Wir schaffen Wissen heute für morgen. Paul Scherrer Institut Energy System Integration (ESI) Platform - Research and Technology Transfer Platform for

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1 Wir schaffen Wissen heute für morgen Paul Scherrer Institut Energy System Integration (ESI) Platform - Research and Technology Transfer Platform for SCCER HaE 2 nd Symposium, May 2015

2 System-Integration der erneuerbaren Energien Page 7

3 Integrated Energy Systems Page 8

4 Energy System Integration Platform ESIP (100kW) Trockene Biomasse Holzaufbereitung Holzvergasung Heissgas- Reinigung Methanisierung Gasaufbereitung SNG Nasse Biomasse Biomasse Verflüssigung Chemische Analysen Biomasseprozesse Hydrothermale- Methanisierung Dünger CO 2 BHKW P Th (industr.) CO 2 -Quellen Simulation CC Zementwerk P Th CO 2 O 2 H 2 Tankstelle BZ- Fahrzeug H 2 P EL Power-to-Power Power-to-Gas Photovoltaik- Anlage Elektrolyseur Brennstoffzelle P EL Energie-Szenarien, System-Modellierung, Technologie- Assessment, LCA E el H 2 O 2 Sauerstoff für Prozesse in Zementwerk, stickstofffreie Verbrennung, Oxyfuel Forschung PSI, Team Katalyse Verfügbare Industrieanlage, Anpassungen PSI mit Lieferant Steering Committee Meeting (ESI), Okt Speicher Verfügbare Industrieanlage

5 Energy System Integration Platform Sub-systems to be realized: (dry) biomass-to-sng wet biomass to SNG/synthetic fuels/chemicals (industrial) CO 2 re-use/methane synthesis power-to-gas/hydrogen/mobility power-to-power (cross-cutting activities) + Catalysis in energy processes (synthesis facility, catalyst/support characterization) + Process diagnostics (development & testing of new measurement techniques, data generation for process validation, test site for external user groups, measurement campaigns at PSI external/internal sites) + Energy scenarios, energy systems modelling, technology assessment, LCA

6 ESI Plattform (Layout) Steering Committee Meeting (ESI), Okt. 2014

7 Energy System Integration Platform a versatile platform for cooperation with industry/sme, to support development & testing of components in a integrated system environment and to promote market implementation of technologies & processes an element in the PARK innovaare (network location of the Swiss Innovation Park) a contribution to the communication with the public; accessible for visitor groups

8 ESI Platform Operation Schemes Operation modes to be realized: 1. Synthetic natural gas (SNG) from wood 2. SNG/synthetic fuels/chemicals from wet biomass 3. methane synthesis from (industrial) CO 2 & H 2 4. power-to-gas (hydrogen and/or SNG) 5. power-to-power/mobility (via fuel cell systems) (highly integrated/dynamic modes) 6. Dynamic power-to-gas (hydrogen and/or SNG) w/o intermediate gas storage 7. frequency control (via electrolysis and fuel cell systems) PSI, Seite 15

9 Energiespeicherung (negative/positive Regelleistung) Power-to-Power PSI, Seite 17

10 H 2 und O 2 Gasspeicher füllen (PtG-H 2, TRL 7) - Nachfahren verschiedener Profile, Austesten Dynamik und Teillast GanyMeth Stromnetz Elektrizität H2 (Wasserstoff) O2 (Sauerstoff) CO2 (Kohlenstoffdioxid) Roh SNG (Methan-reich) Vergaser - Produktgas - Dynamik der Teilsysteme (Elektrolyseur), Regelalgorithmen - Wirkungsgrad des Gesamt-(Elektrolyse-)Systems (auch in Teillast) - Alterungsphänomene, Lebensdauer PSI, 22. Mai 2015 Seite 18

11 H 2 und O 2 rückverstromen (TRL 7) - Nachfahren verschiedener Profile, Austesten Dynamik und Teillast GanyMeth Stromnetz Elektrizität H2 (Wasserstoff) O2 (Sauerstoff) CO2 (Kohlenstoffdioxid) Roh SNG (Methan-reich) Vergaser - Produktgas - Dynamik der Teilsysteme (BZ), Regelalgorithmen - Wirkungsgrad des Gesamt-(Brennstoffzellen)-Systems (auch in Teillast) - Alterungsphänomene, Lebensdauer PSI, 22. Mai 2015 Seite 19

