Stromerzeugung aus der Koppelung von Wind und Brennstoffzellen

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1 Stromerzeugung aus der Koppelung von Wind und Brennstoffzellen Vortragsreihe neue Entwicklungen auf den Energiemärkten Sonia Acosta Ramírez

2 Einleitung Die erneuerbaren Energien können dazu beitragen, Ressourcen zu schonen und CO 2 -Emissionen zu reduzieren. Oftmals sind sie aber abhängig von den Wetterbedingungen trug der Strom aus Windenergie mit 5,7% zur Stromversorgung in Deutschland bei, aber der Rohstoff Wind ist nicht immer konstant. Eine Lösung dieses Problem könnte der Ausgleich der Fluktuationen mit Hilfe von andere Technologien in unserem Fall die Brennstoffzelle sein. 2 Die Präsentation basiert auf Ergebnissen einer Projektarbeit des Lehrstuhls für Energiesysteme und Energiewirtschaft der Ruhr-Universität Bochum

3 Inhalt 1. Zielsetzung 2. Lastverhalten von Windkraftanlagen der Energieversorgungsunternehmen (EVU) 3. Auswahl der Brennstoffzellentypen 4. Auslegung des Wind-Brennstoffzellensystems 5. Berechnung der Gesamtkosten der Brennstoffzellen 3 6. Zusammenfassung

4 Zielsetzung Ist die Brennstoffzelle als Ergänzung Technologie eine mögliche Lösung der fehlenden Energieversorgung aus Windkraftanlagen? Zwischenziel: Analyse des Lastverhaltens der Windeinspeisung Wie groß sind die Fluktuationen? Welche Brennstoffzelle ist geeignet für dieses System? Ist diese Lösung bezahlbar? 4

5 Lastverhalten von Windkraftanlagen der EVU Verteilung der Windenergieproduktion aller EVU über das Jahr 2006 Windenergieproduktion schwankt zwischen Tag und Nacht und über das Jahr Juni, Juli, August steht wenig Windenergie zur Verfügung Produktion von EnBW ist deutlich geringer als der anderen EVU s 5 Quelle: Homepage der jeweiligen EVU s

6 Lastverhalten von Windkraftanlagen der EVU Ausschnitt aus Daten zur Windeinspeisung von EVU Überproduzierte Leistung zur H 2 Erzeugung fehlende Leistung wird durch Brennstoffzellen mit dem gespeicherten H 2 erzeugt 6 Quelle: Homepage der jeweiligen EVU s

7 Auswahl der Brennstoffzellentypen Auswahl der geeigneten Brennstoffzellen anhand Wirkungsgrad Laständerungsgeschwindigkeiten Verwendbare Brennstoffe An- und Abfahrzeit Polymer-Elektrolyt-Membran und Oxidkeramische Brennstoffzellen wurden im Rahmen dieser Studie verwendet. Brennstoffzelletyp Wichtige Eigenschaften der Bennstoffzellen Laständerung Geschwindigkeit Leistung (kwel) Wirkungsgrad (%) (% Pel Nen/Min) Sp. Kosten (Є/kWel) Ziel Sp. Kosten (Є/kWel) PEMFC , SOFC , Geplante SOFC , Quelle: Ausdruck der Vorlesung Energietechnik II TU Berlin

8 Auslegung des Wind Brennstoffzellensystems Die Erzeugung der gesamten installierten Brennstoffzellen muss die Abweichung zwischen prognostizierter und tatsächlicher Winderzeugung mindesten 99% abdecken Implementierung von Brennstoffzellen nach EVU s EVU EnBW EON RWE Brennstoffzellen- Gesamtleistung (MW) Differenz Winderzeugung Prognose (tausend MWh) Vattenfall Quelle: Homepage der jeweiligen EVU s

9 Berechnung der Gesamtkosten der Brennstoffzellen Gesamtkosten des Brennstoffzellensystems nach Petrovic Gesamtkosten auf Investitionskosten und Betriebskosten bzw. Wasserstoffkosten bezogen Wartungskosten vernachlässigbar Erwartete Kosten für Brennstoffzellensysteme der Hersteller verwendet Wasserstoffherstellung aus Wind-Elektrolyse und Erdgas-Reformierung 9 Investitionskosten bezüglich auf Bruchteil der Brennstoffzellen mit 100% Nennleistung, 15 Jahren, Laufzeit der Brennstoffzellen von 40,000h

10 Jährliche Investitionskosten aller EVU s 10 Quelle: Projektarbeit Wind BZ von Bochum Universität EON und Vattenfall müssen ein Brennstoffzellesystem von 2500 MW auslegen, deshalb haben sie höhere Investitionskosten RWE und EnBW müssen nur eine kleinere Investition machen Die Investitionskosten von SOFC sind geringer als mit PEMFC

11 Jährliche Betriebskosten aller EVU s SOFC hat geringere Betriebskosten als PEMFC EnBW nur geringe Leistung abzudecken, daher die geringen Betriebskosten EON höhere Betriebskosten, da mehr Leistung bei anderen EVU s abgedeckt werden muss 11 Quelle: Projektarbeit Wind BZ von Bochum Universität Spezifische Preis H 2 0,25-0,54 /Nm 3 0,07-0,101 /Nm3

