P2G: Power-to-Gas Energetik, Dynamik, Systemdesign, Akzeptanz

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1 Leopoldina-Symposium Energiespeicher Halle, 6. Februar 2014 P2G: Power-to-Gas Energetik, Dynamik, Systemdesign, Akzeptanz Kai Sundmacher Max-Planck-Institut für Dynamik komplexer technischer Systeme, Sandtorstr. 1, D Magdeburg, Max-Planck-Institut DKTS

2 Bruttostromerzeugung aus Erneuerbaren Energiequelle (Deutschland) 2013: 77,05 TWh el Quelle: BMWi-Bericht, Energie in Deutschland, Feb Prof. Dr.-Ing. K. Sundmacher P2G: Power-to-Gas Leopoldina-Symposium, 6. Februar

3 Installierte Stromerzeugungskapazitäten in GW (Deutschland) 2005: 131 GW Wind + PV: 15,1% 2011: 167 GW Wind + PV: 31,7% Prognose 2020: > 100 GW Leistung aus Windkraft + Photovoltaik Quelle: BMWi-Bericht, Energie in Deutschland, Feb Prof. Dr.-Ing. K. Sundmacher P2G: Power-to-Gas Leopoldina-Symposium, 6. Februar

4 Szenario 2050: 100% Versorgung aus Erneuerbaren Energien Quelle: J. Schmidt, IEWS, Fraunhofer Gesellschaft, 2011 Prof. Dr.-Ing. K. Sundmacher P2G: Power-to-Gas Leopoldina-Symposium, 6. Februar

5 Speicherung elektrischer Energie (*Speicherdruck: 200 bar) Wandler 1 Wandler 2 P el Fl. Kraftstoffe kwh/m 3 Erdgas* kwh/m 3 Wasserstoff* 530 kwh/m 3 Batterien kwh/t Druckluft* 29 kwh/m 3 Zeit Verbraucher Haushalte Industrie Elektr. Verkehr Wasser 3,3 kwh/m 3 Prof. Dr.-Ing. K. Sundmacher P2G: Power-to-Gas Leopoldina-Symposium, 6. Februar

6 Speicherung elektrischer Energie Quelle: Siemens AG, PRO H2 Technology Forum, Hannover, 2. Oktober 2011 Prof. Dr.-Ing. K. Sundmacher P2G: Power-to-Gas Leopoldina-Symposium, 6. Februar

7 Power-to-Hydrogen-to-Power P el,in Wasserspaltung Sauerstoff O 2 Q Wasser O Wasserstoff, Speicher Wasserstoff, Sauerstoff O 2 Q Verbrennung Wasser O P el,out -Pipelines Elektrisches Netz Wirkungsgrad? Skalierbarkeit? Dynamik? Elektrisches Netz Prof. Dr.-Ing. K. Sundmacher P2G: Power-to-Gas Leopoldina-Symposium, 6. Februar

8 Wasserspaltung: Exergieanalyse * Abwärme: Q = 27,7 MW Sauerstoff:. V O2 = 3,14 m N3 /s E O2 = 0,5 MW Elektrische Leistung: P el,in = 100 MW Wirkungsgrad Elektrolyse: Prev U rev el % P U el el Wirkungsgrad Thermolyse: RGrev thermo % G R Wasser- Spaltung Wasser. (flüssig): m H2O = 16,4 t/h E H2O = 0,25 MW Wasserstoff:. V H2 = 6,27 m N3 /s E H2 = 59,7 1 bar, 25 C * Anmerkung: Alle stoffgebundenen Energieflüsse berechnet für 1 bar, 25 C Prof. Dr.-Ing. K. Sundmacher P2G: Power-to-Gas Leopoldina-Symposium, 6. Februar

9 Wasser-Elektrolyse: AEL vs. PEMEL Anode + Kathode - Anode + Kathode - Ni ½ O 2 + O Ni/Co/Fe 2OH - 2 O Diaphragma Gew.% KOH Iridium ½ O 2 O 2 H + Platin Saure Polymer- Elektrolyt- Membran (PEM) Temperatur C C Betriebsdruck < 32 bar < 85 bar Leistung < 100 MW < 100 kw -Produktion < 700 m N,H23 /h < 50 m N,H23 /h Dynamik moderat schnell Prof. Dr.-Ing. K. Sundmacher P2G: Power-to-Gas Leopoldina-Symposium, 6. Februar

