Machbarkeitsstudie kommunale H 2 -Nutzung

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1 Machbarkeitsstudie kommunale H 2 -Nutzung Ingenieur- Dienstleistungen für die Energieversorgung nplan engineering GmbH Celler Straße Celle

2 Ziele des neuen Modells Anwendungskonzept Wasserstoff (ELY / Brennstoffzelle / H2-Speicher) anhand vollständiger Versorgung durch regional erzeugten erneuerbaren Strom Versorgung des Rathauses aus regional erzeugter erneuerbarer Energie Strom & Wärme Versorgung der E-Ladesäule / e-mobility Versorgung H2 Tankstelle Herausforderung Variablenanzahl und Definition der Prioritäten Speichergröße (Energiebedarf Brennstoffzelle, Größe ELY, Betriebsmodus ELY, Füllgrad Speicher, Toleranz Versorgungsausfall, ) Elektrolysegröße folgt dem Gesamtwasserstoffbedarf, Speicherkapazität, Ausnutzungsgrad, Versorgung Rathaus vor Versorgung Tankstelle vor Versorgung Ladesäule Brennstoffzelle strom- / wärmegeführt oder H2-Therme Stellenwert der Wirtschaftlichkeit unterschiedlicher Varianten

3 Konzeptentwicklung Alternative 1

4 Konzeptentwicklung Alternative 2

5 elektrolytische Wasserstoff und Sauerstoffnutzung auf Kläranlagen

6 Gliederung Vorstellung der Führungsgrößen Ausgangsparameter Definition der Verbraucher / Abgeleitete Größen Beschreibung der Wasserstoffmessanlage Definition der Speichergröße Übergabe Wasserstoff an Tankstelle in Abhängigkeit der Verbräuche Erforderliche Stellfläche im Bereich Kläranlage Beschreibung der Fernwärmeanbindung als neue Variante 4 Umfang des erforderlichen Rohrleitungsbaus Beschreibung der erforderlichen Technikkomponenten Wirtschaftlichkeit Varianten 1-4 Verfahrensprinzip Methanisierung Bilanzierung Verbraucher / Angebote Fazit/Empfehlung

7 Fernwärme Variante 4 Wärme Leistung Dauer Auslastung Rathausversorgung 120 kw 12 (Winter) 0 (Sommer) Tag Rathausversorgung (Fernwärme) (W) Verluste Fernwärme (W) Gebäudewärme (KA) (W) Prozesswärme (KA) (S/W) 120 kw 26 kw 30 kw 50 kw Tag Tag/Nacht Tag Tag/Nacht

8 Vorstellung des alten Modells - Ausgangsparameter Prozesswärme Kläranlage 50 kw 24 h Sommer + Winter Raumwärme Rathaus 133 kw (V3) 12 h Winter 120 kw (V4) 0 h Sommer Raumheizung KA + Warmwasser 30 kw 12 h Winter (kw ohne WW) 0 h Sommer Verlust Fernwärme 26 kw 24 h Winter 0 h Sommer Speicherauslegung V1 (O2); V3 (H2) 24 h Winter V3 mit Leitung V4 ohne Leitung Auslastung Elektrolyse 100 % Zum Vergleich Photovoltaik Bilanz 81 MWh/a *Sunnyportal.com Windenergieanlage 25 GWh/a *Windkraftjournal

9 Vorstellung des alten Modells - Übersicht der Führungsgrößen Führungsgröße: O2 Bedarf - Ausbaustufe I Führungsgröße: O2 Bedarf - Ausbaustufe II Führungsgröße: Wärme Bedarf - Rathaus Führungsgröße: Wärme Bedarf - KA und Fernwärme Führungsgröße Sauerstoff Sauerstoff Wasserstoffbedarf BZ Wasserstoffbedarf BZ Nm³/h Maximalbedarf 15,4 Nm³/h O2 60,2 Nm³/h O2 89 Nm³/h H2 178 Nm³/h H2 Entsprechende Elektrolysekapazität 30,8 Nm³/h H2 120,4 Nm³/h H Nm³/h Hersteller Areva Areva Areva Hydrogenics Druck Wasserstoff barg Druck Sauerstoff barg Durchschnittliche Leistung (Elektrolyse) kw