12 Vergleich der Gesamtkosten Investitionskosten machen einen großen Teil der Gesamtkosten aus Je größer die Brennstoffzelle desto geringer sind die Gesamtkosten Gesamtkosten vom Spotmarkt ist die günstige Option 12 Quelle: Projektarbeit Wind BZ von Bochum Universität

13 Zusammenfassung Das Brennstoffzellensystem kann eine Lösung zum Ausgleich der Schwankungen der Windleistung sein Der Bedarf der Energie aus Brennstoffzellen wird angepasst SOFC ist für dieses System geeignet Die Technologie ist noch zu teuer, weil die Investitionskosten einen großen Teil der Gesamtkosten ausmachen Je größer das Brennstoffzellensystem desto geringer sind die Betriebskosten 13 Die spezifischen Kosten für H 2 durch Elektrolyse sind 0,25 0,54 /Nm3 im Vergleich zu 0,07 0,101 /Nm3 durch Erdgas-Reformierung. Die H 2 - Herstellung durch Windenergie-Elektrolyse könnte die Betriebskosten reduzieren, wenn der Preis von CO 2 154,08-578,11 /t erreicht

14 14 Vielen Dank für ihre Aufmerksamkeit

15 Quelle [Oertel, 2001] D. Oertel, T. Fleischer Brennstoffzellen-Technologie: Hoffnungsträger für den Klimaschutz Erich Schmidt Verlag, Berlin, 2001 [Petrovic, 2005] T. J. Petrovic, H.-J. Wagner, A. Lente, M. Krupp, R. Widmann Photobiologische Wasserstofferzeugung durch Mikroalgen Beschreibung konkurrierender Systeme zur H2 -Erzeugung Endbericht zum Forschungsvorhaben T-170, LEE-38 [Temming, 2005] H.V. Temming Analysen und Simulationen zur Bewertung der Einsatzmöglichkeiten und Marktpotentiale von Brennstoffzellen in der Industrie Dissertation, Selbstverlag des Lehrstuhls für Energiesysteme und Energiewirtschaft der Ruhr-Universität Bochum, Bochum, [Wikipedia] Wikipedia die freie Enzyklopädie, Online-Enzyklopädie,

16 Quelle Untersuchung des Lehrstuhls für Energiesystem und Energiewirtschaft der Universität Bochum Ausdruck der Vorlesung Energietechnik II, Prof. Dr. Ing. G. Tsatsaronis Kapitel # [CO2-Handel] Artikel CO2-Preis: Emissionsexperten sehen mittelfristig Anstieg auf bis zu 40 Euro, Europressedienst Bonn, Homepage [DEWI] Homepage des Deutschen Instituts für Windenergie; 16 [Ledjeff-Hey, 2001] K. Ledjeff-Hey, F. Mahlendorf, J. Roes Brennstoffzellen Entwicklung, Technologie, Anwendungen C. F. Müller Verlag, Heidelberg, 2. Auflage, 2001

17 Berechnung der Gesamtkosten der Brennstoffzellen nach Petrovic Methode 1. Investitionskosten: Ermittlung des Lebensdauer der BrZ Lebensdauer bei maximale Leistung Leistung pro Modul 15min L L 15 min max Laufzeit = On Zeit = GLZ = BZLeistung Modulanzah l On Tasächlich e Modulleist Nennleistu ng Zeit ung Anteil an Gesamtlaufzeit TLD = Lebensdaue Anteil r Maximalbet Gesamtlauf zeit rieb Tatsächlich Lebensdauer 17 Investitionskosten pro Jahr: K inv = P inst S M L

18 Berechnung der Gesamtkosten der Brennstoffzellen nach der Petrovic Methode E el V = H 2 1. Betriebskosten: H η Ermittlung der Kosten durch u,hwasserstoff: 2 Benötige Menge Wasserstoff E 3 el, plus V ( Nm H ) = H 2, W 2 E ( ) = S V w H w K w, Wasserstofferzeugung aus Stromüberproduktion durch Windenergie-Elektrolyse 2 Kosten für erzeugten Wasserstoff minimal und maximal V = V V H E H H, E 2, 2 2 Fremdbezug von Wasserstoff K = S V E E H 2, E 8760 h Kosten für bezogenen minimalen und maximalen Wasserstoff V = H 2, h V H 2, E K = K + K Wa w E 18 Gesamtkosten Wasserstoff

19 Berechnung der Gesamtkosten der Brennstoffzellen 1. Betriebskosten: b) Ermittlung der Kosten CO2 Kosten für bezogenen Wasserstoff ( ) = S V E H w K w E, K Diff = K w + K 2 W E Kostendifferenz CO2-Kostensparnis CO S K CO = V CO V CO 2, Spar Hdiff 2, w 2, E H 2, w 2, w = CO2 2, Spar Preis pro Tonne CO2 S CO 2, Min tco 2 EON RWE Vattenfall EnBW Min 154,08 154,08 154,08 15,51 19 Max 578,11 578,11 578,11 451,41

20 Wie Funktioniert eine Brennstoffzelle? Brennstoff + Anode e Elektrolyt Oxidationsmittels Kathode - Reaktion Anode Elektrolyt-MemBrane H 2H + 2e + H + 2 O + 4H + 4e 2 Kathode 20