Power-to-Gas (P2G ): Wissenschaft und Wirtschaft bereiten gemeinsam den Weg für die Energiewende

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1 Parlamentarischer Abend der Strategieplattform Power to Gas Hotel Adlon Kempinski Unter den Linden 77, Power-to-Gas (P2G ): Wissenschaft und Wirtschaft bereiten gemeinsam den Weg für die Energiewende M. Specht Zentrum für Sonnenenergie- und Wasserstoff-Forschung Baden-Württemberg (ZSW)

2 Technik und Perspektiven von Power-to-Gas (P2G ) -Inhalt - Motivation / Warum P2G? Wissenschaft begleitet Wirtschaft: Die Roadmap - P2G -Anlagen mit 25 kw el, 250 kw el, 6000 kw el P2G -Gegenargumente Ergebnisse der Wissenschaft für die Wirtschaft Fazit Kosten / Statements / Handlungsbedarf

3 Was ist das EE-Ziel bei der Mobilität? Reichen 10% EE (und der Rest ist rohölbasiert)? Energiewende ist mehr als Stromwende! These: Auch in einer post-fossilen Welt werden chemische Energieträger benötigt.

4 Energieverbrauch und -speicherkapazitäten in Deutschland (2012) Strom Erdgas Flüssigkraftstoffe 1) Verbrauch [TWh/a] durchschnittliche Leistung [GW] ) 80 Speicherkapazität [TWh] 0,04 3) 217 4) 250 5) rechnerische Speicherreichweite 6) [h] 0, ) Benzin, Diesel, Kerosin 2) jahreszeitlich stark schwankend 3) Pumpspeicherkraftwerke 4) 47 Untertage Gasspeicher / für weitere 79 TWh Rahmenbetriebsplan eingereicht / weitere Speicher in Planung [LBEG, Hannover] 5) Bevorratung an Benzin, Diesel, Kerosin und Heizöl EL 6) bezogen auf die durchschnittliche Leistung 2012 installiert: 32,6 GW (PV) / 31,2 GW (Wind) Erforderliche Stromspeicherkapazität in DE: einige 10 TWh! Erforderlicher Kraftstoffbedarf für die Mobilität: einige 100 TWh/a!

5 Nutzung von Biomasse für die Biokraftstoffherstellung Der Agrarflächenbedarf für Biokraftstoffe der 1. Generation ist für eine Vollversorgung nicht ausreichend.

6 Elementare Zusammensetzung von Biomasse: Die Grundbausteine C, H, O Biomasse Summenformel (trocken)* ) : ~ C H 1,431 O 0, ,3 H 2 O (Wassergehalt 18%) Σ ~ C H 2 O Kohlen - Hydrat * ) 50 Gew.% Kohlenstoff 44 Gew.% Sauerstoff 6 Gew.% Wasserstoff Wie viel des Biomasse-C kann in Kraftstoff-C konvertiert werden? Die C-Effizienz ist verantwortlich für den Kraftstoffertrag.

7 Energetische Nutzung der Biomasse: Thermochemische Konversion mit O 2 (Verbrennung) CH 1,431 O 0, ,02725 O 2 1 CO 2 + 0,7155 H 2 O 1 kg Biomasse, trocken : 5,078 kwh Reaktionsprodukte: 0 kwh 0 % C werden in Kraftstoff überführt.

8 Energetische Nutzung der Biomasse: Thermochemische Konversion mit O 2 (λ < 1) CH 1,431 O 0, O 2 0,3333 CH 4 + 0,6666 CO 2 + 0,0488 H 2 O 1 kg Biomasse, trocken : 5,078 kwh Reaktionsprodukt Methan: 3,089 kwh 33 % C werden in Kraftstoff überführt.