10 Führungsgrößen - Sauerstoff Sauerstoff Bedarf Dauer Ausbaustufe I 55 kg/h 14,5 h 8200 EW 38,5 Nm³/h Ausbaustufe II EW + Faulung 215 kg/h 150,5 Nm³/h 12 h Sauerstoff Ausbaustufe I 8200 EW Anteil bei Reinsauerstoffanteil Belüftung in Gesamtsauerstoff 12 % 40 %

11 Führungsgrößen Brennstoffzelle / Wärmebedarf Brennstoffzelle Bedarf 89 Nm³/ Leistung 120 kw elektrisch 133 kw thermisch Wärme Leistung Dauer Auslastung Rathausversorgung 120 kw 12 (Winter) 0 (Sommer) Tag Rathausversorgung (Fernwärme) (W) Verluste Fernwärme (W) Gebäudewärme (KA) (W) Prozesswärme (KA) (S/W) 120 kw 26 kw 30 kw 50 kw Tag Tag/Nacht Tag Tag/Nacht

12 Elektrolyse technische Parameter Beispiel H2GEN - Areva PEM-Elektrolyse H2-Produktion 20/40/100 Nm³/h 35 bar O2-Produktion 10/20/50 Nm³/h 14 bar Energieaufnahme 4,8 5,7 kwh/nm³h2

13 Elektrolyse Führungsgröße O2 Bedarf Ausbaustufe I Führungsgröße: O2 Bedarf - Ausbaustufe I Ausbaustufe 8200 EW O2 Bedarf KA 55,00 kg/h O2 Bedarf KA 38,49 Nm³/h Betriebsstunden Belüftung 14,5 h Reinsauerstoffzufuhr KA 15,40 Nm³/h Wasserstofferzeugung 30,79 Nm³/h gewählte Größe H2-Erzeugung 40,00 Nm³/h gewählte Größe O2-Erzeugung 20,00 Nm³/h Quelle: Hydrogenics HyStat15-10

14 Elektrolyse Führungsgröße O2 Bedarf Ausbaustufe II Führungsgröße: O2 Bedarf - Ausbaustufe II Ausbaustufe EW O2 Bedarf KA 215,00 kg/h O2 Bedarf KA 150,45 Nm³/h Betriebsstunden Belüftung 12 h Reinsauerstoffzufuhr KA 60,18 Nm³/h Wasserstofferzeugung 120,36 Nm³/h gewählte Größe H2-Erzeugung 100,00 Nm³/h gewählte Größe O2-Erzeugung 50,00 Nm³/h Quelle: AREVA E120

15 Brennstoffzelle technische Parameter Beispiel HyPM-R120 - Hydrogenics PEM-Brennstoffzelle H2-Verbrauch 89 Nm³/h Wasserstoff bei Volllast Wirkungsgrad (abhängig vom Betriebspunkt 50 %el (LHV) 50 %th (LHV) Gewicht 800 kg *Bildquellen: Hydrogenics

16 Elektrolyse Führungsgröße: Wärme / Bedarf - Rathaus HyPM-R120 Wirkungsgrad ηelektrsich 45 % Leistung elektrisch 120 kw Wirkungsgrad ηthermisch 50 % Leistung thermisch 133,33 kw Heizwert des Eingangsstroms 266,67 kw Heizwert Normbedingungen 3,00 kwh/nm³ Wasserstoffkonsum Nennbetrieb 88,89 Nm³/h gewählte Elektrolysekapazität 100,00 Nm³/h Quelle: AREVA E120

17 Elektrolyse Führungsgröße Wärme / Bedarf - KA und Fernwärme HyPM-R120 Wirkungsgrad ηelektrsich 45 % Leistung elektrisch 2 x 120 kw Wirkungsgrad ηthermisch 50 % Leistung thermisch 2 x 133,33 kw Heizwert des Eingangsstroms kw Heizwert Normbedingungen 3,00 kwh/nm³ Wasserstoffkonsum Nennbetrieb 177,78 Nm³/h gewählte Elektrolysekapazität 200 Nm³/h

