11 th LEIBNIZ CONFERENCE OF ADVANCED SCIENCE

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1 11 th LEIBNIZ CONFERENCE OF ADVANCED SCIENCE Wasserstofferzeugung, -speicherung und -nutzung als Teil des Hybridkraftwerks H. J. Krautz M. Klatt C. Tillmann Lichtenwalde, BTU Cottbus Forschungsprofil Die wissenschaftliche Forschung an der BTU ist strategisch auf fünf Schwerpunkte ausgerichtet: Umwelt, Energie, Material, Bauen sowie Informations- und Kommunikationstechnologie. Diese fünf Schwerpunktgebiete spiegeln jedoch nur einen Teil der Forschungsaktivitäten der über 100 Lehrstühle wieder. FORSCHUNGSSCHWERPUNKTE Umwelt Bauen Energie Material Information & Kommunikations -technologie 2 1

2 Lehrstuhl Kraftwerkstechnik - Forschungsschwerpunkte Innovative Kraftwerkstechnologien und Kraftwerkskomponenten Modellierung und Simulation von Kraftwerksprozessen Energetische Nutzung von Biomassen Wasserstoff und Hybridkraftwerk Sauerstoffbereitstellung CO2 Transport 3 GLIEDERUNG 1 Ausgangssituation 2 Herausforderungen 3 Speichertechnologien 4 Konzept Hybridkraftwerk 5 Themenstellung LS KWT 6 Ausblick 2

3 AUSGANGSSITUATION DATENGRUNDLAGE BMWI 01 AUSGANGSSITUATION BRUTTOSTROMERZEUGUNG DEUTSCHLAND AUSGANGSSITUATION DATENGRUNDLAGE BMWI 01 AUSGANGSSITUATION BRUTTOSTROMERZEUGUNG DEUTSCHLAND

4 AUSGANGSSITUATION ENERGIEPOLITISCHE ZIELESETZUNGEN Energiepolitik - Bundesrepublik Deutschland: Energiekonzept 2010 für % des Stroms aus EE Nationaler Aktionsplan für EE Fokus 2020 (Beitrag zum EU-Gesamtziel 20%) Dena-II-Studie km Netzausbaubedarf bis 2020 (9,7 Mrd. einschl. Anschluss Offshore Parks) EnWG-Novellierung Regelungen zum jährlicher Netzausbau (Netzbetreiber) Energiepolitik - EU Pilot-TYNDP (Ten-Year Network Development Plan) von ENTSO-E Entwurf des Energy Infrastructure Package Schätzungsweise 50 Billion für den Ausbau des Energiesektors bis AUSGANGSSITUATION ENERGIEPOLITISCHE ZIELESETZUNGEN 7 HERAUSFORDERUNGEN BRUTTOSTROMERZEUGUNG 2020 LINEARE EXTRAPOLATION 02 HERAUSFORDERUNGEN BRUTTOSTROMERZEUGUNG

5 HERAUSFORDERUNGEN BRUTTOSTROMERZEUGUNG 2050 LINEARE EXTRAPOLATION 02 HERAUSFORDERUNGEN BRUTTOSTROMERZEUGUNG AUSGANGSSITUATION ZUSAMMENFASSUNG Windenergie als wesentliche Säule im Energiemix zur signifikanten Reduktion des CO 2 -Ausstoßes, sowohl im deutschen Aktionsplan EE für 2020 als auch im deutschen Energiekonzept für 2050 Charakteristisch für Windenergie sind fluktuierender Charakter und Unschärfen in der Prognostizierbarkeit Starke Auswirkungen auf Regelung und Betrieb des Gesamtenergiesystems Auswirkungen der Windeinspeisung betreffen Vorhaltung und Abruf von Regelleistung zum sicheren Betrieb der Stromnetze sowie eine veränderte Fahrweise bestehender konventioneller Erzeugungsanlagen 01 AUSGANGSSITUATION ZUSAMMENFASSUNG 10 5

