H2-Home - Dezentrale Energieversorgung mit Wasserstoff-Brennstoffzellen

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1 H2-Home - Dezentrale Energieversorgung mit Wasserstoff-Brennstoffzellen 3. HYPOS-Forum Leipzig, 3. November 2017 Andreas Herrmann, Hartmut Krause, TU Bergakademie Freiberg Matthias Block, Christoph Hildebrandt, inhouse engineering GmbH

2 Gliederung Motivation Erläuterung des Konzeptes Energetische und wirtschaftliche Bewertung Marktpotentiale Zusammenfassung und Ausblick 2

3 Motivation Leistungsüberschüsse in Schleswig-Holstein Quelle: Abregelung von Strom aus Erneuerbaren Energien und daraus resultierende Entschädigungsansprüche in den Jahren 2010 bis 2015, Ministerium für Energiewende, Landwirtschaft, Umwelt und ländliche Räume (MELUR), August 2016 Folgen der Leistungsüberschüsse aus erneuerbaren Energien: Lokale / regionale Netzengpässe Negative Strompreise Regelenergie 3

4 HYPOS (Hydrogen Power Storage & Solutions East German) Besonderheiten der HYPOS-Modellregion Zweitgrößtes Wasserstoffpipelinenetz von Deutschland (150 km) Kavernenspeicher in der näheren Umgebung Hohes Potential für Stromerzeugung aus Photovoltaik und Windenergie Anschluss von Gebäuden an H 2 -Netz prinzipiell möglich Energiebedarf private Haushalte: 27% Diskrepanz zwischen Erzeugung und Verbrauch / Speicherung von erneuerbarer Energie benötigt Grundlegende Voraussetzungen der Infrastruktur bestehen bereits 4

5 Ausgangslage Aktuelle Situation BZ-BHKW für Hausenergieversorgung im Bereich 1-5 kw bereiten Markteintritt vor Verfügbare Systeme sind erdgasbasiert Herstellung eines wasserstoffreichen Gases mittels Reformierung von Erdgas Ca. 50% aller Gebäude in Deutschland haben Erdgasanschluss Leichter Technologiewechsel / einfachere Markteinführung Keine erschwerenden Anschlussbedingungen Aber Wirkungsgradverlust und komplexerer Systemaufbau Nutzung von reinem Wasserstoff für automobile Anwendung als Antrieb für PKW und Bus Nutzung von reinem Wasserstoff für Notstromanwendung Laufzeiten von max h 5

6 Verbundvorhaben: H2home (Dezentrale Energieversorgung mit H 2 -Brennstoffzellen) Das H2-Home-Konzept Projektziele von H2-Home Gebäudeenergieversorgung durch grünen Wasserstoff Nutzung von elektrischer Energie in AC und DC Netzen Niedrigtemperaturheizung und Kühlung (Nutzung von Flächenheizungen) Optimierter Speicherbetrieb (thermisch & elektrisch) Kostenreduzierung der Brennstoffzelle: /kw Hohe elektrische Wirkungsgrade 6

7 Verbundvorhaben: H2home (Dezentrale Energieversorgung mit H 2 -Brennstoffzellen) H 2 -Brennstoffzellen BHKW (inhouse engineering) Kenngrößen des H 2 -BZ-BHKW Zelltyp Niedertemperatur - PEM Brennstoff Wasserstoff Nennleistung elektrisch ca. 5 kw Nennleistung thermisch ca kw Gesamtwirkungsgrad ca. 95% Nettowirkungsgrad el. ca. 50 % Heizkreis (Vorlauf/Rücklauf) 50 C / 70 C Kaltstart ca. 1 min Modulation 25 % bis 100 % ca. 3 min Abmessungen (b x l x h) (740 x 1,550 x 1,159) mm Betrieb netzgekoppelt H 2 -Spitzenlastbrenner ja (ca kw) Lebensdauer PEM Stack h Lebensdauer System > 10 Jahre Quelle: inhouse engineering GmbH 7

