Wasserelektrolyse:

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1 Wasserelektrolyse: Praxiserfahrungen im Modellprojekt Brandenburgische Technische Universität (BTU) Cottbus Lehrstuhl Kraftwerkstechnik Prof. Dr.-Ing. Hans Joachim Krautz, Dipl.-Ing.(FH) Christian Ziems

2 Überblick 01 Kurzdarstellung der BTU Cottbus 02 Chancen und Herausforderungen der EE 03 H 2 -Forschungszentrum der BTU Cottbus 04 Modellprojekt 1: Druckelektrolyse-Prototyp 05 Modellprojekt 2: Einzelzell-Versuchsstand 2

3 01 Kurzdarstellung der BTU Cottbus Überblick 3

4 Forschungsprofil Schwerpunkte FOCAL AREAS ENVIRONMENT BUILDING ENERGY MATERIALS INFORMATION AND COMMUNICATION TECHNOLOGY 01 Kurzdarstellung der BTU Cottbus - Forschungsprofil 4

5 Lehrstuhl Kraftwerkstechnik Konventionelle Kraftwerkstechnologien 0,5 MW Oxyfuel-Testanlage Laborhalle ALVA 20 - Brennerversuchsstand Kraftwerk Jänschwalde Kraftwerk Schwarze Pumpe 30 MW Oxyfuel-Pilotanlage 01 Kurzdarstellung der BTU Cottbus - Lehrstuhl Kraftwerkstechnik 5

6 Lehrstuhl Kraftwerkstechnik Regenerative Energien H 2 -Forschungszentrum Grundsteinlegung des H 2 -Forschungszentrum Komplexversuchsstand Regenerative Energien Windkraftrad Druckelektrolyse-Prototyp Druckelektrolyse-Prototyp 01 Kurzdarstellung der BTU Cottbus - Lehrstuhl Kraftwerkstechnik 6

7 02 Chancen und Herausforderungen der EE 7

8 Herausforderungen der Energiewende Verteilung der Bruttostromerzeugung vs. Energiebedarf und -bereitstellung Fossile Energieträger Windenergie 02 Chancen und Herausforderungen der EE - Herausforderungen der Energiewende 8

9 Nachhaltige Bereitstellung Regenerativer Energien Energiemix 02 Chancen und Herausforderungen der EE - Nachhaltige Bereitstellung Regenerativer Energien 9

10 03 H 2 -Forschungszentrum der BTU Cottbus 10

11 Feierliche Grundsteinlegung Beginn der Baumaßnahmen Tag der Grundsteinlegung: H 2 -Forschungszentrum der BTU Cottbus - Feierliche Grundsteinlegung 11

12 Baufortschritte und Infrastrukturvorbereitung Ausgewählte Bilder 03 H 2 -Forschungszentrum der BTU Cottbus - Baufortschritte und Infrastrukturvorbereitung 12

13 Feierliche Eröffnung und Inbetriebnahme H 2 -Forschung BTU Cottbus 4. Juni 2012 Eröffnung des H 2 - Forschungszentrums an der BTU Cottbus Feierliche Inbetriebnahme des alkalischen 60 bar Druckelektrolyse- Prototypen 03 H 2 -Forschungszentrum der BTU Cottbus - Feierliche Eröffnung und Inbetriebnahme 13

14 04 Modellprojekt 1: Druckelektrolyse-Prototyp 14

15 F&E-Verbundvorhaben Schwerpunkt: Alkalische Elektrolysetechnologie F&E-Verbundvorhaben: Wasserstofferzeugung aus Regenerativen Energiequellen [Projektlaufzeit: ] Projektteil ENERTRAG: Errichtung des Hybridkraftwerk Uckermark Grundsteinlegung: 21. April 2009 Inbetriebnahme: 25. Oktober 2011 Projektteil BTU Cottbus: Komplexerprobung und Optimierung der H 2 - Erzeugung aus fluktuierender Windenergie mittels Druckelektrolyse und Speicherung der Produktgase 04 Modellprojekt 1: Druckelektrolyse-Prototyp - F&E-Verbundvorhaben 15

16 F&E-Verbundvorhaben F&E Verbundvorhaben Forschungsziele BTU Cottbus 1. Installation und Inbetriebnahme des alkalischen DruckelektrolysePrototypen 2. Computergestützte Abbildung des Betriebsverhaltens sowie des thermischen Managements der Druckelektrolyseanlage 3. Entwicklung eines Anlagensteuerungs-/regelungssystems zur Unterstützung der Netzintegration fluktuierender Windenergie 4 Anlagensicherheit und Risikoanalyse (Lehrstuhl Anlagen- und 4. Sicherheitstechnik) 5. Untersuchung unterschiedlicher Varianten der Speicherung 6. Analyse der Wasserstoffdistribution (Transport und Logistik) 04 Modellprojekt 1: Druckelektrolyse-Prototyp - F&E-Verbundvorhaben 16

17 Erprobung einer Druckelektrolyseanlage der nächsten Generation Betriebsdruck 60 bar Kennwerte des 140 kw Prototypen: Elektrolyt: wt% KOH Variabler Betriebsdruck bis zu 60 bar Prozesstemperatur: C Asbestfreie Membranen Einzelzellspannungsmessung ll Druckkapseldesign Produktionskapazität: 20 Nm³ H 2 /h (max. 30 Nm³ H 2 /h) Max. Stromdichte 6,000 A/m² Gasqualität von 5.0 ( %) nach Gasreinigungs- und Trockungsprozess 04 Modellprojekt 1: Druckelektrolyse-Prototyp - Erprobung einer Druckelektrolyseanlage der nächsten Generation 17

18 Hauptkomponenten der Druckelektrolyseanlage Ausgewählte Bilder 04 Modellprojekt 1: Druckelektrolyse-Prototyp - Hauptkomponenten der Druckelektrolyseanlage 18

19 Lieferung und Installation des Druckelektrolyse DruckelektrolysePrototypen sowie des Wasserstoffspeichertanks Ausgewählte Bilder 04 Modellprojekt 1: Druckelektrolyse-Prototyp - Lieferung und Installation des Druckelektrolyse-Prototypen und des Wasserstoffspeichertanks 19

20 Nebenanlagen und -komponenten Ausgewählte Bilder 04 Modellprojekt 1: Druckelektrolyse-Prototyp - Nebenanlagen und -komponenten 20

21 Simulation und Modellierung ausgewählter Parameter Prozesse Druck, Temperatur ELA, Temperatur Frischwasser, Konzentration KOH, Elektrodenabstand, Elektrodenoberfläche usw. 04 Modellprojekt 1: Druckelektrolyse-Prototyp - Erprobung einer Druckelektrolyseanlage der nächsten Generation 21

22 Simulation und Modellierung ausgewählter Parameter Steuerung und Regelung Wasserstoffproduktion Prognose Grundlast EEX-Einspeisung Ei i (Spitzenlast) t) 04 Modellprojekt 1: Druckelektrolyse-Prototyp - Erprobung einer Druckelektrolyseanlage der nächsten Generation 22

23 Versuchsprogramm 04 Modellprojekt 1: Druckelektrolyse-Prototyp - Erprobung einer Druckelektrolyseanlage der nächsten Generation 23

24 05 Modellprojekt 2: Einzelzell-Versuchsstand 24

25 Konzeptionelles Design des Einzelzell-Versuchsstandes Frontale Prozessbeobachtung Eckdaten des Einzelzell-Versuchsstandes: Elektrolytkonzentration: wt% KOH Variabel regelbarer Betriebsdruck zwischen 1-30 bar Prozesstemperatur: C Austauschbare Membranen und Elektroden Zellspannungsmessung Stromdichte: Nominal 4 ka/m² = 100 % Dauerbetrieb 6 ka/m² = 150 % Überlast 20 ka/m² = 500 % Lastbereich: 5-500% Produktionskapazität: 0.2 Nm³ H 2 /h (max. 1 Nm³ H 2 /h) 05 Modellprojekt 2: Einzelzell-Versuchsstand - Konzeptionelles Design des Einzelzell-Versuchsstandes 25

26 Konzeptionelles Design des Einzelzell-Versuchsstandes Seitliche Prozessbeobachtung Prozessbeobachtung: Endoscop-Kamera: Auflösung = 1920 px Bildfrequenz = fps Optik: Gasblasenentstehung = pixel size 100 nm Blasenablöseprozess = pixel size 1µm Frei Blasenaufstieg = pixel size 10 µm Untersuchungsschwerpunkte: Abhängigkeiten von Stromdichte und Blasenverhalten (Entstehung, Ablöseprozess, Aufstieg) Koaleszenzverhalten lt Untersuchung des M-E-Abstandes bei unterschiedlichen Stromdichten 05 Modellprojekt 2: Einzelzell-Versuchsstand - Konzeptionelles Design des Einzelzell-Versuchsstandes 26

27 Ausblick Herausforderungen Bedarfsgerechte Steuerung aller Systemkomponenten 1. Systemintegration 2. Steuerungsstrategien Verbesserung und Optimierung der Systemkomponenten 1. Elektrolyse: Erhöhung Effizienz (derzeit bei 79%, bezogen auf HHV H 2 2) Verbesserung Preis/Leistungsverhältnis Erweiterung Betriebsbandbreite <5% bis 100% Anpassung an WKA-Erfordernisse: DC-DC-Kopplung Wärmemanagement / Aufrechterhaltung Systemtemperatur während des Standby Aktivitäten 1. Flughafen BER 2. Performing Energy 04 Modellprojekt 1: Druckelektrolyse-Prototyp - Erprobung einer Druckelektrolyseanlage der nächsten Generation 27

28 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! Prof. Dr.-Ing. H. J. Krautz MZG Universitätsstraße Cottbus T +49 (0)355/ F +49 (0)355/ E krautz@tu-cottbus cottbus.de I