Brennstoffzellen-Mikro-KWK Vom Labor in die Praxis

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1 Brennstoffzellen-Mikro-KWK Vom Labor in die Praxis 11. Jahrestreffen des Netzwerks Brennstoffzelle und Wasserstoff NRW Düsseldorf, Prof. Dr.-Ing. habil. Klaus Görner; Dr.-Ing. Rolf Albus Vortrag: Dr.-Ing. Bernhard Naendorf

2 GWI im Profil Das GWI ist als anwendungstechnologisches und praxisnahes Brancheninstitut etabliert Gas und Wärme ist unser Fach Geschäftsform: Gemeinnütziger Verein Gründungsdatum: 1937 vom deutschen Gasfach 60 Mitgliedsunternehmen: Gasversorger, Gerätehersteller, Verbände, Stadtwerke 59 Mitarbeiter (34 Ingenieure und Techniker) Umsatz 2010: T Gaswärme-Institut e. V., Hafenstr. 101, Essen 75 Jahre GWI 22. Mai 2012 Folie 2

3 DVGW-Innovationsoffensive Die übergeordneten Ziele Stärkung der Rolle regenerativer gasförmiger Energieträger in den bestehenden Gasinfrastrukturen Greening of Gas Auf- und Ausbau von Verfahren und Technologien zur Optimierung von Verteilnetzen Smart Grids Unterstützung bei der Einführung innovativer Gasanwendungen Gas-Plus-Technologien Laufzeit & Mittel: Teil 1: ( ) 6 Mio. Teil 2: ( ) 3 Mio. Folie 3

4 Struktur und Projekte der DVGW-Innovationsoffensive Unterteilung in Forschungscluster Das GWI ist das Leitinstitut im Cluster 4 Anwendungstechnologien Cluster 1 Systemanalyse Cluster 2 Gaserzeugung & Aufbereitung Cluster 3 Netzmanagement Cluster 4 Anwendungs- Technologien Cluster 5 Kommunikation Systemverbund der Energienetze Synthetic Natural Gas Vorstudie Smart Gas Grid Teil 1 Sanierungskonzepte Mehrfamilienhäuser Bewertung Energieversorgung durch Gas Monitoring Biogaseinspeisung Smart Gas Grid Teil 2 Gasbrennwert + Solarthermie Modelica-Simulation Abfallstoffe für die Biogaseinspeisung Biogasatlas Gaswärmepumpe Energiespeicher- Konzepte Kraft-Wärme- Kopplung Brennstoffzellen Gasbeschaffenheit + Industrielle Anwendungen Folie 4

5 Power-to-Gas: Die Gasinfrastruktur als Stromspeicher Konvergenz der Strom- und Gasnetze Quelle: DVGW 2010

6 Aufnahmekapazitäten des Gasnetzes für Wasserstoff Abschätzung möglicher Einspeisemengen von Wasserstoff zeigt großes Speicherpotenzial auf o 2008 wurden durch das Erdgasleitungsnetz ca TWh Energie verteilt (im Stromnetz ca. 540 TWh) o Aufnahmekapazität des Erdgasnetzes für verschiedene Szenarien: 100 % des Windenergieertrages (ca. 27 TWh / a) des Jahres 2009 würden einen mittleren Wasserstoffanteil von 8 Vol.-% im gesamten Erdgasleitungsnetz ergeben 20 % des Windenergieertrages (ca. 15 TWh / a) aus dem IEKP Ziel 2020 als angenommener Überschuss-Strom würden einen mittleren Wasserstoffanteil von 4 Vol.-% im gesamten Erdgasleitungsnetz ergeben Das aktuelle Regelwerk des DVGW lässt schon jetzt 5 Vol.-% zu (s. a. DVGW G 260 und G 262). Dieser hypothetischen Betrachtung müssten tages- und stundengenaue Untersuchungen folgen, dennoch wird die außerordentliche Kapazität des Erdgasleitungsnetzes deutlich (s. Jens Hüttenrauch DBI, 2010).

7 Energieversorgungsstrukturen der Zukunft Konvergenz der Strom- und Gasnetze KWK als Brückentechnologie Erdgas Erdgasspeicher HD GuD HS KKW AKW BHKW MS BHKW Biogas Biogas, SNG Wasserstoff Erneuerbare-Gase Elektrolyse/Methanisierung Wasser (PS) Wind Quelle: DVGW 2010 MD ND Endverbraucher z. B. Mikro-KWK (wärme und stromgeführt durch intelligente Agenten) NS PV Folie 7

8 Gas-Plus-Technologien im Fokus Gas-Plus-Technologien sind die ideale Plattform für die Einkopplung regenerativer Energien in die Gebäudeenergieversorgung Solarthermie + Gas-Brennwertkessel Erdgas + Biogas + Umweltwärme durch Gaswärmepumpe H 2 (Mikro-)KWK Folie 8

9 Gas-Plus-Technologien Portfolio Umfangreiches Technologie-Portfolio in der DVGW-Innovationsoffensive KWK Otto- Motor KWK Stirling und Dampf Gaswärmepumpe KWK Brennstoffzelle Gasbrennwert + Solar Folie 9

