Power-to-Gas Technischer Stand und Potentiale
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- Lorenz Busch
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1 Windenergie expo & congress November 2013, Offenburg Power-to-Gas Technischer Stand und Potentiale Dr. Ulrich Zuberbühler, Dipl.-Ing. Andreas Brinner Zentrum für Sonnenenergie- und Wasserstoff-Forschung Baden-Württemberg (ZSW) mit Beiträgen von: ZSW, Stuttgart; Etogas, Stuttgart; FhG-IWES, Kassel; Enertrag HyTec, Gut Dauerthal
2 Vortragsinhalt: Kurze Vorstellung des ZSW Neue Energieverteilungssysteme und Speicherbedarf Verfahren zur Wasserstoffherstellung Kommerzieller Stand der Elektrolysetechnik Warum Weiterentwicklung der Wasserstofferzeugung? Das Prinzip der H 2 /CO 2 -Methanisierung Von der Versuchsanlage zur Produktionsanlage - 25 kw bis 6,3 MW Forschungs- und Entwicklungsbedarf
3 ZSW Standorte Stuttgart: Photovoltaik (mit Solab), Energiepolitik und Energieträger, Zentralbereich Finanzen, Personal & Recht Ulm: Solar-Testfelder: Widderstall und Girona (ES) Ulm: Elektrochemische Energietechnologien mit ZSW Labor für Batterietechnologie (elab) -3-
4 Zentrum für Sonnenenergie- und Wasserstoff- Forschung Baden-Württemberg (ZSW) 1988: Das ZSW wurde als gemeinnützige Stiftung des bürgerlichen Rechts gegründet. 2012: Rund 220 Mitarbeiter arbeiten an 3 Standorten in Baden-Württemberg (Umsatz 2012: 26 Mio. EUR) Stiftungszweck: Industrienahe Forschung und Technologietransfer im Bereich der erneuerbaren Energien -4-
5 Ein Energieversorgungssystem mit hohem erneuerbarem Energieanteil benötigt Speicher Warum neue Energieträger?
6 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 Warum neue Energieträger?
7 Peak Oil Treiber der Gastechnologien Energiewende Quelle: Eigene Darstellung nach dena et al Mobilität: Verbrenner- und Elektro-Fahrzeuge Stationäre Energieversorgung: Kraft-Wärme-Kopplung Energiewirtschaft: Energiespeicher
8 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 Warum neue Energieträger?
9 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 Warum neue Energieträger?
10 Von der Primärenergie zum Sekundärenergieträger Energiewandler und Wasserstoff-Erzeugungsprozesse der nicht-fossilen Wasserstoffherstellung aus Sonnenenergie Die Strukturierung der H 2 -Herstellungsverfahren ist allgemein anerkannt Verfahren zur Wasserstoffherstellung
11 Technische Verfahren zur Erzeugung von Wasserstoff als Sekundärenergieträger von der Entwicklung bis zum Anlagenbau Thermochemische Verfahren Thermochemische Kreisprozesse Entwicklung Technischer Reifegrad Elektrochemische Verfahren Anlagenbau Verfahren zur Wasserstoffherstellung
12 Einschätzung der System-Wirkungsgrade verschiedener Wasserstoffherstellungsverfahren Quelle: J. Blumberg, TU München Verfahren zur Wasserstoffherstellung
13 Prinzipien der Wasserelektrolyse Quelle: T. Smolinka, M. Günther FhG-ISE, J.Garche, FCBAT Quelle: ELT; Quelle: E-ON / SWB Quelle: R. Hino / JAERI - Japan (angepasst) AEL: kommerziell verfügbar Leistung: 1 kw 2,5 MW Druck: drucklos 50 bar PEMEL: kommerziell verfügbar Leistung: 0,1 kw 100 kw Druck: drucklos 100 bar HTEL: kommerziell noch nicht verfügbar Verfahren zur Wasserstoffherstellung
