Wir schaffen Wissen heute für morgen. Paul Scherrer Institut T.J. Schildhauer, P. Jansohn, M. Hofer Energy System Integration Platform

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1 Wir schaffen Wissen heute für morgen Paul Scherrer Institut T.J. Schildhauer, P. Jansohn, M. Hofer Energy System Integration Platform PSI, 11. Februar 2015

2 Services System Neighbouring Countries Neighbouring Countries Resources System-Integration der erneuerbaren Energien Fluctuating Electricity Biomass Switzerland Electricity System Gas Storage System Flexibility: Low Need for Flexibility: High Hydrogen Storage Gas System System Flexibility: High Need for Flexibility: Low Households Other consumption Heating, Heat Pumps, Transport Industry, Heat Storage other consumption Fuels for Transportation Gas Storage PSI, 11. Februar 2015 Seite 2

3 Motivation und Hauptfragen Energy System Integration Platform: RTTP für 2 SCCER SCCER Storage: Positive und negative Regelleistung sowie Speicherung durch Erzeugung/Verstromung von H 2 und CH 4 (Power-to-Gas-to-Power) SCCER Biosweet: mehr Biomasse und mehr Arten Biomasse für Treibstoffproduktion und als flexible positive Regelleistung (Polygeneration) - Was sind die Bedürfnisse? (Dynamik, Leistung, Kapazität, Speicherdauer?) - Was ist technisch möglich? (Kombinationen von Prozess-Schritten, bessere Katalysatoren, Dynamik, Teillastfähigkeit, Wirkungsgrade?) - Hochskalierung von Labor-Massstab (TRL4/5) zu Pilot-Massstab (TRL 6/7) - Was kostet es? (Vergleich mit anderen Optionen) Seite 3

4 Ziele Energy System Integration Platform Flexibles System zum Ernten, Speichern und Umwandeln der erneuerbaren Energien realisieren Container-basiert, offen für Kooperationen Durch gemeinsames Experimentieren Erfahrungen gewinnen, die über das Testen von Einzelkomponenten hinausgehen Neue Forschungsfragen ableiten; Input für Systemanalysen liefern Systemkonzepte im Pilotmassstab ( kw) testen und validieren Machbarkeit demonstrieren, um industrielle Umsetzung vorzubereiten; nächster Schritt: 1 MW Demo-Anlage (Industrie im Lead) Seite 4

5 Ziele Energy System Integration Platform Flexible Plattform für Kooperation mit Industrie/KMU (auch als KTI-Projekte), z.b. F&E oder Testen von Technologien, Komponenten, Materialien, Beitrag zu PARK innovaare (Netzwerkstandort des Schweizer Innovationspark) Kommunikation mit der Öffentlichkeit; zugänglich für Besuchergruppen Seite 5

6 ESI Platform (Layout) Seite 6

7 H 2 und O 2 Gasspeicher füllen (PtG-H 2, TRL 7) - Nachfahren verschiedener Profile, Austesten Dynamik und Teillast GanyMeth Stromnetz Elektrizität H2 (Wasserstoff) O2 (Sauerstoff) CO2 (Kohlenstoffdioxid) Roh SNG (Methan-reich) Vergaser - Produktgas PSI, 11. Februar 2015 Seite 7

8 H 2 und O 2 Gasspeicher füllen (PtG-H 2, TRL 7) - Nachfahren verschiedener Profile, Austesten Dynamik und Teillast GanyMeth Stromnetz Siemens PEM-Elektrolyseur 100kW später andere Technologien Kommerzielle Technologie Elektrizität H2 (Wasserstoff) O2 (Sauerstoff) CO2 (Kohlenstoffdioxid) Roh SNG (Methan-reich) Vergaser - Produktgas PSI, 11. Februar 2015 Seite 8

9 Elektrolyse-Forschung am PSI - Nachfahren verschiedener Profile, Austesten Dynamik und Teillast GanyMeth Stromnetz ca. 10 MA Katalysatoren Membranen Hochdruck- Tomographie Kosten senken Stabilität verstehen Wirkungsrad verbessern PSI, 11. Februar 2015 Elektrizität H2 (Wasserstoff) O2 (Sauerstoff) CO2 (Kohlenstoffdioxid) Roh SNG (Methan-reich) Vergaser - Produktgas - Dynamik Strom-Input vs. Teilsysteme, Regelalgorithmen - Wirkungsgrad des Gesamt-Elektrolyse-Systems, auch in Teillast - Alterungsphänomene, Lebensdauer Seite 9

10 H 2 und O 2 rückverstromen - Nachfahren verschiedener Profile, Austesten Dynamik und Teillast GanyMeth Stromnetz Elektrizität H2 (Wasserstoff) O2 (Sauerstoff) CO2 (Kohlenstoffdioxid) Roh SNG (Methan-reich) Vergaser - Produktgas PSI, 11. Februar 2015 Seite 10

