Impulsvortrag: Aktueller Stand der Power-to-Gas Technologie

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1 Power-to-Gas Erdgasinfrastruktur als Energiespeicher Bundesnetzagentur / Fraunhofer IWES , Auditorium Friedrichstraße, Berlin Impulsvortrag: Aktueller Stand der Power-to-Gas Technologie Michael Specht Centre for Solar Energy and Hydrogen Research (ZSW), Stuttgart In Kooperation mit: Fraunhofer Institute for Wind Energy and Energy System Technology (IWES), Kassel SolarFuel GmbH, Stuttgart

2 Aktueller Stand der Power-to-Gas Technologie (P2G) -Inhalt - Ziel SNG-Herstellungspfade aus Erneuerbaren Energien Ergebnisse der 25 kw el -P2G-Anlage P2G-Wirkungsgrad Fazit Kernthesen FuE-Bedarf Handlungsempfehlungen weiteres Vorgehen SNG: Substitute Natural Gas

3 Long Term Storage of Renewable Energy (RE) -FAQ - How is long-term storage of energy realised today? How much capacity do we need for RE storage? What is the best way to collect and to store RE? Can the existing infrastructure be used to store and to distribute RE? What is the future fuel for mobility?

4 Options for Long Term (Seasonal) Energy Storage: Chemical Energy Carriers Hydrogen Substitute Natural Gas (SNG) Liquid Hydrocarbons

5 Renewable Energy Storage Systems: Capacity and Discharge Time a 1000 SNG 1 m 100 PHS Discharge time [h] d 1 h Batteries CAES CAES H 2 0,1 Fly Wheels 0,01 0,001 1 kwh 10 kwh 100 kwh 1 MWh 10 MWh 100 MWh 1 GWh 10 GWh 100 GWh Storage capacity of different storage types CAES Compressed air energy storage PHS Pumped hydro storage SNG Substitute natural gas 1 TWh 10 TWh 100 TWh

7 Path 1: (Digestive) Biomass SNG State-of-the-Art - Technology Digestive Biomass Anaerobic Digester Plant Bio-Gas vol.-% CH 4 Gas Cleaning / Conditioning SNG (to Grid or Filling Station) Compost Separation of CO 2 H 2 O Impurities

8 Path 1: (Digestive) Biomass SNG Pressure Swing Adsorption (PSA) Gas Upgrading SNG Flushing gas Biogas Water separator Desulphurisation Adsorber unit Off-gas (CO 2 ) Compressor Vacuum pump

9 Path 2: (Woody) Biomass SNG BtG Biomass-to-Gas 1 st Step 2 nd Step Gasification Synthesis Biomass Producer Gas SNG (CH 1.52 O 0.65 ) (Synthesis Gas) CO, H 2, CO 2, CH 4 (Gas conditioning, stoichiometry adjustment)

10 Path 3: CO 2 + H 2 (via Electrolysis) SNG Power-to-Gas (P2G)

11 Path 2 and 3: Methanation of CO / CO 2 Methanation: 3 H 2 + CO CH 4 + H 2 O ΔH R0 = -206,4 kj/mol 4 H 2 + CO 2 CH H 2 O ΔH R0 = -164,9 kj/mol Shift- Reaction: H 2 O + CO H 2 + CO 2 ΔH R0 = -41,5 kj/mol

12 Power-to-Gas (P2G) - Concept: Interconnection with Mobility Electricity grid Gas distribution system Wind Solar CCPP / B-CHP POWER GENERATION ELECTRICITY STORAGE Gas underground storage CCPP B-CHP Combined Cycle power plant Block-type combined heat and power station CO 2 CO 2 Electrolysis / H 2 buffer CO 2 buffer H 2 CO 2 Methanation H 2 CH 4 EV: Electric Vehicle BEV: Battery Electric Vehicle FCEV: Fuel Cell Electric Vehicle CNG-V: Compressed Natural Gas Vehicle Plug-In HEV: Plug-In Hybrid Electric Vehicle (especial: Plug-In Electric Drive Motor Vehicles / Range-Extended Electric Vehicle) Electricity H 2 SNG BEV FCEV CNG-V Plug-In HEV Plug-In HEV Mobility

13 Electrolysis: Development Status Alkaline electrolysis is in principle state-of-the-art technology but Not optimised with regard to Energetic efficiency Dynamic operation Intermittent operation Costs HYSOLAR 350 kw System Lurgi

14 CO / CO 2 Methanation: Development Status Methane synthesis from CO/H 2 -based Syngas is a state-of-the-art technology Source Dakota Gasification Company: Coal to Electricity / SNG / CO 2 Methane synthesis from CO 2 /H 2 -based Syngas is not a state-of-the-art technology