8 Energetische und wirtschaftliche Bewertung: Randbedingungen Bauteilausführung Außenwand Bodenplatte, Decke zu unbeheizten Räumen Fenster Fenster Kennwert Einheit Wert Wärmedurchgangskoeffizient W/(m²*K) 0,28 Wärmedurchgangskoeffizient W/(m²*K) 0,35 Wärmedurchgangskoeffizient W/(m²*K) 1,3 Gesamtenergiedurchlassgrad der Verglasung - 0,60 Gebäudedaten Einheit Zahlenwert Grundfläche m² 311 Nutzfläche m² 1123,6 Geschosshöhe m 3,5 Länge m 28 Breite m 11 Wohneinheiten

9 Energetische Simulation - Ergebnisse Darstellung des Nutz-, End- und Primärenergiebedarfs sowie der CO 2 -Emissionen Energiebedarf in kwh/(m² a) ,00 99,45 99,45 126,47 96,04 52,43 99,24 20,68 20,68 25,57 H2-BZ-BHKW "grauer" Wasserstoff H2-BZ-BHKW "grüner" Wasserstoff 26,88 128,13 98,90 144,09 72,32 101,12 16,87 102,15 48,91 73,50 127,73 72,09 42,72 42,72 42,72 42,72 Anf. GEG?? Erdgas- BHKW Pelletkessel Sole/Wasser Wärmepumpe Gasbrennwerttherme + Solarthermie 43,80 158,14 Gasbrennwerttherme CO 2 -Emissionen in kg/(m² a) Nutzenergie: Heizung Warmwasser Elektroenergie (Haushalt) Endenergie: Brennstoff Hilfsenergie Elektroenergie Primärenergie/Emissionen: PE (erneuerbar) PE (nicht erneuerbar) CO 2 -Emissionen 9

10 Wirtschaftliche Bewertung KWK-Gesetz - Komplexe Vergütungsregeln Die gesamte Einspeisevergütung für ein BHKW mit einer elektrischen Leistung von maximal 5 kw summiert sich dann beispielsweise auf folgenden Wert: Vergütungsbeispiel Üblicher Preis: KWK-Zuschlag: Vermiedene Netzkosten: Summe: 3,0 ct/kwh 8,0 ct/kwh ( VBH) 0,5 ct/kwh 11,5 ct/kwh Zzgl. Pauschalierte Einmalzahlung: Euro bei einer 2 kw el Anlage Eigennutzung von Strom Ersparte Strombezugskosten: KWK-Zuschlag: 25,00 ct/kwh 4,0 ct/kwh Bei BHKWs bis zu 10 kw el ist die Nutzung selbst erzeugten Stroms bis zu kwh von der Zahlung der EEG-Umlage ausgenommen 10

11 Wirtschaftliche Bewertung - Annahmen I Energiepreise und Preissteigerungen Endenergieträger Preis in /kwh Preissteigerungsfaktor Erdgas 0,054 1,2 % Holzpellets 0,045 1,5 % Wasserstoff 0,057 (grau) 0,165 (grün) 0,0 % Elektroenergie 0,288 0,1 % Elektroenergie (WP) 0,248 0,1 % Randbedingungen KWK-Zuschlag Einspeisung: KWK Zuschlag Eigennutzung: EEG-Umlage Kalkulationszinssatz: Preissteigerung (Kapitalgebundene Kosten): Betrachtungszeitraum: 4 ct/kwh 8 ct/kwh 6,3 ct/kwh 1% 3% 20 a 11

12 Wirtschaftliche Bewertung - Annahmen II Herstellungskosten von Wasserstoff 0, (Anzahl) Arbeitspreis in /kwh 0,30 0,20 0,10 0,00 Dampfreformierung zentral Dampfreformierung dezentral Elektrolyse Windstrom Elekrolyse PV Biogas Reformierung Quellen: [1-14] 12

