Power-to-Gas (P2G ): Speicherung von erneuerbarem Strom

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1 LEE-Solar Energie Zentrum, Stuttgart, Power-to-Gas (P2G ): Speicherung von erneuerbarem Strom U. Zuberbühler, M. Specht Zentrum für Sonnenenergie- und Wasserstoff-Forschung Baden-Württemberg Mit Beiträgen von: F. Baumgart, A. Brinner, B. Feigl, V. Frick, M. Löffler, S. Schwarz, B. Stürmer und:

2 ZSW Standorte Stuttgart: Photovoltaik, Energiepolitik und Energieträger, Zentrale Dienste Ulm: Elektrochemische Energietechnologien Widderstall: Solar-Testfeld Ulm: Labor für Batterietechnologie (elab) -2-

3 Fachgebiet REG am ZSW: Regenerative Energieträger und Verfahren LEITMOTIV: Erzeugung Regenerativer Brenn- und Kraftstoffe Expertise: Gasprozesstechnik / Chemische Energiespeicher (Fokus: SNG / H 2 ) Basic-Engineering Prototypenbau Gas-Konditionierung / -Reinigung CO 2 -Abtrennung / CO 2 -Nutzung Themenfeld 1 Themenfeld 2 Themenfeld 3 Themenfeld 4 Thermochemische Konversion biogener Ressourcen (AER) Brennstoff -Reformierung / -Konditionierung Elektrolyse Speicherung erneuerbarer Energien P2G Brennstoff- Flexibilisierung Gaserzeugung / -aufbereitung Gaserzeugung / -aufbereitung Gaserzeugung / -aufbereitung Polygeneration: Strom, H 2, Erdgassubstitut (SNG), Wärme FB-Materialentwicklung Methan-Synthese Systemintegration Anlagen- / Komponententests Methan-Synthese Systemintegration Anlagen- / Komponententests Methan-Synthese Systemintegration Anlagen- / Komponententests

4 Agenda: Power-to-Gas (P2G ) ZSW Results Goal Principle of P2G -Process Layout / Construction / Experimental Results / Development Status 25kW el Plant, 250kW el Plant,. Facts / Frame Conditions (CO 2 Resources, Economics) Conclusion

5 Die Systemlösung Power-to-Gas (P2G ): Ziele Verstetigung des fluktuierenden Angebots erneuerbarer Energien (EE) Speicherdauer > 1 Woche / saisonale Speicherung Kraftstoff für nachhaltige Mobilität Konvergenz von Stromnetz, Gasnetz und Mobilität Reduktion des Agrarflächenbedarfs für Energiepflanzen

6 Die Systemlösung Power-to-Gas (P2G ): Fragen Wie erfolgt Langzeitspeicherung von Energie heute? Welche Speicherkapazitäten sind in Deutschland zur Langzeitspeicherung von EE notwendig? Welche Kraftstoffe sind einfach herstellbar? Welche existierende Infrastruktur ist für die Integration ins existierende Energiesystem nutzbar? Woher kommt das CO 2 für die Methanisierung? Welche technischen Herausforderungen gibt es derzeit? Welche Maßnahmen sind für deren Lösung notwendig? Wann wird Power-to-Gas am Markt verfügbar sein? Unter welchen Bedingungen wird Power-to-Gas ein wirtschaftliches Verfahren sein?

7 Energy Consumption and Storage Capacity in Germany (2008) Electricity Natural gas Liquid fuels 1) Consumption [TWh/a] Average power [GW] ) 81 Storage capacity [TWh] 0,04 3) 217 4) 250 5) Calculated operating range of installed storage capacity 6) [h] 0, ) Petrol, diesel, kerosene 2) Seasonally fluctuating 3) Pumped hydro storage 4) 47 Underground gas storage facilities [Landesamt für Bergbau, Energie und Geologie (LBEG), Hannover] 5) Provisioning of petrol, diesel, kerosene and heating oil 6) Related to average power Required storage capacity for electricity grid in DE: tens of TWh! Required fuel demand for mobility: hundreds of TWh!

8 Agenda: Power-to-Gas (P2G ) ZSW Results Goal Principle of P2G -Process Layout / Construction / Experimental Results / Development Status 25kW el Plant, 250kW el Plant,. Facts / Frame Conditions (CO 2 Resources, Economics) Conclusion

9 Principle of P2G : Coupling of Electrolysis, CO 2 -Source, Methanisation, and Gas Feed-in

10 Die Systemlösung Power-to-Gas (P2G ): Ziel = Konvergenz von Stromnetz, Gasnetz und Mobilität Stromnetz Gasnetz Wind Sonne GuD-Kraftwerk / BHKW Strom VERSTROMUNG STROMSPEICHERUNG Untertage- Gasspeicher Gas H 2 Elektrolyse / H 2 -Speicher H 2 CH 4 Methanisierung CO 2 CO 2 CO 2 -Speicher CO 2 Strom H 2 SNG Mobilität Batterie-elektrische Fahrzeuge Brennstoffzellen- Fahrzeuge Mobilität Erdgas- Fahrzeuge SNG: Substitute Natural Gas (Erdgassubstitut)

11 Electrolysis, Methanation of CO x Electrolysis: 2 H 2 O 2 H 2 + O 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 Agenda: Power-to-Gas (P2G ) ZSW Results Goal Principle of P2G -Process Layout / Construction / Experimental Results / Development Status 25kW el Plant, 250kW el Plant,. Facts / Frame Conditions (CO 2 Resources, Economics) Conclusion

