Power-to-Gas Speicherung erneuerbarer Energie im Erdgasnetz

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1 Happy Birthday!!!! 25 Jahre ISFH Fachsymposium Erneuerbare Energien Institut für Solarenergieforschung Hameln , Emmerthal Power-to-Gas Speicherung erneuerbarer Energie im Erdgasnetz Michael Specht ZSW Zentrum für Sonnenenergie- und Wasserstoff-Forschung Baden-Württemberg, Stuttgart

2 Inhalt: Power-to-Gas (P2G ) Speicherung erneuerbarer Energie im Erdgasnetz Ziel / FAQ Status / Lösungswege Power-to-Fuel: Die letzten 25 Jahre P2G: Prinzip / Ergebnisse Verfügbarkeit: CO 2 / P2G-Technologie Fazit EE EE-Speicher Power-to-Gas Entwicklung des ZSW in Kooperation mit den Partnern:

3 Power-to-Gas Ziel Verstetigung des fluktuierenden Angebots erneuerbarer Energien (EE) Speicherdauer: > 1 Woche / saisonale Speicherung Kraftstoff für Rückverstromung nachhaltige Mobilität KWK / Raumwärme / Prozesswärme Reduktion des Agrarflächenbedarfs für Energiepflanzen Adressierung von Handlungsempfehlungen

4 Power-to-Gas FAQ Wie erfolgt Langzeitspeicherung von Energie heute? Welche Speicherkapazitäten sind in Deutschland zur Langzeitspeicherung von EE notwendig? 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 Lösungen notwendig? Unter welchen Bedingungen wird Power-to-Gas ein wirtschaftliches Verfahren sein? Wann wird Power-to-Gas am Markt verfügbar sein? Was erwarten die Akteure von der Politik?

5 Inhalt: Power-to-Gas (P2G ) Speicherung erneuerbarer Energie im Erdgasnetz Ziel / FAQ Status / Lösungswege Power-to-Fuel: Die letzten 25 Jahre P2G: Prinzip / Ergebnisse Verfügbarkeit: CO 2 / P2G-Technologie Fazit EE EE-Speicher Power-to-Gas Entwicklung des ZSW in Kooperation mit den Partnern:

6 Energieverbrauch und -speicherkapazitäten in Deutschland Strom Erdgas Flüssigkraftstoffe 1) Verbrauch [TWh/a] durchschnittliche Leistung [GW] ) 81 Speicherkapazität [TWh] 0,04 3) 217 4) 250 5) rechnerische Speicherreichweite 6) [h] 0, Zahlen für ) 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 Im Erdgasnetz ist die notwendige Kapazität zur Speicherung von EE verfügbar.

7 Langzeitspeicherung von erneuerbarer Energie: Status / zukünftige Lösungswege Status: Die Bevorratung (Speicherung) von Energie wird heute durch die Lagerung fossiler, C-basierter Brennstoffe gelöst (Kohle, Erdöl, Erdgas). Zukunft: Wie im heutigen Energiesystem wird auch zukünftig die saisonale Bevorratung von Energie über chemische Energieträger erfolgen. Aus heutiger Sicht existiert hierzu keine Alternative! Status: "Stromspeicherkapazität" in DE beträgt heute 0,04 TWh (Pumpspeicherkraftwerke). Zukunft: Im zukünftigen, auf EE basierendem Energiesystem ist eine "Stromspeicherkapazität" im 2-stelligen TWh-Bereich in DE erforderlich. Umstritten ist, wann welche Speicherkapazität erforderlich sein wird. Zukünftige Speichermedien sind chemische Energieträger (H 2, Erdgassubstitut), die nicht in Konkurrenz zueinander stehen.

8 Inhalt: Power-to-Gas (P2G ) Speicherung erneuerbarer Energie im Erdgasnetz Ziel / FAQ Status / Lösungswege Power-to-Fuel: Die letzten 25 Jahre P2G: Prinzip / Ergebnisse Verfügbarkeit: CO 2 / P2G-Technologie Fazit EE EE-Speicher Power-to-Gas Entwicklung des ZSW in Kooperation mit den Partnern:

9 HYSOLAR (HYdrogen from SOLAR Energy, ): 10 kw e - Photovoltaic/Electrolysis System in Stuttgart Hydrogen Storage System Electrolysis Equipment Operation Control Data Acquisition and Evaluation PV-field 14,3 kw p / 10 kw N Utilisation of existing known how!!!!