10 Wasser-Elektrolyse: AEL vs. PEMEL Anode + Kathode - Anode + Kathode - Ni ½ O 2 + O Ni/Co/Fe 2OH - 2 O Diaphragma Gew.% KOH Iridium ½ O 2 O 2 H + Platin Saure Polymer- Elektrolyt- Membran (PEM) Langzeitstabilität hoch steigern! Katalysatoren Nichtedelmetalle Pt, Ir ersetzen! Systemgröße reduzieren! bereits kompakt Scale-up 3 MW 100 MW 100 kw 1 MW Kosten Betr.-kosten reduzieren! Invest.-kosten reduzieren! Prof. Dr.-Ing. K. Sundmacher P2G: Power-to-Gas Leopoldina-Symposium, 6. Februar

11 PEM-Elektrolyseur (PEMEL) MEA: Membrane Electrode Assembly O 2 Gasdiffusionslagen Einzelzelle Stack Wichtige Aspekte: O O 2 e - Anode H + MEA e - Kathode O Bipolarplatten/ Flow Fields Kühlung des Stacks mittels Wasser-Zirkulation Wasser-Entionisierung per Ionentauscher (< 1 S/cm) Spezifischer Energiebedarf 3,5 kwh / m N,H2 3 O Prof. Dr.-Ing. K. Sundmacher P2G: Power-to-Gas 2 Leopoldina-Symposium, 6. Februar

12 PEM-Elektrolyse vs. Alkalische Elektrolyse: Spezifischer Energiebedarf Quelle: T. Smolinka et al., NOW-Studie Stand und Entwicklungspotenzial der Wasserelektrolyse (2011) Prof. Dr.-Ing. K. Sundmacher P2G: Power-to-Gas Leopoldina-Symposium, 6. Februar

13 PEM-Wasserelektrolyse: Alternative Prozesspfade Offene Fragen: Pressure [bar] p deliv p ely 1. Optimale Prozessroute? - Hoch-p-Elektrolyse (symmetrisch) - Hoch-p-Elektrolyse (asymmetrisch) - Atmosphärische Elektrolyse 2. Optimaler Ausgangsdruck? Einflussfaktoren: -Speicherdruck 10 0 O Extent of reaction p amb Nachfolgende Prozesse (z.b. Methanisierung) Betriebsmodus (stat./dyn.) Wirkungsgrade der Einzelschritte Quelle: B. Bensmann, I. Pena-Arias, R. Hanke-Rauschenbach, K. Sundmacher, Electrochimica Acta (2013) Prof. Dr.-Ing. K. Sundmacher P2G: Power-to-Gas Leopoldina-Symposium, 6. Februar

14 PEM-Wasserelektrolyse: Energetische Bewertung Energy demand [kj/mol] T ely = 60 C V = 500 mv (@1 A/cm 2 ) k H2 = mol/(s m bar) η isen η mech = 0.72 Pressure O 2 PIC Spatial coordinate Hydrogen cross-over delivery pressure [bar] Quelle: B. Bensmann, I. Pena-Arias, R. Hanke-Rauschenbach, K. Sundmacher, Electrochimica Acta (2013) Prof. Dr.-Ing. K. Sundmacher P2G: Power-to-Gas Leopoldina-Symposium, 6. Februar

15 PEM-Wasserelektrolyse: Energetische Bewertung Energy demand [kj/mol] T ely = 60 C Hoch-p (symmetr.) Pfad Exergieverlust durch O 2 -Verdichtung High-p (asymmetr.) Pfad Exergieverlust infolge -Permeation durch PEM Atmosphärischer Pfad Exergieverlust durch nichtisotherme Verdichtung delivery pressure [bar] Quelle: B. Bensmann, I. Pena-Arias, R. Hanke-Rauschenbach, K. Sundmacher, Electrochimica Acta (2013) Prof. Dr.-Ing. K. Sundmacher P2G: Power-to-Gas Leopoldina-Symposium, 6. Februar