9 Energetische Nutzung der Biomasse: Anaerobe Konversion (ohne O 2 ) CH 1,431 O 0, ,3117 H 2 O 0,5136 CH 4 + 0,4864 CO 2 1 kg Biomasse, trocken : 5,078 kwh Reaktionsprodukt Methan: 4,759 kwh 50 % C werden in Kraftstoff überführt *). * ) idealisiert mit Vollumsatz vergärbarer Biomasse (ohne Gärrest)

10 Energetische Nutzung der Biomasse: Thermochemische oder Anaerobe Konversion mit H 2 CH O H 2 CH H 2 O 1 kg Biomasse, trocken : 5,078 kwh Reaktionsprodukt Methan: 9,267 kwh + 0,163 kg H2 : 5,452 kwh (H 2 via Elektrolyse) 100 % C werden in Kraftstoff überführt.

11 Kraftstoffertrag aus Biomasse Aufwand [%] Ertrag [%] 300% 200% 100% 0% -100% -200% -300% -400% Schlempe, Stroh, Gärreste SNG / Erdgassubstitut Flüssige Energieträger Biomasse Bioethanol Biodiesel SNG SNG SNG SNG SNG FT-Fuels aus aus aus aus aus aus aus aus Weizen Raps Maissilage Bioabfall Gras extensiv Biogas (anaerob) Holz Stroh, Gärreste Holz Vergasung (thermochemisch) SNG: Substitute Natural Gas (Erdgassubstitut); FT-Fuel: Fischer-Tropsch-Kraftstoff (z.b. Diesel, Kerosin)

12 Kraftstoffertrag aus Biomasse + H 2 Aufwand [%] Ertrag [%] 300% 200% 100% 0% -100% -200% -300% -400% Schlempe, Stroh, Gärreste Power-to-Liquids Power-to-Gas SNG / Erdgassubstitut Flüssige Energieträger EE-Strom Biomasse Bioethanol Biodiesel SNG SNG SNG SNG SNG FT-Fuels aus aus aus aus aus aus aus aus Weizen Raps Maissilage Bioabfall Gras extensiv Biogas (anaerob) Holz Stroh, Gärreste Holz Vergasung (thermochemisch) SNG: Substitute Natural Gas (Erdgassubstitut); FT-Fuel: Fischer-Tropsch-Kraftstoff (z.b. Diesel, Kerosin)

13 Nachhaltige Nutzung biogener C-Ressourcen für die Mobilität Eine hohe C-Konversion bei der Kraftstofferzeugung aus biogenen Ressourcen gelingt nur unter Einkopplung von H 2. Der Agrarflächenbedarf von strombasierten Biokraftstoffen verringert sich gegenüber Biodiesel und Bioethanol um 80%! Revolution anstatt Evolution: Co-Nutzung biogener Ressourcen und H 2

15 P2G -ROADMAP 2017: kommerzielle P2G -Anlagen 2007: P2G -Konzept 2009: 25kW e P2G Demonstration 2012: 250kW e P2G Qualifizierung 2013: 6MW e P2G Techn. Anlage (AUDI / ETOGAS) Einweihung:

17 Power-to-Gas: Die Gegenargumente Sind die Power-to-Gas - Gegenargumente gerechtfertigt? Die (biogenen) Ressourcen für Kraftstoffe sind unzureichend. Wir benötigen (vorläufig) keine Speicher für die Energiewende. Die (alkalische) Elektrolyse ist schlecht regelbar. Die Methanisierung ist bei Start/Stopp sehr träge. Die Gasqualität ist insbesondere bei Lastwechsel unzureichend. Die Katalysatoren für die Methanisierung sind nicht zyklenstabil. Die Austauschgasqualität für H-Gas wird nicht erreicht.

19 Power-to-Gas 25 kw el - Anlage (2009) Auftrag der Firma ETOGAS an das ZSW: Bau einer 25 KW e -P2G -Anlage formerly known as

20 25kW el -P2G - Container: Operation with CO 2 and at Biogas Plants with Biogas and PSA Off-Gas Beta-Plant Werlte Morbach Bad Hersfeld Source: IWES/Mahler Stuttgart Source: ETOGAS (formerly known as SolarFuel)

21 Ergebnisse der 25 kw el -P2G - Container-Anlage: Betrieb mit Off-Gas (CO 2 ) an der Biogasanlage in Werlte CH4 H2 CO2 O2 Gasmessung ZSW Gasmessung EWE 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 0 Dauer [hh:mm]

