Machbarkeitsstudie kommunale H 2 -Nutzung Ingenieur- Dienstleistungen für die Energieversorgung nplan engineering GmbH Celler Straße 3 29229 Celle www.nplan-engineering.de
Ziele des neuen Modells Anwendungskonzept Wasserstoff (ELY / Brennstoffzelle / H2-Speicher) anhand vollständiger Versorgung durch regional erzeugten erneuerbaren Strom Versorgung des Rathauses aus regional erzeugter erneuerbarer Energie Strom & Wärme Versorgung der E-Ladesäule / e-mobility Versorgung H2 Tankstelle Herausforderung Variablenanzahl und Definition der Prioritäten Speichergröße (Energiebedarf Brennstoffzelle, Größe ELY, Betriebsmodus ELY, Füllgrad Speicher, Toleranz Versorgungsausfall, ) Elektrolysegröße folgt dem Gesamtwasserstoffbedarf, Speicherkapazität, Ausnutzungsgrad, Versorgung Rathaus vor Versorgung Tankstelle vor Versorgung Ladesäule Brennstoffzelle strom- / wärmegeführt oder H2-Therme Stellenwert der Wirtschaftlichkeit unterschiedlicher Varianten
Konzeptentwicklung Alternative 1
elektrolytische Wasserstoff und Sauerstoffnutzung auf Kläranlagen
Gliederung Vorstellung der Führungsgrößen Ausgangsparameter Definition der Verbraucher / Abgeleitete Größen Beschreibung der Wasserstoffmessanlage Definition der Speichergröße Übergabe Wasserstoff an Tankstelle in Abhängigkeit der Verbräuche Erforderliche Stellfläche im Bereich Kläranlage Beschreibung der Fernwärmeanbindung als neue Variante 4 Umfang des erforderlichen Rohrleitungsbaus Beschreibung der erforderlichen Technikkomponenten Wirtschaftlichkeit Varianten 1-4 Verfahrensprinzip Methanisierung Bilanzierung Verbraucher / Angebote Fazit/Empfehlung
Vorstellung des alten Modells - Übersicht der Führungsgrößen Führungsgröße: O2 Bedarf - Ausbaustufe I Führungsgröße: O2 Bedarf - Ausbaustufe II Führungsgröße: Wärme Bedarf - Rathaus Führungsgröße: Wärme Bedarf - KA und Fernwärme Führungsgröße Sauerstoff Sauerstoff Wasserstoffbedarf BZ Wasserstoffbedarf BZ Nm³/h Maximalbedarf 15,4 Nm³/h O2 60,2 Nm³/h O2 89 Nm³/h H2 178 Nm³/h H2 Entsprechende Elektrolysekapazität 30,8 Nm³/h H2 120,4 Nm³/h H2 40 100 100 200 Nm³/h Hersteller Areva Areva Areva Hydrogenics Druck Wasserstoff 35 35 35 30 barg Druck Sauerstoff 14 14 14 0 barg Durchschnittliche Leistung (Elektrolyse) 212 490 490 1040 kw
Führungsgrößen - Sauerstoff Sauerstoff Bedarf Dauer Ausbaustufe I 55 kg/h 14,5 h 8200 EW 38,5 Nm³/h Ausbaustufe II 14000 EW + Faulung 215 kg/h 150,5 Nm³/h 12 h Sauerstoff Ausbaustufe I 8200 EW Anteil bei Reinsauerstoffanteil Belüftung in Gesamtsauerstoff 12 % 40 %