15 Biogas production: Utilisation of Biogenic CO 2 Resources for P2G-Process C 6 H 12 O 6 3 CH CO 2 Simplified overall reaction EtOH plant in Nebraska, USA Biogas plant, Foto: Krautkremer Ethanol production: C 6 H 12 O 6 2 C 2 H 5 OH + 2 CO 2

16 Market for P2G at Biogas Plants in Germany: Number of Installed Plants and Power Range Number of biogas plants: ca (end of 2010) Installed power: 2,3 GW el Average power per plant: 380 kw el (corresponding to ca. 1 MW biogas output ) Corresponding electrolysis power for Methanation of CO 2 in biogas: ca. 1 MW el (for 1 MW biogas output )* Source: DBFZ * depending on CH 4 /CO 2 ratio in biogas and on electrolysis efficiency

17 Market for P2G at Biogas Plants in Germany: Alternative Options - Electricity or Gas Feed-in Operating state 1 : electricity feed-in 1 Gas engine Electricity feed-in 0,4 MW el Biomass feed Biogas plant 1 MW biogas output Sources fotos:

18 Market for P2G at Biogas Plants in Germany: Alternative Options - Electricity or Gas Feed-in Biomass feed Biogas plant 1 MW biogas output 2 Power-to-Gas plant Gas feed-in 1,6 MW SNG 1 MW el Operating state 2 : gas feed-in Total SNG production potential from Bio-Gas (Bio-Methane and P2G-Gas): ca. 65 TWh gas /a Overall control power via Gas Feed-in: ca. 8 GW Sources fotos:

20 Power-to-Gas - Technology: Process Flow Sheet (Principle)

21 Power-to-Gas - Technology: Technical Realisation for SolarFuel Company CH 4 -Filling station ca. 15 kg, 200 bar CO 2 - Recovery Electrolyser

22 CO 2 + H 2 (via Electrolysis) SNG Experimental Results: Gas Composition Feed Gas Catalyst Substitute Natural Gas H 2 79,5 CH 4 92,0 Vol.% Methanation Vol.% CO 2 20,5 Parameter of methanation: T C p e < 10 bar SV wet > /h H 2 3,9 CO 2 4,1

23 CO 2 + H 2 (via Electrolysis) SNG Experimental Results: Gas Composition CH 4 -Content [vol-%] Reactor concept: Fixed bed reactor with recycle loop and intercooler Feed: CO 2 20 Vol.% db, H 2 80 Vol% db T = C, p = 7 bar abs, SV = 2000 l / (l cat * h) No downstream processing! CH4 CO2 H CO 2 -, H 2 -Content [vol-%] Test Duration [h]

24 Biogas + Power SNG: Biogas as CO 2 Resource - 2 Process Options 1 H 2 from Electrolysis H 2 - H 2 Buffer Biomass Biogas- Plant Biogas (CH 4, CO 2 ) CO 2 - Separation CO 2 CO 2 - CO 2 Buffer Methanation SNG (Feed-in) SNG (Feed-in) if H 2 -Deficit CO 2 to Atmosphere 2 H 2 from Electrolysis H 2 - Buffer Biomass Methanation Biogas- Plant Biogas (CH 4, CO 2 ) Biogas- Buffer Biogas SNG (Feed-in) if H 2 -Deficit Power Generation from Biogas

25 Power-to-Gas - Container: Operation with CO 2 and at Biogas Plants with Biogas and PSA Off-Gas Beta-Anlage 2011-Anlage an Biogasanlage Werlte 2011 Morbach 2009 Alpha-Anlage Stuttgart Source: SolarFuel

26 Power-to-Gas (P2G) - Concept: Option 1- Interconnection with Biogas Plant (via Biogas) Grid Gas distribution system Wind Solar Biomass CCPP / µ-chp POWER GENERATION ELECTRICITY STORAGE Gas storage Biogas plant Biogas CH 4 /CO 2 Electrolysis / H 2 buffer CH 4 /CO 2 buffer H 2 Biogas CH 4 /CO 2 Methanation H 2 CH 4 Heat CCPP: Combined Cycle Power Plant; µ-chp: micro Combined Heat and Power Plant

27 Power-to-Gas - Container: Operation with Biogas at Werlte Biogas Plant 100 CH4 H2 CO2 O y_ch 4 [Vol-%] y_co 2, y_h 2, y_o 2 [Vol-%] :00 01:00 02:00 03:00 04:00 05:00 06:00 07:00 08:00 Dauer [hh:mm]