6 AUSGANGSSITUATION INTERMITTIERENDE WINDENERGIE Leistung [MW] Erzeugung/Last in der RZ 50HzT Zeitverlauf Windeinspeisung Regelzonenlast Eingetretene Gesamterzeugung 01 AUSGANGSSITUATION INTERMITTIERENDE WINDENERGIE Quelle: 50Hertz Transmission 11 HERAUSFORDERUNGEN SCHLUSSFOLGERUNGEN AUS ENWG 13(1)- SZENARIO Marktbezogene EnWG 13(1)-Maßnahmen erfolgten 2010 insgesamt für mehr als 1200 h ( dies entspricht einem Zeitblock von ca. 50 Tagen) davon 695 h mit mehr als 1000 MW 340 h mit mehr als 2000 MW 100 h mit mehr als 3000 MW 22 h mit mehr als 4000 MW Konsequenz: Betrieb der konventionellen Kraftwerksanlagen mit Wirkungsgradeinbußen von bis zu 1,8 %-P. (netto) in Lippendorf und Schwarze Pumpe bzw. 2,6 %-P. (netto) in Jänschwalde 02 HERAUSFORDERUNGEN SCHLUSSFOLGERUNGEN AUS ENWG 13(1)-SZENARIO 12 6

7 Leistung [MW] HERAUSFORDERUNGEN ENERGIEBEREITSTELLUNG UND -BEDARF 2050 LINEARE EXTRAPOLATION zeitlicher Verlauf [d] 02 HERAUSFORDERUNGEN ENERGIEBEREITSTELLUNG UND -BEDARF SPEICHERTECHNOLOGIEN POTENTIELLE LÖSUNGSKONZEPTE *Abhängig von Konstruktion und Auslegung ²* druckabhängig Quelle: VDI Lexikon Energietechnik 03 SPEICHERTECHNOLOGIEN POTENTIELLE LÖSUNGSKONZEPTE Angesichts der hohen Leistungsfluktuation der EE (Szenario 2050: 100% EE) verbleiben nur eine Optionen: Abschaltung bei Überangebot Energieknappheit bei Flaute Speicherung - Rekonversion 14 7

8 SPEICHERTECHNOLOGIEN TECHNOLOGISCHES LEISTUNGSVERMÖGEN Pumpspeicher Pumpspeicher: 2 GWh* (300m) Druckluftspeicher Druckluftspeicher: 8 GWh* (20bar) Wasserstoffspeicher: GWh* (144bar) Wasserstoffspeicher Quelle: ipp.mpg.de *Vergleichsspeichervolumen = m³ 03 SPEICHERTECHNOLOGIEN TECHNOLOGISCHES LEISTUNGSVERMÖGEN 15 SPEICHERTECHNOLOGIEN INTERAKTION GAS- UND STROMNETZ 03 SPEICHERTECHNOLOGIEN INTERAKTION GAS- UND STROMNETZ Quelle: DBI GUT 16 8

9 KONZEPT HYBRIDKRAFTWERK SCHEMATISCHE DARSTELLUNG Strom Strom H 2 Strom Wärme Gasgemisch (Erdgas) Biogas H 2 H 2 04 KONZEPT HYBRIDKRAFTWERK SCHEMATISCHE DARSTELLUNG Quelle: ENERTRAG AG 17 KONZEPT HYBRIDKRAFTWERK BETRIEBSMODI H 2 -PRODUKTION & GRUNDLAST Einspeisung in Stromverteilungsnetz Einspeisung in die Elektrolyseeinheit 04 KONZEPT HYBRIDKRAFTWERK BETRIEBSMODI H 2 -PRODUKTION 18 9

