Effizient Strom speichern Power to Gas mit doppelter Abwärmenutzung

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1 VGB PowerTech 9 l 2018 Effizient Strom speichern Power to Gas mit doppelter Abwärmenutzung Effizient Strom speichern Power to Gas mit doppelter Abwärmenutzung Die Energiewende erfordert Stromspeicher Ulrich Bohn und Florian Lindner Abstract Efficient storage of electricity Power to gas with double waste heat utilisation The Energiewende requires electricity storage According to the German government s energy concept, the share of renewable energies in the German electricity supply is expected to increase continuously to 80 % by However, the share of wind and solar energy also increases volatility, because electricity is produced even when we do not need it. This leads to more significant deviations between electricity supply and demand compared to today. Electricity from renewable sources that cannot be used directly will therefore increase significantly. Under these conditions, the importance of electricity storage facilities will increase. For longterm electricity storage, power to gas is a sensible option that has now been well researched in many pilot projects. l Autoren Ulrich Bohn Westnetz GmbH Dortmund, Deuschland Florian Lindner innogy SE Essen, Detuschland Strom aus Solar und Windkraft Umwandlung Überschuss Power to Gas Anlage Stromnetz Einspeisung Elektrolyse Strom Wärme Mit dem Voranschreiten der Energiewende soll der Anteil an erneuerbaren Energien im deutschen Stromnetz laut Energiekonzept der Bundesregierung bis 2050 kontinuierlich auf 80 % zunehmen. Mit dem Anteil von Wind- und Solarenergie steigt aber auch die Volatilität, denn der Strom wird auch dann produziert, wenn wir ihn nicht in vollem Umfang brauchen. Dies führt zu deutlicheren Abweichungen zwischen Stromangebot und -nachfrage im Vergleich zu heute. Der nicht direkt verwertbare Strom aus regenerativen Quellen wird deshalb signifikant ansteigen. Unter diesen Bedingungen werden Stromspeicher in ihrer Bedeutung zunehmen. Für die langfristige Stromspeicherung ist Power to Gas eine sinnvolle und mittlerweile auch in vielen Pilotprojekten gut erforschte Möglichkeit ( info, B i l d 1 ). Bei dieser Technologie wird Wasser elektrolytisch (natürlich idealerweise mit grünem Strom) in seine Bestandteile Wasserstoff und Sauerstoff zerlegt. Somit wird also elektrische Energie in chemische Energie umgewandelt. Der grün produzierte Wasserstoff kann entweder direkt verwendet oder mit CO 2 zu Methan umgesetzt werden. In diesem Fall wird CO 2 einer klimaschonenden Nachnutzung zugeführt. Der Wasserstoff kann in bestimmten Grenzen, das künstliche Methan hingegen uneingeschränkt in das Erdgasnetz eingebracht werden. Auf diese Weise bieten sich für Power to Gas-Produkte vielfältige Einsatzmöglichkeiten: Primäre Überlegungen bezogen sich auf eine indirekte Stromspeicherung unter Ausnutzung der Erdgasinfrastruktur mit ihren enormen Speicherkapazitäten von über 200 TWh [1], was eine spätere Rückverstromung auf bekannten Wegen (Kraftwerke, BHKW, Brennstoffzellen) zulässt. Weiterhin lassen sich diese Gase aber auch in der Industrie als chemischer Grundstoff oder im Verkehrssektor einsetzen. Nicht zuletzt ermöglicht die Sektorenkopplung von Strom- und Wärmemarkt einen klimafreundlichen Einsatz der erzeugten Gase beispielsweise zu Heizungszwecken. Strom wird zu Wasserstoff und umgekehrt Wärme Wasserstoff Wie Stromspeicherung mittels Power to Gas erfolgen kann, zeigt innogy mit ihrem Projekt im nordrhein-westfälischen Ibbenbüren. Hier wird grüner Strom in einem Elektrolyseur zur Erzeugung von Wasser- Blockheizkraftwerk Bild 1. Power to Gas Technologieübersicht. (Quelle: innogy). Einspeisung Rückwandlung Gasnetz Gasspeicher Lagerung 49