13 Wirtschaftliche Bewertung - Annahmen III Literaturrecherche Wasserstoffkosten Quellen: [1] Albrecht, U.; Altmann, M.; Barth, F.; Bünger, U.; Fraile, D.; Lanoix, J.; Pschorr-Schoberer, E.; Vanhoudt, W.; Weindorf, W.; Zerta, M.; Zittel, W.: Study on hydrogen from renewable resources in the EU. Ludwig-Bölkow-Systemtechnik GmbH (LBST) and Hinicio S.A [2] Ajanovic, A.; Haas, R.; Nakicenovic, N.: Wirtschaftliche Aspekte von Öko-Wasserstoff. Technische Universität Wien [3] Bartels, Jeffrey R.; Pate, Michael B.; Olson Norman K.: An economic survey of hydrogen production from conventional and alternative energey sources. In: International Journal of Hydrogen Energy, 35 (2010) [4] Bettgenhäuser, K.; Boermans, T.: Umwelteinwirkung von Heizsystemen in Deutschland. Studie im Auftrag des Umweltbundeamts [5] Bertuccioli, L.; Chan, A.; Hart, D.; Lehner, F.; Madden, B.; Standen, E.: Study on development of water electrolysis in the EU. E4tech Sàrl and element energy [6] Doetsch, C.; Grevé A.; Hochloff, P.; Appen, J.; Trost, T.; Gerhardt, N.; Puchta, M.; Jentsch, M.; Schreiber, M.; Rohrig, K.; Meyer, B.; Wendorff, M.; Hashemi, A.; Kanngießer, A.: Metastudie Energiespeicher. Frauenhofer-Institut für Umwelt-, Sicherheits- und Energietechnik (UMSICHT) and Frauenhofer-Institut für Windenergie und Energiesystemtechnik (IWES) [7] Lemus, R.; Duart, J.: Updated hydrogen production costs and parities for conventional and renewable technologies. In: International Journal of Hydrogen Energy. 35 (2010) [8] Ludwig-Bölkow-Systemtechnik GmbH: Study on hydrogen from renewable resources in the EU. Studie im Auftrag von Fuel Cells and Hydrogen Joint Undertaking [9] Montenegro Camacho, Y.; Bensaid, S.; Piras, G.; Antonini, M.: Techno-economic analysis of green hydrogen production from biogas autothermal reforming. Springer-Verlag. Berlin, Heidelberg [10] Müller-Langer, F.; Tzimas, E.; Kaltschmitt, M.; Peteves, S.: Technoeconomic assessment of hydrogen production processes for the hydrogen economy for the short and medium term. In: International Journal of Hydrogen Energy, 32 (2007) [11] Pregger, T.; Graf, D.; Krewitt, W.; Sattler, C.; Möller, S.: Perspektiven solarthermischer Verfahren zur Wasserstoffherstellung. Deutsches Zentrum für Luft und Raumfahrt e.v. Stuttgart [12] Pregger, T.; Graf, D.; Krewitt, W.; Sattler, C.; Roeb,M.; Möller, S.: Prospects of solar thermal hydrogen production proceses. In: International Journal of Hydrogen energy. 34 (2009) [13] Smolinka, T.; Günther, M.; Garche, J.: NOW-Studie Stand und Entwicklungspotential der Wasserelektrolyse zur Herstellung von Wasserstoff aus regenerativen Energien. Frauenhofer ISE and FCBAT [14] Töpler, J.; Lehmann, J.: Wasserstoff und Brennstoffzellen Technologien und Marktperspektiven. Berlin, Heidelberg. Springer Verlag