16 PEM-Wasserelektrolyse: Robuste Optimierung unter Unsicherheiten Electrolyser pressure, p ely [bar] p ely =p deliv (no mechan. compression) +0.5 kj/mol +6 kj/mol +3 kj/mol +0.3 kj/mol Optimale Kurve Energieoptimaler Pfad: Asymmetrische PEMEL (10-20 bar -Druck) + gekühlte mehrstufige -Kompression Materialbedarf: Polymerelektrolyt- Membranen mit niedriger -Permeabilität Delivery pressure, p deliv [bar] Quelle: B. Bensmann, I. Pena-Arias, R. Hanke-Rauschenbach, K. Sundmacher, Electrochimica Acta (2013) Parametrische Unsicherheiten ( V, k H2, η isen η mech ) Prof. Dr.-Ing. K. Sundmacher P2G: Power-to-Gas Leopoldina-Symposium, 6. Februar

17 Power-to-Hydrogen: Speicherung des erzeugten Wasserstoffs Sauerstoff O 2 Mehrstufige gekühlte Verdichtung (T max = 450 K wegen Materialversprödung) P el,in Elektrolyse Speicher Wasser O Wasserstoff, Prof. Dr.-Ing. K. Sundmacher P2G: Power-to-Gas Leopoldina-Symposium, 6. Februar

18 Salzkavernen als Gasspeicher in Deutschland Erdgas-Speicher Porengestein: n = 45 Aktives Volumen: V = 12,5 Mrd. m 3 Erdgasspeicher Salzkaverne: n = 173 Aktives Volumen: V = 7,8 Mrd. m m p max = 200 bar p min = 60 bar Prof. Dr.-Ing. K. Sundmacher P2G: Power-to-Gas Leopoldina-Symposium, 6. Februar

19 Nutzung des gespeicherten Wasserstoffs Kavernen- Speicher Gasaufbereitung: - Trocknung ( O < 10 ppm) - Abscheidung Salzaerosole Wasserstoff, Erdgas-Netz (max. 2 5% gemäß DVGW- Regelwerken) Luft / O 2 Verbrennung Wasser O Wasserstoff- Pipelines Synthetisches Erdgas (SNG) P el,out Gasturbinen / GUD (stationär; < 0,57) für CH4 etabliert -Betrieb entwickeln! Brennstoffzellen (mobil / stationär; = 0,4 0,5) Kosten senken! Scale-up! Chemische Prozesse Raffinerien Metallurgische Prozesse Methan Methanol MTG Fischer-Tropsch Prof. Dr.-Ing. K. Sundmacher P2G: Power-to-Gas Leopoldina-Symposium, 6. Februar

20 BMBF-Verbundprojekt HYPOS: Hydrogen Power Storage & Solutions East Germany Förderprogramm Zwanzig20 ( ) 90 Partner, vornehmlich aus den 5 NBL (Industrie, Unis, Forschungsinstitute) 90 Mio. Gesamtvolumen (50% BMBF, 50% Industrie: Siemens, Linde, VNG, u.a.) Bad Lauchstädt VNG Gasspeicher: in Bad Lauchstädt: Drei neue Salzkavernen mit Arbeitsgasvolumen von 195 Mio. m 3 (Fertigstellung 2022) Prof. Dr.-Ing. K. Sundmacher P2G: Power-to-Gas Leopoldina-Symposium, 6. Februar

21 Methanisierung von Wasserstoff: Grundidee Motivation: Methanisierung von Wasserstoff ermöglicht Speicherung und Verteilung erneuerbarer Energien über das bestehende Erdgasnetz. Methanisierung: 4 + CO 2 CH O 1) Chemo-katalytische Route (Sabatier-Prozess: Gasphase) CO bar C Q CH 4 O Robuster Prozess Kat.: Ni/ -Al 2 O 3 ; Ru/ -Al 2 O 3 Wasserkondensation CH 4 Wasser, O Solar Fuel, Patent DE A1 (2011) 2) Bio-katalytische Route (Methanogenese: Flüssigphase) 1 bar 60 C Vollständiger /CO 2 -Umsatz Reines CH 4 als Produkt kein CO interne Kühlung A. Bensmann et al. (2014), Energy Environm. Sci., submitted Prof. Dr.-Ing. K. Sundmacher P2G: Power-to-Gas Leopoldina-Symposium, 6. Februar

