Power-to-Gas Entwicklungsstand und Marktbedingungen

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1 Power-to-Gas Entwicklungsstand und Marktbedingungen Seite 1 HAW - Woche der Energie 2012 Torsten Seemann Siemens AG, Hamburg

2 Mit einem Paradigmenwechsel zu einem nachhaltigen Energiesystem 19. Jahrhundert 20. Jahrhundert Beginn 21. Jahrhundert 21. Jahrhundert Elektrifizierung der Gesellschaft Kohlezeitalter Energiesystem nicht nachhaltig Elektrische Energieerzeugung in breitem Stil Zeitalter der fossilen Brennstoffe Energiesystem nicht nachhaltig Herausforderungen zwingen zum Umdenken: - Klimawandel - Demographischer Wandel - Ressourcenverknappung Das Neue Stromzeitalter Strom wird der Energieträger für die meisten Anwendungen des täglichen Lebens. Nachhaltiges Energiesystem Erzeugung und Last eng aufeinander abgestimmt Stromversorgung auf einzelne Gebiete oder Stadtteile begrenzt Fossile Energieträger, Wasserkraft Erzeugung folgt Last Verbundnetze, zentrale Stromerzeugung nach geschätztem Verbrauch Fossile Energieträger, Wasserkraft, Kernkraft Energiesystem im Wandel Zunehmend dezentrale, fluktuierende Stromerzeugung durch Erneuerbare Energien Fossile Energieträger, Wasserkraft, Kernkraft, Biomasse, Wind, Solar Last folgt Erzeugung Intelligente Netze ermöglichen hohen Anteil Erneuerbarer Energien z. B. durch E-Cars und Wärmepumpen Erneuerbare Energieträger, (Solar, Wind, Wasserkraft, Biomasse), Effiziente GuD Kraftwerke Energiespeicher Kein Umweltbewußtsein Hohes Umweltbewußtsein Seite 2 HAW - Woche der Energie 2012

3 Für einen hohen Anteil fluktuierender Energieerzeugung sind großskalige Langzeitspeicher notwendig Beitrag der erneuerbaren Energien an der Stromversorgung in Deutschland TWh Konventionell Andere Erneuerbare Solar Wind % Erneuerbare 80% Erneuerbare 2000 GW Min. Last ~ 35GW Max. Last ~ 80GW GW (Wind+Solar) ~3 x Peak load Nicht systemrelevant Speicherung dezentral und kurzfristig Zentrale langfristige Speicherung essentiell Source: E ST MC SR 2012 until 2030, Extrapolation to achieve 80% RE by 2050 Seite 3 HAW - Woche der Energie 2012

4 Treibende Faktoren für die Energiespeicherung: Langsamer Netzausbau und keine abrufbare Verfügbarkeit Erneuerbarer Framework Energien Treibende Faktoren Preise MWh [ ] Erneuerbare Energien Schneller Ausbau Netzausbau Unberechenbarer Charakter % - 90% Prozent min./max. Preise Durchschnittspreis Weitere Anforderungen: Nachhaltigkeit Abrufbare Verfügbarkeit Höchstmögliche CO 2 - Reduktion Sprunghafte Preise im Energiemarkt durch starke Fluktuationen Energiespeicherung ist der Schlüssel für eine CO 2 -optimiertes Szenario Seite 4 HAW - Woche der Energie 2012

5 Die veränderte Energielandschaft stellt die Energiewirtschaft vor Herausforderungen Erzeugungs- und Lastkurven Erzeugungsabregelung GWh 2) ) EnBW (Münch) at BMU Strategy Meeting, ) total demand Germany 2011: GWh Source: TU Berlin, Prof. Erdmann, extrapolated for the year 2020 Ein zukünftiges CO 2 -optimiertes Energieszenario erfordert smarte Lösungen Seite 5 HAW - Woche der Energie 2012