14 Wirtschaftliche Bewertung Investitionskosten 14

15 Wirtschaftliche Bewertung Gesamtkosten Starker Einfluss des Wasserstoffpreises Relativ große Variation der Ergebnisse Erlöse im untersuchten Fall vernachlässigbar Gesamtkosten in /(m² a) ,05 16,79 8,14 6,01 6,01 6,01 2,22 2,22 2,22 4,88 4,88 4,88-0,13-0,13-0,13 grauer Wasserstoff Q3 Q2 Q1 grüner Wasserstoff Bedarfsgebundene Kosten (Brennstoff und Hilfsstrom) Bedarfsgebundene Kosten (Netzstrom) Betriebsgebundene Kosten Kapitalgebundene Kosten Erlöse Q3 Q2 Q1 15

16 Wirtschaftliche Bewertung Gesamtkostenvergleich Bedarfsgebundene Kosten (Brennstoff und Hilfsenergie) Bedarfsgebundene Kosten (Netzstrom) Betriebsgebundene Kosten Kapitalgebundene Kosten Erlöse Gesamtkosten in /(m² a) ,05 16,79 6,33 6,01 6,01 7,43 2,22 2,22 2,49 12,42 4,88 4,88 4,35 5,35 4,56 3,87 H2-BZ-BHKW "grauer" Wasserstoff H2-BZ-BHKW "grüner" Wasserstoff -0,60 5,78 3,62 5,01 12,42 2,68 Erdgas- BHKW Pelletkessel Sole/Wasser Wärmepumpe 3,24 12,42 1,46 Gasbrennwerttherme + Solarthermie 4,63 12,42 0,61 1,72 Gasbrennwerttherme Reduktion der Strombezugskosten durch H 2 -BZ-BHKW um 50% möglich Bedarfsgebunde Kosten überwiegen 16

17 Marktpotentiale Marktpotentialanalyse Gebäude 17

18 Marktpotentiale Marktpotentialanalyse Gebäude 18

19 Marktpotentiale Marktpotentialanalyse Gebäude Das Marktpotential ist abhängig von der Entwicklung der Wasserstoffwirtschaft. 19

20 Zusammenfassung und Ausblick Zusammenfassung Anlagenkonzepte mit geringsten Gesamtkosten: Erdgasbrennwertkessel und H 2 -BZ-BHKW ( grauer Wasserstoff) Regenerative Systeme am teuersten (H 2 -BZ-BHKW, Holzpelletkessel) Elektroenergiebezugskosten ohne Eigenstromversorgung: ca. 50% der Gesamtkosten Reduktion um ca. 50% durch H 2 -BZ-BHKW Reduktion um 40% durch Erdgas-BHKW Wasserstoffkosten und Eigennutzung der Elektroenergie sind für Wirtschaftlichkeit entscheidend CO 2 -Kosten haben vergleichsweise geringen Einfluss Vergleich mit Literaturwerten bestätigt vorliegende Ergebnisse H 2 -BZ-BHKW energetisch, wirtschaftlich und ökologisch sinnvoll 20

21 Zusammenfassung und Ausblick Ausblick Test des Prototypen im BHKW-Demozentrum am DBI Optimierung des Systemkonzeptes zur Steigerung der Wirtschaftlichkeit Validierung und Optimierung des Sicherheitskonzepts Untersuchung bzgl. weiterer Anwendungen im GHD-Sektor Entwicklung und Erprobung der direkten DC-Nutzung zur Gebäudeversorgung des Erprobungsobjektes 21

22 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit Dipl.-Ing. Andreas Herrmann TU Bergakademie Freiberg Institut für Wärmetechnik und Thermodynamik Gustav-Zeuner-Str Freiberg Andreas.Herrmann@iwtt.tu-freiberg.de Danksagung: Das Vorhaben H2-Home wird mit Mitteln des Bundesministeriums für Bildung und Forschung unter dem Förderkennzeichen 03ZZ0709C im Förderbereich Zwanzig20 - Unternehmen Region - HYPOS gefördert. Die Autoren danken für die finanzielle Unterstützung. 22