Mit der power to gas-speichertechnologie.

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1 RWE Deutschland Erneuerbare Energie effizient nutzen: Mit der power to gas-speichertechnologie. Das Demonstrationsprojekt Power to Gas in Ibbenbüren ist ein Beitrag zur Entwicklung zukünftiger Speichertechnologien für Überschussstrom aus erneuerbaren Quellen. RWE Deutschland AG Kruppstraße 8 Essen T F I QR-Code scannen und weitere Informationen zu Power to Gas erhalten.

2 0 Kolumne Vorworte Vorworte 0 Unsere Energiewende-Projekte. Das Smart Stations-Projekt ibbenbüren: Power to gas für das Gelingen der Energiewende. Bedeutender Baustein zur langfristigen Stromspeicherung. Wir testen die Stromspeicherung im Erdgasnetz, um grüne Energie effizienter zu nutzen. Dr. Arndt Neuhaus Vorsitzender des Vorstandes, RWE Deutschland AG Wir von RWE Deutschland sind traditionell Partner in der Region. Wir sind dort, wo tagtäglich Energiewende stattfindet. Mehr als Erneuerbare-Energien-Anlagen sind bereits an unsere Verteilnetze angeschlossen. Sie speisen dezentral und mit wetterbedingt starken Schwankungen immer mehr Strom aus Sonne und Wind in unsere Netze ein. Um Erzeugung und Verbrauch auch zukünftig sicher im notwendigen Gleichgewicht zu halten, müssen die Netze mit Informations- und Kommunikationstechnologie und innovativen Betriebsmitteln flexibler und leistungsfähiger gemacht und zudem neuartige Speicherlösungen erarbeitet werden. An der Entwicklung der erforderlichen neuen Netzkonzepte und Netzkomponenten beteiligt sich RWE Deutschland als Schrittmacher der Energiewende und Partner in richtungweisenden Modellprojekten. So geht es bei den Smart Stations-Projekten im Münster- und Emsland um intelligente Netzsteuerung und die effiziente Speicherung von grünem Strom. Das Projekt AmpaCity testet den nahezu verlustfreien Stromtransport in Ballungsgebieten. Smart Country und Smart Operator liefern Erkenntnisse und marktreife Bausteine für den sicheren Netzbetrieb bei weiter fortschreitender Integration von erneuerbaren Energien. Zur Flexibilisierung gehören auch Lösungen zur kurzfristigen Zwischenspeicherung von grünem Strom, ob in Batteriespeichern auf Ortsnetzebene oder mit einem Biogasspeicher als Puffer für Überschussstrom. Um die Energiewende-Ziele zu erreichen, sind aber auch langfristige Speicherlösungen erforderlich. Hierzu wird das Demonstrationsprojekt Power to Gas in Ibbenbüren, das zu den Smart Stations-Projekten gehört, konkrete Erkenntnisse liefern. Power to Gas stellt eine neue Verbindung zwischen Strom- und Erdgasnetzen her, damit stromseitig ein Überangebot an grüner Energie nicht verloren geht, sondern gasseitig gespeichert und später bedarfsgerecht eingesetzt werden kann. Dieses Projekt trägt dazu bei, die Herausforderungen der Energiewende zu meistern. Erneuerbare Energien werden weiterhin umfassend ausgebaut werden. Den überwiegenden Anteil werden Photovoltaik und Wind ausmachen, die beide stark witterungsabhängig sind und somit häufig nicht bedarfsgerecht zur Verfügung stehen. Um eine zukünftige Stromversorgung aus erneuerbaren Energien zuverlässig sicherzustellen, müssen deshalb neben intelligenten Netzstrukturen auch langfristige Speichermöglichkeiten geschaffen werden. Nur so kann künftig in größeren Zeiträumen ohne ausgeprägte Stromerzeugung aus erneuerbaren Energien auf das zuvor gespeicherte Überangebot an Strom aus sonnen- und windreichen Zeiten zurückgegriffen werden. Power to Gas stellt eine vielversprechende Perspektive für die Speicherung eines solchen Überangebotes an Strom aus regenerativen Quellen dar. Kein anderes Verfahren bietet Zugang zu Speicherkapazitäten in den Dimensionen, wie sie im Gasnetz bereits heute verfügbar sind. Dies ermöglicht es, grüne Energie langfristig zu speichern und damit effizienter zu nutzen. Unser Demonstrationsprojekt Power to Gas ist ein Meilenstein für die Entwicklung