10 Mikro-KWK Hintergrund Mikro-KWK: Stromerzeugende Heizung und Kernelement einer dezentralen Erzeugung Quelle: Anlagen für den Einsatz in Ein- und kleinen Mehrfamilienhäusern als Stromerzeugende Heizung (bis ca. 3-4 kw el ) Bis zu % Brennstoffausnutzung 30 % Brennstoffeinsparung gegenüber getrennter Strom- und Wärmeerzeugung und Reduktion der CO 2 -Emissionen Kern-Technologie zur Verlinkung von Stromund Gasnetz: Gas-to-Power Betriebsmöglichkeiten Wärmegeführter Betrieb Stromerzeugende Heizung Stromgeführter Betrieb Vernetzung zu virtuellen Kraftwerken (Speicher!) Folie 10

11 Bewertung von innovativen KWK-Technologien Das Nutzerverhalten ist entscheidend und muss bei der Bewertung standardisiert berücksichtigt werden Wirkungsgradmessungen nach EN (neu) bzw. basierend auf bestehender Normung 5 Wirkungsgradpunkte: Ergebnis ist eine Wirkungsgradkennlinie über den gesamten Lastbereich des Gerätes Keine Berücksichtigung eines Puffer- bzw. Kombispeichers Normnutzungsgradmessungen nach DIN 4709 Normnutzungsgrad für Mikro-KWK-Geräte bis 70 kw Nennwärmebelastung Dynamische Messung über 24 h Basiert auf Lastprofilen der VDI 4655 Pufferspeicher und Zusatzkessel werden berücksichtigt statisch dynamisch Langzeittest im Demonstrationshaus des GWI unter reproduzierbaren, aber praxisnahen Randbedingungen Folie 11

12 Mikro-KWK Wirkungsgradmessungen Wirkungsgrade einer Otto-motorisch betriebenen Mikro-KWK in Abhängigkeit der Rücklauftemperatur Mobiler Versuchsstand am GWI Folie 12

13 Normnutzungsgradmessung nach DIN 4709 Auswertung einer dynamischen Messung über 24 h Leistung in kw vorgegebenes Prüfprofil gemessene Leistung Prüfling: Mikro-KWK Q b Q th Q el = 20 kw = 16 kw = 1 kw T V / T R = 50 / 30 C Zeit in h Nutzungsgrad unbewertet: η th = 84,5 % η el = 10,7 % η N = 95,2 % bewertet nach DIN 4709: η N = 113,7 % Folie 13

14 KWK Brennstoffzellen Beispiel BlueGen von CFCL: Im Demonstrationshaus des Gaswärme- Instituts seit Juni 2010 im Dauerbetrieb Power Management System Abgas mit integrierter Wärmerückgewinnung Brennstoffzellenmodul Wasseraufbereitung Luftgebläse Gasreinigung Folie 14

15 CFCL-Brennstoffzelle im GWI-Demonstrationshaus Degradation 0,5 % - seit 12 Monaten störungsfreier Betrieb 1 Stackaustausch ( ) 2 Umbau Messtechnik 3 Wartung Folie 15

16 Ausblick: Speichermöglichkeiten thermischer Energie Die Wärmespeicherung ist auf dem Weg zu einem stromgeführten KWK-Betrieb eine zentrale Herausforderung, die umfassend und wirtschaftlich gelöst werden muss (Virtuelle Kraftwerke, Smart Grids) Quelle: Prof. Dr. Bernhard Lenz, 2010 Folie 16

17 Ausblick: Vom Labor in die Praxis Was ist erreicht worden? Mit Abschluss der Labor- und Langzeituntersuchungen im Rahmen der DVGW- Innovationsoffensive liegen abgesicherte Konzepte und Handlungsempfehlungen für einen effizienten Einsatz der innovativen Technologien in der Praxis vor. Wie muss der nächste Schritt aussehen? Nun muss der nächste Schritt - die Praxis- und Demonstrationsphase - entsprechend flankiert werden, um die Marktreife der Gas-Plus-Technologien Mikro- KWK und Brennstoffzelle nachhaltig zu unterstützen. Laborversuch im GWI unter dynamischen Randbedingen Erweiterter Laborversuch im GWI- Versuchshaus unter praxisnahen Randbedingungen Technologietransfer in eine Praxisphase mit Monitoring- Programm (bis zu 100 KWK-Geräte) Zunehmende Marktreife der Technologien Folie 17

18 Zusammenfassung Die zukünftige Energieversorgung wird technologisch deutlich anspruchsvoller! o Mit dem Ziel der drastischen CO 2 -Emissionsreduzierung steht ein fundamentaler Umbau der Energieversorgung bevor o Der Umbau wird im Wesentlichen durch neue technische Lösungen getragen o KWK ist eine wichtige Brückentechnologie bei der Konvergenz der Strom- und Gasnetze o Die Haupt-Herausforderungen für Technologien sind aus heutiger Sicht: Höhere Effizienz in den Umwandlungsstufen mit dem Ziel stärkerer dezentraler Stromerzeugung (Mini/Mikro-KWK, BZ) Entwicklung von bezahlbaren Systemlösungen für die Gebäudeenergieversorgung und die Industrie Entwicklung von gasbasierten Systemlösungen für die Integration der regenerativen Energien in eine stabile und bezahlbare Energieversorgung Entwicklung und Begleitung von Konzepten zur Markteinführung neuer Technologien Folie 18

19 Herzlichen Dank für die Aufmerksamkeit Prof. Dr.-Ing. habil. Klaus Görner Dr.-Ing. Rolf Albus Dr.-Ing. Bernhard Naendorf Gaswärme-Institut e. V. Essen Hafenstraße Essen Tel.: +49 (0) Fax: +49 (0)

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