HYDROGEN POWER STORAGE & SOLUTIONS EAST GERMANY

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1 HYDROGEN POWER STORAGE & SOLUTIONS EAST GERMANY 4. Photovoltaik-Symposium Bitterfeld-Wolfen, 7. November 2013 Prof. Dr. Ralf B. Wehrspohn Institutsleiter, Fraunhofer-Institut für Werkstoffmechanik IWM

2 Chemiedreieck und Photovoltaikdreieck Innovationsforum

3 Solarvalley Central Germany 2007 Berlin Halle 100 miles 3 Highest density 2007 of PV companies in the world Fraunhofer-Institut für Werkstoffmechanik IWM 2013_04tg

4 Solarvalley Central Germany 2013 Berlin Halle 100 miles 4 Fraunhofer-Institut für Werkstoffmechanik IWM 2013_04tg

5 Lernkurve (Kosten / Wp für c-si-module) Jahr kummul. Produktion [GWp] Marktpreis [ $ / Wp] 1976 Start Analyse , , ,69 27,4% (Preisreduzierung 2013 zu 2011) Quelle: ITPRV Results 2012, Fourth Edition, March 2013, Page 6, 5 Fraunhofer-Institut für Werkstoffmechanik IWM 2013_04tg

6 Entwicklung Stromkosten vs. EEG-Vergütung Haushalte Netzparität Haushalt Netzparität Industrie Quelle: Prognose zur Vergütungs- und Strompreisentwicklung, Grafik: B. Burger, Fraunhofer ISE, Stand ; BMU, EEG 2012 und BMWi Energiedaten (aus Aktuelle Fakten zur Photovoltaik in Deutschland Fassung vom , 6 Fraunhofer-Institut für Werkstoffmechanik IWM 2013_04tg

7 Stromerzeugung in Deutschland (2012) 7 Fraunhofer-Institut für Werkstoffmechanik IWM 2013_04tg

8 Bruttostromerzeugung 2012 bis 2020 in Ostdeutschland 8 Fraunhofer-Institut für Werkstoffmechanik IWM 2013_04tg

9 Situation Sachsen-Anhalt Von 1990 bis zum Jahr 2003 deckte Sachsen-Anhalt seinen Strombedarf neben der Eigenstromerzeugung aus Bezügen von den Nachbarländern konnten nur 32 % des Strombedarfs aus der eigenen Bruttostromerzeugung gedeckt werden. Durch die Errichtung neuer großer Kraftwerke wie z.b. in Schkopau und Profen konnte diese Abhängigkeit von Bezügen linear abgebaut werden, bis 2003 etwa der gesamte Strombedarf aus der eigenen Erzeugung gedeckt werden konnte. Seit dem Jahr 2000 setzte sich durch den vermehrten Einsatz von Erneuerbaren Energien dieser lineare Trend mit fast 5%/Jahr fort, so dass im Jahr % der Stromerzeugung in benachbarte geliefert wurde. Landesenergieagentur, Dr. Klamser Basis Statistische Landesamt. 9 Fraunhofer-Institut für Werkstoffmechanik IWM 2013_04tg

10 Speicherlösungen mit Wasserstoff (P2G) und Wärme (P2H) Quelle: Fraunhofer ISE, Aktuelle Fakten zur Photovoltaik in Deutschland, Fassung vom Fraunhofer-Institut für Werkstoffmechanik IWM 2013_04tg

11 LÖSUNGSANSÄTZE Grüner Wasserstoff für Mobilität 50 Wasserstoff-Tankstellen-Programm 11 Quellen: Fraunhofer-Institut DAIMLER AG für Werkstoffmechanik und LINDE AG IWM 2013_04tg 10

12 power to gas Projekte in Deutschland 12 Fraunhofer-Institut für Werkstoffmechanik IWM 2013_04tg Quelle: DVGW, DBI

