Wasserstoff als Sekundärenergieträger Herstellung und Entwicklungsstand

Transkript

1 BBA-BW Treffpunkt Brennstoffzelle und Batterie Wasserstoff Sekundärenergieträger mit Zukunft 16. Januar 2012, Stuttgart Wasserstoff als Sekundärenergieträger Herstellung und Entwicklungsstand Dipl.-Ing. Andreas Brinner Zentrum für Sonnenenergie- und Wasserstoff-Forschung Baden-Württemberg (ZSW)

2 Vortragsinhalt: Kurze Vorstellung des ZSW Warum benötigen wir neue Energieträger? Verfahren zur Wasserstoffherstellung Projektbeispiele für globale Elektrolyseprojekte Kommerzieller Stand der Elektrolysetechnik Leistungsanpassungsprinzipien Betriebsergebnisse von PV-Elektrolysesystemen Übertragung der Ergebnisse auf Wind-Elektrolysesysteme Forschungs- und Entwicklungsbedarf -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 Es gab zu allen Zeiten schon vorausschauende Menschen, die erneuerbar dachten: 1838: Eine einfache Brennstoffzelle wurde 1838 von Christian Friedrich Schönbein erstellt und ein Jahr später die Ergebnisse veröffentlicht. Sir William Grove schrieb noch im selben Jahr über das sogenannte batterisierte Knallgas und erkannte mit Schönbein die Umkehrung der Elektrolyse und das Erzeugen von Strom in diesem Phänomen. 1870: 1870 schrieb Jules Verne über Elektrolyse und Brennstoffzelle: Das Wasser ist die Kohle der Zukunft. Die Energie von morgen ist Wasser, das durch elektrischen Strom zerlegt worden ist. Die so zerlegten Elemente des Wassers, Wasserstoff und Sauerstoff, werden auf unabsehbare Zeit hinaus die Energieversorgung der Erde sichern. 1921: Über die Wasserelektrolyse und die Knallgaskette schrieb Emil Baur In den Alpenländern ist es eine vielbesprochene Frage, wie die überschüssigen Sommer- und Abfallwasserkräfte zweckmäßig gespeichert werden könnten. Elektrochemische Möglichkeiten zur Lösung dieser Frage bieten die umkehrbaren Voltaketten. Es wäre in vieler Hinsicht sehr zweckmäßig die Wasserelektrolyse in Verbindung mit der Knallgaskette, da man allein den Wasserstoff sammeln und aufbewahren müsste. -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- Warum neue Energieträger?

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- Warum neue Energieträger?

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- Verfahren zur Wasserstoffherstellung

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- Verfahren zur Wasserstoffherstellung

10 Einschätzung der System-Wirkungsgrade verschiedener Wasserstoffherstellungsverfahren Quelle: J. Blumberg, TU München -10- Verfahren zur Wasserstoffherstellung

11 Prinzipien der Wasserelektrolyse Verfahren zur Wasserstoffherstellung

12 Prinzipien der Wasserelektrolyse -2 Quelle: T. Smolinka, M. Günther FhG-ISE, J.Garche, FCBAT Quelle: ELT; Quelle: E-ON / SWB Quelle: R. Hino / JAERI - Japan (angepasst) -12- Verfahren zur Wasserstoffherstellung

13 Global wird an der Wasserstoffherstellung mit erneuerbarer Energie geforscht Quelle: M del Pilar, INTA, Spanien, B. Simonsen, IET, Norwegen, S. Schoenung, OA, USA -13- Projektbeispiele für globale Elektrolyseprojekte

14 Projektbeispiele global Quelle: M del Pilar, INTA, Spanien, B. Simonsen, IET, Norwegen, S. Schoenung, OA, USA -14- Projektbeispiele für globale Elektrolyseprojekte

15 Elektrolyse-Versuchs-/ Technikumsanlagen global Quelle: M del Pilar, INTA, Spanien, B. Simonsen, IET, Norwegen, S. Schoenung, OA, USA -15- Projektbeispiele für globale Elektrolyseprojekte

16 Kommerzieller technischer Stand der Wasserelektrolyse mit Beispielen 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, 10bar, 1,7kW Leistung: 0,1 kw 100 kw Druck: drucklos 100 bar Druck: drucklos 100 bar -16- Kommerzieller Stand der Elektrolysetechnik

17 Dynamischer, vorhersehbarer Photovoltaik-Elektrolysebetrieb Optimaler Betrieb Minimalbetrieb Dynamischer Betrieb Messungen im Rahmen des Deutsch Saudi Arabischen HYSOLAR-Projektes Quelle: A. Brinner, DLR-TT, Stuttgart -17- Leistungsanpassungsprinzipien

