Gebäudeenergieversorgung mit grünem Wasserstoff

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1 Gebäudeenergieversorgung mit grünem 7. Statuskonferenz Bioenergie. Flexibel und integriert in die nächste Epoche! am November 217 in Leipzig Andreas Herrmann, Julian Schumann, Hartmut Krause TU Bergakademie Freiberg Gliederung Motivation Erläuterung des Konzeptes Energetische und wirtschaftliche Bewertung Zusammenfassung und Ausblick 2

2 Motivation Leistungsüberschüsse in Schleswig-Holstein Jahr Prognostizierte abgeregelte Strommengen Anteil Abregelungen an EE- Stomerzeugung Erwartete Entschädigungs ansprüche für Abregelungen GWh % Mio. Euro Quelle: Abregelung von Strom aus Erneuerbaren Energien und daraus resultierende Entschädigungsansprüche in den Jahren 21 bis 215, Ministerium für Energiewende, Landwirtschaft, Umwelt und ländliche Räume (MELUR), August 216 Folgen der Leistungsüberschüsse aus erneuerbaren Energien: Lokale / regionale Netzengpässe Negative Strompreise Regelenergie 3 HYPOS (Hydrogen Power Storage & Solutions East German) Besonderheiten der HYPOS-Modellregion Zweitgrößtes pipelinenetz von Deutschland (15 km) Kavernenspeicher in der näheren Umgebung Hohes Potential für Stromerzeugung aus Photovoltaik und Windenergie Anschluss von Gebäuden an H 2 -Netz prinzipiell möglich Energiebedarf private Haushalte: 27% Diskrepanz zwischen Erzeugung und Verbrauch / Speicherung von erneuerbarer Energie benötigt Grundlegende Voraussetzungen der Infrastruktur bestehen bereits 4

3 Verbundvorhaben: H2home (Dezentrale Energieversorgung mit H 2 -Brennstoffzellen) Das H2home-Konzept Projektziele von H2home Gebäudeenergieversorgung durch grünen Nutzung von elektrischer Energie in AC und DC Netzen Niedrigtemperaturheizung und Kühlung (Nutzung von Flächenheizungen) Optimierter Speicherbetrieb (thermisch & elektrisch) Kostenreduzierung der Brennstoffzelle: 4. /kw Hohe elektrische Wirkungsgrade 5 Verbundvorhaben: H2home (Dezentrale Energieversorgung mit H 2 -Brennstoffzellen) H 2 -Brennstoffzellen BHKW (inhouse engineering) Kenngrößen des H 2 -BZ-BHKW Zelltyp Niedertemperatur - PEM Brennstoff Nennleistung elektrisch ca. 5 kw Nennleistung thermisch ca kw Gesamtwirkungsgrad ca. 95% Nettowirkungsgrad el. ca. 5 % Heizkreis (Vorlauf/Rücklauf) 5 C / 7 C Kaltstart ca. 1 min Modulation 25 % bis 1 % ca. 3 min Abmessungen (b x l x h) (74 x 1,55 x 1,159) mm Betrieb netzgekoppelt H 2 -Spitzenlastbrenner ja (ca. 2-5 kw) Lebensdauer PEM Stack 4. h Lebensdauer System > 1 Jahre Quelle: inhouse engineering GmbH 6

4 Energetische und wirtschaftliche Bewertung: Randbedingungen Bauteilausführung Außenwand Bodenplatte, Decke zu unbeheizten Räumen Fenster Fenster Kennwert Einheit Wert Wärmedurchgangskoeffizient W/(m²*K),28 Wärmedurchgangskoeffizient W/(m²*K),35 Wärmedurchgangskoeffizient W/(m²*K) 1,3 Gesamtenergiedurchlassgrad -,6 der Verglasung Gebäudedaten Einheit Zahlenwert Grundfläche m² 311 Nutzfläche m² 1123,6 Geschosshöhe m 3,5 Länge m 28 Breite m 11 Wohneinheiten Ergebnisse Simulation Mehrfamilienhaus Darstellung der Energieflüsse im Sankey - Diagramm 8