13 HYPOS Problemraum, Vision und Mission HYPOS-adressierter Problemraum Wirtschaftliche grundlastfähige Speicherung der Erneuerbaren Energien (Postiv- wie Negativlastfähigkeit) ungelöst Wirtschaftliche grüne Chemie ungelöst (bis auf ggf. Brasilien) Wirtschaftliche grüne Wasserstoffmobilität ungelöst (obgleich ab 2017 gefordert) HYPOS-Vision Wirtschaftlichkeit von sicherem grünen Wasserstoff kann nur erreicht werde, wenn grüner Wasserstoff als stoffliches Bindeglied zwischen Chemiestoffstromnetz, Erdgasnetz und elektrischen Netzen (sowohl positiv als negativ Last) genutzt wird HYPOS- Mission HYPOS will über grünen Wasserstoff das Chemiestoffstromnetz, das Erdgasnetz und die elektrischen Netze in Ostdeutschland modellhaft verbinden und damit fehlende System- und Netzwerkinnovationen für eine Wirtschaftlichkeit von sicherem grünen Wasserstoff erreichen.

14 Stärken im mitteldeutschen Chemiedreieck Unternehmen haben großen stoffwirtschaftlichen Bedarf an Wasserstoff hohe Einspeisung durch WEA und PVA in großem Leistungsbereich wesentliche Standorte sind mit zweitgrößten deutschen Wasserstoff-Pipeline verbunden in Nähe der Chemiestandorte befinden sich: leistungsfähige Umspannwerke sehr große Gasspeicherkavernen wichtige Netzknoten des Erdgasnetzes Chemiefirmen und Standorte verfügen über die Kompetenzen zum großtechnischen Umgang mit Wasserstoff erhebliche Forschungskompetenz zur Wasserelektrolyse und zur Methanisierung Quelle: Leipziger Institut für Energie GmbH, 2013

15 Alleinstellungsmerkmale in Ostdeutschland Zweitgrößtes Wasserstoffpipelinenetz in Deutschland (150 km) Kavernenspeicher und Umspannwerke in direkter Umgebung Höchstes Potential an kombinierter PV + Windkraft in Deutschland Bad Lauchstädt - Kavernenspeicher Quelle: LINDE AG 5

16 ADRESSIERTES PROBLEMFELD Prozesskette grüner Wasserstoff 4

17 HYPOS Wettbewerbssituation (2) Wasserstoff- und Methanisierungskosten im Vergleich zu anderen Energieträgern Quelle: DVGW, DBI, 2013

18 ADRESSIERTES PROBLEMFELD Roadmap 6

19 LÖSUNGSANSÄTZE Ziele und Projekte entlang der Prozesskette 7

20 Stromerzeugung aus EE Ergänzung PV - Wind Fazit: - Wind und PV ergänzen sich sehr gut - Erzeugte Gesamtleistung i.d.r. kleiner als das 1,25- fache der bei Einzelleistungen

21 Stromerzeugung aus EE - Volatilität Wind / PV 2012

22 Elektrolyse-Technologien von Wasserstoff

23 LÖSUNGSANSÄTZE Demozentrum: Chemiestandort Böhlen (Sachsen) Windpark (W) und PV-Freiflächenanlage (PV) mit direkter Stromtrasse (S) zur Elektrolyseur-Demoanlage (E) W W W S PV E Alleinstellungsmerkmale: Kombinierter Wind/PV Park an Chemiepark Direkte Stromtrasse zum Elektrolyseur Chemische Industrie vor Ort 8

24 Wasserstoffspeicherung in Kavernen l.: USA (Clemens Dome ca m³ geometrisch, Moss Bluff ca m³, Spindletop im Bau), r. GB (Teesside, 3 x m³ geometrisch.)