2 Effizient Strom speichern Power to Gas mit doppelter Abwärmenutzung VGB PowerTech 9 l 2018 Bild 2. Ansicht des Elektrolysers des innogy-projekts in Ibbenbüren. (Foto: innogy). auf Reinstwasserqualität aufbereitet. Die eigentliche Aufspaltung von Wasser in seine Bestandteile Wasserstoff und Sauerstoff erfolgt in den Zellen der Stacks (B i l d 4 ). Jeweils 75 Zellen bilden einen der drei Stacks des Elektrolyseurs. Die elektrische Nennleistung des Elektrolyseurs beträgt 150 kw, die 30 Nm 3 /h Wasserstoff bei 14 bar erzeugen. Dementsprechend entstehen 15 Nm 3 /h Sauerstoff, die in die Atmosphäre entlassen werden. Die Reinheit des Wasserstoffs ist mit mindestens 99,9 % sehr hoch und damit prinzipiell auch tauglich für eine Anwendung im Mobilitätsbereich. Im betriebsbereiten Zustand kann der Elektrolyseur unmittelbar angefahren werden, so dass ein stromseitig geänderter Sollwert in weniger als zwei Sekunden erreicht wird, was die Tauglichkeit im Kontext regenerativer Stromerzeugung und Speicherung unter Beweis stellt. Der Elektrolyseur erzeugt Abwärme, die nicht ungenutzt bleibt, sondern in die benachbarte GDRM geleitet und dort zur Gasvorwärmung eingesetzt wird. Hierdurch wird zum einen der Nutzungsgrad der stromseitig eingebrachten Energie auf 86 % erhöht. Zum anderen führt die Verwendung der Abwärme zu Vorwärmzwecken zu einem reduzierten Verbrauch von konventionellem Erdgas. Hierdurch ergibt sich eine CO 2 -Ersparnis von zwölf Tonnen pro Jahr, was einen weiteren Beitrag zum Klimaschutz darstellt. Bild 3. Gasdruckregel- und Messanlage (GDRM) des Projekts. (Foto: innogy). stoff eingesetzt (B i l d 2 ). Dieser wird vor Ort an einer Gasdruckregel- und Messanlage (GDRM, B i l d 3 ) in das Erdgasnetz eingespeist und ersetzt damit in wärmegleichem Umfang fossiles Erdgas, welches nun an anderer Stelle in einen Untergrundspeicher eingespeichert werden kann. Diese Gasmengen können in Zeiten niedriger regenerativer Stromversorgung dem Speicher wieder entnommen und in einem BHKW im Ortskern von Ibbenbüren verstromt werden, wo auch die anfallende Wärme in das dortige Fernwärmenetz eingespeist wird. Das Besondere des Projekts ist die zweifache Abwärmenutzung entlang der Stromspeicherkette: Erstmalig wird neben der Abwärmenutzung am BHKW auch die bei der Elektrolyse anfallende Abwärme genutzt. Hierdurch entsteht eine hocheffiziente Systemlösung, die es erlaubt, die Energie aus Grünstrom mit einem Nutzungsgrad von 75 % bereitzustellen. Des Weiteren führt die verbesserte Ausnutzung des Grünstromangebotes über die doppelte Abwärmenutzung zu einer Emissionsreduzierung, da weniger fossiles Erdgas zur Wärmeerzeugung eingesetzt wird. Das Herzstück: der Elektrolyseur Das Herzstück der Systemlösung ist der in Containerbauweise realisierte Elektrolyseur. In ihm erfolgt die Umwandlung des grünen Stroms in Wasserstoff. Es kommt die noch relativ junge PEM-Technologie (Proton Exchange Membrane) zum Einsatz, die hohe Wirkungsgrade aufweist. Für den Betrieb des Elektrolyseurs ist neben Strom auch Wasser erforderlich. Dieses wird dem örtlichen Versorgungsnetz entnommen und in der Anlage zunächst Optimale Bedingungen für Gaseinspeisung und BHKW schließt Speicherkette Der Wasserstoff wird im Ausgangsbereich der GDRM dem Erdgas beigemischt. Die Gasnetzinfrastruktur, die Ibbenbüren und Umland mit Gas versorgt, ist für eine Wasserstoffeinspeisung besonders gut geeignet: Es existiert ein Hochdruck-Netz, das ausschließlich am Ort des Elektrolyseurs aufgespeist wird und auch im Sommer noch einen ausreichend hohen Erdgasabsatz aufweist, so dass zu hohe Wasserstoffkonzentrationen und Brennwertunterschiede vermieden werden. Das zur Rückverstromung eingesetzte BHKW befindet sich in der Heizzentrale des Ibbenbürener Fernwärmenetzes und stellt das letzte Element in der Stromspeicherkette dar. Die Energie aus Grünstrom wird somit im Wärme- und Strommarkt nach Zwischenspeicherung in gasförmigem Zustand verfügbar gemacht Betriebsstunden ohne Probleme Das Demonstrationsprojekt liefert einen wichtigen Beitrag zur weiteren Entwicklung von Power to Gas. Der Elektrolyseur ist die erste Anlage in Deutschland mit Abwärmenutzung und direkter Wasserstoffeinspeisung in das Gashochdrucknetz ohne 50