Führungsgrößen Brennstoffzelle / Wärmebedarf Brennstoffzelle Bedarf 89 Nm³/ Leistung 120 kw elektrisch 133 kw thermisch Wärme Leistung Dauer Auslastung Rathausversorgung 120 kw 12 (Winter) 0 (Sommer) Tag Rathausversorgung (Fernwärme) (W) Verluste Fernwärme (W) Gebäudewärme (KA) (W) Prozesswärme (KA) (S/W) 120 kw 26 kw 30 kw 50 kw Tag Tag/Nacht Tag Tag/Nacht
Elektrolyse technische Parameter Beispiel H2GEN - Areva PEM-Elektrolyse H2-Produktion 20/40/100 Nm³/h 35 bar O2-Produktion 10/20/50 Nm³/h 14 bar Energieaufnahme 4,8 5,7 kwh/nm³h2
Elektrolyse Führungsgröße O2 Bedarf Ausbaustufe I Führungsgröße: O2 Bedarf - Ausbaustufe I Ausbaustufe 8200 EW O2 Bedarf KA 55,00 kg/h O2 Bedarf KA 38,49 Nm³/h Betriebsstunden Belüftung 14,5 h Reinsauerstoffzufuhr KA 15,40 Nm³/h Wasserstofferzeugung 30,79 Nm³/h gewählte Größe H2-Erzeugung 40,00 Nm³/h gewählte Größe O2-Erzeugung 20,00 Nm³/h Quelle: Hydrogenics HyStat15-10
Elektrolyse Führungsgröße O2 Bedarf Ausbaustufe II Führungsgröße: O2 Bedarf - Ausbaustufe II Ausbaustufe 14000 EW O2 Bedarf KA 215,00 kg/h O2 Bedarf KA 150,45 Nm³/h Betriebsstunden Belüftung 12 h Reinsauerstoffzufuhr KA 60,18 Nm³/h Wasserstofferzeugung 120,36 Nm³/h gewählte Größe H2-Erzeugung 100,00 Nm³/h gewählte Größe O2-Erzeugung 50,00 Nm³/h Quelle: AREVA E120
Brennstoffzelle technische Parameter Beispiel HyPM-R120 - Hydrogenics PEM-Brennstoffzelle H2-Verbrauch 89 Nm³/h Wasserstoff bei Volllast Wirkungsgrad (abhängig vom Betriebspunkt 50 %el (LHV) 50 %th (LHV) Gewicht 800 kg *Bildquellen: Hydrogenics
Elektrolyse Führungsgröße: Wärme / Bedarf - Rathaus HyPM-R120 Wirkungsgrad ηelektrsich 45 % Leistung elektrisch 120 kw Wirkungsgrad ηthermisch 50 % Leistung thermisch 133,33 kw Heizwert des Eingangsstroms 266,67 kw Heizwert Normbedingungen 3,00 kwh/nm³ Wasserstoffkonsum Nennbetrieb 88,89 Nm³/h gewählte Elektrolysekapazität 100,00 Nm³/h Quelle: AREVA E120
Abnahme durch Tankstelle Grundlage maximale Wasserstofferzeugung abzüglich Bedarf der Brennstoffzellen Bezeichnung Variante 1 Variante 2 Variante 3 Variante 4 Maximale Menge H2 86,4 kg/d (0 kg/d) 216 kg/d (120 kg/d) 216 kg/d (120 kg/d) 358 kg/d (203 kg/d) Tankvorgänge / Tag - Sommer */** 14,4 35,9 35,9 59,7 Tankvorgänge / Tag - Winter */** - 20 20 33,8 theoretisch möglicher Ertrag 820 /d 0 2052 /d (1140 /d) 2052 /d (1140 /d) 3401 /d (1929 /d) * Betankung PKW ca. 5 kg / Tank bei 700 bar ** Betankung BUS ca. 35 kg / Tank bei 350 bar
Rohrleitungsbau - Wasserstoff Nennweite DN150, PN40 alternativ DN300, PN40 Werkstoff L360 NB Verlegung 250 m mittels HDD Bohrverfahren; 250 m parallel zum Feldweg in offener Bauweise Überdeckung mind. 1,0 m nach DVGW G 463 Kap. 5.1.3 Schutzstreifen 4 m nach DVGW G463 Kap.5.1.4 Korrosionsschutz mit kathodischem Schutzstrom