von Speichertechnologien mit großer Kapazität und hohem Nutzungsgrad. Zur Steigerung der Effizienz wird in Ibbenbüren erstmals auch die Prozesswärme der Power to Gas-Anlage genutzt. Herzstück des Projektes ist ein innovativer Elektrolyseur, der aus grünem Strom Wasserstoff erzeugt und diesen in unser Erdgasnetz einspeist. Durch die mehrfache Vernetzung unterschiedlicher Energiesysteme entsteht eine bislang einmalige integrierte Systemlösung mit höchster Energieausnutzung. Dies erfolgt aus einer Hand. Grünstromlieferung über den Vertrieb. Transport von Energie über die Strom- und Gasverteilnetze unseres Verteilnetzbetreibers Westnetz, die Rückverstromung im Blockheizkraftwerk und die Wärmenutzung im Fernwärmenetz in Ibbenbüren über Energiedienstleistungen. So tragen wir von RWE mit unserem Power to Gas-Projekt zur Weiterentwicklung dieser Speichertechnologie als Energiewende-Baustein bei. Dr. Joachim Schneider Vorstand Technik, RWE Deutschland AG Dr. Arndt Neuhaus Dr. Joachim Schneider

3 0 Power to gas-konzept Power to gas-konzept 0 Das Power to Gas-Konzept. EINE INNOVATIVE SPEICHERLÖSUNG für Strom nutzt die Energiesysteme vor Ort. Der Elektrolyseur neben der Gasdruckregel- und Messanlage in Ibbenbüren. Die Energielandschaft in Ibbenbüren bietet durch die Vernetzung von Strom-, Erdgas- und Fernwärmeversorgung optimale Voraussetzungen für eine innovative und effiziente Stromspeicherlösung. Ulrich Bohn, RWE Deutschland AG, Projektleiter Power to Gas Ibbenbüren Eine Besonderheit der Power to Gas-Technologie liegt in ihrer Vielfältigkeit. Neben der Stromspeicherung wie in Ibbenbüren kann das erzeugte Gas auch im Wärme- oder Mobilitätsmarkt eingesetzt werden, und dies CO -neutral. Einbindung in die Versorgungsstrukturen in Ibbenbüren Die Power to Gas-Demonstrationsanlage ist eingebunden in die Versorgungsstrukturen vor Ort. Gasseitig ist sie verbunden mit dem Hochdrucknetz zur Versorgung der Region Ibbenbüren. Stromseitig ist sie an das örtliche Verteilnetz angeschlossen. Dabei wird zum Betrieb der Power to Gas-Anlage ausschließlich grüner Strom eingesetzt. In der Anlage wird elektrische in gasförmig gebundene und wegen des Grünstrombezugs in ebenfalls CO -freie Energie umgewandelt. Bisher war es nur machbar, aus Gas Strom zu erzeugen; nun kann auch eine Energieumwandlung in umgekehrter Richtung erfolgen. Damit wird es möglich, ein zukünftiges Überangebot an Stromproduktion aus regenerativen Quellen dem Stromnetz zu entnehmen und die Energie gasförmig in bereits vorhandenen Erdgasspeichern einzulagern. Ersetztes Erdgas kann gespeichert werden In Zeiten zu hoher Stromerzeugung aus Photovoltaik oder Windkraft erzeugt die Power to Gas-Anlage unter Einsatz von ausschließlich grünem Strom und Wasser auf dem Weg der Elektrolyse Wasserstoff. Dieser grüne Wasserstoff wird an der benachbarten Gasdruckregel- und Messanlage an der Groner Allee in das Erdgasnetz eingebracht und seine Energie bei der Belieferung der Gaskunden im Ibbenbürener Raum genutzt. Gleichzeitig muss nun weniger Erdgas aus dem vorgelagerten Netz nach Ibbenbüren transportiert werden. Es entsteht dort also ein Energieüberschuss, der in Erdgasspeichern eingelagert werden kann. Effizienter Speicherprozess In Zeiten niedriger regenerativer Stromerzeugung können die eingelagerten Gasmengen diesen Speichern wieder entnommen und über das Gasnetz Power to gas im ibbenbürener energiesystem nach Ibbenbüren transportiert werden. Dort werden sie dann rückverstromt. In Ibbenbüren wird dazu ein Blockheizkraftwerk in der Heizzentrale des Fernwärmenetzes genutzt. Der erzeugte Strom wird in das örtliche Netz eingespeist, die anfallende Abwärme in das Fernwärmenetz. Da die bei der elektrolytischen Umwandlung von Strom in Gas anfallende Abwärme in der Gasdruckregel- und Messanlage genutzt wird und bei der Rückumwandlung von Gas in Strom die Abwärme zur Fernwärmeversorgung eingesetzt wird, steigt die Gesamteffizienz des Stromspeicherprozesses deutlich. 