11 H 2 und O 2 rückverstromen - Nachfahren verschiedener Profile, Austesten Dynamik und Teillast GanyMeth Stromnetz Elektrizität H2 (Wasserstoff) O2 (Sauerstoff) CO2 (Kohlenstoffdioxid) Roh SNG (Methan-reich) Vergaser - Produktgas PSI-Belenos Technologie PSI, 11. Februar 2015 Seite 11

12 Brennstoffzellen-Forschung am PSI - Nachfahren verschiedener Profile, Austesten Dynamik und Teillast GanyMeth Stromnetz Kosten senken Stabilität und Wirkungsrad verbessern Systemkonzepte H 2 /O 2 Elektrizität H2 (Wasserstoff) O2 (Sauerstoff) CO2 (Kohlenstoffdioxid) Roh SNG (Methan-reich) Vergaser - Produktgas ca. 30 MA Katalysatoren Membranen Systemtechnik Diagnostik - Dynamik Gas-Input vs. Stromerzeugung, Regelalgorithmen - Wirkungsgrad des Gesamt-Systems, auch in Teillast - Alterungsphänomene, Lebensdauer PSI, 11. Februar 2015 Seite 12

13 Methanisierung von Vergaser Produktgas (TRL 7) - Simulation verschiedener Kombinationen von Vergaser und Gasreinigung Vergaser Produktgas GanyMeth Roh SNG PSI-Wirbelschicht Methanisierung (160 kw) Elektrizität H2 (Wasserstoff) O2 (Sauerstoff) CO2 (Kohlenstoffdioxid) Roh SNG (Methan-reich) Vergaser - Produktgas PSI, 11. Februar 2015 Seite 13

14 Methanisierung von CO 2 mit H 2 (PtG-CH 4, TRL7) - PtG mit verschiedenen CO 2 -Quellen, Austesten Dynamik und Teillast Vergaser Produktgas, Biogas GanyMeth Roh SNG Elektrizität H2 (Wasserstoff) O2 (Sauerstoff) CO2 (Kohlenstoffdioxid) Roh SNG (Methan-reich) Vergaser - Produktgas - sim. Industie-CO 2, Biogas, Vergasergase plus Wasserstoff - Dynamik und Teillastfähigkeit Methan-Erzeugung - Messung Performance, Optimierung Betriebsbedingungen - Wirkungsgrad, auch in Teillast - axiale Konzentrationsprofile zur Modellvalidierung PSI, 11. Februar 2015 Seite 14

15 Regellast-synchrone Methanisierung von CO 2 - PtG mit Methan-aus-Holz, Austesten Dynamik und Teillast Vergaser Produktgas GanyMeth Roh SNG PSI, 11. Februar 2015 Elektrizität H2 (Wasserstoff) O2 (Sauerstoff) CO2 (Kohlenstoffdioxid) Roh SNG (Methan-reich) Vergaser - Produktgas - direkte dynamische Zugabe von Wasserstoff zu simuliertem Vergasergas ohne Zwischen-H 2 -Speicher - Dynamik und Teillastfähigkeit Methan-Erzeugung - Messung Performance, Optimierung Betriebsbedingungen - Wirkungsgrad, auch in Teillast - axiale Konzentrationsprofile zur Modellvalidierung Seite 15

16 Methanisierungs-Pilotanlage GanyMeth Reaktor Hochskalierbare Dimensionen (TRL 6/7): Reaktor-Ø: 21 cm, Betthöhe: bis 2 m, Gesamthöhe 6.50 m Druckbereich: 1 bis 12 bara Variation der Gas-, Wasser- und Teer- Konzentrationen zur Simulation verschiedener Kombinationen von Vergasern und Gasreinigung 21 horizontale und senkrechte Messstutzen Zunächst Flaschengas, Verwendung von realen Gasen möglich, sobald verfügbar Versuchsträger für dynamische Experimente im Rahmen von Power-to-Gas Projekten: ESI, RENERG 2 Lieferdatum Frühling 2015 Seite 16

17 Validiertes Reaktormodell unterstützt Scale-up Bestimmung der Kinetik im Microreaktor, Einsatz von IR-Spektrosopie Messung der Hydrodynamik (z.b. Blasengrössen), des Katalysatorabriebs und des Wärmeübergangs an GanyMeth Modellbildung mit Korrelationen und Kinetik Messung der Konzentrationsprofile in GanyMeth zur Modellvalidierung Seite 17

18 Integration in Forschungslandschaft SCCER storage SCCER biosweet Energy system integration platform ESI Seite 18

19 Meilensteine und nächste Schritte Erste Container: ab April 2015 Errichtung der Plattform: Jan. bis April 2015 Errichtung Pilotanlage Methanisierung: April 2015 Baugenehmigung: Bauantrag: Seite 19

20 Energy System Integration Platform Transfer-Plattform für Forschung und Technologien Flexibles System zum Ernten, Speichern und Umwandeln der erneuerbaren Energien realisieren 100 kw PEM-Elektrolyse, PEM-Brennstoffzelle, 160 kw Wirbelschicht-Methanisierung Container-basiert, offen für Kooperationen Contact: Dr. P. Jansohn Seite 20

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