18 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 Leistungsanpassungsprinzipien

19 Kopplungskonzepte der Energiewandler Photovoltaik und Elektrolyse Funktionsprinzip Technische Ausführung Quelle: A. Brinner, DLR-TT, Stuttgart -19- Leistungsanpassungsprinzipien

20 Solarer Wasserstoff-Herstellungsbetrieb Quelle: A. Brinner, DLR-TT, Stuttgart -20- Leistungsanpassungsprinzipien

21 10kW N Photovoltaikgenerator Konzeptionelle Auslegung und Leistungsvermessung Quelle: A. Brinner, DLR-TT, Stuttgart -21- Leistungsanpassungsprinzipien

22 Photovoltaikgenerator gemessenes Kennlinienfeld mit allen ohmschen Verlusten Quelle: A. Brinner, DLR-TT, Stuttgart -22- Leistungsanpassungsprinzipien

23 Umrichter - Spannungswandler für PV und Elektrolyse Wirkungsgrad ist das A und O Quelle: A. Brinner, DLR-TT, Stuttgart -23- Leistungsanpassungsprinzipien

24 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 Leistungsanpassungsprinzipien

25 Elektronisch angepasster PV-Elektrolysebetrieb ohne elektrischen Zwischenspeicher PV-Elektrolysebetrieb mit elektronischem Spannungswandler (DC/DC-Wandler) Quelle: A. Brinner, DLR-TT, Stuttgart -25- Betriebsergebnisse von PV-Elektrolysesystemen

26 Elektronisch angepasster PV-Elektrolysebetrieb ohne elektrischen Zwischenspeicher PV-Elektrolysebetrieb mit elektronischem Spannungswandler (DC/DC-Wandler) Quelle: A. Brinner, DLR-TT, Stuttgart -26- Betriebsergebnisse von PV-Elektrolysesystemen

27 Direkt gekoppelter PV-Elektrolysebetrieb ohne elektrischen Zwischenspeicher Direkt gekoppelter PV-Elektrolysebetrieb mit 49,5V MPP-Spannung Quelle: A. Brinner, DLR-TT, Stuttgart -27- Betriebsergebnisse von PV-Elektrolysesystemen

28 PV-Elektrolysebetrieb ohne elektrischen Zwischenspeicher Direktkopplung Elektronische DK Spannungsanpassung ESA DK + teilw. ESA Quelle: A. Brinner, DLR-TT, Stuttgart -28- Referenz: Solarenergieleistung auf der PV-Feldfläche Betriebsergebnisse von PV-Elektrolysesystemen

29 PV-Elektrolysebetrieb ohne elektrischen Zwischenspeicher Direktkopplung Elektronische DK + teilw. ESA DK Spannungsanpassung ESA Quelle: A. Brinner, DLR-TT, Stuttgart -29- Referenz: Elektrische Abgabeleistung des PV-Feldes Betriebsergebnisse von PV-Elektrolysesystemen

30 Elektrolyse-Wirkungsgrad und Energieangebot können unabhängig optimiert werden Quelle: A. Brinner, DLR-TT, Stuttgart -30- Betriebsergebnisse von PV-Elektrolysesystemen

31 Auch Wind-Elektrolysesysteme benötigen eine optimale Spannungs-/ Leistungsanpassung! Elektronische Leistungsanpassung ELA Elektronische Spannungsanpassung ESA Quelle: W. Hug, H. Dienhart, DLR-TT, Stuttgart -31- Übertragung der Ergebnisse auf Wind-Elektrolysesysteme

32 EFFIZIENZ F&E-Bereiche Verbesserte Materialien im Bereich: Rahmen, Membran, Elektroden - Betriebstemperaturerhöhung bis 150 C - Druckerhöhung bis über 30bar - Minimierung des ionischen Widerstandes & des elektrochemischen Energieverbrauchs - Erhöhung der Differenzdruckfestigkeit 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 - Erhöhung der Toleranz gegenüber der Rohwasserqualität (Nutzung von Salzwasser, Brackwasser, stark belastetem Wasser) Optimierung des Anlagenbetriebs AUTONOMITÄT - Anlagenbetrieb komplett aus dem Primärenergieangebot (Netzunabhängigkeit) - Minimierung des Gesamtanlagen-Energieverbrauchs BETRIEBSKOSTEN Betriebsautomatisierung & Wartungskostenoptimierung LIEFERBARKEIT Industrialisierung der Ergebnisse -32- Forschungs- und Entwicklungsbedarf

33 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) ,