18 Abnahme durch Tankstelle Grundlage maximale Wasserstofferzeugung abzüglich Bedarf der Brennstoffzellen Bezeichnung Variante 1 Variante 2 Variante 3 Variante 4 Maximale Menge H2 86,4 kg/d (0 kg/d) 216 kg/d (120 kg/d) 216 kg/d (120 kg/d) 358 kg/d (203 kg/d) Tankvorgänge / Tag - Sommer */** 14,4 35,9 35,9 59,7 Tankvorgänge / Tag - Winter */** ,8 theoretisch möglicher Ertrag 820 /d /d (1140 /d) 2052 /d (1140 /d) 3401 /d (1929 /d) * Betankung PKW ca. 5 kg / Tank bei 700 bar ** Betankung BUS ca. 35 kg / Tank bei 350 bar

19 Wasserstoff - Übergabestation Eingangsfilterung GTS Thielmann 2. Gasqualitätsmessung ABB PGC Druckregelung Fiorentini (entfällt für unseren Fall) 4. Zähler Elite Micro Motion 5. N2 - Spülanlage

20 Rohrleitungsbau - Wasserstoff Nennweite DN150, PN40 alternativ DN300, PN40 Werkstoff L360 NB Verlegung 250 m mittels HDD Bohrverfahren; 250 m parallel zum Feldweg in offener Bauweise Überdeckung mind. 1,0 m nach DVGW G 463 Kap Schutzstreifen 4 m nach DVGW G463 Kap Korrosionsschutz mit kathodischem Schutzstrom

21 Übersicht des Speicherbedarfs Bezeichnung Variante 1 Variante 2 Variante 3 Variante 4 Betriebszeit/d 14,5 h 12 h 12 h h Menge O2 15,4 Nm³/h 60,2 Nm³/h 44,5 Nm³/h 89 Nm³/h Menge H2 30,8 Nm³/h 120,4 Nm³/h 89 Nm³/h 178 Nm³/h theo. Speicherbedarf O Nm³ 722 Nm³ festgelegte Speichergröße O Nm³ 220 Nm³ theo. Speicherbedarf H Nm³ 2936 Nm³ festgelegte Speichergröße H Nm³ 1068 Nm³ möglicher Lösungsansatz A Speicher DN1200; l = 15 m Speicher DN1200; l = 15 m Leitung DN Nm³ + Speicher DN 1600; L = 17 m Speicher DN 1600; l = 24 m möglicher Lösungsansatz B Speicher DN 1600 L = 9 m Speicher DN 1600 L = 9 m Leitung DN Nm³

22 Speichermöglichkeiten Bild: RLI Quelle: Energiepark Mainz Quelle: ENERTRAG

23 Aufstellfläche

24 Aufstellfläche 2 Stück 40 Elektrolysecontainer 2 1 Stück 2 H2-Übergabestation 1 1 Stück 18 m³ O2 Speichertank 1 Stück 34 m³ H2 Speichertank 3 Flächenbedarf ca m² 4

25 Kenndaten der Technik-Komponenten Variante 1 Variante 2 Variante 3 Variante 4 Führungsgröße Sauerstoff Sauerstoff Wasserstoffbedarf BZ Wasserstoffbedarf BZ max. Bedarf Führungsgröße 15,4 Nm³/h O2 60,20 Nm³/h O2 89 Nm³/h H2 178 Nm³/h H2 Produktion H2 30,8 Nm³/h H2 120,40 Nm³/h H2 89 Nm³/h H2 178 Nm³/h H2 Maximalbedarf BZ 89 Nm³/h H2 89 Nm³/h H2 178 Nm³/h H2 elektrische Leistung BZ 120 kw 120 kw 120 kw 240 kw thermische Leistung BZ 133 kw 133 kw 133 kw 265 kw gewählte Elektrolysekapazität 40 Nm³/h 100 Nm³/h 100 Nm³/h 200 Nm³/h Hersteller Areva Areva Areva Hydrogenics Druck Wasserstoff 35 bar 35 bar 35 bar 30 bar Druck Sauerstoff 14 bar 14 bar 14 bar 0 durchschnittliche Leistung 212 kw 490 kw 490 kw 1040 kw

26 Wirtschaftlichkeit - Investition Investitionskosten Variante 1 Variante 2 Variante 3 Variante 4 Elektrolyse Brennstoffzelle Wasserstoffmessanlage Rohrleitung DN Rohrleitung DN300 (Optional) ( ) ( ) ( ) Rohrleitung DN50 Fernwärme Speicherbehälter O Speicherbehälter H Außenanlagen Sicherheits- und Risikozuschlag Summe

