SolarFuel GmbH Stephan Rieke: Methanisierung von Ökostrom Stephan Rieke
Struktur: Herausforderungen im Stromsystem durch Integration von EE Mögliche Speicherlösungen als ein Integrationsbaustein Ansatz über erneuerbares Methan als Systemansatz bidirektionale Kopplung Strom- Gasnetz Status Aktivitäten SolarFuel konkrete Projektumsetzung Stephan Rieke
Speicherherausforderungen an existierende Speicherstruktur durch Windeinspeisungen 50Hz Transmission (D: Gesamt-Stromspeicherkapazität :40 GWh (ca.7.000 MW,6h) 40 GWh 2011: Installierte Windkapazität ca. 12 GW in 50 Hz Transmission Zone Abschaltung von ca. 3 GW Windkapazität in extremen Zeiträumen, These: Jede Nutzung besser als 100% Nichtnutzung/Abschaltung, Was ist, wenn Pumpspeicher nach ca. 6-8 h überlaufen? Quelle: VDE-EGT/FAZ 2011-2-
Die rechnerische Speicherreichweite des Erdgasnetzes liegt bei 2000 Stunden, die des Stromnetzes bei 0,6 Stunden Energieverbrauch und Speicherkapazitäten Deutschland, 2008 Verbrauch Durchschnittliche Leistung Speicherkapazität Rechnerische Speicherreichweite 6 TWh/a GW TWh h 930 106 2 250 5 3,100 5 217 4 707 81 619 71 2,000 4 0,04 3 0,6 3 Strom Erdgas Flüssigkraftstoff 1 1) Benzin, Diesel, Kerosin 2) Jahreszeitlich stark schwankend 3) Pumpspeicherkraftwerke 4) 46 Untertage Gasspeicher / zzgl. 72 TWh in Bau / Planung 5.) Bevorratung an Benzin, Diesel, Kerosin und Heizöl EL 6.) Bezogen auf die durchschnittliche Leistung Quelle: ZSW -3-
Vollversorgung mit Ökostrom setzt große Speicherkapazität und lange Speicherdauer voraus Herausforderung Speicherkapazitäten aufbauen Erneuerbare Energien fallen unstetig an Wind- und Sonnenenergie fallen stark fluktuierend an, die Schwankungen werden durch Naturphänomene verursacht, die nicht beeinflussbar sind Trotzdem müssen EE jederzeit und überall zur Verfügung stehen, das Kernproblem ist somit die Speicherung, große Energiemengen müssen zum Zeitpunkt der Ernte eingelagert werden, um bei Bedarf stetig und gesichert abrufbar zu sein Im heutigen Energiesystem wird das durch Lagerung fossiler Energieträger gelöst Die Bevorratung liegt in einem Bereich, der dem Verbrauch mehrerer Monaten entspricht. Dies gilt jedoch nicht für Strom Erzeugung und Verbrauch müssen zeitgleich erfolgen Die heute vorhandene Stromspeicherkapazität in Deutschland beträgt nur 0,04 Terrawattstunden, rein rechnerisch der Strombedarf von weniger als einer Stunde Speicherdauer SolarFuel ermöglicht saisonale Speicherung im Terrawattstundenbereich 1 Jahr 1 Monat 1 Tag 1 Stunde -4- Schwungrad Batterien Nas Li CAES County SolarFuel/ e-metjhan 1 kwh 1 MWh 1 GWh 1 TWh Speicherkapazität SolarFuel erschließt das existierende Erdgasnetz mit einer Kapazität in Deutschland von >220 TWh zur Speicherung von Energie aus Wind und Sonne Quelle: SolarFuel, ZSW Pumpspeicher Bath Druckluftspeicher Wasser- stoff