22 Power-to-Gas 250 kw el - Anlage (2012)

23 Aufbau der 250 kw el -P2G -Anlage im ZSW-Technikum in Stuttgart Elektrolyse Methanisierung Einweihung: ZSW- P2G - Technikum Public Fund:

24 Regelbarkeit der alkalischen Elektrolyse. Stand-by/Start-up + Lastwechsel in < 100 (10) sec. Zeitintervall von Stand-By (70 C Stack-Temp.) auf 100%-Elektrolyseleistung Spannung [V], Temperatur [ C] :27 min Anfahrzeit von 0-100%-Elektrolyse-Leistung (entspr Nm³/h H2) aus dem Stand-By Stromdichte [ma/cm²] Stack-Temperatur [ C] Stack-Spannung [V] Stromdichte [ma/cm²] :00 00:26 00:52 01:18 01:44 02:10 02:36 03:01 03:27 03:53 04:19 04:45 05:11 05:37 0 Zeit [min:s]

25 Methanisierung bei Lastwechsel und Start/Stopp. Gasqualität bei Start-up, Lastwechsel in wenigen min.! CH 4, H 2, CO 2 Content [Vol.%] H 2, CO 2 Flow [m 3 STP ]

26 Katalysator-Zyklen-/Lastwechsel-Stabilität. Katalysator-Standfestigkeit bis 900 Zyklen gegeben!

27 Gasqualität zur Einspeisung als H-Gas Methangehalt bis 99% einstellbar! Ergebnis: Rohrbündelreaktor mit bzw. ohne Membran-Gasaufbereitung mit Membran-Gasaufbereitung ohne Membran-Gasaufbereitung Reaktionsbedingungen: SV = /h p Methanisierung = 7 bar abs Reaktionsbedingungen: SV = /h p Methanisierungn = 5 bar abs p Membran Unit = 5 bar abs Abweichungen von 100% sind bedingt durch Rundung bzw. Messbereich der Gasanalysatoren.

28 Power-to-Gas 6000 kw el -Anlage von Audi (2013)

29 6000 kw el -P2G - Anlage in Werlte (Audi e-gas Project): Einweihung,

30 Technologietransfer von der Wissenschaft (ZSW) in die industrielle Anwendung (e-gas-anlage Werlte) Das ZSW hat bei den folgenden Aufgaben mitgewirkt (Auszug): Screening marktverfügbarer Katalysatoren Katalysator-Empfehlung Untersuchungen zur Katalysator-Aktivierung Katalysator-Standzeit / -Zyklenstabilität Basic Engineering Reaktorauslegung Reaktionsbedingungen, Betriebskonzepte (Anfahr-/Abfahrrampen), etc. Inbetriebnahme Elektrolyse Betriebskonzepte mit H 2 -Pufferspeicher Vermessung Gleichrichter-Kennlinien, H 2 -Qualität (bei Lastwechsel), etc. Technisches Monitoring Messwerterfassung und -auswertung Wirkungsgradberechnungen Ableiten von Verbesserungsmaßnahmen

32 Kostenschätzung e-gas (nur Kapital- und Energiekosten) Annahmen Nutzungsdauer: 20 Jahre Zinssatz: 6% p.a. keine sonstigen Betriebskosten sowie Kosten für Methaneinspeisung usw. Methan-Pfad (Status 2020) Invest: /kw el Wirkungsgrad Strom zu Gas: 60% Wasserstoff-Pfad (Status 2020) Invest: 600 /kw el Wirkungsgrad Strom zu Gas: 75% Ein wirtschaftlicher Betrieb von P2G ist nur möglich, wenn P2G als Energiewandler und nicht als Letztverbraucher eingestuft wird!

34 Die Systemlösung Power-to-Gas (P2G ): Statements / Thesen (1) Von der Stromwende zur Energiewende Wann und wie viel Speicher benötigen wir in DE? Die Aussage Wir brauchen keine Speicher geht an Realität vorbei! Der Speicherbedarf für efuels liegt um ein Vielfaches über dem des Stromspeicherbedarfs! Die Frage, ob 0,04 TWh ausreichen oder ob in den nächsten Jahren zusätzlich einige TWh benötigen werden, bezieht sich in der momentanen Diskussion nur auf den Strombereich. Die Mobilität hat einen Kraftstoffbedarf von einigen 100 TWh/a. Eine nachhaltige Mobilität wird ohne efuels nicht gelingen!