6 Der Bedarf an kurzfristiger Stromspeicherung dürfte sich bis 2025 zumindest verdoppeln und danach weiter wachsen. Spätestens 2040 ist eine regelmäßige Speicherung von 40 TWh notwendig, um die sich abzeichnenden Überschüsse aufzufangen. Überdies muss Elektrizität dann über mehrere Wochen und Monate gespeichert werden. Allein in den kommenden zwei Dekaden summiert sich der Investitionsbedarf für neue Energiespeicher in Deutschland auf rund EUR 30 Mrd. Wasserstoff- und Methanspeicher sind weiterzuentwickeln, damit die Energiewende bezahlbar bleibt und sicher bewerkstelligt werden kann. Für Speicherbetreiber kann der Dienstleistungsanteil schon heute ein Drittel bis hin zur Hälfte (teilweise sogar bis zu zwei Drittel) des Geschäftsvolumens erreichen. Erneuerbare brauchen mehr Regelleistung steigt der Bedarf an Regelleistung gegenüber 2010 um 50% bis 2025 und um 70% bis 2040 Seite 6 HAW - Woche der Energie 2012

7 Großskalige Energiespeicherung Optionen zum Netzspeicher sind begrenzt Segmentierung von großskaliger elektrischen Energiespeichern Leistung [MW] 0,001 0,01 0, Elektromobiität supercaps Li-ion SuperCaps Blei 1 sec Einzelne WEA Na/S Redox-Flow-Batterien Strom [MWh] Windpark 1 min CAES pumped hydro 1 h Wasserstoff Alle Daten gemittelt 1 d 1 d 0,001 0,01 0, m Kernbotschaften: Batteriespeicher- Applikationen sind auf den Stundenbereich begrenzt Stromspeicher >100 MW(h) können nur durch Pumpspeicher, komprimierte Luft (CAES) oder Wasser - stoff realisiert werden Das Potential Pumpspeicher auszubauen ist sehr begrenzt CAES ist eingeschränkt in Bezug auf betriebliche Flexibilität und Kapazität Wasserstoff ist die einzige Option, um Stromspeicher > 10 GWh zu realisieren Seite 7 HAW - Woche der Energie 2012

8 Der Wirkungsgrad ist nur ein Kriterium, um Speichertechnologien zu vergleichen Wirkungsgrad 100% 95% 90% 85% 80% 75% 70% 65% 60% 55% 50% 45% 40% 35% 30% 0h Flywheel 2h Li-Ion Electrochemisch Mechanisch Chemisch 4h Blei-Säure Akku Pumpspeicher NaS Redox Flow Battery CAES 6h 8h 10h Speicherzeit Wasserstoff+ Rückverstromung 12h Wochen Monate Investitionskosten [ / kw ] Wasserstoff+ Rückverstromung 50 Pumpspeicher Kraftwerke CAES NaS Blei-Säure Akku Redox-Flow Batteries 500 Li-Ion Akku Schwungrad 5000 Investitionskosten [ / kwh ] Quellen: EPRI, Dec 2010, Prognos 2011, ESA, BCG, Sandia Seite 8 HAW - Woche der Energie 2012

9 Big Picture Wasserstoff: Umwandlung von elektrischen Strom in chemische Energie Energieerzeugung Umwandlung Anwendung Direkte Wasserstoff Verwendung H 2 überirdische H 2 -Speicherung H 2 H 2 Industrie / Brennstoffzelle H2-Motor Mobilität / Industrie Energie (Rückverstromung) O 2 H H 2 H2 Kavernenspeicherung H 2 kleine GT Energie (Rückverstromung) schwankende Erzeugung H 2 O PEM-Electrolyseur (Beimschung, kleine Konzentrationen) CO 2 H 2 -Kavernenspeicherung Gas Pipeline CH 4 CH 4 + H 2 Gasturbine Energie (Rückverstromung) Mobilität Power to Gas Pfade SNG Biomethan Methanisierung Industrie / Wärme PEM Elektrolyseur zukünftige Schlüsseltechnologie zur Speicherung der EE Seite 9 HAW - Woche der Energie 2012