10 HYSOLAR Results: Photovoltaic/Electrolyser-Coupling at 10 kw e Facility in Stuttgart Results: Intermittent/ dynamic electrolysis operation Energy demand of advanced electrolysis (current densities > 0.5 A/cm 2 ): < 3.8 kwh/m 3 H2 η LHV max = 79 % High product gas quality under dynamic operation Source: DLR

11 Vision of the Early Nineties: ZSW Energy System with Closed Carbon Loop Carbon-based Fuel

12 CO 2 Global Recycling System: Japanese Vision for Vectorisation of Renewable Energy Source: NEDO, Japan

13 Vision of the Middle of the Nineties: Carbon Capture and Utilisation (CCU) - Industry View

14 CO 2 Recovery from Flue Gas - Coal Fired Power Plant: Shady Point, Oklahoma In operation since MW e CO 2 separation from ca. 5 % of the flue gas CO 2 recovery rate: % CO 2 production for food industry (240 t/d) Source: Kerr-McGee/Lummus CO 2 Recovery Technology, in: ABB Lummus Crest

15 Power-to-Fuel Results: Methanol Synthesis from H 2 /CO 2 Artificial Photosynthesis CO 2 Recovery Energetic efficiency calculated from exp. results (LHV MeOH /Electricity Input ): Atmospheric CO 2 : < 46 % Flue Gas CO 2 : < 48 % free CO 2 : < 61 % MeOH Synthesis Renewable Methanol for road transport produced from H 2 and atmospheric CO 2 at ZSW in 1996

16 Inhalt: Power-to-Gas (P2G ) Speicherung erneuerbarer Energie im Erdgasnetz Ziel / FAQ Status / Lösungswege Power-to-Fuel: Die letzten 25 Jahre P2G: Prinzip / Ergebnisse Verfügbarkeit: CO 2 / P2G-Technologie Fazit EE EE-Speicher Power-to-Gas Entwicklung des ZSW in Kooperation mit den Partnern:

17 Power-to-Gas (P2G ) - Concept: Basic Layout Grid Gas distribution system Wind Solar CCPP / µ-chp POWER GENERATION ELECTRICITY STORAGE Gas storage CO 2 CO 2 Electrolysis / H 2 buffer CO 2 buffer H 2 CO 2 Methanation H 2 CH 4 CCPP: Combined Cycle Power Plant; µ-chp: micro Combined Heat and Power Plant

18 Power-to-Gas (P2G ) - Concept: Technical Realisation for SolarFuel Company CH 4 -Filling station ca. 15 kg, 200 bar CO 2 - Recovery Electrolyser

19 Status P2G -α-system (25 kw e ): Process Flow Sheet (Principle)

20 Status P2G-α-Anlage: Betrieb Container mit Biogas und CO 2 -Off-Gas aus Biogasanlage Beta-Anlage 2011-Anlage an Biogasanlage Werlte 2011 Morbach 2009 Alpha-Anlage Stuttgart

21 Power-to-Gas - Concept: Option 1- Interconnection with Biogas Plant (via Biogas) Grid Gas distribution system Wind Solar Biomass CCPP / µ-chp POWER GENERATION ELECTRICITY STORAGE Gas storage Biogas plant Biogas CH 4 /CO 2 Electrolysis / H 2 buffer CH 4 /CO 2 buffer H 2 Biogas CH 4 /CO 2 Methanation H 2 CH 4 Heat CCPP: Combined Cycle Power Plant; µ-chp: micro Combined Heat and Power Plant

22 Power-to-Gas - Container (25 kw e ): Operation with Biogas at juwi Biogas Plant 100 CH4 H2 CO2 O 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 Dauer [hh:mm]

23 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

24 Power-to-Gas 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

25 Influence of Electrolysis Efficiency on P2G System Efficiency 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 ]

26 Aufbau der P2G kwe- Anlage in Stuttgart-Vaihingen Source:

27 Aufbau der P2G -250 kw e - Anlage in Stuttgart-Vaihingen

28 Aufbau der P2G -250 kw e - Anlage in Stuttgart-Vaihingen Methanisation Grid Connection CO 2 -Storage Gas Recovery Electrolyser Gas Storage

29 Aufbau der P2G -250 kw e - Anlage in Stuttgart-Vaihingen Förderung:

30 Aufbau der P2G -250 kw e - Anlage in Stuttgart-Vaihingen Methanisation Gas Recovery Grid Power Station 1MW Förderung: Electrolyser