Speicherbedarf zur Integration EE lt. Studien Speicherbedarf: TU Dortumund 2,2 TWh, 18,5 GW/ 5 Tage Flaute. BMU 2008 Forwind Oldenburg: 19% des Strombedarfs (618 TWh, 2010) Siemens(Hoffmann)/IWES: 2 8% des Stromverbrauchs Europa IEA: IWES: 10-20% der fluktuierenden Stromproduktion 2030/120 GWneu Europa 30 TWh (100 EE, Modell Kupferplatte Stromverteilung o. Netzrestriktion) Datenbasis Speicher: Vorhandene Speicherkapazität im deutschen Stromsystem: Druckluftspeicherkraftwerk Huntorf (CAES): Pumpspeicherkraftwerk (PSW) Goldisthal: Speicherkapazität dt. Erdgasnetz (round trip): 0,04 TWh 0.001 TWh, 4 h Entladezeit 0,01 TWh/5,5 km²/8 h Entladezeit > 130 TWh Unterirdische Kavernen 30 Mio Autobatterien: 0,0255 TWh (PSW Bath County,USA) 45 bzw. 1 Mio Elektrofahrzeuge (10 kwhel): 0,45 /0,01 TWh Flächenbedarf an PSW lt. Speicherkapazität Erdgasnetz: 66.000 km² Fläche, wenn PSW Goldisthal unterstellt wird Speicherkapazität Norwegen: Ca. 82 TWhel/29,5 GW installierte Wasserkraftwerkskapazität (Lauf-/Talsperrenkraftwerke, ca.1 GW PSW, 2010) Umnutzungspotenzial auf PSW: 10-25 GW Adressiertes offshore Windkraftpotenzial Norwegen/Schweden: 17 GW Wind offshore vereinbart 65 GW Wind offshore in Planung NL,B,GB,DK,D ebenfalls interessiert SolarFuel: Stephan Rieket -5-
Speicherauswahlkriterien: E-Methan als chem. Energiespeicher These: Es gibt nicht den Speicher für alle Anwendungen Ziel: Optimierung unter Wahrung aller Randbedingungen führt zu einem Kompromiss des Lösungsansatzes an Speichersystem Mögliche Kriterien für Speichersysteme aus Sicht Integration erneuerbare Energien: Entlade-/Aufladeleistung Speicher Einspeicher-/Ausspeicher-/Haltedauer mit Ausrichtung Kurz-/Mittel-/Langzeitspeichernotwendigkeit (h,d,m) Kosten (volumetrisch, gravimetrisch System) Speichervermögen -/ausnutzung (Kaverne oder lokal) Umwandlungswirkungsgrad Strom-Strom oder Strom/(Strom+Wärme) mit Energienutzungsvektor (Mobilität, Wärme, chem. Werkstoff) als Option Integrations/-Umsetzungs-/Realisierungspotenzial, Restriktionen (geographisch, Öffentlichkeit, technisch etc.) Zeitdauer bis zur Umsetzung -6-
SolarFuel verknüpft bidirektional das existierende Strom- und Gasnetz und erschließt die Nutzung von EE in der Mobilität Übersicht: räumliche, zeitliche Entkopplung von hohen Leistungsflüssen dezentral aus der Fläche Electricity grid Gas distribution system GT/GUD Kapazität: > 16 GWel. Wind Solar CCPP/ B-CHP Power generation Electricity storage Gas underground storage CO 2 H H 2 Electrolysis/ 2 CH H 4 2 buffer CO 2 CO 2 Methanation CO 2 buffer CCPP: B-CHP: BEV: FCEV: CNG-V: Plug-in HEV: Combined Cycle Power Plant Block-type Combined Heat and Power Station Battery Electric Vehicle Fuel Cell Electric Vehicle Compressed Natural Gas Vehicle Plug-In Hybrid Electric Vehicle Electricity H 2 SNG Mobility BEV FCEV CNG-V Plug-in HEV Plug-in HEV Quelle: ZSW -7-
Anforderungsanalyse an Langzeitspeicher im Stromnetz zeigt, dass die SolarFuel Konvertierungstechnologie existierende Systemen zur Stromspeicherung ergänzt Vorteil SolarFuel im Vergleich bestehende Speichersysteme Stunden wenige Tage Schwungrad, Kondensator Zykluskosten pro kwh Zusatzkosten pro Tag Zyklusdauer -8- Einmalkosten Batterie Pumpspeicher SolarFuel Konvertierungstechnologie Zyklusdauer Quelle: SolarFuel