14 Weiterentwicklung H 2 -Erzeugung mittels Elektrolyse: Motivation Entwicklungsziel Wirkungsgrad Notwendigkeit zur drastischen Senkung des spezifischen Energieverbrauchs der gesamten Wasserstofferzeugungsanlage (nicht nur vom Elektrolyseprozess) Weiterentwicklung der Wasserstofferzeugung
15 Einordnung kommerzieller Elektrolyseure (AEL & PEM) Zellspannung und spez. Energieverbrauch als Funktion der Stromdichte für PEM- Elektrolyse, techn. Elektrolyse nach Siemens, Garche (p = 1-50 bar, Betriebs-T-) Zellspannung [V] 3,5 3 2,5 2 1,5 1 0,5 0 AEL-Druckelektrolyseure PEM-Druckelektrolyseur Elektrolyseur Wirtschaftlich interessanter Betriebsbereich 0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4 Stromdichte [A/cm2] 8,00 7,00 6,00 5,00 4,00 3,00 2,00 1,00 0,00 spez. Energieverbrauch [kwh/nm3] Weiterentwicklung der Wasserstofferzeugung
16 Einordnung kommerzieller H 2 -Erzeugungsanlagen (AEL & PEM) Zellspannung und spez. Energieverbrauch als Funktion der Stromdichte für PEM- Elektrolyse, techn. Elektrolyse nach Siemens, Garche (p = 1-50 bar, Betriebs-T-) 3,5 8,00 Zellspannung [V] 3 2,5 2 1,5 1 0,5 AEL-Druckelektrolyseure PEM-Druckelektrolyseur Wasserstoffanlage Wirtschaftlich interessanter Betriebsbereich 7,00 6,00 5,00 4,00 3,00 2,00 1,00 spez. Energieverbrauch [kwh/nm3] 0 0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4 Stromdichte [A/cm2] 0,00 Weiterentwicklung der Wasserstofferzeugung
17 Solar- & Wind-Elektrolysesysteme benötigen eine optimale Spannungs-/ Leistungsanpassung! Elektronische Leistungsanpassung ELA Elektronische Spannungsanpassung ESA Quelle: W. Hug, H. Dienhart, DLR-TT, Stuttgart Weiterentwicklung der Wasserstofferzeugung
18 Weiterentwicklung H 2 -Erzeugung mittels Elektrolyse: Motivation Kostenreduktion Notwendigkeit zur drastischen Senkung der spezifischen Gesamtanlagenkosten zur Realisierung verschiedener Betriebs- und Geschäftsmodelle Weiterentwicklung der Wasserstofferzeugung
19 Fortschrittlicher alkalischer Druck-Elektrolyseur mit 500 kw elektrische Leistung in Saudi Arabien H 2 -Wasser- Trennung Elektrolyseblock Laugen- Kreislauf N 2 -Spül- System Wasserabscheider Wasser- Kreislauf Quelle: A. Brinner, DLR Weiterentwicklung der Wasserstofferzeugung
20 Das ist der Elektrolyseur Entwicklung von Gesamtanlagenkonzepten Quelle: A. Brinner, DLR-TT, Stuttgart Weiterentwicklung der Wasserstofferzeugung
21 Weiterentwicklung des technischen Standes Vom Einzelanlagenbau zur modularen Serienfertigung Heute Verfahrenstechnischer Anlagenbau Übergang Manufakturbauweise Morgen Industrieller Serienbau Weiterentwicklung der Wasserstofferzeugung
22 Herstellung von Ersatz-Erdgas (SNG) Methanisierung von CO x 2 CO + 2 H 2 CH 4 + CO 2 H 298K = kj/mol CH4 CO + 3 H 2 CH 4 + H 2 O(g) H 298K = kj/mol CH4 CO H 2 CH H 2 O(g) H 298K = kj/mol CH4 SNG = Substitute Natural Gas Das Prinzip der H2/CO2-Methanisierung