10 Wasserstoffproduktion durch Elektrolyse Fallentscheidungen Anwendungsgebiete technische Anforderungen Johann Wilhelm Ritter, 1800 heute Erzeugung von H 2 / O 2 mit sehr hoher Reinheit ( 5.0) Anwendung in entlegenen Regionen (bei denen H 2 - Antransport unwirtschaftlich ist) Produktion in Regionen in mit geringen Elektrizitätskosten Hohe Effizienz Kontinuierlicher Betrieb morgen Wasserstoff Mobilität Stromspeicherung Grüne Erzeugung Hohe Dynamik On/Off-Betrieb Hochdruckbetrieb Das Prinzip der Wasserstoffelektrolyse und das Potential von Wasserstoff ist seit mehr als 200 Jahren bekannt. Stand der Technik sind Systeme mit alkalischer Elektrolyse für den Dauerbetrieb Seite 10 HAW - Woche der Energie 2012

11 Wasserelektrolyse Prinzip und Grundlage Alkalische Technologie Hauptmerkmale: PEM* Technologie: 2H 2 0 2H 2 + O 2 Gleichspannung teilt Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff Produktionsrate ist direkt proportional zum Strom 9 Liter Wasser liefern 1kg Wasserstoff näherungsweise 50 kwh Strom erzeugen 1 kg Wasserstoff 1 kg Wasserstoff enthält 33,3 kwh an chemischer Energie - + * Polymer Elektrolydt Membran Proton Exchange Membram Eigenschaften: - Ionenleiter (H + ) - Elektrischer Isolator - Gasdichter Separator Die PEM Technologie benutzt eine robuste Polymermembran als Elektrolyt Seite 11 HAW - Woche der Energie 2012

12 Die Rolle der Effizienz Oft werden irreführende Informationen gegeben Extrapolierte Leistung eines 90 MW Systems Effizienz in % (bezogen auf HHV) Investition Nennleistung Effizienz (HHV) Strombedarf für H 2 Produktion Leistung in MW thermal * Thermisch Batterien batteries Großspeicher large-scale Speicherungskosten (pro kwh out ) KWh/kg(H2) [ ct / kwh ] Kernaussagen Effizienz bezieht sich auf konkreten Betriebspunkt oder Zyklus Effizienzdaten ohne oben aufgeführte Zuordnung sagen nichts aus Lebenszykluskosten sind ein Schlüsselindikator um die wirtschaftlichste Speichertechnologie zu identifizieren Effizienz ist durch die Gleichung beschrieben η = E in / E out Seite 12 HAW - Woche der Energie 2012

13 PEM Elektrolyseur erlaubt systembedingt einen hohen Ausgangsdruck Spannung [ V ] Leistungsmerkmale eines PEM Elektrolyseur stack s (Labordurchführung - Ausgangsdruckregler) 3 2,5 2 1, Dichte [ A/cm² ] Typische Sromdichte eines alkalischen Elektrolyseurs 100 bar 50 bar 1 bar Kernaussagen Ein hoher Ausgangsdruck ist vorteilhaft weil: Additive Kompressorstufen verursachen zusätzlichen Invest und gehen zu Lasten der Gesamteffizienz H2-Verdichtungstufen sind kostenintensiv und wartungsbehaftet PEM Elektrolyseure können mit Hochdruck betrieben werden. Es wird keine zusätzliche Energie zur Druckerhöhung benötigt. Seite 13 HAW - Woche der Energie 2012

14 PEM Siemens Elektrisches Nachführen eines realen Windprofils Versuchsergebnisse eines Siemens PEM Elektrolyseblocks, der einem realen Windprofil folgt 20,0% P soll, P ist 200% 150% 100% 50% P soll-p ist 15,0% 10,0% 5,0% 0,0% -5,0% -10,0% -15,0% -20,0% Psoll-Pist Betriebsstunden 0% Betriebsstunden Psoll Pist PEM Elektrolyseure sind extrem dynamisch und tolerant in Bezug auf Überlast auch im Hochdruckbetrieb. Seite 14 HAW - Woche der Energie 2012 Prozentuale Angaben bezogen auf Nennleistung