Bewertung von Speichertechnologien: Kein Vorteil ohne Nachteil Das Diagramm zeigt das Verhältniss der einzelnen Eigenschaften -9-
Systemkriterien für Speicherbewertungsmatrix Einordnung nach weiteren Kriterien Pumpspeicher Druckluftspeicher Akkus Redox-Flow-Zelle Wasserstoff Erneuerbares Methan Elektroauto Ausspeicher Dauer / (Überbrückungs- zeitraum für EE anteil = 0) < 6-10 h in Zentraleuropa < 6 h in Europa, Wäremespeiicherung AA CAES zeitlich begrenzt NaS: < 6 h, Lithium: < 2-3 h 6-10 h Tage/Wochen/Monate Tage/Wochen/Monate < 2 h Ausnutzung Ca. 1 kwh/nm³ (300 m Speichervolum Fallhöhe) en (round trip) Haltekosten Energiespeicher Kosten Euro pro kwel Systemintegrat iongs gering 900 1200 (Projekt spez.) Bekannt im Stromsystem, kurzfristiger Prognoseausgleich, Regelenergie >3 kwh/nm³ mittel ca. 1200 Bekannt im Stromsystem, kurzfristiger Prognoseausgleich, Regelenergie Lithium: 200-300 kwh/m³ Auslegung Kapazität/Leistung frei skalierbar, 180 kwh/nm³ >540 kwh/nm³ hoch hoch Sehr gering in Kavernen Äußerst gering in Kavernen NaS: >4.000 Litium: > 100 200?,heute > 1000 > 8.0000 2010,?:<3.000 Bekannt im Bekannt im Stromsystem als dynam. Stromsystem, Kurzzeitspeicher/Regele Stundenspeicher nergiemarkt <?, Elektrolyseur, Ziel: < 1.000 (2014), Kaverne,Wasserstoffnetzinfrastruktur, Beta: 2400 (2012) Tankstelle Aufbau neuer Verteii- /VerbrauchsInfrastruktur/ limitierte Integration Erdgasnetz, Mobilität? Hohe, sofortige Integrationsmöglichkeit im Gasnetz möglich, Mobilität,Heizenergie Lithium:200 300 kwh/m³ mittel Mobilität: > Aufbau neuer Infrastruktur Technik/Vertriebsmodelle Leistungsspeicher,Regelenergie Quelle: Nach Wirtschaftswoche Nr. 27, 05.07.20107/SolarFuel/VDE_EGT -10-
Komplementärer Einsatz der Transportnetze Gas - Strom IAEW RWTH Aachen: Breuer, Echternach, Lindemann, Prof. Moser et. al. Erdgastransportnetz in D : (HD-Leitung: >100.000 km, MD-Ltg.: > 140.000 km, Speicherkapazität: 220 TWh (300 TWh) Stromtransportnetz (ca. 36.000 km, >220 kv, 110 kv Netz: ca. 75.000 km Konvergenz von Gastransportnetz mit Stromnetz inkl. Speicherpfad in Untersuchung (Studie SolarFuel et.al.) SolarFuel: Stephan Rieket -11-
Vergleich Transportkapazitätsleistungen Gastransportleitg.-Freileitung- Erdkabel Ferngastransportleitung: D = 0,81 m, Ptherm = 12,5 GW D = 1,05 m, Ptherm = 18,26 GW D = 1,25 m, Ptherm = 28,56 GW (Cerbe) Unterirdische Verlegung, Nahezu keine Flächenbeanspruchung Speichereffekt Transportnetz als add on Nutzen Vorhanden Höchstspannung Freileitung Pelektr. = 2 * 1,8 GW Mastenhöhe: 50-100 m, Schneisenbreite: 100m Ausbaubedarf /Investitionsbedarf lt. DENA: >10 Mrd. Euro je nach Variante Infrastrukturumsetzung öffentlich umstritten Erdkabel Pelektr:= 4 * 3`er System (bis zu je 0,5-1 GW) Schneisenbreite: 15 m Investitionsbedarf: spez. höher als Freileitung Infrastrukturumsetzung versus Kosten Tennet: RAG SolarFuel: Stephan Rieket Tennet: -12-