10 KONZEPT HYBRIDKRAFTWERK BETRIEBSMODI PROGNOSE & SPITZENLAST vereint die Vorteile von Wasserstoffproduktion und Grundlastfähigkeit Stundenwertprognosen werden mit dem Hybridkraftwerk nachgefahren und somit Abweichungen der Leistungseinspeisungen von erstellten Windprognosen erheblich reduziert Stündliche Variation der Einspeiseparameter dieser Betriebsmodus steht und fällt mit der Güte der regionalen Windprognosen weicht die Prognose in zu hohem Maße von den tatsächlichen Gegebenheiten ab, entstehen unplanmäßige Kosten durch die verlängerte Einsatzzeit des BHKW ausgeglichen werden müssen Funktionsprinzip ähnlich dem eines Spitzenlastkraftwerkes Orientierung am Preisgefüge des Spotmarkts Einspeisung Windenergie direkt ins Stromnetz bzw. Zwischenspeicherung über die Produktion von Wasserstoff 04 KONZEPT HYBRIDKRAFTWERK PROGNOSE 19 KONZEPT HYBRIDKRAFTWERK CHANCEN UND PERSPEKTIVEN WKA-Betreiber - 100% der anfallenden Windenergie kann verwertet werden - Unabhängigkeit von Netzbetreibern - Stärkung der dezentralen Energieerzeugung - Windparkbetreiber erschließt sich neben der Stromlieferung und der Wasserstoffproduktion neue Wertschöpfungsmöglichkeiten (Verkauf von Wärme, Sauerstoff) - Stärkung der dezentralen Erzeugung unterstützt direkt das Konzept der virtuellen Kraftwerke - Durch die gezielt Koordination wird das unstete Einspeiseverhalten deutlich abgemildert und die Vermarktungsmöglichkeiten gesteigert - Perspektivisch auch eine Variante die steigende Anzahl von Offshore-WKA sinnvoll zu integrieren 04 KONZEPT HYBRIDKRAFTWERK CHANCEN UND PERSPEKTIVEN 20 10

11 KONZEPT HYBRIDKRAFTWERK CHANCEN UND PERSPEKTIVEN Netzbetreiber - Stabile und damit gut kalkulierbare Netzbedingungen - Entlastung der Netzstrukturen Verkehrssektor - Erneuerbar erzeugter Wasserstoff als Kraftstoff bietet das Potential zur Senkung von CO 2 -Immissionen - In Deutschland wird ein hoher Anteil der verbrauchten Gesamtenergie im Verkehrssektor benötigt - So entstehen etwa 50% der klimaschädlichen Gase direkt oder indirekt in diesem Bereich - Dezentrale Erzeugung und Nutzung bestehender Versorgungsstrukturen ermöglicht schrittweise Integration von Wasserstoff im Verkehrssektor Ziel der Wettbewerbsfähigkeit von Wasserstoff als alternativer Kraftstoff 04 KONZEPT HYBRIDKRAFTWERK CHANCEN UND PERSPEKTIVEN 21 KONZEPT HYBRIDKRAFTWERK SCHEMATISCHE DARSTELLUNG Umspanwerk Bertikow direkt ins 220 kv-netz 3 Anlagen mit jeweils 2 MW Nennleistung 500 kw Elektrolyseur; 120 Nm³/h H 2 ; Gasreinheit H 2 = 4.0 Strom Strom H 2 2 x MG-BHKW P el. = 350 kw P therm. = 340 kw MV = 70H 2 /30 Strom Gasgemisch (Erdgas) H 2 Versorgung von 80 EFH Wärme Biogas H 2 04 KONZEPT HYBRIDKRAFTWERK SCHEMATISCHE DARSTELLUNG Quelle: ENERTRAG AG 22 11

12 Forschungsschwerpunkt - Wasserstoff und Hybridkraftwerk Erzeugung von Wasserstoff aus Regenerativen Energien Projektzeitraum voraussichtlich: (2013) Projektteil ENERTRAG: Hybridkraftwerk Brandenburg Projektteil BTU Cottbus: Komplexerprobung und Optimierung der H 2 -Erzeugung aus fluktuierender Windenergie mittels Druckelektrolyse und Speicherung der Produktgase 23 TEILPROJEKT BTU COTTBUS Anforderungen an die Elektrolyseanlage im Hybridkraftwerk weiter Lastund Regelbereich hohe Langzeitstabilität hohe Effizienz Einspeisung fluktuierender Lasten schnelles Ansprechverhalten 24 12