27 Wirtschaftlichkeit - Betriebskosten - Ertragsprognose

28 Methanisierungskonzept auf Kläranlagen mit Produktion und Verbrauch von Wasserstoff

29 Methanisierungskonzept auf Kläranlagen mit Produktion und Verbrauch von Wasserstoff Biologische Methanisierung in einer Biogas- oder Kläranlage mit einer Gasaufbereitungsanlage (In-situ- Verfahren) Biologische Methanisierung an einer Biogas- oder Kläranlage ohne Gasaufbereitungsanlage (Ex-situ- Verfahren) Biologische Methanisierung in einer Biogas- oder Kläranlage mit einer Gasaufbereitungsanlage (Ex-situ- Verfahren) Biologische Methanisierung an einer Biogas- oder Kläranlage ohne Gasaufbereitungsanlage (Ex-situ- Verfahren)

30 Viessmann Methanisierung mittels Wasserstoff - Standort Allendorf 1: Elektrolyse (60 Nm³ H2-Produktion) 2: biol. Methanisierung (15 Nm³/h Methanproduktion) 3: Verfahrenstechnik (u.a. Gasanalytik) 4: Steuerungstechnik

31 Methanisierungskonzept auf Kläranlagen mit Produktion und Verbrauch von Wasserstoff Edukte 8 Nm³/h Faulgas ( kwhhi/a) 35 % CO2 65 % CH4 2,8 Nm³/h CO2 11,2 Nm³/h H2 Produkte 8 Nm³/h Methan Gesamt 2,8 Nm³/h Methan aus Methanisierung

32 Wirtschaftlichkeit - Methanisierung Bezeichnung Variante 1 Variante 2 Investition Betriebskosten Stromverbrauch 600 Wh/Nm³ CH Betrieb 3h pro Woche Additive, Entschäumer, Nährstoffe, sonstiges ca /a Betriebskosten Nm³ 12,35 Ct/Nm³ 60,75 Ct/Nm³

33 Stündliche Einspeisung in MWh Bilanzierung Energieangebot 25 Einspeisung Juni PV Freifläche PV Dach Wind Biomasse 5 0 Stunden

34 Stündlicher Verbrauch in kwh Bilanzierung Energienbedarf bzw. Energieverbraucher 70 Verbrauch Juni Ladesäule Rathaus Wärme Rathaus ohne Wärme 10 0 Stunden

35 Modell

36 Bilanzierung Energieangebot / Energienachfrage 0, , , , , , Einspeisung/Verbrauch in kwh Stunden Vergleich EE-Strom Verbraucher

37 Bilanzierung Energieangebot / Energienachfrage 0,00 20,00 40,00 60,00 80,00 100,00 120,00 140,00 160,00 180,00 200, Einspeisung/Verbrauch in kwh Stunden Vergleich/Zoom EE-Strom Verbraucher

38 FAZIT Variante 1 die kostengünstigste, jedoch reicht Sauerstoffmenge für eine größere Ausbaustufe nicht aus. Die Betriebskosten übersteigen die Erlöse. In Variante 4 ist eine permanente Wasserstoffabnahme gesichert, trotzdem ist der Wärmenutzungspfad weniger ertragreich. Wasserstoffbrennstoffzellen derzeit eher für industriellen Einsatz small-scale Brennstoffzelle mit reinem H2-Betrieb (ohne Reformer) kaum verfügbar zudem meist Luft als Kühlmedium (Notstrom oder dezentrale Anwendungen) nicht als Heizungsanlage vorgesehen für Einsatz bei Fernwärme Hochtemperatur BZ notwendig vermiedene Kosten durch Sauerstoffnutzung für die Wirtschaftlichkeit kaum ausschlaggebend Sauerstoffnutzung bietet nur energetischen Vorteil, sollte nicht die Größe der Elektrolyse bestimmen Wertschöpfung bei Nutzung des erzeugten Wasserstoffs für Mobilität am höchsten. relativer Anteil für H2 Betankung bei V2 und V3 am höchsten 36 Betankungen je Tag (Sommer) möglich (Durchschnitt 50) -- weitere Verfolgung ohne Anwendung in Mobilität alle Varianten unrentabel passende small-scale Methanisierung bereits durch Betriebskosten unrentabel