12 Negative Regelleistung Power-to-Gas PSI, Seite 20

13 Methanisierung von CO 2 mit H 2 (PtG-CH 4, TRL7) - PtG mit verschiedenen CO 2 -Quellen, Austesten Dynamik und Teillast Vergaser Produktgas, Biogas GanyMeth Roh SNG Elektrizität H2 (Wasserstoff) O2 (Sauerstoff) CO2 (Kohlenstoffdioxid) Roh SNG (Methan-reich) Vergaser - Produktgas - sim. Industrie-CO 2, Biogas, Vergasergase plus Wasserstoff - Dynamik und Teillastfähigkeit Methan-Erzeugung - Messung Performance, Optimierung Betriebsbedingungen - Wirkungsgrad, auch in Teillast - axiale Konzentrationsprofile zur Modellvalidierung PSI, 22. Mai 2015 Seite 21

14 Regellast-synchrone Methanisierung von CO 2 - PtG mit verschiedenen CO 2 -Quellen, Austesten Dynamik und Teillast Vergaser Produktgas, Biogas GanyMeth Roh SNG Stromnetz PSI, 22. Mai 2015 Elektrizität H2 (Wasserstoff) O2 (Sauerstoff) CO2 (Kohlenstoffdioxid) Roh SNG (Methan-reich) Vergaser - Produktgas - direkte dynamische Zugabe von Wasserstoff zu simuliertem Vergasergas ohne Zwischen-H 2 -Speicher - Dynamik und Teillastfähigkeit Methan-Erzeugung - Messung Performance, Optimierung Betriebsbedingungen - Wirkungsgrad, auch in Teillast - axiale Konzentrationsprofile zur Modellvalidierung Seite 22

15

16 Wir schaffen Wissen heute für morgen ESIP: Energy Storage using Hydrogen F. N. Büchi and T.J. Schmidt Electrochemistry Laboratory Paul Scherrer Institut, CH-5232 Villigen PSI, Switzerland

17 ESIP Hydrogen-Path: Concept Methanation P EL (< 4 Rp/kWh) PEM-Technology 50 bar dynamic Dry & Clean Gases H 2 HRS («Tankstelle») H 2 (ca. 20 Rp/kWh) FC- Cars Photovoltaik- Anlage Elektrolyseur ca. 100 kw Gasreinigung Brennstoffzelle 30 kw P EL (> 8 Rp/kWh) Data from PV Array PSI West H2 / O2 humid H 2 Storage w/o compression O 2 PEM-Technology optimized effciency 60-70% Page 25

18 ESIP Hydrogen-Path: Realization Methanisierung H 2 Commercial Technology later demonstrator own Tech. Commercial Technology P EL Photovoltaik- Anlage Elektrolyseur 100 kw Gasreinigung Brennstoffzelle 30 kw P EL commercial Technology H 2 O 2 PSI-Belenos Technology Page 26

19 Wir schaffen Wissen heute für morgen Paul Scherrer Institut T.J. Schildhauer, S. Biollaz ESI-Teil-System Power-to-Gas (in Zusammenarbeit mit "Feste Biomasse / Methanisierung )

20 Methanisierung: Schlüssel zum Erdgasnetz Stromnetz Erdgasnetz Windkraft Solar Elektrolyse H 2 Gas-Speicher H 2 Methanisierung CH 4 Holz und trockene Abfall-Biomasse CO, CO 2, CH 4, C 2 H 4 CO 2, CH 4 aus Biogas-Anlagen (Vergärung) CO 2 reiches Gas (aus Verbrennung, Hochofen, Zementwerk, Abtrennung aus Luft usw.) Vergasung Gasreinigung Steering Committee Meeting (ESI), Okt. 2014

21 Technische Optionen: Dynamik, Teillast, Wirkungsgrad? Aufzunehmende Leistung entscheidet über CO 2 -Quelle! Zementwerk Verbrennung Holzvergaser Climeworks Biogas Dynamische Tests mit simulierten Gasmischungen bzw. mit Elektrolyse (TRL6) Detaillierte Messungen zur Modellvalidierung, Simulationen Wirbelschicht Methanisierung ist robust und flexibel (keine Probleme erwartet) Experimentelle Resultate übertragbar auf Grossanlagen USP Steering Committee Meeting (ESI), Okt. 2014