3 VGB PowerTech 9 l 2018 Effizient Strom speichern Power to Gas mit doppelter Abwärmenutzung von innogy geleiteten Zusammenschluss aus 46 Partnern der Bereiche Energie, Industrie, Kommunen, Forschung und Entwicklung. Das Konsortium vernetzt dezentrale Energieerzeuger und -verbraucher vom ländlichen Raum, über die großen Städten bis zu den Industrie-Ballungszentren und will zeigen, dass eine Versorgung zu 100 % auf Basis schwankender Einspeisung aus erneuerbaren Energien möglich ist: durch den Einsatz intelligenter Netze, innovativer Speicher und abschaltbarer Lasten. Designetz entwickelt somit die Blaupause für das Stromnetz der Zukunft. Das Projekt wird gefördert vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie und erstreckt sich über die Bundesländer Nordrhein-Westfalen, Rheinland-Pfalz und Saarland. Literatur Bild 4. Drei Stacks bilden eine Einheit des Elektrolysers. (Foto: innogy). zusätzliche Verdichtung. Nach bisher ca Betriebsstunden und einer zunehmend anspruchsvolleren Fahrweise arbeitet der Elektrolyseur weiterhin zuverlässig und mit dem erwarteten Wirkungsgrad. Die Langzeitstabilität und die Entwicklung des Wirkungsgrades werden die wesentlichen Erkenntnisse eines über mehrere Jahre andauernden Testbetriebs sein. Das Projekt zeigt, wie Stromspeicherung mit geringen Verlusten funktionieren kann und welche wichtige Rolle eine Sektorkopplung in diesem Fall einnimmt. Durch die Verschaltung von Strom-, Gas- und Wärmenetzen wird VGB-Standard grüner Strom im Strom- und Wärmemarkt bedarfsgerecht bereitgestellt und trägt damit auch zur Dekarbonisierung bei. Aus diesem Grund hat die KlimaExpo.NRW das Projekt bereits 2015 in die Liste qualifizierter Projekte aufgenommen, weil es zeigt, dass innovative Technologien mit Energieeffizienzmaßnahmen geschickt und gewinnbringend kombiniert werden können. Teil von Designetz Darüber hinaus ist die Power to Gas-Anlage in Ibbenbüren Teil von Designetz, einem RDS-PP Application Guideline Part 41: Power to Gas RDS-PP Anwendungsrichtlinie Teil 41: Power to Gas 1. Ausgabe 2018 VGB-S EN-DE (Englisch/Deutsche Ausgabe) DIN A4, 160 Seiten, Preis für VGB-Mit glie der* 280,, für Nicht mit glie der 375,, + Ver sand kos ten und MwSt. For efficient project planning, development, construction, operation and maintenance of any industrial plant, it is helpful to structure the respective plant and assign clear and unambiguous alphanumeric codes to all assemblies and components. A good designation system reflects closely the structure of the plant and the interaction of its individual parts. This VGB-Standard applies to the designation of the Power to Gas plants according to the Reference Designation System for Power Plants RDS-PP in accordance with the international sector specific standard ISO/TS for power plants. This guideline is addressed to those responsible for the design and operation of Power to Gas plants e.g. planners, operators, legal authorities, suppliers, manufacturers, service providers, experts, research institutions, etc. [1] l KlimaExpo.NRW Die KlimaExpo.NRW identifiziert und prämiert als Initiative der nordrhein-westfälischen Landesregierung Vorreiter in Sachen Klimaschutz: Von der KlimaExpo.NRW qualifizierte Projekte erfüllen eine Vielzahl an Kriterien, darunter ein hoher Innovationsgrad, Nachhaltigkeit sowohl in ökologischer als auch ökonomischer Hinsicht und Übertragbarkeit auf unterschiedliche Bereiche und Branchen. Die Initiative hat sich zum Ziel gesetzt, den Klimaschutz in Nordrhein-Westfalen voranzutreiben und das technologische und wirtschaftliche Potenzial der Region weiter auszubauen. Als Leistungsschau prämiert die KlimaExpo.NRW bis 2022 wegweisende Ideen einem breiten Publikum. Für eine effiziente Abwicklung der Aufgaben von Planung, Entwicklung, Bau, Betrieb und Instandhaltung einer industriellen Anlage, ist es hilfreich, die Anlage zu gliedern und die