Brennstoffzellen und Elektrolyseureals Bindeglied zwischen Elektrizitätsnetz und Gasversorgung

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1 Brennstoffzellen und Elektrolyseureals Bindeglied zwischen Elektrizitätsnetz und Gasversorgung - Stand der Entwicklung - Dezentrale Stromversorgung und -speicherung MER Dr Jan Van herle, Group of Energy Materials (GEM) EPFL - Faculty of Engineering Sciences (STI), CH-1950 Sion T jan.vanherle@epfl.ch 1

2 Stationäre Brennstoffzelle: die saubere Gasbatterie SOLID OXIDE FUEL CELL AIR N 2, O 2 Cathode (+) ceramic electrolyte O 2- air A dc + heat Bipolar alloy plate gas distributor + current collector 0.8 V 1 mm 1 mm Ni anode (-) H 2, CO H 2 O, CO 2 fuel gas distributor + current collector Bipolar alloy plate H 2 O, CO 2 1 mm reformer CH 4 FUEL condenser CO 2 water cm 2 Operating regime: C, 1 bar

3 Von Einzelzellen zum Stapel Air Fuel current I Fuel (natural gas, biogas, ) 100% cell stack 50 V 60 A kwel Air => Gesamtleistung bestimmt von der Gesamtzellfläche => moduläre power blocks Electricity 60% Heat 30% 3

4 Vom Stapel zum Produkt Kyocera (Japan) : 50% net 0.7 kwel + 40% 75 C; -34% CO2 reduction BlueGen (D) : 60% net 1.5 kwel + 25% heat 400 kwel: 2 m * 2 m * 25 m total Bloom Energy (USA) : 60% net 100 kwel 1 MWel 4

5 Ein beginnender Markt Einheiten/Jahr Installiert: >1.5 GW el > Einheiten GEM.epfl.ch 5

6 BZ-Stromversorgungsmärkte 1.4 kwe 1 kwe 200 kwe CERES POWER (UK) 1. Haushälte kwhe/yr (residential gas-customers) > 110 million (EU) 3. Prime power (99.99% availability) Data centers, banks, hospitals, => systems of 10 kwe 10 MWe / unit 2. Kommerzielle BHKW: Small businesses, kwhe/yr => systems of 5-20 kwe / unit 4. Biogas: largely untapped resource for power generation, equivalent power size = 2-50 kwe / unit Switzerland : 30 PJ ( sites) Europe: ultimately 2800 PJ (>10 million sites) 6

7 Effizienzvergleich CH 4 + air => H 2 O + CO 2 + heat direkte Verbrennung ENGINES TURBINES Combined CYCLES 8.3L_Natural_Gas_Engine.htm ftverk/learning-center/ gas-turbine-for-powergeneration ces-of-co2/combined-cycle-powerplant MW el η EL 33-45% MW el η EL 27-40% MW el η EL 50-60% CH O 2- SOFC 4 O 2- elektrochemische Verbrennung H 2 O + CO 2 + 8e - CH 4 + air => H 2 O + CO 2 + dc current 8e - + air (O 2, N 2 ) + Nutzwärme kw el η EL 50-60% 7

8 Beste Teillasteffizienz=> modulierbar catingengines&catid=39%3a &itemid= %* - 7%* 5 MW el gas engine (ac, HHV) 10 MW el gas turbine(ac, HHV) 100% 90% 80% 70% 74% Stack DC efficiency [%] 67% +10%* ηel [%] 60% 50% 40% - 4%* 30% 20% 10% kw el SOFC stack (dc, LHV) 25 kw el micro-gas-turbine 0% 0,10 0,15 0,20 0,25 0,30 0,35 0,40 0,45 0,50 0,55 0,60 J [A/cm2] *from 100% to 40% power modulation 8

9 Last-zyklen-verträglich SOLIDpower ADEL project (FCH-JU) 9

10 Die Technologievorteile kw el - MW el Hohe elektrische (& Gesamt) Effizienz ab kleine BHKW >50% >85% weniger g CO 2 / kwh el vernachlässigbareno x oder Partikelemissionen effizient, sauber, leise, dynamisch (elektrochemisch) 10

11 Emissionsvergleich values in g / MWh thermal Technology CO VOC PM NOx NG boiler NG CC plant SOFC (Bloom) Argonne Natl Lab 2012 report on emission factors

12 Stand der Entwicklung: highlights Japan Enefarm Programm: > micro-einheiten (0.7 kw el ) installiert in Wohnungen seit 2009 Ziel: 1 Million in => Marktpreis USA/Can: >300 MW el in stationäre dezentrale Energieversorgung seit 2008 (>100 kw e Einheiten) S-Korea: >200 MW el installiert und weitere 200 MW el bestellt 12