25 LÖSUNGSANSÄTZE Demozentrum: Kavernenstandort Bad Lauchstädt Elektrolyseur-Demozentrum und großtechnischer Wasserstoff-Kavernen- Speicher inklusive Anbindung an LINDE-Wasserstoff-Pipeline (12 km) Alleinstellungsmerkmale: Erstmalige Errichtung einer Wasserstoffkaverne in Deutschland Anschluss an Wasserstoffpipeline (12 km) Elektrolyse-Demozentrum des FZ Jülich (Institut Prof. Stolten) direkt über Wasserstoffkaverne 9

26 HYPOS Anwendungsnahe F&E Elektrolyse - das Herzstück von PtG - Herausforderung Zuverlässigkeit und Lebensdauer e - Beispiel PEM-Elektrolyse Forderung: Langzeitstabilität auch unter dynamischem Verhalten Ortsaufgelöste Charakterisierung des Alterungsverhaltens - elektrochemische und in situ-spektroskopische Studien H 2 O 2 Einfluss von Lastwechseln, Temperaturgradienten, Konzentrationsgradienten, Druck, Entwicklung von Modellen zur Beschreibung des Verhaltens Ziel: Aufklärung von Degradationsmechanismen und Vorschläge für verbesserte Elektrolysesysteme

27 HYPOS Forschung für 2020 Elektrochemische Energiewandlung in Elektrolyseuren und Brennstoffzellen - Herausforderung neue Materialien - e - Beispiel PEM-Elektrolyse/PEM-Brennstoffzelle: next generation- Katalysatoren Forderung: preiswerte, hoch aktive Katalysatoren Verringerung des Edelmetallgehalts durch stabilisierte Nanopartikel Ersatz teurer Edelmetalle durch neue Katalysatorkonzepte H 2 O 2 Forderung: korrosionsstabile, hoch leitfähige Trägermaterialien Neuartige nanostrukturierte Oxide Kohlenstoff-Oxid-Kompositmaterialien Beispiel alkalische Elektrolyse Verringerung der Überspannung/Erhöhung der Überlastfähigkeit durch neuartige Katalysatoren/Elektroden

28 HYPOS Energieeffizienz und Leistungselektronik Stromeinspeisung aus regenerativen Energiequellen, intelligente Stromnetze (smart grids) und Umwandlung elektrischer Energie für Speicherung erfordern Wandlung und Steuerung der Elektronenergie Leistungselektronik Leistungselektronik bestimmt Effizienz, Zuverlässigkeit und Kostenstruktur eines Energiesystems wesentlich mit Leistungselektronik in D weltweit mit an der Spitze (Infineon, Semikron, IXYS-D, Danfoss, SMA, Curamik ) Innovation und F&E in der Leistungselektronik in D sehr starke Position (z.b. ECPE Nürnberg) HYPOS: Einbindung innovativer Wandler und Steuersysteme mit neuen Materiallösungen für höchste Effizienz und Innovationsvorsprung auf Systemebene Quelle: Infineon website Quelle: Semikron website

29 HYPOS Energieeffizienz und Leistungselektronik Zukunftsfelder für F&E: Entwurf und Topologie, Materialforschung, Systemintegration Beispiel Entwurf und Topologie effizientere Inverterschaltungen neue Bauelementformen mit IGBT oder IGCT Beispiel Materialforschung: Halbleiter (Si SiC GaN) Verbindungstechnik (Lot Sintermaterialien, IMC) Aufbautechnik (T-stabilere Gehäuse, neue integrierte Kühllösungen, stabile Substrate) Einzeltransistor in GaN (HEMT) Beispiel Systemintegration stabile passive Bauelemente (Induktivitäten) Kombination mit robuster Mikroelektronik Miniaturisierung Chip-Sinterkontaktiertechnik 40 µm