15 Die hohe Dynamik der Siemens PEM-Elektrolyseure erlaubt die Teilnahme an Regelenergiemärkten Startzeit (aus Blackstart) ~ 10 min Aus Standby zur Nennleistung < 10 sec Voller Dynamikbereich zwischen 0 und 300% elektrischer Leistung nutzbar (positive und/oder negative Regelenergie) Power in % 300% Normaler Betrieb Bereitstellung von negativer Regelenergie (Aufnahme) Bereitstellung von Positiver Regelenergie (Abgabe) Bezogen auf 1 MW Unterschiede durch variablen Wirkungsgrad 13 kg H 2 /MW 200% negative Regellast: 200 % 15 kg H 2 /MW 100% 18 kg H 2 /MW positive Regellast: 1 MW Der Siemens PEM Elektrolyseur kann aufgrund seiner Dynamik sowohl sekundäre als auch primäre Regelenergie bereitstellen Seite 15 HAW - Woche der Energie 2012

16 PEM Siemens Skalierbare Speichertechnologie mit hohen Kapazitäten Hydrogen: Ermöglicht Umwandlung zwischen elektrischer und chemischer Energie Excess Energy Renewable Energy Chemical Energy PEM Electrolyzer Technology Robuste Polymer Membran als Electrolyt Extreme dynamische Eigenschaften Hoher Regelbereich 0-300% (Hochdruck) Überlastbetrieb (2-fach Dauerlast) Hochdruckbetrieb ohne Effizienzverluste Dynamik erlaubt Betrieb im Regelenergiemarkt (Sekündär und Primär) Reiner Wasserbetrieb keine Lauge Kaltstartfähigkeit on/off Betrieb Keine Spülung und Vorheizbetrieb Seite 16 HAW - Woche der Energie 2012 Siemens Expertise PEM Electrolyseur-Entwicklung 1998 gestartet. Referenzliste in Electrolyseur Technologie: - Fortlaufender Laborbetrieb > Std. - 10y Felderfahrung (prototype) bar Prototyp - 40 Jahre Elektroden Know-How Komplettlösungen aus einer Hand: - Hochstromgleichrichter (up to A) - Transformatoren - Automatisierungskomponenten - Netzkomponenten - Gas Turbinen

17 PEM Siemens 100 kw Demonstrator Kernaussagen Nennleistung des Systems ist 100 kw, Spitzeneistung 300 kw (Leistungsaufnahme). H 2 und O 2 werden bei einem Ausgangsdruck von 50 bar erzeugt Der Container ist ein autarkes system. Sowohl Stromversorgung als auch Wasseraufbereitung sind im System enthalten. Ein 100 kw-demonstrator wird bis Ende 2012 an RWE für das BMBF-geförderte Project CO2RRECT* geliefert. *CO2-Reaktion die erneuerbare Energien und katalytische Prozesse nutzt Erste Einheiten von hochdynamischen Siemens-Elektrolyseuren werden Ende 2012 verfügbar sein. Seite 17 HAW - Woche der Energie 2012

18 Ein komplettes Portfolio an PEM-Elektrolyseuren ermöglicht zukünftig die Abdeckung aller Leistungsbereiche Roadmap: PEM Elektrolyse Portfolio Nennleistung nominale Gen I 0,1-0,3 MW Gen II 2-10 MW Gen III > 90 MW heute mittelfristig (3-5 Jahre) langfristig ( > 5 Jahre) Geplanter Zeithorizont Seite 18 HAW - Woche der Energie 2012

19 Zusammenfassung: Wasserstoff wird eine wichtige Rolle in zukünftigen Energieszenarios spielen CO 2 -Reduzierungsziele sind klar mit dem Ausbau der Erneuerbaren verbunden. Diese werden Speicherlösungen im TWh- Bereich erfordern. Wasserstoff ist das einzige Energiespeicherkonzept, um Strommengen > 10 GWh zu speichern. Siemens adressiert Großspeicherlösungen für Strom durch die Entwicklung PEM Elektrolyseuren im hohen Leistungsbereich. PEM Elektrolyseure sind sehr robust und extrem dynamisch und überlastfähig. Sie können als Last zur Regelenergie eingesetztwerden. Wir sehen eine zunehmende Vernetzung zwischen Industrie- und Energiemärkten - Querschnittstechnologie Der Energiemarkt muss zeitnah Geschäftsmodelle entwickeln, die die Wirtschaftlichkeit von Speicherlösungen ermöglichen. Regulatorische Rahmenbedingungen müssen für entsprechende Investitionen geschaffen werden. Seite 19 HAW - Woche der Energie 2012