35 Die Systemlösung Power-to-Gas (P2G ): Statements / Thesen (2) Wir benötigen ambitionierte Ziele für eine nachhaltige Mobilität! Die Energiewende betrifft nicht nur den Strombereich, sondern insbesondere auch den Verkehr. Die PKW-Kraftstoffversorgung ist fast ausschließlich rohölbasiert. Erforderlich ist eine Diversifizierung der Ressourcen und steigende EE-Anteile.

36 Die Systemlösung Power-to-Gas (P2G ): Statements / Thesen (3) Zu EE-Strom im Verkehr gibt es keine Alternative! Biomasse ist als alleinige Ressource für den Verkehr zur Deckung des Kraftstoffbedarfs nicht ausreichend. Strom kann direkt für batterieelektrische Fahrzeuge verwendet werden oder (indirekt) in Form von strombasierten Kraftstoffen (efuels). Neben der direkten Anwendung von Strom gibt es zu strombasierten chemischen Energieträgern für die Mobilität keine Alternative (Beispiel: LKW-Langstrecke, Schiff, Flugverkehr, etc.).

37 Die Systemlösung Power-to-Gas (P2G ): Statements / Thesen (4) Der Agrarfächenbedarf für Biokraftstoffe muss drastisch reduziert werden. Die Tank-Teller-Diskussion lässt sich entschärfen: Durch geschickte Kopplung von Biomassenutzung mit P2G kann der Flächenbedarf gegenüber Bio-Diesel bzw. Bio-Ethanol um bis zu 80% reduziert werden!

38 Die Systemlösung Power-to-Gas (P2G ): Statements / Thesen (5) Weiterentwicklung/FuE - Eine Technologieentwicklung ist nie abgeschlossen. Fokus der Weiterentwicklung sind intermittierender und dynamischer Betrieb, Teillastfähigkeit, hohe Produktgasqualität unter allen Lastbedingungen, neue/alternative Elektrolyse- und Methanisierungskonzepte, etc. Ziel ist insbesondere die Kostensenkung / Steigerung Verfügbarkeit (KISS-Konzept keep it smart and simple). Die Technologieentwicklung wird nur dann weitergeführt werden, wenn ein ökonomisches Agieren im Markt ermöglicht wird (FuE allein reicht nicht).

39 Die Systemlösung Power-to-Gas (P2G ): Statements / Thesen (6) Der Markteintritt der P2G-Technologie muss zeitnah erfolgen! - Es ist genügend Papier produziert worden! Das P2G/eGas-Konzept ist bereits heute wegen der existierenden Tankstellen- und Fahrzeuginfrastruktur realisierbar. Wenn der Einstieg in nachhaltige Mobilität gewollt ist, muss P2G zur großflächigen Anwendung zeitnah zur Verfügung stehen. P2G ist eine industriepolitische Chance. Hausaufgabe der Politik ist Schaffung von Rahmenbedingungen!

41 Handlungsbedarf der Politik Voraussetzung für erfolgreiche Markteinführung ist, bestehende ökonomische Hemmnisse zu beseitigen. Dazu zählen vor allem: eine gesetzliche Klarstellung, dass es sich bei P2G-Anlagen generell um Energiewandler und nicht um Letztverbraucher handelt. die Umsetzung der bereits im europäischen Parlament diskutierten Mehrfachanrechnung von Fuels auf Basis von regenerativem Wasserstoff auf die Biokraftstoff-Quote.

42 // Energie mit Zukunft // Zentrum für Sonnenergie- und Wasserstoff- Forschung Baden-Württemberg (ZSW) Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! Stuttgart: Photovoltaik (mit Solab), Energiepolitik und Energieträger, Zentralbereich Finanzen, Personal & Recht Solar-Testfelder: Widderstall und Girona (ES) Ulm: Elektrochemische Energietechnologien mit elab