13 Reversible Technologie für die Stromspeicherung SOLID OXIDE ELECTROLYSIS CELL A dc cathode (-) ceramic solid electrolyte N 2, O 2 O 2- O 2 enriched air Bipolar alloy plate gas distributor + current collector 1.3 V air 1 mm 1 mm Ni anode (+) H 2, CO H 2 O, CO 2 H 2, CO gas distributor + current collector Bipolar alloy plate H 2 O, CO 2 1 mm cm 2 methanator CH 4 heat evaporator CO 2 water Operating regime: C, 1 bar

14 Dampfelektrolyse: am effizientesten Losses 100% Effizienz Strom à Gas Brennstoffspeicherungsrate Sustainable hydrocarbon fuels by recycling CO 2 and H 2 O with renewable or nuclear energy Christopher Graves, SuneD. Ebbesen, Mogens Mogensen, Klaus S. Lackner Renewable and Sustainable Energy Reviews 15 (2011)

15 Stromspeicherung: unbeschränkt bei Power-to-Gas potential energy electrochemical mechanical chemical (fuels) Storing Renewable Energy in the Natural Gas Grid, Methane via Power-to-Gas (P2G): A Renewable Fuel for Mobility M. Specht, U. Zuberbühler, F. Baumgart, B. Feigl, V. Frick, B. Stürmer, M. Sterner, G. Waldstein, ZSW-Ulm 15

16 Stand der Entwicklung: highlights klassische Wasserelectrolyse (alkalisch) (>2V) ist limitiert bis maximal 70% Effizienz, in der Praxis oft 50-60% Systemgrössen maximal 5 MW, eher 1 MW und weniger Verbindung zur vermehrten dezentralen Stromproduktion aus erneuerbaren Energien Verbindung zur H 2 Tankstellen Infrastrukturfür BZ- Elektrofahrzeuge Dampfelektrolyse bei 1.3 V erreicht 100% Effizienz 16

17 Vision für die integrierte Gas & Strom Netzwerke Gas Gas Strom -erzeugung Strom -speicherung Strom Strom 17

18 farms natural gas gas import waste treatment plants sewage biosolids kw 4 GW CH4 CHx S contaminants Biogas 1 GW renewable gas generation transport losses 0.33% 100 kw SOFC H2 O CO2 350 C Methanation distributed grid 5 bar Wind C Cleaning 8 GW Renewable indigenous sources PV kw 100 kw CH4 / CO2 / electrical grid import renewable electricity generation SOEC distributed grid ENDUSERS transport losses 7% MW residential µchp 1..3 kw commercial µchp kw data centers prime power farms, waste treatment plants

19 Biogas in die Vision mitberücksichtigen Schweiz: heute Potential Gebrauch 4.6 PJ >30 PJ Anz. Anlagen 500 > Inst. Leistung 100 MW el 1 GW el Effizienz 35% (Motore) >50% (BZ) Stromproduktion 0.3 TWh el 4 TWh el (-1.5 Mt CO 2 ) Anteil Gesamtelektr. 0.5% 6% x 10 19

20 Kombinierte Konzepte: Biogas elektrolyse zu Biomethan für die Gaseinspeisung 40 kw el Source: J. Bogild Hansen, Power-to-Gas, Düsseldorf, March 2015 x Nm 3 / day (100 kw) 100% 68% 154% CH 4 + CO 2 + 3H 2 O + Strom => 2 CH 4 + H 2 O + 2 O 2 20

21 Gasverteilung (Schweiz, 2015) Import: 119 PJ ( ½ der Stromproduktion) Transit: 650 PJ 900 von 2500 Gemeinden 5.5 Mio Einwohner = 68% der Bevölkerung km Leitungen < 5 bar 2300 km Leitungen > 5 bar Biogaseinspeisung Im Erdgasnetz 0.85 PJ Erdgas in WKK: 7 PJ Eigenverbrauch + Verteilverluste: PJ (-0.33%)

22 Netzverluste der Stromversorgung (-7%): -4.4 TWh el (16 PJ) / Jahr 2 TWh el / yr Netzverluste = > 2 * die Produktion an La Grande Dixence (VS) Netzverluste = Stromerzeugung Beznau-I + ½ Beznau-II Gasverteilung is weitaus effizienter als Stromverteilung

23 Zusammengefasst Brennstoffzellen erreichen den Markt beste und sauberste Brennstoff-zu-Stromumwandlung Elektrolyse (=reversible BZ) beschleunigt die Entwicklung, und bietet eine hervorragende Verbindung zur erneuerbaren Stromproduktion effizienteste Strom-zu-Brensstoffspeicherung Verbindung zur E-Mobilität (H 2 ) CH 4 (und H 2 ) als flexible und vielseitige Vektoren: Gasverteilung vorhanden und effizient (-0.33%, vs. -7% für Strom) Biogas (dezentrale lokale Quelle) als wichtiger Zusatz sollte in der Gesamtstrategie einbezogen werden 23