5 Energetische Simulation - Ergebnisse Darstellung des Nutz-, End- und Primärenergiebedarfs sowie der CO 2 -Emissionen 25 5 Energiebedarf in kwh/(m² a) , 99,45 99,45 126,47 96,4 99,24 52,43 2,68 2,68 25,57 H2-BZ-BHKW "grauer" H2-BZ-BHKW "grüner" 26,88 128,13 98,9 144,9 72,32 11,12 16,87 12,15 48,91 73,5 127,73 72,9 42,72 42,72 42,72 42,72 Anf. GEG 43,8 158,14 Erdgas- BHKW Pelletkessel Sole/Wasser Gasbrennwerttherme Gasbrennwerttherme Wärmepumpe + Solarthermie CO 2 -Emissionen in kg/(m² a) Nutzenergie: Heizung Warmwasser Elektroenergie (Haushalt) Endenergie: Brennstoff Hilfsenergie Elektroenergie Primärenergie/Emissionen: PE (erneuerbar) PE (nicht erneuerbar) CO 2 -Emissionen 9 Wirtschaftliche Bewertung - Annahmen I Energiepreise und Preissteigerungen Endenergieträger Preis in /kwh Preissteigerungsfaktor Erdgas,54 1,2 % Holzpellets,45 1,5 %,57 (grau), %,165 (grün) Elektroenergie,288,1 % Elektroenergie (WP),248,1 % Randbedingungen KWK-Zuschlag Einspeisung: KWK Zuschlag Eigennutzung: EEG-Umlage Kalkulationszinssatz: Preissteigerung (Kapitalgebundene Kosten): Betrachtungszeitraum: 8 ct/kwh 4 ct/kwh 6,3 ct/kwh 1% 3% 2 a 1

6 Wirtschaftliche Bewertung - Annahmen II Herstellungskosten von, (Anzahl) Arbeitspreis in /kwh,3,2,1, Dampfreformierung zentral Dampfreformierung dezentral Elektrolyse Windstrom Elekrolyse PV Biogas Reformierung Quellen: [1-14] 11 Wirtschaftliche Bewertung - Annahmen III Literaturrecherche kosten Quellen: [1] Albrecht, U.; Altmann, M.; Barth, F.; Bünger, U.; Fraile, D.; Lanoix, J.; Pschorr-Schoberer, E.; Vanhoudt, W.; Weindorf, W.; Zerta, M.; Zittel, W.: Study on hydrogen from renewable resources in the EU. Ludwig-Bölkow-Systemtechnik GmbH (LBST) and Hinicio S.A [2] Ajanovic, A.; Haas, R.; Nakicenovic, N.: Wirtschaftliche Aspekte von Öko-. Technische Universität Wien. 25. [3] Bartels, Jeffrey R.; Pate, Michael B.; Olson Norman K.: An economic survey of hydrogen production from conventional and alternative energey sources. In: International Journal of Hydrogen Energy, 35 (21) [4] Bettgenhäuser, K.; Boermans, T.: Umwelteinwirkung von Heizsystemen in Deutschland. Studie im Auftrag des Umweltbundeamts [5] Bertuccioli, L.; Chan, A.; Hart, D.; Lehner, F.; Madden, B.; Standen, E.: Study on development of water electrolysis in the EU. E4tech Sàrl and element energy [6] Doetsch, C.; Grevé A.; Hochloff, P.; Appen, J.; Trost, T.; Gerhardt, N.; Puchta, M.; Jentsch, M.; Schreiber, M.; Rohrig, K.; Meyer, B.; Wendorff, M.; Hashemi, A.; Kanngießer, A.: Metastudie Energiespeicher. Frauenhofer-Institut für Umwelt-, Sicherheits- und Energietechnik (UMSICHT) and Frauenhofer-Institut für Windenergie und Energiesystemtechnik (IWES) [7] Lemus, R.; Duart, J.: Updated hydrogen production costs and parities for conventional and renewable technologies. In: International Journal of Hydrogen Energy. 35 (21) [8] Ludwig-Bölkow-Systemtechnik GmbH: Study on hydrogen from renewable resources in the EU. Studie im Auftrag von Fuel Cells and Hydrogen Joint Undertaking [9] Montenegro Camacho, Y.; Bensaid, S.; Piras, G.; Antonini, M.: Techno-economic analysis of green hydrogen production from biogas autothermal reforming. Springer-Verlag. Berlin, Heidelberg [1] Müller-Langer, F.; Tzimas, E.; Kaltschmitt, M.; Peteves, S.: Technoeconomic assessment of hydrogen production processes for the hydrogen economy for the short and medium term. In: International Journal of Hydrogen Energy, 32 (27) [11] Pregger, T.; Graf, D.; Krewitt, W.; Sattler, C.; Möller, S.: Perspektiven solarthermischer Verfahren zur herstellung. Deutsches Zentrum für Luft und Raumfahrt e.v. Stuttgart. 28. [12] Pregger, T.; Graf, D.; Krewitt, W.; Sattler, C.; Roeb,M.; Möller, S.: Prospects of solar thermal hydrogen production proceses. In: International Journal of Hydrogen energy. 34 (29) [13] Smolinka, T.; Günther, M.; Garche, J.: NOW-Studie Stand und Entwicklungspotential der Wasserelektrolyse zur Herstellung von aus regenerativen Energien. Frauenhofer ISE and FCBAT. 21. [14] Töpler, J.; Lehmann, J.: und Brennstoffzellen Technologien und Marktperspektiven. Berlin, Heidelberg. Springer Verlag