22 Sabatier-Prozess: Wirkungsgrad P el = 100 MW Kohlendioxid, CO 2 N CO2 = 63,25 mol/s E CO2 = 1,53 MW p = 1 bar P v,1 = 1,4 MW Isotherme Kompression Q v,1 Wasserstoff, N H2 = 253,0 mol/s E H2 = 59,7 MW p = 1 bar Meth 75%...82% p = 6 bar T = 450 C Sabatier- Prozess Syn. Methan, CH 4 N CH4 = 63,25 mol/s E CH4 = 53,1 MW p = 84 bar Kondensation Wasser, O N H2O = 126,5 mol/s E H2O = 0,1 MW p = 1 bar Q v,2 Isotherme Kompression P v,2 = 0,4 MW Q M = 11,2 MW Prof. Dr.-Ing. K. Sundmacher P2G: Power-to-Gas Leopoldina-Symposium, 6. Februar

23 Prozessvergleich: -Route vs. CH 4 -Route 100 MW Wasser O Elektrolyse Sauerstoff O 2 Kohlendioxid CO 2 (aus Biogas oder CCU: Carbon Capture & Use) Q el P v,1 1 bar P v Q v Wasserstoff, Kondensation Kondensation Wasser, O Q v,2 -Route: 62,5 MW CH 4 -Route: 53,6 MW Erdgas- Netz p = 84 bar O < 10 ppm Wasser, O Q v,1 6 bar Q M Sabatier- Prozess P v,2 Synthetisches Methan (SNG), CH 4 Prof. Dr.-Ing. K. Sundmacher P2G: Power-to-Gas Leopoldina-Symposium, 6. Februar

24 Methanisierung aus erneuerbarem CO 2 : Potenzialabschätzung Jährliche Energiemenge Wind + Photovoltaik [2]: 77,05 TWh el (277 PJ) CO 2 verfügbar aus Biogas [2]: 9,3 Mio. Tonnen Elektrolyse Daten aus [3] 8,36 Mio. Tonnen CO 2 (190 Gmol) 1,52 Mio. Tonnen (760 Gmol) Sabatier-Prozess Biomethan 3,04 Mio. Tonnen 190 Gmol + 6,84 Mio. Tonnen O! Kavernenspeicher für Methan in D: 2011: 204 TWh 2050: 514 TWh 42 TWh 25,2 TWh el (η C = 0.60) Elektrischer Speicherbedarf in D: 80% EE 7,5 TWh el 100% EE 26 TWh el Biogas 24,8 TWh el Kohle- Kraftwerke CO 2 Emissionen: 764 Mio. Tonnen[1] [1] Energie in Deutschland (BMWi, Feb 2013) [2] Erneuerbare Energien in Zahlen (BMU, Juli 2013) [3] Carmo et al., Int. J. Hydrogen En. 38 (2013) 4901 Prof. Dr.-Ing. K. Sundmacher P2G: Power-to-Gas Leopoldina-Symposium, 6. Februar 2014

25 Zusammenfassung Im zukünftigen Energiesystem sind zusätzliche Langzeiten-Energiespeicher (Monate) unverzichtbar, um die volle Versorgungssicherheit zu gewährleisten. Dies ist nur erreichbar mit chemischen Energiespeichern (insb., CH 4 ). Exergetische Hierarchiestufen der Nutzung erneuerbarer Energien*: 1. EE-Strom direkt nutzen (dafür: Ausbau des Stromnetzes) 2. EE-Strom Elektrolyse Kavernenspeicher 3. Rückverstromung von : Gasturbinen/GUD, Brennstoffzellen 4. Wandlung + CO 2 CH 4, Methanol, DME, MTG- & FT-Kraftstoffe Eingesetztes CO 2 sollte ausschließlich aus erneuerbaren Ressourcen stammen (abgetrennt an Biogas-Anlagen; nicht aus CCU-Prozessen). Die gesellschaftliche Akzeptanz für großskalige -Speicherung ist fraglich. * vgl. hierzu: DECHEMA-Diskussionspapier Überschussstrom nutzbar machen, Prof. Dr.-Ing. K. Sundmacher P2G: Power-to-Gas Leopoldina-Symposium, 6. Februar

26 Power-to-Gas Projekte in Deutschland Quelle: Prof. Dr.-Ing. K. Sundmacher P2G: Power-to-Gas Leopoldina-Symposium, 6. Februar