13 Power-to-Gas - Technology: Process Flow Sheet of 25kW el -P2G -Plant

14 25kW el -P2G -Plant: Technical Realisation for SolarFuel Company CH 4 -Filling station ca. 15 kg, 200 bar CO 2 - Recovery Electrolyser

15 25kW el -P2G - 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

16 Power-to-Gas - 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

17 25kW el -P2G Container (25 kw e ): Operation with Off-Gas at Werlte Biogas Plant CH4 H2 CO2 O2 Measurement of Gas Composition: Source ZSW 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] Gasanalysis: Source EWE AG

18 Installation of 250kW el -P2G -Plant at Gas Storage Area in Stuttgart-Vaihingen ZSW P2G Plant Facility

19 Installation of 250kW el -P2G -Plant at Gas Storage Area in Stuttgart-Vaihingen Methanisation Grid Connection CO 2 -Storage Recycle Gas Compressor Electrolyser Gas Storage

20 Electrolyser 250kW el -P2G : Plant Design

21 250kW el -P2G : Plant Construction Public Fund:

22 250kW el -P2G : Plant Construction Methanisation Recycle Gas Compressor Grid Power Station 1MW Public Fund: Electrolysis

23 250kWel-P2G : Plant Completion Public Fund:

24 250kW el -P2G : Plant Completion Public Fund:

25 Ergebnisse der 250 kw el -P2G -Anlage: Aktueller Arbeitsstand Elektrolyse Wichtige technische Daten der Elektrolyseanlage aus der Messung während Inbetriebnahme: Betriebsdruck: 6 11bar a für 100% Liefermenge DC-Maximalleistung: 295 kw bei 430 ma/cm 2 Max. Wasserstoffabgabemenge: 65 Nm 3 /h Kaskadierter Betrieb ab 10 % der Anlagenleistung Sofortiger Lastabwurf ohne Standby-Betrieb Rohgasreinheit: 0,11 Vol.-% H 2 in O 2 (P N ) Produktgasreinheit: 2 ppm v O 2 in H 2 Realisierungsstand: Fertigstellung: Final Acceptance Test (FAT): Inbetriebnahme ZSW: Elektrolyseblock A = 1000 cm 2 i = 430 ma/cm 2 P = 80 kw max.

26 Ergebnisse der 250 kw el -P2G -Anlage: Aktueller Arbeitsstand Methanisierung Wichtige technische Daten der Methanisierung: Zwei Festbettreaktorkonzepte betreibbar in unterschiedlichen Konfigurationen Katalysatorfüllmenge je ca. 50 l T Reaktor : C / P abs : < 16 bar Verschiedene Kühlkonzepte (Druckwasser/Dampf und Salzschmelze) Produktgasleistung bis 15 m 3 CH4 /h Realisierungsstand: Fertigstellung: Sept Inbetriebnahme: Okt Testbetrieb: Dez Cooling steam/ water H 2 O Cooling molten salt Educt Gas SNG Gas Recirculation

27 Schematic Diagram of a P2G - IPSEpro Simulation Settings Energy demand electrolysis: System pressure: Grid pressure: 4 kwh el /m 3 N H2 7 bar abs 16 bar abs

28 Simulation Result: Influence of Electrolysis Efficiency on P2G System Efficiency (Power-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 ]

29 SolarFuel Layout of 6000kW el -P2G - Plant in Werlte (Audi e-gas Project) Electrolysis Methanisation

30 Cost Estimate of Electrolysis and Overall P2G -Plant /kwel Goal overall plant Goal Electrolysis t

31 CO 2 / Carbon Potential in Germany for the Production of C-based Fuels Carbon Resource CO 2 C Biogas Plants SNG Production Potential [t/a] [t/a ] [TWh gas /a] CH 4 Gas Share 7.3 * * CO 2 Gas Share 5.1 * * Energetic Biomass Utilisation in DE today (without Biogas) 73 * * Non-renewable Trash 25 * * Cement / Limestone Production 17 * * CCPP/CCU 1) (or SOFC/CCU) 27 * * Fossile Power Plants 309 * * CO 2 from Air unlimited 1) Direct CO 2 recycling: CCPP/CCU: Combined Cycle Power Plant / Carbon Capture and Utilisation 25 GW, 3000 h/a, η = 50 %, CO 2 retention: 90 % SNG: Substitute Natural Gas

32 Agenda: Power-to-Gas (P2G ) ZSW Results Goal Principle of P2G -Process Layout / Construction / Experimental Results / Development Status 25kW el Plant, 250kW el Plant,. Facts / Frame Conditions (CO 2 Resources, Economics) Conclusion

33 Conclusion: Advantages of P2G - Technology Inspiriert von der Natur: P2G = künstliche Photosynthese Biomasse und Erneuerbare Energie sind ideale Partner Methan (und Wasserstoff) ist ein ideales Speichermedium für Erneuerbare Energie, keine Alternativen für Langzeitspeicherung Nahezu unbegrenzte Speicherkapazität im Gasnetz mit Untergrund speichern Stabilisierung der Stromnetze (positive und negative Regelenergie) Vereinigung der Energiesektoren Strom- und Gasnetz sowie Mobilität

34 Fazit: P2G -ROADMAP 2015: Kommerzielle P2G -Anlagen 2007: P2G -Konzept 2009: P2G 25 kw 2012: P2G 250 kw 2013: P2G 6000 kw (AUDI / SolarFuel)