28 Power-to-Gas (P2G) - Concept: Option 2- Interconnection with Biogas Plant (via Off-gas) Grid Gas distribution system Wind Solar Biomass CCPP / µ-chp POWER GENERATION ELECTRICITY STORAGE Gas storage Biogas plant with Bio-CH 4 production Off-gas (CO 2 ) Electrolysis / H 2 buffer CO 2 buffer Heat H 2 CO 2 Methanation H 2 CH 4 CH 4 CCPP: Combined Cycle Power Plant; µ-chp: micro Combined Heat and Power Plant

29 Power-to-Gas - Container: Operation with Off-Gas at Werlte Biogas Plant 100 CH4 H2 CO2 O y_ch 4 [Vol-%] y_co 2, y_h 2, y_o 2 [Vol-%] :00 01:00 02:00 03:00 04:00 05:00 06:00 07:00 08:00 09:00 10:00 11:00 12:00 13:00 14:00 Dauer [hh:mm]

31 Schematic Diagram of a P2G - Plant for IPSEpro Process Simulation (Feed: CO 2 /H 2 and Biogas/H 2 ) Settings Energy demand electrolysis: System pressure: Grid pressure: 4 kwh el /m 3 N H2 7 bar abs 16 bar abs

32 Energy Flow of a P2G - Plant Case 1: CO 2 /H 2 -to-sng" Case 2: "Biogas/H 2 -to-sng (50 / 50 [Vol.%CH 4 / Vol.%CO 2 ] in biogas) Case 3: "Biogas/H 2 -to-sng (70 / 30 [Vol.%CH 4 / Vol.%CO 2 ] in biogas)

33 Influence of Electrolysis Efficiency on P2G System Efficiency (CO 2 /H 2 -to-sng) System efficiency [%] ,5 3,7 3,9 4,1 4,3 4,5 4,7 4,9 5,1 Electrolysis power requirement [kwh el /m N 3 H2 ]

35 Power-to-Gas (P2G) Fazit - Kernthesen (1) Status: Die Bevorratung (Speicherung) von Energie wird heute durch die Lagerung fossiler, C-basierter Brennstoffe gelöst (Kohle, Erdöl, Erdgas). Zukunft: Wie im heutigen Energiesystem wird auch zukünftig die saisonale Bevorratung von Energie über chemische Energieträger erfolgen. Aus heutiger Sicht existiert hierzu keine Alternative.

36 Power-to-Gas (P2G) Fazit - Kernthesen (2) Für die Vollversorgung des Stromsektors mit EE im Jahr 2050 ist eine Speicherkapazität im zweistelligen TWh-Bereich in DE erforderlich. Der Speicherbedarf wird in den nächsten Jahren ansteigen. Ökonomische Anreizsysteme für saisonalen Stromspeichermarkt fehlen. P2G ist nicht auf fossiles CO 2 angewiesen. Durch P2G wird der Flächenbedarf von Energiebiomasse halbiert. P2G bietet die Option des Zusammenwachsens der Sektoren Gasnetz, Stromnetz und Mobilität. Erste konkrete Ergebnisse der 25 kw el -P2G-Anlage liegen vor. P2G ist bereits heute für die Marktvorbereitung einsetzbar.

38 FuE-Bedarf: Elektrolyse (Kernkomponente saisonaler EE-Speicher) Reduzierung DC-Energiebedarf (< 4 kwh/nm H23 ) Zielkonflikt Wirkungsgrad / Kosten intermittierender Betrieb / Dynamik schnelle Bereitstellung von Regelenergie (insbesondere Anfahrverhalten) Abfahren realer Wind- und PV-Profile Optimiertes Teillastverhalten Problem O 2 in H 2 bzw. H 2 in O 2 Optimierung Nebenaggregate Stromrichter Sicherheitstechnik Apparative Minimierung der Verfahrenstechnik weitere Optimierungen Betriebsführungsstrategien zur Elektrodenstabilisierung Übergang metallbasierter Stack kunststoffbasierter Stack Minimierung Netzrückwirkungen Druckbetrieb > 10 bar Fokus: Systemeinbindung, Effizienzsteigerung

39 FuE-Bedarf: Power-to-Gas Systemtechnik Systemauslegung und -integration Systemspezifische Anpassungen und optimierte Einbindung der Kernkomponenten Elektrolyse und Methanisierung Erzeugung von EE-Methan aus regenerativem Strom und diversen CO 2 -Quellen (Nutzung als Austausch-/ Zusatzgas) CO 2 -Quellen (regenerativ): Biogas, Brauereien, Ethanolindustrie, Klärgase, etc. Biomassevergasung CO 2 -Quellen (fossil): Zementherst., Rauchgas/Kraftwerk, Industrieprozesse H 2 -Erzeugung aus regenerativem Strom und direkte H 2 -Einspeisung in Erdgasnetze (Nutzung als Zusatzgas) Methanisierung Langzeittests / Betrieb intermittierend-dynamisch / Gasqualität (bei Lastwechsel) / Katalysatorstandfestigkeit (Schwefelresistenz) Fokus: Einbindung in Strom- und Gasnetz