8 Angebot und Nachfrage zukünftig ausgleichen Power to gas: Vom Strom- zum Gasnetz Leistung 6 Schwankende Stromerzeugung aus erneuerbaren Energien Stromnetz Wasserstoff Gasnetz Strom 7 Zeit Zukünftiges Stromangebot aus erneuerbaren Energien Zukünftiger Lastverlauf Power to Gas-Anlage Wasserstoff-Zuführung ins Gasnetz Rückverstromung über Kraftwerk, Blockheizkraftwerk Photovoltaikanlagen Windkraftanlagen Elektrolyseur Wasserstoffleitung Gasdruckregelstation 6 Sauerstoff 7 Erdgasspeicher 8 Blockheizkraftwerk

4 06 PEM-elektrolyseur PEM-elektrolyseur 07 Der PEM-Elektrolyseur. das herzstück der demonstrationsanlage: Hier wird aus grünem strom grüner wasserstoff. Das Herzstück der Power to Gas-Anlage ist der Elektrolyseur als Kompaktanlage im Containerformat. Er ist neben der benachbarten Gasdruckregel- und Messanlage platziert. In ihm erfolgt die Umwandlung des grünen Stroms in Wasserstoff. Der Elektrolyseur im Containerformat. Der Prozess im Elektrolyseur Strom Umwandlung mit innovativer Technologie Der in Ibbenbüren eingesetzte Elektrolyseur nutzt die innovative PEM (Proton Exchange Membrane)-Technologie, die bei kleiner Bauweise hohe Wirkungsgrade aufweist. Zugeführt wird dem Elektrolyseur neben Strom auch Wasser, das in der Anlage zunächst zu Reinstwasser aufbereitet wird. Die eigentliche Aufspaltung von Wasser in seine Bestandteile Wasserstoff und Sauerstoff erfolgt in den Zellen der Stacks. Jeweils 7 Zellen bilden einen der drei Stacks des Elektrolyseurs. Sauerstoff Wasserstoff Gasnetz Die drei Stacks des Elektrolyseurs bestehen jeweils aus 7 Zellen. Rund 0 Kubikmeter Wasserstoff pro Stunde Jede Zelle besteht aus zwei Elektroden, zwischen denen sich eine Membran befindet. Auf der Seite der positiv geladenen Elektrode (Anode) eingebrachtes Reinstwasser spaltet sich in Sauerstoff und Protonen auf. Die Protonen wandern dann durch die Membran zur gegenüberliegenden, negativ geladenen Elektrode (Kathode). Dort entsteht durch den Zusammenschluss der Protonen mit Elektronen aus der Kathode Wasserstoff. Der abgespaltene Sauerstoff wird in die Atmosphäre abgelassen. Der Wasserstoff wird nach Trocknung dem Erdgasnetz zugeführt. So wird eine Wasserstoffmenge von rund 0 Kubikmetern pro Stunde erzeugt. Carsten Stabenau, Westnetz GmbH, Technischer Projektleiter, Power to Gas Ibbenbüren Die Nutzung der im Elektrolyse-Verfahren anfallenden Prozesswärme und auch der Abwärme bei späterer Rückverstromung erhöht den Wirkungsgrad des gesamten Speicherprozesses. Vereinfachter Prozess in Einer Zelle Wärme 6 Reinstwasser 7 Wasser Da der Prozess der Elektrolyse zu einer Erhöhung der Wassertemperatur führt, muss das Wasser bei der Zirkulation gekühlt werden. Dies erfolgt mit einem Wärmetauscher, der dem Wasser Wärme entzieht und diese zur Verwertung in die benachbarte Gasdruckregel- und Messanlage leitet. Bei der Power to Gas-Anlage in Ibbenbüren handelt es sich um den ersten Elektrolyseur in Deutschland mit Abwärmenutzung und Einspeisung von Wasserstoff in ein regionales Erdgashochdrucknetz ohne eine gesonderte Verdichtung. Wasser H+ Wasser und Sauerstoff Wasserstoff Gleichrichter Wasserstoffreinigung Wärmetauscher 7 Wasseraufbereitung Anode Kathode Stacks Separator 6 Zirkulationspumpe Membran