Übersicht des Speicherbedarfs Bezeichnung Variante 1 Variante 2 Variante 3 Variante 4 Betriebszeit/d 14,5 h 12 h 12 h 12+24 h Menge O2 15,4 Nm³/h 60,2 Nm³/h 44,5 Nm³/h 89 Nm³/h Menge H2 30,8 Nm³/h 120,4 Nm³/h 89 Nm³/h 178 Nm³/h theo. Speicherbedarf O 2 223 Nm³ 722 Nm³ festgelegte Speichergröße O 2 220 Nm³ 220 Nm³ theo. Speicherbedarf H 2 1068 Nm³ 2936 Nm³ festgelegte Speichergröße H 2 1068 Nm³ 1068 Nm³ möglicher Lösungsansatz A Speicher DN1200; l = 15 m Speicher DN1200; l = 15 m Leitung DN 150 290 Nm³ + Speicher DN 1600; L = 17 m Speicher DN 1600; l = 24 m möglicher Lösungsansatz B Speicher DN 1600 L = 9 m Speicher DN 1600 L = 9 m Leitung DN 300 1169 Nm³
Speichermöglichkeiten Bild: RLI Quelle: Energiepark Mainz Quelle: ENERTRAG
Aufstellfläche 2 1 3 4
Aufstellfläche 2 Stück 40 Elektrolysecontainer 2 1 Stück 2 H2-Übergabestation 1 1 Stück 18 m³ O2 Speichertank 1 Stück 34 m³ H2 Speichertank 3 Flächenbedarf ca. 1.000 m² 4
1 5 9 13 17 21 25 29 33 37 41 45 49 53 57 61 65 69 73 77 81 85 89 93 97 101 105 109 113 117 121 125 129 133 137 141 145 149 153 157 161 165 Stündliche Einspeisung in MWh Bilanzierung Energieangebot 25 Einspeisung 21. - 27.Juni 20 15 10 PV Freifläche PV Dach Wind Biomasse 5 0 Stunden
1 6 11 16 21 26 31 36 41 46 51 56 61 66 71 76 81 86 91 96 101 106 111 116 121 126 131 136 141 146 151 156 161 166 Stündlicher Verbrauch in kwh Bilanzierung Energienbedarf bzw. Energieverbraucher 70 Verbrauch 21-27. Juni 60 50 40 30 20 Ladesäule Rathaus Wärme Rathaus ohne Wärme 10 0 Stunden
Modell
FAZIT Variante 1 die kostengünstigste, jedoch reicht Sauerstoffmenge für eine größere Ausbaustufe nicht aus. Die Betriebskosten übersteigen die Erlöse. In Variante 4 ist eine permanente Wasserstoffabnahme gesichert, trotzdem ist der Wärmenutzungspfad weniger ertragreich. Wasserstoffbrennstoffzellen derzeit eher für industriellen Einsatz small-scale Brennstoffzelle mit reinem H2-Betrieb (ohne Reformer) kaum verfügbar zudem meist Luft als Kühlmedium (Notstrom oder dezentrale Anwendungen) nicht als Heizungsanlage vorgesehen für Einsatz bei Fernwärme Hochtemperatur BZ notwendig vermiedene Kosten durch Sauerstoffnutzung für die Wirtschaftlichkeit kaum ausschlaggebend Sauerstoffnutzung bietet nur energetischen Vorteil, sollte nicht die Größe der Elektrolyse bestimmen Wertschöpfung bei Nutzung des erzeugten Wasserstoffs für Mobilität am höchsten. relativer Anteil für H2 Betankung bei V2 und V3 am höchsten 36 Betankungen je Tag (Sommer) möglich (Durchschnitt 50) -- weitere Verfolgung ohne Anwendung in Mobilität alle Varianten unrentabel passende small-scale Methanisierung bereits durch Betriebskosten unrentabel