Kraft-Wärme-Kopplung-Energieversorgungssysteme auf Basis von Windenergie und Wasserstoff

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1 Kraft-Wärme-Kopplung-Energieversorgungssysteme auf Basis von Windenergie und Wasserstoff Dr.-Ing. Gerhard Buttkewitz Wasserstofftechnologie-Initiative Mecklenburg-Vorpommern e. V. Schonenfahrerstraße Rostock Telefon: Fax: Internet: Ansprechpartner: Dr.-Ing. Gerhard Buttkewitz buttkewitz@wti-mv.de 1

2 Beispiel für starke Schwankungen der Windstromeinspeisung 2

3 Zukünftige Zielfunktion für ein Kraftwerk auf Basis von Windenergie Es soll die Realisierung eines Energieversorgungssystems auf Basis fluktuierender Windenergie mit den Gebrauchseigenschaften üblicher Kraftwerke erfolgen. Das heißt, je nach den Erfordernissen der Verbraucher Energie zu liefern. Weitere Funktionen - CO 2 -freie Regelenergie kann bereitgestellt werden - Spitzenlaststrom kann angeboten werden 3

4 Zwischenspeicherung von Windenergie mittels Wasserstoff Elektrolyse Wasserstoffspeicher Rückverstromung Elektr. E. Elektr. E. Alkalische Elektrolyse - bewährte Technologie - Ausgangsdruck 25 bar - hoher Wirkungsgrad - verfügbar für hohe Leistungen Druckspeicher - einfache & sichere Technologie - keine Speicherverluste - Nutzung unterirdischer Hohlräume möglich Verbrennungsmotor/Gasturbine - Ottomotor einfach umrüstbar - bekannte Technologie - Gasturbine für MW-Bereich - Brennstoffzellen - zukünftig Miege / 13. REGWA Stralsund

5 Vorteile der Zwischenspeicherung von Windenergie mittels Wasserstoff Quelle: Fachhochschule Lübeck 5

6 Nachteile der Zwischenspeicherung von Windenergie mittels Wasserstoff Elektrolyseur Wirkungsgrade Wirkungsgrad: Elektroenergie Wasserstoffenergie BHKW < 70 % Wirkungsgrad: Wasserstoffenergie Elektroenergie - Verbrennungskraftmaschine-Generator < 40 % - Brennstoffzelle < 60 % Gesamtwirkungsgrad: 25 bis 40 % 6

7 Wasserstoff... pro & contra Grüner Wasserstoff als alleinige Energielösung -> E-Netze sind nicht mehr notwendig! Direkte Stromnutzung und H 2 für den mobilen Bereich sowie Stromverstetigung durch Hybridkraftwerke! Wasserstoff ist Energievernichtung > der direkten elektrischen Energiespeicherung (Supercaps & Batterien) gehört die Zukunft! 7

8 Primärenergiezuordnung in Deutschland ca. 20 % für Elektroenergie ca. 25 % für Verkehrswesen ca. 55 % für Wärmeenergie 8

9 Variante 1 Windenergie zur Herstellung von Wasserstoff und Sauerstoff sowie Wärmenutzung ohne Rückverstromung Nutzung als technisches Gas Treibstoff für mobile Verbraucher Quelle: Joanneum Research Forschungsgesellschaft mbh 9

10 Quelle: Joanneum Research Forschungsgesellschaft mbh 10

11 Quelle: Joanneum Research Forschungsgesellschaft mbh 11

12 Spezifische Energiekosten des Wasserstoffs bei reiner H 2 -Nutzung: 11 ct/kwh bei H 2 -, O 2 - und Wärmenutzung (ca. 16 %): 4,5 ct./kwh 12

13 Variante 2 Realisierungsvorschlag zur Versorgung einer Region mit Elektro- und Wärmeenergie sowie Wasserstoff und Sauerstoff auf Basis von Windenergie Autarkes Kraftwerk auf Basis von Windenergie ggf. Einspeisung in zentrales E-Netz 20 KV / 400 V Trafostatation direkt durchgeleitete Energie von WK oder ggf. Notstromversorgung Endverbraucher 1 bis n Diskontinuierliche Elektroenergie Windkraftanlagen (WK) Energiewandler und -Speicher auf Basis H 2 - Elektrolyseur - H 2 -Speicher - BHKW (auf Basis von Verbrennungskraftmaschine oder Brennstoffzelle) - Wärmepumpe Elektroenergie von BHKW, wenn keine direkte Energie WK vorliegt Wärmeenergie Wärmenetz - Elektroenergie von - Wärmeenergie ggf. Notstromversorgung durch ein EVU H 2 O 2 H 2 -Tankstelle für mobile Verbraucher H 2 -Lieferung z. B. - Aquakultur - Klärwerk O 2 -Lieferung 13

14 Postulate zur Variante 2 Es können marktfähige Preise für Elektro- und Wärmeenergie angeboten werden. Durch einen hohen Wärmenutzungsgrad können die Kosten für die stoffliche Verwertung des Wasserstoffs weiter gesenkt werden. Die Zielfunktion für ein Kraftwerk auf Basis von Windenergie - je nach den Erfordernissen Elektro- und Wärmeenergie zu liefern - kann erfüllt werden. 14

15 Schlussfolgerungen Die Energieeffizienz der konventionellen Stromproduktion liegt in Deutschland im Mittel bei ca. 34 %, d. h. 66 % werden ungenutzt an die Umwelt abgegeben. Die Nutzung und verbesserte Verwertung der elektrischen Energie aus Windkraft ermöglicht eine erheblich günstigere Energieeffizienz verbunden mit CO 2 -freier Erzeugung. Aus allen dargestellten Varianten ergeben sich weitere Vorzüge: hohe Energieautonomie auch auf Basis fluktuierender Windenergie Senkung der Energiebezugskosten beim Verbraucher Es wird daher in jeder Hinsicht als lohnend eingeschätzt, - fluktuierende Elektroenergie mittels Elektrolyse in H 2 -Speichern zwischenzuspeichern, - die Wärme des Elektrolyseurs zu nutzen, - BHKW zu realisieren, welche die H 2 -Energie in Elektroenergie und Wärme umwandeln können, - weitere effektive Energiewandler einzusetzen, wie z. B. Wärmepumpen, - Wasserstoff und Sauerstoff stofflich zu nutzen. 15