23 CO 2 + elektrische Leistung SNG Experimentalergebnisse Speisegase (Edukte) Katalysator Substitute Natural Gas (Produkt) 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 Das Prinzip der H2/CO2-Methanisierung
24 Wind-zu-SNG - Konzept: Energetischer Wirkungsgrad (Sankey Diagramm ohne direkte H 2 -Abgabe) Das Prinzip der H2/CO2-Methanisierung
25 Power-to-Gas - Technologie: Erstes Konzept eines 25kW e Technologiedemonstrators Von der Versuchsanlage zur Produktionsanlage
26 Power-to-Gas - Technologie: Technische Realisierung für die Firma Etogas Methanreaktor CH4-Abfüllstation ca. 15 kg, 200 bar CO2Gewinnung Elektrolyseur Von der Versuchsanlage zur Produktionsanlage
27 Verfahrenstechnischer Umfang der ZSW 250kW-Anlage (PtG250) Von der Versuchsanlage zur Produktionsanlage
28 PtG250-Anlageninstallation im REG-Technikum Von der Versuchsanlage zur Produktionsanlage
29 PtG250-Anlageninstallation im REG-Technikum 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 Von der Versuchsanlage zur Produktionsanlage
30 Hauptkomponenten der PtG250-Anlage im REG-Technikum Von der Versuchsanlage zur Produktionsanlage
31 PtG250 Elektrolyse Erste Typ 5-Kompakt-Druckelektrolyse von Hydrogenics O 2 -Abblaseleitung Systemkühler H 2 -Abblaseleitung Kühlertrockner Elektrolyse- Kernsystem Kühlersystem Gleichrichter Betriebsführung Von der Versuchsanlage zur Produktionsanlage
32 Kommerzialisierung in Werlte: 6.3 MW Power-to-Gas - Anlage an einer Biogas-Anlage Von der Versuchsanlage zur Produktionsanlage
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 Von der Versuchsanlage zur Produktionsanlage
34 EFFIZIENZ Verbesserte Materialien im Bereich: Rahmen, Membran, Elektroden - Betriebstemperaturerhöhung bis 150 C (Elek) - Druckerhöhung bis über 30bar (Elek) - Minimierung des elektrochemischen Energieverbrauchs (Elek) - Erhöhung der Differenzdruckfestigkeit (Elek) KOSTEN Vereinfachung der verfahrenstechnischen Systemperipherie - Einsatz von Kunststoffen - Vereinfachung, Zusammenfassung, Minimierung von Subsystemen - Reduktion der Komponentenanzahl & Funktionsintegration EINSATZBEREICH Betriebsbereiche, Produktgasqualität, Betriebsstofftoleranz - intermittierender Betrieb (Start/Stopp-Betrieb aus dem Kalt- und Standby-Zustand) - dynamischer Betrieb (optimale Nutzung eines fluktuierenden Leistungsangebots) - Erhöhung der Produktgasqualität im dynamischen Betrieb (Elek) - Erhöhung der Toleranz gegenüber der Rohwasserqualität Optimierung des Anlagenbetriebs AUTONOMITÄT - Anlagenbetrieb komplett aus dem Primärenergieangebot (Elek) - Minimierung des Gesamtanlagen-Energieverbrauchs (Elek) BETRIEBSKOSTEN Betriebsautomatisierung & Wartungskostenoptimierung (Elek) LIEFERBARKEIT Industrialisierung der Ergebnisse (Elek) Elek: Elektrolyse F&E-Bereiche Forschungs- und Entwicklungsbedarf
35 Noch Fragen? Herzlichen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! Dr. Ulrich Zuberbühler Tel: ++49 (0) , Dipl.-Ing. Andreas Brinner Tel: ++49 (0) , Zentrum für Sonnenenergie- und Wasserstoff-Forschung Baden-Württemberg Regenerative Energieträger und Verfahren Industriestr. 6, D Stuttgart
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