13 THEMENSTELLUNG LEHRSTUHL KRAFTWERKSTECHNIK H 2 -FORSCHUNGSZENTRUM Aufbau und Betrieb eines alkalischen Druckelektrolyse- Prototyps Modellierung technischer Parameter Entwicklung eines Steuerungs- /Regelungskonzepts (fluktuierender Windenergie) Anlagen- und Betriebssicherheit Speichervarianten Transport und Logistik der Produktgase Steuerungstechnische Einbindung in das Hybridkraftwerk großtechnisches Anlagenkonzept 05 THEMENSTELLUNG LEHRSTUHL KRAFTWERKSTECHNIK H 2 -FORSCHUNGSZENTRUM 25 Forschungsschwerpunkt - Wasserstoff und Hybridkraftwerk Alkalische Elektrolyseanlage Technische Daten: Druckbereich bar Leistungsaufnahme 130 kw H 2 -Produktion von Nm³/h Stromdichten bis 6 ka/m² Monozellenblock 26 13

14 THEMENSTELLUNG LEHRSTUHL KRAFTWERKSTECHNIK H 2 -FORSCHUNGSZENTRUM 05 THEMENSTELLUNG LEHRSTUHL KRAFTWERKSTECHNIK H 2 -FORSCHUNGSZENTRUM 27 THEMENSTELLUNG LEHRSTUHL KRAFTWERKSTECHNIK H 2 -FORSCHUNGSZENTRUM H 2 -Forschungszentrum mit hohen Anforderung an Brand- und Explosionsschutz aufgrund der geplanten Nutzung Aufstellungsfläche für die Elektrolyseanlage Aufstellungsflächen für Brennstoffzellen Fertigstellung voraussichtlich August THEMENSTELLUNG LEHRSTUHL KRAFTWERKSTECHNIK H 2 -FORSCHUNGSZENTRUM 28 14

15 THEMENSTELLUNG LEHRSTUHL KRAFTWERKSTECHNIK H 2 -FORSCHUNGSZENTRUM 05 THEMENSTELLUNG LEHRSTUHL KRAFTWERKSTECHNIK H 2 -FORSCHUNGSZENTRUM 29 THEMENSTELLUNG LEHRSTUHL KRAFTWERKSTECHNIK H 2 -FORSCHUNGSZENTRUM THEMENSTELLUNG LEHRSTUHL KRAFTWERKSTECHNIK H 2 -FORSCHUNGSZENTRUM 30 15

16 KOMPONENTEN DES VERSUCHSSTANDES AUSBLICK SCHLUSSFOLGERUNGEN Fluktuation der EE muss bis 2050 im KW-Maßstab ausgeglichen werden (2-stellige GWh-Sprünge möglich) Konventionelle KW werden für die Übergangszeit eine systemsichernde Rolle spielen Einziges Speichermedium mit ausreichender Kapazität ist H : 100% EE Speicherung ausschließlich durch H 2 oder synth.-ch 4 realisierbar (CO 2 aus Industrie nutzen!) Alkalische Druckelektrolyse stellt eine kostengünstige, effiziente und CO 2 -neutrale Option der H 2 -Massenproduktion dar (hohes Marktpotenzial) Erdgasnetz/Kavernen bietet schon heute hervorragende Voraussetzungen bezüglich der H 2 -Einspeisung 06 AUSBLICK SCHLUSSFOLGERUNGEN 31 THEMENSTELLUNG LEHRSTUHL KRAFTWERKSTECHNIK KOMPLEXVERSUCHSSTAND Windenergieanlage Wetterstation Windkanalmodell PV-Anlage Solarthermie Energiemanagementsystem mit Schnittstelle zum Virtuellen Kraftwerk H 2 -Speicher Brennstoffzelle H 2 -Generator 05 THEMENSTELLUNG LEHRSTUHL KRAFTWERKSTECHNIK KOMPLEXVERSUCHSSTAND 32 16

17 THEMENSTELLUNG LEHRSTUHL KRAFTWERKSTECHNIK KOMPLEXVERSUCHSSTAND 05 THEMENSTELLUNG LEHRSTUHL KRAFTWERKSTECHNIK KOMPLEXVERSUCHSSTAND 33 17

18 Innenbereich Energiemanagementsystem und Laborkomponenten 18

19 VIELEN DANK FÜR IHRE AUFMERKSAMKEIT 37 19