5 08 Wasserstoffnutzung Wasserstoffnutzung 09 Die Wasserstoffnutzung. Der wasserstoff wird dem Erdgasnetz zugeführt. das ersetzte Erdgas wird gespeichert. Elektrolyseur neben der Gasdruckregelanlage. Blick in die Gasdruckregel- und Messanlage. Gasvorwärmer. Ein Erdgasnetz ist wie ein Stromnetz in mehreren Ebenen aufgebaut. Netzebenen mit hohen Drücken werden für große Transportdistanzen genutzt und über Gasdruckregelanlagen stufenweise mit Netzebenen immer niedrigerer Drücke verbunden, über die dann die Gaskunden versorgt werden. Platzhalter Olaf Klehn, Westnetz GmbH, Meister Betrieb Gashochdrucknetze Die geringe Beimischung von Wasserstoff zum Erdgas führt bei den Ibbenbürener Gaskunden zu keiner Veränderung der Versorgungsqualität. Der Wasserstoffgehalt des Erdgases wird mit einem Prozessgaschromatographen jederzeit exakt ermittelt. Die Gasdruckregel- und Messanlage an der Groner Allee bezieht Erdgas aus dem vorgelagerten, überregionalen Netz und versorgt hiermit das regionale Hochdrucknetz um Ibbenbüren, das für einen maximalen Druck von 6 bar zugelassen ist. Das ankommende Erdgas wird dazu zunächst gefiltert und dann vorgewärmt. Dies ist erforderlich, da es sich bei der anschließenden Druckreduzierung abkühlt. Wasserstoff-angereichertes Erdgas für die Kunden vor Ort Normalerweise werden als Wärmequellen für die Gasvorwärmung Erdgaskessel eingesetzt. In der Gasdruckregel- und Messanlage wird die ausgekoppelte Abwärme aus dem benachbarten Elektrolyseur zur Gasvorwärmung verwendet. Dies steigert den Gesamtwirkungsgrad der Stromspeicherkette und führt zudem zu einem zukünftig deutlich reduzierten Erdgaseinsatz zur Gasvorwärmung. Der im Elektrolyseur erzeugte Wasserstoff wird im Ausgang dieser Anlage in den Erdgasstrom eingebracht. Damit breitet sich das leicht Wasserstoff-angereicherte Erdgas im Versorgungsraum Ibbenbüren und Umland aus. Die Kunden erhalten ein Gas, das selbstverständlich allen gültigen Vorschriften entspricht. Große Speicherdimensionen nutzen licher Herkunft auch verschiedene Brennwerte, also Ist die Power to Gas-Anlage bei überschüssigem einen unterschiedlichen Energieinhalt je Volumeneinheit. Zur Abrechnung der an die Ibbenbürener Gaskun- grünen Strom in Betrieb, können die durch den Wasserstoff energetisch ersetzten Erdgasmengen den gelieferten Energie muss auch dieser Brennwert ohne Störung des erforderlichen Netzgleichgewichts eindeutig bekannt sein. Da durch die Beimischung von an anderer Stelle dem Gasnetz entnommen und in Wasserstoff eine geringfügige Brennwertveränderung Untertage-Gasspeichern bevorratet werden. Diese hervorgerufen wird, muss der Wasserstoffanteil genau haben sehr große Kapazitäten, die derzeit von keiner ermittelt werden. Dazu kommt als Innovation der erste anderen Speichertechnologie erreicht werden können. eichamtlich abgenommene Prozessgaschromatograph (PGC) zum Einsatz, der auch Wasserstoff als Erdgaskomponente erfasst und dessen Anteil genau misst. Prozessgaschromatograph misst Wasserstoffanteil Erdgas ist ein Naturprodukt, dessen Zusammensetzung sich je nach Förderregion deutlich unterscheiden durch die staatlich anerkannte Prüfstelle der RWE Die geeichte Inbetriebnahme dieser Anlage wurde kann. Aus diesem Grund haben Erdgase unterschied- Metering vorgenommen. Die verbindung von strom- und erdgasnetz Vorgelagertes Erdgasnetz Ibbenbüren Geeichter Prozessgaschromatograph. Mit Wasserstoff angereichertes Erdgas Wasserstoff Strom Regionales Erdgasnetz Erdgasbezugsanlage Gasdruckregel- und Messanlage Erdgasspeicher Elektrolyseur Nutzung des Wasserstoff-angereicherten Erdgases durch Ibbenbürener Energiekunden

6 0 Bilder zum Projekt Bilder zum Projekt Der Standort: Bilder zum Projekt. Mit frischem Wind und intelligenter technik in ibbenbüren energiezukunft gestalten Stadtansicht Ibbenbüren (Wikimedia, J.-H. Janßen). Weiter wachsend: Stromerzeugung aus Windkraft. Photovoltaikanlage auf einem Gebäudedach. Blick in die Gasdruckregel- und Messanlage. Die Power to Gas-Demonstrationsanlage mit der Gasdruckregel- und Messanlage an der Groner Allee (Google Maps Satellit). 6 Die drei Stacks im Elektrolyseur. 7 Der Elektrolyseur im Containerformat neben der Gasdruckregel- und Messanlage. 8 Der Prozessgaschromatograph zur Ermittlung des Wasserstoffanteils im Erdgas. 9 Ibbenbüren, Panorama mit Mauritiuskirche, Christuskirche und Krankenhaus. (Wikimedia, Magnus Manske). 0 Das Blockheizkraftwerk in der Heizzentrale der Fernwärmeversorgung für Ibbenbüren.