einzelnen Anlagenteile klar und eindeutig mit einem alphanumerischen Kennzeichen zu versehen. Eine gute Kennzeichensystematik bildet die Struktur der Anlage und das Zusammenwirken ihrer einzelnen Teile genau ab. Dieser VGB-Standard gilt für die Kennzeichnung von Power to Gas Anlagen nach dem Referenzkennzeichensystem RDS-PP in Übereinstimmung mit der internationalen Fachnorm DIN ISO/TS für Kraftwerke. Die Anwendung der VGB Richtlinien für die Kennbuchstaben nach VGB-S (früher VGB-B 101) und VGB-B 102 ist verbindlich. Diese Richtlinie wendet sich an die für Planung und Betrieb von Power to Gas Anlagen Verantwortlichen, z. B. Planer, Betreiber, Genehmigungsbehörden, Lieferanten, Hersteller, Serviceprovider, Sachverständige, Forschungseinrichtungen etc. * Für Ordentliche Mitglieder des VGB ist der Bezug von ebooks im Mitgliedsbeitrag enthalten. VGB-Standard RDS-PP Application Guideline Part 41: Power to Gas Anwendungsrichtlinie Teil 41: Power to Gas VGB-S EN-DE 51

4 International Journal for Electricity and Heat Generation Vo lu me 90/2010 ISSN K Focus: Maintenance of Power Plants Concepts of IGCC Power Plants Assessment of Generators for Wind Power Plants Technical Data for Power Plants Oxidation Properties of Turbine Oils Fo cus: Pro Quality The Pro-quality Approach Quality in the Construction of New Power Plants Quality Monitoring of Steam Turbine Sets Supply of Technical Documentations Focus: Furnaces, Steam Generators and Steam Turbines USC 700 C Power Technology Ultra-low NO x Combustion Replacement Strategy of a Superheater Stage Economic Postcombustion Carbon Capture Processes Volume 85/2005 ISSN K Con gress Is sue Focus: Power Plants in Competiton Schwerpunktthema: Erneuerbare Energien Hydrogen Pathways and Scenarios Kopswerk II Prevailing Conditions and Design Arklow Bank Offshore Wind Park The EU-Water Framework Directive International Journal for Electricity and Heat Generation Publication of VGB PowerTech e.v. Focus: VGB Congress Power Plants 2009 Report on the Activities of VGB PowerTech 2008/2009 EDF Group Reduces its Carbon Footprint Optimising Wind Farm Maintenance Concept for Solar Hybrid Power Plants Qualifying Power Plant Operators New Power Plant Projects of Eskom Quality Assurance for New Power Plants Advantages of Flexible Thermal Generation Market Overview for Imported Coal International Edition Please copy >>> fill in and return by mail or fax Yes, I would like order a subscription of VGB PowerTech. The current price is Euro 275. plus postage and VAT. Unless terminated with a notice period of one month to the end of the year, this subscription will be extended for a further year in each case. Name, First Name Street Postal Code City Country Phone/Fax Return by fax to VGB PowerTech Service GmbH Fax No Date 1st Signature Cancellation: This order may be cancelled within 14 days. A notice must be sent to to VGB PowerTech Service GmbH within this period. The deadline will be observed by due mailing. I agree to the terms with my 2nd signature. or access our on-line shop at MEDIA SHOP. Date 2nd Signature

5 VGB POWERTECH as printed edition, monthly published, 11 issues a year Annual edition 2017 as CD or DVD with alle issues from 1990 to 2017: Profount knowledge about electricity and heat generation and storage. Order now at > shop > Journal International Journal for Electricity and Heat Generation Publication of VGB PowerTech e.v. l Publication of VGB PowerTech e.v. l International Journal for Electricity and Heat Generation Publication of VGB PowerTech e.v. l International Journal for Electricity and Heat Generat Fachzeitschrift: 1990 bis bis bis 2017 Diese DVD und ihre Inhalte sind urheberrechtlich geschützt. VGB PowerTech Service GmbH Essen Deutschland 2017 Sergey Nivens - Fotolia VGB PowerTech Contact: Gregor Scharpey Tel: mark@vgb.org The international journal for electricity and heat generation and storage. Facts, competence and data = VGB POWERTECH > shop > Journal