22 Power-to-Synthetic Natural Gas/SNG 1 Nm 3 CO 2 (ca. 2 kg) 4 Nm 3 H 2 (11.4 kwh th ) 1.2 kwh 16.2 kwh electricity consumption electricity consumption 9.5 kwh SNG (ca. 54% efficiency from electricity to SNG) 1 t CO 2 (509 Nm 3 ) and 8.9 MWh electricity result in 4.8 MWh SNG 1000 t CO 2 and 8.9 GWh electricity result in 4.8 GWh SNG t CO 2 and 5.3 TWh electricity would result in 2.9 TWh SNG

23 Process options for methanation Stepwise Fixed Bed Fluidised Bed + State of the art (coal-to-sng) - Hot spot - Formation of carbon whiskers if olefins present in the feed gas ngas syngas Fuel (2010), 89, 8, , J. Kopyscinski, T. Schildhauer, S. Biollaz methane-rich raw SNG gas + Excellent temperature control + No formation of carbon whiskers if BTX & olefins present in feed gas + Hydrogenation of olefins gas - Attrition resistant catalyst required - Scale-up requires a good process understanding & design tools syngas syngas Fluidized bed raw SNG methane-rich PSI, Page 39

24 Methanisierungs-Pilotanlage GanyMeth (Halle OLHB) Reaktor Hochskalierbare Dimensionen (TRL 6/7): Reaktor-Ø: 21 cm, Betthöhe: bis 2 m, Gesamthöhe 6.50 m Druckbereich: 1 bis 12 bara Variation der Gas-, Wasser- und Teer- Konzentrationen zur Simulation verschiedener Kombinationen von Vergasern und Gasreinigung 21 horizontale und senkrechte Messstutzen Zunächst Flaschengas, Verwendung von realen Gasen möglich, sobald verfügbar Versuchsträger für dynamische Experimente im Rahmen von Power-to-Gas Projekten: ESI, RENERG 2 Lieferdatum: Mitte 2015 Steering Committee Meeting (ESI), Okt. 2014

25 Energiespeicherbedürfnisse Diskussion mit Industrie, Stakeholdern, Wissenschaft, um realistische Szenarien als Randbedingung für unsere Arbeit zu erhalten - Kapazität - Speicherdauer entscheiden, ob es Methanisierung überhaupt braucht - Dynamik: Gradient beim Anfahren/Abfahren, Teillast, Zeitdauer der Stromaufnahme Randbedingung für Elektrolysetechnologie, aber auch für Dynamik der H 2 -Erzeugung, für Speichergrössen und für Betriebszeit Methanisierung - Leistung proportional zu CO 2 -Massenstrom: welche C-Quellen können verwenden werden? Steering Committee Meeting (ESI), Okt. 2014

26

27 Rolle und Funktion der ESI ESI ist eine Orientierungsplattform, die als «Leading Hub» für Innovationen im Bereich Speicherung und flexible Energieeinspeisung fungiert In ESI konvergieren relevante Stakeholders der Industrie zum PSI Gemeinsames Verständnis ESI als strategische Drehscheibe für Analyse, Assessment, Demonstration und Entwicklung von Systemen & Technologien; für die Initiierung von Forschungskooperationen; für Validierung und Realisierung von Business Cases Systemintegration als «Schlüssel» für nachhaltige Energieversorgung Mit ESI - bietet das PSI (verstärkt durch die SCCER s einen Mehrwert an die Industrie- Stakeholders und erfährt ihre Bedürfnisse und Erwartungen, umgekehrt - kann das PSI Akzente industrieller Relevanz in der Forschung setzen - nehmen die Stakeholders die Relevanz der PSI Energieforschung wahr und das PSI gewinnt an Image und Reputation (auch in Bern) - Schaffung von Drittmitteln Seite 68

28 Bottom Up ESI: mögliche Weiterentwicklung ESI-1 : 100 kw Massstab ESI-2 : > 1 MW - Massstab Seite 69

29 Workshop mit Trägerschaft (Anfang Juni 2015) Zu behandelnde Themenbereiche: «Power to SNGas /to other Chemical Energy Carriers», (Saisonalspeicherung / Langstreckentransport) «Power to H 2 for Mobility» (H 2 -Erzeugung und Verteilungs-Infrastruktur) «Power to Power» (Speicherung auf allen Zeitskalen / Peak-Glättung / Schwarzstart / UPS) PSI, 22. Mai 2015 Seite 70

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