7 Wirtschaftliche Bewertung - Ergebnisse I Investitionskosten 13 Wirtschaftliche Bewertung - Ergebnisse II Gesamtkosten Starker Einfluss des preises Relativ große Variation der Ergebnisse Erlöse im untersuchten Fall vernachlässigbar Gesamtkosten in /(m² a) ,5 Q3 Q2 Q1 16,79 6,1 6,1 2,22 2,22 4,88 4,88 -,13 -,13 grauer grüner Bedarfsgebundene Kosten (Brennstoff und Hilfsstrom) Bedarfsgebundene Kosten (Netzstrom) Betriebsgebundene Kosten Kapitalgebundene Kosten Erlöse Q3 Q2 Q1 14

8 Wirtschaftliche Bewertung - Ergebnisse III Gesamtkostenvergleich 35 3 Bedarfsgebundene Kosten (Brennstoff und Hilfsenergie) Bedarfsgebundene Kosten (Netzstrom) Betriebsgebundene Kosten Kapitalgebundene Kosten Erlöse Gesamtkosten in /(m² a) ,5 16,79 6,33 6,1 6,1 7,43 2,22 2,22 2,49 12,42 4,88 4,88 4,35 5,35 4,56 3,87 H2-BZ-BHKW "grauer" H2-BZ-BHKW "grüner" -,6 5,78 3,62 5,1 12,42 2,68 3,24 12,42 1,46 4,63 12,42,61 1,72 Erdgas- BHKW Pelletkessel Sole/Wasser Gasbrennwerttherme Gasbrennwerttherme Wärmepumpe + Solarthermie Reduktion der Strombezugskosten durch H 2 -BZ-BHKW um 5% möglich Bedarfsgebunde Kosten überwiegen 15 Analyse weiterer Anwendungen im GHD-Sektor Vorgehensweise 1. Beschaffung von Heizlast- und Stromlastprofilen für die energetische Simulation in TRNSYS 2. Simulation in TRNSYS 3. Parameterstudien für die Speicherauslegung und ggf. -optimierung 4. Energetische und wirtschaftliche Bewertung Prinzipiell geeignete Gebäudetypen Grund- und Realschulen Krankenhäuser Kindertagesstätten Altenheime Universitäten Büro- und Verwaltungsgebäude 16

9 Analyse weiterer Anwendungen im GHD-Sektor Jahresdauerlinie und Jahreslastgang für ein MFH 45 4 Leistung in kw Zeit in h Wärme Strom Wärme Jahresdauerlinie Strom Jahresdauerlinie 17 Analyse weiterer Anwendungen im GHD-Sektor Jahresdauerlinie und Jahreslastgang für eine Schule 35 3 Leistung in kw Zeit in h Wärme Strom Wärme Jahresdauerlinie Strom Jahresdauerlinie 18

10 Zusammenfassung und Ausblick Zusammenfassung Voraussetzungen für Gebäudeenergieversorgung mit grünem Klärung offener Sicherheitsfragen (Odorierung) netz H 2 -BZ-BHKW und H 2 -Spitzenlastkessel zu ähnlichen Kosten wie motorische BHKW s Geringe kosten für grünen Eigennutzung der erzeugten Elektroenergie Gebäudeenergieversorgung mit grünem energetisch, wirtschaftlich und ökologisch sinnvoll 19 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit Dipl.-Ing. Andreas Herrmann TU Bergakademie Freiberg Institut für Wärmetechnik und Thermodynamik Gustav-Zeuner-Str Freiberg Andreas.Herrmann@iwtt.tu-freiberg.de Danksagung: Das Vorhaben H2home wird mit Mitteln des Bundesministeriums für Bildung und Forschung unter dem Förderkennzeichen 3ZZ79C im Förderbereich Zwanzig2 - Unternehmen Region - HYPOS gefördert. Die Autoren danken für die finanzielle Unterstützung. 2