31 Entwicklung des ZSW-Tools P 2 IONEER zur Berechnung kostenoptimierter virtueller EE-Kraftwerke Beispiel: 100% EE Region, Einwohner (10 kew), Deutschland P2G mit H 2 Speicher User

32 P 2 IONEER Berechnung: 100% EE Szenario für Einwohner Gemeinde (DE) 9 Tage im August Wind 41,8% PV 22,6% 20 Monate Füllstand Methangas Speicher Batterie 3,9% Biogas 23,9% P2G-Gas 7,7% Überschuss 23 ct/kwh (Erzeugungskosten ohne Steuern) Notwendige installierte Leistungen/Kapazitäten aufgrund der Kostenoptimierung 6,1 MW Wind, 3,7 MW PV, 0,75 MW chem Biogas, 1,5 MWh Batterie, 1,1 MW el PtG, P2G Volllaststunden: 2697

33 Inhalt: Power-to-Gas (P2G ) Speicherung erneuerbarer Energie im Erdgasnetz Ziel / FAQ Status / Lösungswege Power-to-Fuel: Die letzten 25 Jahre P2G: Prinzip / Ergebnisse Verfügbarkeit: CO 2 / P2G-Technologie Fazit EE EE-Speicher Power-to-Gas Entwicklung des ZSW in Kooperation mit den Partnern:

34 Biogenic CO 2 Resources: via Anaerobic Digestion, Ethanol Production, Gasification Anaerobic Digestion: C 6 H 12 O 6 3 CH CO 2 Ethanol Production: C 6 H 12 O 6 2 C 2 H 5 OH + 2 CO 2 Thermo-chemical Gasification: Biomass H 2, CO, CO 2

35 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

36 Power-to-Gas - Concept: Option 3 - Interconnection with Biomass Gasification Wind Solar Grid CCPP / B-CHP POWER GENERATION ELECTRICITY STORAGE H 2 Gas distribution system CH 4 Gas storage Electrolysis H 2 H 2 buffer H 2 O 2 O 2 buffer O 2 CO 2 Methanation Biomass AER- Gasification O 2 CO 2 CO 2 CO 2 buffer H 2 -rich Gas CCPP: Combined Cycle Power Plant; B-CHP: Block-type Combined Heat and Power Station

37 Verfügbarkeit der P2G -Technologie Alpha-Anlage (25 KW el ): 2009 Alpha-plus-Anlage (250 kw el ): 2012 Beta-Anlage (6 MW el ): 2013 Gamma-Anlage (> 1 MW el, kommerzielles Produkt): 2015 Beta-Anlage (e-gas-projekt/audi) - Kooperations-Partner:

38 6MW e-gas - Anlage der AUDI AG in Werlte Vertragsunterzeichnung AUDI / SolarFuel im November 2011 Inbetriebnahme Mitte 2013 Hauptkomponenten sind bestellt Vorstellung Audi balanced mobility / e-gas project am in Hamburg

39 Inhalt: Power-to-Gas (P2G ) Speicherung erneuerbarer Energie im Erdgasnetz Ziel / FAQ Status / Lösungswege Power-to-Fuel: Die letzten 25 Jahre P2G: Prinzip / Ergebnisse Verfügbarkeit: CO 2 / P2G-Technologie Fazit EE EE-Speicher Power-to-Gas Entwicklung des ZSW in Kooperation mit den Partnern:

40 Fazit Botschaften wenn EE im TWh-Maßstab saisonal gespeichert werden soll Erfordernis chemischer Energieträger! wenn Mobilität nachhaltig gestaltet wird (PKW-Langstrecke, Gütertransport) Erfordernis chemischer Energieträger! Agrarflächenbedarf für 100%-Biokraftstoffquote nicht ausreichend Flächenlimitierung gilt nicht für P2G! Biomasseressourcen sollten sinnvoll, d.h. in Kombination mit P2G eingesetzt werden! Experimentelle Ergebnisse für P2G liegen vor notwendig sind Demoanlagen jetzt, nicht in 10 Jahren und gesicherte politische Rahmenbedingungen (neue Energiemarktmechanismen)!

41 Besten Dank für Ihre Aufmerksamkeit. Happy Birthday und alles Gute für die nächsten 25 Jahre!

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