41 Handlungsempfehlungen - Flankierende Maßnahmen - Schaffung von gesetzgeberischen Rahmenbedingungen für Speicherung von EE Anreiz für bedarfsgerechte Nutzung (nachfrageabhängig) Juristischer Klärungsbedarf bei der Implementierung neuer Speicherkonzepte Anwendung in relevanten Gesetzen (EEG, EEWärmeG, EnWG) Gleichstellung Biomethan / EE-Methan Aufbau von nationaler Stromversorgungsreserve STRATEQ (vgl. ErdölBevG: mit EE-Quote; technologieoffen) ggf. Gaseinspeisegesetz für EE-Methan Verlängerung Steuervergünstigung Erdgas als Kraftstoff (CNG) über 2018 hinaus ggf. Besserstellung von EE-Methan gegenüber CNG Regelung der technologischen Anforderungen an neue Speichersysteme Was gehört zum Speichersystem? Wo ist die Systemgrenze? Wo und wie werden die Energieflüsse erfasst und abgerechnet? An welchen Märkten dürfen Speicher partizipieren? Ohne die notwendigen Rahmenbedingungen, die einen ökonomischen Betrieb ermöglichen, wird es keine Möglichkeit des Technologietransfers von der Forschung in die Anwendung geben!

42 STRATEQ Strategische Stromreserve mit Erneuerbaren Quote Regulierer kontrahiert Erzeugungskapazitäten (strategische Reserve) für langfristigen Zeitraum Einsatz der Reserve bei Kapazitätsknappheit Verpflichtung zu einen erneuerbaren Anteil an der strategischen Reserve Regulierer Herausforderung: Zukünftiger Bedarf aber kein ökonomischer Anreiz für langfristigen Ausgleich EE-Stromerzeugung Wind Power to Gas Gasnetz GuD-Kraftwerk Stromnetz Biogasanlage Pumpspeicher Fossiles Erdgas Druckluftspeicher

43 STRATEQ Erläuterung (1) Hintergrund: Neben kurzfristigem Ausgleich wird in Zukunft verstärkt saisonaler Ausgleich benötigt Herausforderung: Langfristspeicher (Zyklen ca. 2 Wochen und größer) lassen sich im bestehenden Marktdesign nur schwer wirtschaftlich darstellen Wie können Anreize für Langfristspeicherung gesetzt werden? Lösungsansatz: Strategische Stromreserve mit Erneuerbaren-Energien-Quote (STRATEQ) Anlehnung an Strategische Reserven im Bereich fossiler Brennstoffe Bestimmte Menge Energie und Erzeugungsleistung wird bereitgehalten, um in Engpasssituationen elektrische Energie erzeugen zu können (Steigende) EE-Quote gewährleistet langfristig CO 2 -arme Reserve

44 STRATEQ Erläuterung (2) Umsetzung: Strategische Reserve (-Menge) und EE-Quote wird durch unabhängigen Regulierer festgelegt und versteigert Erzeuger garantiert Bereitstellung von Energie und Erzeugungsleistung und erhält dafür Gebotspreis Abruf im Falle von Engpässen durch Regulierer Design ähnlich dem bestehenden Regelenergiemarkt, allerdings langfristig orientiert Chancen und Risiken (Auswahl): Technologieoffenes Konzept Geringe Eingriffe ins bestehende System, relativ einfach und flexibel umsetzbar Festlegung der Größe der Reserve und Kriterien für deren Einsatz Regelmäßige Anpassung der Reserve aufgrund des EE-Zubaus mindert ggf. die Investitionssicherheit

46 Timeline Commercialisation Alpha-plant (25 KW el ): 2009 Alpha-plus-plant (250 kw el ): 2012 Beta-plant (6 MW el ): 2013 Gamma-plant (> 6 MW el, commercial product): 2015 Beta-plant co-operation partners:

47 Goals of the Ongoing P2G kw e - Project Further development of P2G technology Process optimisation (efficiency, dynamics,.) Scalability of methanation reactor Transfer of operating date: 250 kw 6 MW Transition to commercialization Start of operation: 2012 Co-operation partners of ZSW: Electrolysis Stacks for 250 kw e System

48 Visit of the President from Turkey Abdullah Gül and Prime Minister Kretschmann at ZSW ( )

49 An interesting discussion! Thanks for your kind attention.