlage - Erdgasfahrzeug CO 2 -neutraler Betrieb von TCNG-Fahrzeugen CH 4-34-

33 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 -35- Wo ist der Markt?

34 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 ] -36- Elektrolyse entscheidend für Erfolg!

35 Wichtige Kunden für Erneuerbare Energie: Fahrzeuge Die Tankstelle von heute wird sich zur Tankstelle von morgen weiterentwickeln Erdgas-Zapfsäule Wasserstoff-Zapfsäule Strom-Zapfsäule -37- Quelle: eigene Aufnahmen Keine Angst vor neuen Energieträgern!

36 Keine Angst vor der Betankung: Evolution der Zapfpistolen am Beispiel Wasserstoff Funktionsprinzip Test und Zulassung Kundenfreundliches System Quelle: ; eigene Aufnahmen -38- Keine Angst vor neuen Energieträgern!

37 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 -39- Keine Angst vor neuen Energieträgern!

38 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 -40- Keine Angst vor neuen Energieträgern!

39 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) ,