30 Sicherheit Wasserstoff wird seit Anfang des 20. Jahrhunderts in der Chemieindustrie eingesetzt Es existieren techn. Regelwerke Neu: Einsatz in der Energieversorgung Gefährdungspotenzial im Vergleich zu Erdgas Feuer Geringe Unterschiede in Flammengröße und -ausbreitung Geringere Energiefreisetzung und schnelleres Abklingen Risiko von Personen Geringfügige Steigerung in unmittelbarer Nähe der Pipeline Verringerung in mittlerer/größerer Entfernung Explosionen Bis 30 % H 2 Steigerung des Druckstoßes Wasserstoffbrand an Pipeline Zündgrenzen von Erdgas und Wasserstoff

31 HYPOS Querschnittsthema Sicherheit Umnutzung bestehender Infrastruktur für den Betrieb mit Wasserstoff Materialdefekte, die beim Betrieb mit anderen Gasen unkritisch sind, können beim Betrieb mit Wasserstoff zu Materialversagen führen. - Relevante Schädigungsmechanismen sind Wasserstoffversprödung und Spannungsrisskorrosion - 1) Materialdefekt: Unkritische Poren in Schweißnaht 2) Drucktest führt zu lokal begrenzter unkritischer Deformation um Pore 3) Wasserstoff reichert sich in deformierten Bereichen an und versprödet Material 4) Poren werden durch wasserstoffinduzierten Sprödbruch erweitert Typischer Schadensfall: Absprengung eines Druckbehälterdeckels in einer Raffinerie: Gasmischung enthielt 0,002% Schwefelwasserstoff 5) Jetzt kritische Fehlergröße führt zu Bauteilversagen Quelle: Fraunhofer IWM / Möser/1991

32 HYPOS Querschnittsthema Sicherheit Grundlegende Untersuchungen zur Bewertung des Einflusses von Wasserstoff auf Festigkeit und Lebensdauer von Bauteilen mit Fehlern (Multiskalen-) Simulation der Wasserstoffdiffusion Qualifizierung von Materialen für überlagerte mechanischkorrosive und versprödende Beanspruchungen Kompetenz IWM: Multiskalensimulation der Diffusion von Wasserstoff: von Atomistik bis Bauteil Kompetenz IWM: Mikrostruktur-und Schadensanalyse Kompetenz IWM: Bewertung der Anfälligkeit von Werkstoffen für Wasserstoffversprödung und Spannungsrisskorrosion durch in situ Versuchstechniken

33 KONSORTIUM HYPOS 92 Partner eine Vision 55 Wirtschaftspartner 37 Wissenschaftspartner 60 % Wirtschaft, davon 60 % KMU Konsortialführer mit Sitz in Ostdeutschland Partner aus Westdeutschland eingebunden Offen für weitere Partner Partnerstandorte in Ostdeutschland 10

34 ORGANISATIONS- UND MANAGEMENTMODELL Lenkungskreis HYPOS- GmbH i. Gr. (operative GF) HYPOS e.v. Vorstand/Mitgliederversammlung BEIRAT REGIONAL- UND THEMENFELDVERANTWORTLICHE Verbundprojekte Strombereitstellung Chemische Umwandlungsprozesse Transport/ Speicherung Verwertung/ Vertrieb Wirtschaftlichkeit, Sicherheit, Graduiertenkolleg Demonstrationsprojekte Projektgesellschaften Projektgesellschaften Projektgesellschaften Projektgesellschaften 12

35 Vorstand 1. Dr. Volker Busack 4. Dr. Joachim Wicke 7. Prof. Dr. Ralf Wehrspohn VNG Gasspeicher GmbH Siemens AG Fraunhofer-Institut IWM 2. Andreas Dietrich 5. Dr. Stefan Müller 8. Dr. Christoph Mühlhaus LINDE AG Miltitz Aromatics GmbH (Cluster Chemie/Kunst. MD) 3. Axel Klug 6. Prof. Dr. Detlef Stolten 9. Jörn-Heinrich Tobaben Air Liquide Deutschland Forschungszentrum Wirtschaftsinitiative für GmbH Jülich GmbH Mitteldeutschland GmbH

36 Von Ostdeutschland soll eine Revolution in der Wasserstoffwirtschaft ausgehen Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit!