Brennstoffzellenaktivitäten bei RWE

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1 Brennstoffzellenaktivitäten bei RWE Essen 4. Juli 2003 Dr. Werner Löffler RWE Fuel Cells GmbH 1 1

2 Inhalt Grundlagen der Brennstoffzellen-Technologie Strategie, Visionen, Potenziale aus Sicht der RWE Brennstoffzellen als Beitrag zur Klimavorsorge Demonstrationsanlagen der RWE: Brennstoffzellenpavillon am Meteorit Zusammenfassung 2 2

3 Der RWE-Konzern 3 3 RWE Group / Kerngeschäft / Juli 2002 RWE

4 Führende Positionen im internationalen Versorgungsgeschäft Strom Nr. 1 in Deutschland Nr. 2 in Großbritannien No. 3 in Europa Jährliche Abgabe von 278 TWh (1) Gas Nr. 2 in Deutschland Nr. 3 in Großbritannien Nr. 5 in Europa Jährlicher Absatz von 360 TWh Wasser / Abwasser Nr. 3 weltweit Nr. 1 in GB / D Nr. 1 in USA Kunden: 69 Mio. Abfall No. 1 in Deutschland Kunden (2) : 16 Mio. (1) Kalenderjahr 2001; Netto-Differenz des veröffentlichten Umsatz aus Energiehandels Operationen (unkorrigiert: 354 TWh) (2) Über ca. 150 kommunale Kunden 4 4

5 Grundlagen der Brennstoffzellen-Technologie 5 5

6 Energiesituation Die fossilen Brennstoffe sind endlich Die Ressourcen werden knapper Der Energieverbrauch steigt weltweit an Zielsetzungen im Kyoto Climate Change Protocol Wir brauchen neue Technologien 6 6

7 Der Markt für dezentrale Erzeugung und BZ-Anlagen Bis 2015 ist eine Verdopplung des Anteils dezentraler Stromerzeugung auf ca. 30 % zu erwarten Denkbar ist ein Brennstoffzellen-Anteil von 10 % an der deutschen Gesamtstromerzeugung 7 7

8 Was ist eine Brennstoffzelle? Wärme mechanische Energie Chemische Energie Brennstoff- Anode Cathode H H + 2 O 2 zelle Electrolyte H 2 O elektrische Energie 8 8

9 Wie funktioniert eine Brennstoffzelle? umgekehrte Elektrolyse (PEM-Zelle) H 2 4e- H 2 O 2H 2 4H + + 4e Elektrolyt O 2 + 4e - 2O 2-4 H + Anode Kathode Brutto-Reaktion 2 H 2 + O 2 => 2 H 2 O H 2 O 2 9 9

10 Brennstoffzelle Funktionsprinzip PEMFC* *PEMFC - Polymerelektrolytmembran Brennstoffzelle 10 10

11 Brennstoffzellentypen Typ el. Systemwirkungsgrad (Betriebstemperatur) Elektrolyt HTBZ S O F C 55 % (900 C) M C F C 55 % (650 C) Oxidkeramik Karbonatschmelze Solid Oxide Fuel Cell Molten Carbonate Fuel Cell NTBZ P A F C 40 % (200 C) Phosphorsäure P E M F C % (80 C) Polymermembran Phosphoric Acid Fuel Cell Proton Exchange Membrane Fuel Cell PEMFC Der Elektrolyt ist eine Polymermembran MCFC Der Elektrolyt ist eine Salzschmelze. SOFC Der Elektrolyt ist eine Keramik Anode Kathode H

12 Strom und Wärme aus Brennstoffzellen Ablaufschema Brennstoffzelle (vereinfacht) CO2-freie Wasserstofferzeugung (Elektrolyse) H 2 Vorteile g hoher Gesamtwirkungsgrad durch Einsatz von Kraft-Wärme-Kopplung g elektrisches Wirkungsgradpotenzial > 50% für Leistungen ab 100 kw > 30% für Leistungen bis 10 kw Erdgas Kohlegas Biogas Reformer Brennstoffzelle Strom g konstanter Wirkungsgrad im Teillastbereich g geringe Emissionen g wartungsarm Benzin Methanol H 2 g geräuscharm g modularer Aufbau Wärme 12 12

13 Strategie, Visionen, Potenziale aus Sicht der RWE 13 13

14 Einsatzbereiche der Brennstoffzellen- Technologie Focus RWE stationär produzierendes Gewerbe/Industrie öffentliche Gebäude und Büros private Haushalte Inselsysteme unterbrechungsfreie Stromversorgung mobil Kleinstaggregate, z. B. für Handys, Laptops... Automobil-Bereich: Batterieersatz, Antrieb 14 14

15 Produktkonzept RWE und Partner bieten professionelle Lösungen aus einer Hand Versorgung von Gewerbe- und Industrieunternehmen sowie Hausenergieversorgung Modular aufgebautes Dienstleistungskonzept 15 15

16 Zusammenarbeit mit Partnern Kompetenzen RWE Lastmanagement, Netzanbindung Einbindung BZ in Fullservice-Paket konzerneigene Vertriebskanäle Engineering Betriebsführung Komponentenfertigung Kompetenzen Technologiepartner (MTU, SWPC,...) Kundenzugang Dienstleistungen zusätzliche Vertriebskanäle Kompetenzen Vertriebspartner (Installateure, kommunale / regionale EVU,...) 16 16

17 Zeitachse Markteinführung Hausenergie Nennenswerte Marktanteile 2005/6 Markteinführung Industrie/Gewerbe Heute 17 17

18 Brennstoffzellen als Beitrag zur Klimavorsorge 18 18

19 Treiber für die Entwicklung der Brennstoffzelle Wirtschaftliche Aspekte hoher elektrischer Wirkungsgrad > 50% für Leistungen ab 100 kw > 35% für Leistungen bis 10 kw annähernd konstanter Wirkungsgrad im Teillastbereich hohe Stromkennzahl (Verhältnis elektr. zu therm. Leistung) geringe Wartungskosten Ökologische Aspekte CO 2 -Emissionen können gesenkt werden hoher Gesamtwirkungsgrad reduziert Primärenergieverbrauch Brückentechnologie in die Wasserstoffwirtschaft 19 19

20 Ökologisches Potenzial der Brennstoffzellentechnologie Reduktionspotenzial durch: Wechsel auf Erdgas hohe elektrische Wirkungsgrade zusätzliches KWK-Potenzial dezentrale Erzeugung vermindert Transportverluste Reduzierung der CO 2 -Emissionen durch den Einsatz von Brennstoffzellen Bei einem möglichen Anteil der Brennstoffzelle von zehn Prozent an der deutschen Stromerzeugung in 2015 könnten im Vergleich zum heutigen Kraftwerksmix ca. 20 Mio. Tonnen CO 2 pro Jahr und im Vergleich zu heutigen Kohlekraftwerken sogar bis zu 50 Mio. Tonnen CO 2 pro Jahr eingespart werden

21 Demonstrationsanlagen der RWE Der Brennstoffzellenpavillon am Meteorit 21 21

22 Brennstoffzellenpavillon im RWE-Park Meteorit Zeitplan SOFC/GT Hybrid-System MCFC-Prototyp g Oktober 2000 g Juni 2001 g 17. August 2001 g April 2002 g Sept g ab Mitte 2003 Baubeginn Atmosphärisches 100 kw SOFC-System Eröffnung Meteorit-BZ-Pavillon 250 kw-mcfc-prototypanlage 3,5 kw-pemfc Hausenergie druckaufgeladene 300 kw-sofc-anlage seit der Eröffnung ca Besucher pro Monat 22 22

23 SOFC-Brennstoffzelle von Siemens- Westinghouse Projektpartner: Thyssengas, ENEL, Siemens Westinghouse Projektvolumen: ca. 15 Mio. EUR; Land NRW 2,6 Mio. EUR Juni 2001 bis Ende kw SOFC atmosphärisch Betriebsstunden η el = 46 % ab Mitte kw SOFC/GT druckaufgeladen η el > 55 % 23 23

24 MCFC-Brennstoffzelle von MTU Projektpartner: MTU / Daimler Chrysler Projektvolumen: ca. 4 Mio. EUR; BMWi ca. 2 Mio. EUR MCFC-Prototyp Hot Module 250 kw el ; atmosphärisch seit April 2002: h (8.3.03) bisher max. 235 kw el η el = 46 % 24 24

25 MTU Hot Module -Anlagenverfügbarkeit 100 Verfügbarkeit [%] Umrüsten der Anlage. 0 Apr 02 Mai 02 Jun 02 Jul 02 Aug 02 Sep 02 Okt 02 Nov 02 Dez 02 Jan 03 Feb 03 Mrz 03 Apr

26 Netzeinbindung / Versorgung Meteorit Strom Absorptions-Kälteanlage/ Wärmeversorgung 250 kw el ca. ca. 300 kw el ca. ca. 170 kw th 120 kw th Wärme Meteorit Verbrauch: 360 kw el / 180 kw th Fernwärmenetz MCFC SOFC Pavillon Absorptions-Kälteanlage 26 26

27 PEMFC-Brennstoffzelle von NUVERA NUVERA Powerstream - Installation Feb Abnahmetest 48 h im Sept ,5 kw el ; - η el = 27 % - Volumen: 1,4 m³ - Gewicht: 600 kg Ziele -Anwendung im Mehrfamilienhaus (> 6 WE), Kleingewerbe und kleinere Bürogebäude -4,6 kw el -η el > 35 %, η ges > 80 % -Volumen: 0,85 m³ -Gewicht: 250 kg 27 27

28 SOFC-Brennstoffzelle von Sulzer-Hexis HXS 1000, 1 kw el Betrieb ab April 2002 Betriebstemperatur: 900 C Inverter, Spitzenkessel und Warmwasserspeicher integriert Projektpartner: Thyssengas Sulzer Hexis Feldtestanlage g seit 1998 bei Thyssengas h g max. Stacklebensdauer h g η el = 25 %, η ges > 80 % 28 28

29 Energiebereitstellung mittels Brennstoffzelle (modellhafte Betrachtung eines 12 Wohneinheiten Mehrfamilienhauses, Jahreswerte) Mehrfamilienhaus 12 WE Strombedarf: kwh/a Verluste 24 % Strombezug (extern) Wärmebedarf: kwh/a 45 % Brennstoffzelle - 23 % 37 % 76 % 100% Strombedarf Erdgasbezug 4,6 kw el 40 % 27 % Stromeinspeisung ins Netz möglich Beispielrechnung für 55 % Spitzenkessel 73 % 100% Wärmebedarf stromgeführten Betrieb, wärmegedeckelt, 31 kw th 85 % ohne Netzeinspeisung 15% Verluste 29 29

30 Gewerbe-/Industrieanwendungen Entwicklungsziele bis zur kommerziellen Markteinführung Erhöhung der Lebensdauer und Minimierung der Störanfälligkeit Verkleinern der Abmessungen bei gleichzeitiger Leistungssteigerung Vereinfachung der peripheren Anlagen Entwicklung und Optimierung für Sondergas-Anwendungen Optimierung der Betriebsweise für verschiedene Anwendungsfälle und Kunden Weitere Demonstrationsprojekte bis zur Marktreife erforderlich

31 Hausenergieanwendungen Entwicklungsziele bis zur kommerziellen Markteinführung Erreichung der Kostenziele Vereinfachung der Gasbehandlung und MSR/ E-Technik Verwendung kostengünstiger Materialien Erhöhung der Lebensdauer Ziel: h Optimierung der Lastspreizung und des Teillastverhaltens Verbesserung der Kaltstartzeiten und Dynamik SOFC oder PEMFC? Aus RWE-Sicht ist noch nicht abzusehen, welche Technologie die Anforderungen insgesamt besser erfüllen kann 1. Weitere technische Optimierung unter Laborbedingungen notwendig. 2. Feldtests unter realen Anforderungen danach zwingend erforderlich

32 Zusammenfassung Die BZ-Technologie hat das Potenzial für einen erheblichen Anteil an der dezentralen Stromerzeugung hohe Wirkungsgrade und Kraft-Wärme-Kopplung leisten Beitrag zur Klimavorsorge Demoanlagen bestätigen das technische Potenzial der Brennstoffzellentechnologie Für den kommerziellen Einsatz sind anlagentechnische Optimierungen notwendig RWE Fuel Cells plant weitere Projekte bei Kunden Förderung in der Markteintrittsphase erforderlich 32 32