Bei der Herstellung von Treibstoffen aus Sonnenenergie ist die Natur der Benchmark für SolarFuel Photon-to-fuel Prozess η < 1% η < 50% Energiespeicherung Chemische Energie (Biomasse) Treibstoffe (Fossil, biogen) CO 2 Spalten von Wasser: 12 H 2 O 24 (H) + 6 O 2 H2 reagiert mit CO2: 6 CO 2 + 24 (H) C 6 H 12 O 6 + 6 H 2 O Der Wirkungsgrad η Photon-to-fuel bei Verwendung von Biomasse zur Treibstofferzeugung ist kleiner als η = 0,5 Prozent Quelle: SolarFuel Photonen aus Sonnenlicht -13-
Elektronen statt Photonen liefert Elektronen für chemische Reaktion und bringt zwei entscheidende Vorteile Effizienz und vielfältige Quellen Die SolarFuel Technologie als Blackbox Luft ohne CO 2 Elektronen PV Windkraft Solar Fuel C x H Y O z C 1 H 4 O 0 Wasser Luft mit CO 2 Sauerstoff Die konsequente Analyse möglicher Verfahren zeigt optimale Systemgrenzen: x=1, y=4, z=0 Quelle: SolarFuel Stoff Energie Photonen aus Sonnenlicht -14-
Eine Absorption/elektrochemische Desorption, die Reduktion von H 2 O zu H 2 und anschließende Reduktion von CO 2 durch Hydrierung ist die beste Lösung Ergebnis detaillierter Bewertung Luft ohne CO 2 Andere CO 2 Quellen möglich Andere Verwendung für CO 2 möglich Luft mit CO 2 Absorption- / Desorption CO 2 Sonnen- Energie PV Windkraft Strom Synthese Methan Elektrolyse H 2 Wasser Sauerstoff Andere H 2 Quellen möglich Andere Verwendung für H 2 möglich Die konsequente Analyse möglicher Verfahren zeigt optimale Prozessführung Quelle: SolarFuel Stoff Energie -15-
Die SolarFuel α-anlage realisiert den Gesamtprozess im 25 kw Maßstab damit ist der Machbarkeitsnachweis ist erbracht Röntgenbild α-anlage Quelle: SolarFuel -16-
Die α-anlage erzeugt in zwei Containern ein normgerechtes, synthetisches Erdgas nach DVGW G260/262 Verfahrensschema Container 1: CO 2 -Produktion Abluft Luft CO 2 -Puffer FIC CO 2 -Absorber P/C Elektrodialyse CO 2 -Bereitstellung Container 2: Kraftstoffsynthese Gastrocknung CH 4 -Puffer P/C M Reaktor M M Verdampfer Gasmischer FIC Betankung 2-Bank- Speicher Tankstutzen CH4-Synthese M M Prozesstemperaturkontrolle DI-Patrone Hydrogen Generator H2-Erzeugung PKW Wasser -17-
Mobilitätsanwendung der Wind to Gas Demonstrationsanlage Stuttgart Anwendung von Windstrom im Gastank mit Serienerdgasfahrzeugtechnik: heute anwendbar -18-
Die Konvertierungsrate der γ-anlage liegt bei >60 Prozent, das erzeugte Erdgassubstitut ist direkt einspeisefähig sowie ein handelbares Produkt Konvertierungsrate und Vergleich Gaszusammensetzung in Vol. %, G262 konform Konvertierungsrate Strom Elektrolyse 98.9% 100% 61,6% 11.7% Substitute Natural Gas (SNG) Nutzbare Abwärme Strom CO 2 -Verdichtung 1.1% 26.7% Verlust Gaszusammensetzung vor und nach Methanisierung, Vol. %, Wobbeanpassung äquivalent Biomethaneinspeisung Edukt-Gas H 2 79.5 CH 4 CH 4 -reiches Produkt-Gas (SNG) 90,1 Synthesereaktion Volumenabnahme 5:1 5.3 4.6 20.5 CO 2 H 2 CO 2 Quelle: SolarFuel -19-
Nach der Erprobung im Megawattbereich erfolgt der weltweite Roll-out des kommerzialisierten Produkts Lösung Industrialisierung und Kommerzialisierung Industrialisierung mit einer beta-anlage bis 2012 Die Demonstrationsanlage läuft ab 2012 mit einer elektrischen Anschlussleistung von 6,3 MW und einem geplantem Wirkungsgrad von 54 Prozent Kommerzialisierung mit Gamma-Anlage ab 2014 20 MW, η > 60% Ziel ist die Erprobung der SolarFuel Technologie im energiewirtschaftlich sinnvollen Maßstab und realen wirtschaftlichen Bedingungen Anschlusswert steigt 3-fach Ausgehend von der Kernaufgabe der Verstetigung von EE werden sowohl Einsatzszenarien im Mobilitäts- als auch im Energiewirtschaftlichen Bereich entwickelt und bewertet. Anschlusswert Steigt 10-fach 25 kw 250 kw 6,3 MW, η = 54% Am Standort werden unterschiedliche CO 2 -Quellen evaluiert Der Anlagenbetrieb wird von einem engen Monitoring begleitet um das Verfahren hinsichtlich Zuverlässigkeit, Verfügbarkeit und Wirkungsgrad weiter zu optimieren und die nachfolgende Verwertungsphase vorzubereiten. Pilot-Anlage November 2009 Alpha 250 2011 Beta-Anlage 2012/13 Gamma- Anlage 2014 ff. Kommerzielle SolarFuel Anlagen stehen ab 2015 mit einer elektrischer Anschlussleistung modular bis 20 MW und einem Wirkungsgrad von mehr als 60 Prozent zur Verfügung, Ziel: < 1.000 Euro/kWel Quelle: SolarFuel -20-
Anlagentest der Alpha 25 Anlage im Biogasanlagenbetrieb Quelle: SolarFuel GmbH -21-
Projekt Audi: Balanced mobility: Netzausbau elementar, aber? Windenergie Windenergie in Planung Photovoltaik- / Bioenergieanlagen Engpass Übertragungsnetz Verteilungsnetz Ballungszentrum Quelle: SolarFuel GmbH -22-
CO 2 -Neutralität für e-tron und TCNG Strom H 2 4 Windkrafträder à 3,6 MWel Elektrolyse, 6,3 MW el Methanisierung CH 4 BEV-Fahrzeug CO 2 -neutraler Betrieb von Audi A1 e-trons CO 2 aus Luft oder - Biogasanlage - Kläranlage - Erdgasfahrzeug CO2-neutraler Betrieb von TCNG-Fahrzeugen CH 4 2010-01-29 Geschäftsstrategie und Business Case-Plan Solar AG 01 KMG_selected_13h04.ppt -23-
Umweltbilanz am Beispiel Kompaktklasse Laufleistung: 200.000 km CO 2 - Äquivalente [g/km] - 85% CO 2 (well-to-wheel) CO 2 -Emissionen well-totank CO 2 -Emissionen tank-towheel CO 2 -Emissionen Fahrzeugherstellung Benzin CNG BEV (EU- Strommix) BEV (Windstrom) BioMethan (Mais) e-gas (Windstrom) Ein mit e-gas betriebenes Fahrzeug ist genauso umweltfreundlich wie ein Elektrofahrzeug mit Windstrom 2010-01-29 Geschäftsstrategie und Business Case-Plan Solar AG 01 KMG_selected_13h04.ppt -24-
der Nordwesten Deutschlands wurde als geeigneter Standort von Audi für SolarFuel Anlage gewählt Windpark Werlte 2010-01-29 Geschäftsstrategie und Business Case-Plan Solar AG 01 KMG_selected_13h04.ppt -25-
A3 Sportback TCNG Motor / Getriebe / Fahrwerk Motor: Verbrauch CNG: Reichweite CNG: Höchstgeschwindigkeit: 1,4l TCNG, 81 kw < 4 kg / 100 km > 400 km > 190 km/h Rahmendaten Produktionsbeginn: Herbst 2013 (Nachfolger A3) Das e-gas soll in den neuen Audi TCNG-Modellen ab 2013 genutzt werden. 2010-01-29 Geschäftsstrategie und Business Case-Plan Solar AG 01 KMG_selected_13h04.ppt -26-
Wenn der Wind der Veränderung weht, bauen die einen Mauern und die anderen Windmühlen. Chin. Sprichwort Kontakt: SolarFuel GmbH Stephan Rieke 0711-46057495 rieke@solar-fuel.net -27-