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Max-Planck-Institut DKTS
Kai Sundmacher
Max-Planck-Institut für Dynamik komplexer technischer Systeme,Sandtorstr. 1, D-39106 Magdeburg,
E-mail: [email protected]
P2G: Power-to-Gas Energetik, Dynamik, Systemdesign, Akzeptanz
Leopoldina-Symposium„Energiespeicher“
Halle, 6. Februar 2014
Prof. Dr.-Ing. K. Sundmacher P2G: Power-to-Gas Leopoldina-Symposium, 6. Februar 2014 2
Quelle: BMWi-Bericht, Energie in Deutschland, Feb. 2013
Bruttostromerzeugung aus Erneuerbaren Energiequelle (Deutschland)
2013: 77,05 TWhel
Prof. Dr.-Ing. K. Sundmacher P2G: Power-to-Gas Leopoldina-Symposium, 6. Februar 2014 3
Installierte Stromerzeugungskapazitäten in GW (Deutschland)
Quelle: BMWi-Bericht, Energie in Deutschland, Feb. 2013
2005: 131 GWWind + PV: 15,1%
2011: 167 GWWind + PV: 31,7%
Prognose 2020: > 100 GW Leistung aus Windkraft + Photovoltaik
Prof. Dr.-Ing. K. Sundmacher P2G: Power-to-Gas Leopoldina-Symposium, 6. Februar 2014
Szenario 2050:100% Versorgung aus Erneuerbaren Energien
Quelle: J. Schmidt, IEWS, Fraunhofer Gesellschaft, 2011
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Prof. Dr.-Ing. K. Sundmacher P2G: Power-to-Gas Leopoldina-Symposium, 6. Februar 2014 5
Speicherung elektrischer Energie(*Speicherdruck: 200 bar)
Fl. Kraftstoffe10.000 kWh/m3
Wasserstoff*530 kWh/m3
Erdgas*1.800 kWh/m3
Batterien30-260 kWh/t
Druckluft*29 kWh/m3
Wasser3,3 kWh/m3
Wandler 1 Wandler 2 Pel
Zeit
Verbraucher
Haushalte
Industrie
Elektr. Verkehr
Prof. Dr.-Ing. K. Sundmacher P2G: Power-to-Gas Leopoldina-Symposium, 6. Februar 2014
Quelle: Siemens AG, PRO H2 Technology Forum, Hannover, 2. Oktober 2011
Speicherung elektrischer Energie
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Prof. Dr.-Ing. K. Sundmacher P2G: Power-to-Gas Leopoldina-Symposium, 6. Februar 2014 7
Power-to-Hydrogen-to-Power
Pel,inWasser-spaltung
WasserH2O
Sauer-stoff O2
Wasser-stoff, H2 H2
SpeicherH2
Verbrennung
Sauer-stoff O2
Wasser H2O
Q
Wasser-stoff, H2
Q
Pel,out
H2-Pipelines
• Wirkungsgrad?• Skalierbarkeit?• Dynamik?Elektrisches
NetzElektrisches
Netz
Prof. Dr.-Ing. K. Sundmacher P2G: Power-to-Gas Leopoldina-Symposium, 6. Februar 2014 8
Elektrische Leistung:Pel,in = 100 MW
Wasser-Spaltung
Abwärme:Q = 27,7 MW
Wasserspaltung: Exergieanalyse *
Wasserstoff:VH2 = 6,27 mN
3/sEH2 = 59,7 MW@ 1 bar, 25 °C
Sauerstoff:VO2 = 3,14 mN
3/sEO2 = 0,5 MW
.
Wasser (flüssig):mH2O = 16,4 t/hEH2O = 0,25 MW
.
.
* Anmerkung: Alle stoffgebundenen Energieflüsse berechnet für 1 bar, 25 °C
Wirkungsgrad Elektrolyse:
Wirkungsgrad Thermolyse:
%70...60el
rev
el
revel U
UPP
%40....30
G
G
R
revRthermo
Prof. Dr.-Ing. K. Sundmacher P2G: Power-to-Gas Leopoldina-Symposium, 6. Februar 2014 9
Wasser-Elektrolyse: AEL vs. PEMEL
Temperatur 40 – 90 °C 20 – 100 °C
Betriebsdruck < 32 bar < 85 bar
Leistung < 100 MW < 100 kW
H2-Produktion < 700 mN,H23/h < 50 mN,H2
3/h
Dynamik moderat schnell
2OH-
Diaphragma20-40 Gew.% KOH
Kathode -Anode +
H2½ O2+ H2O
2 H2ONi/Co/Fe
Ni
2 H+
Saure Polymer-Elektrolyt-
Membran (PEM)
Kathode -Anode +
H2½ O2
Iridium
PlatinH2O
Prof. Dr.-Ing. K. Sundmacher P2G: Power-to-Gas Leopoldina-Symposium, 6. Februar 2014 10
Wasser-Elektrolyse: AEL vs. PEMEL
Langzeitstabilität hoch steigern!
Katalysatoren Nichtedelmetalle Pt, Ir ersetzen!
Systemgröße reduzieren! bereits kompakt
Scale-up 3 MW 100 MW 100 kW 1 MW
Kosten Betr.-kosten reduzieren! Invest.-kosten reduzieren!
2OH-
Diaphragma20-40 Gew.% KOH
Kathode -Anode +
H2½ O2+ H2O
2 H2ONi/Co/Fe
Ni
2 H+
Saure Polymer-Elektrolyt-
Membran (PEM)
Kathode -Anode +
H2½ O2
Iridium
PlatinH2O
Prof. Dr.-Ing. K. Sundmacher P2G: Power-to-Gas Leopoldina-Symposium, 6. Februar 2014 11
Anode KathodeMEA
Gas-diffusions-
lagen
Bipolar-platten/
Flow FieldsH2
H+
e-e-
+–
H2
H+
e-e-
-+
Einzelzelle
Stack
MEA:MembraneElectrodeAssembly
Wichtige Aspekte:
• Kühlung des Stacksmittels Wasser-Zirkulation
• Wasser-Entionisierung perIonentauscher (< 1 S/cm)
• Spezifischer Energiebedarf 3,5 kWh / mN,H2
3
PEM-Elektrolyseur (PEMEL)
H2O
O2
H2
O2
O2
H2O
Prof. Dr.-Ing. K. Sundmacher P2G: Power-to-Gas Leopoldina-Symposium, 6. Februar 2014
PEM-Elektrolyse vs. Alkalische Elektrolyse:Spezifischer Energiebedarf
Quelle: T. Smolinka et al., NOW-Studie “Stand und Entwicklungspotenzial der Wasserelektrolyse” (2011)
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Prof. Dr.-Ing. K. Sundmacher P2G: Power-to-Gas Leopoldina-Symposium, 6. Februar 2014 13
H2O
Pre
ssur
e [b
ar]
100
101
102
103
pamb
pdeliv
pely
H2Extent of reaction
Offene Fragen:
1. Optimale Prozessroute?- Hoch-p-Elektrolyse (symmetrisch)- Hoch-p-Elektrolyse (asymmetrisch)- Atmosphärische Elektrolyse
2. Optimaler Ausgangsdruck?
Einflussfaktoren:
• H2-Speicherdruck• Nachfolgende Prozesse
(z.B. Methanisierung)• Betriebsmodus (stat./dyn.)• Wirkungsgrade der Einzelschritte
PEM-Wasserelektrolyse: Alternative Prozesspfade
Quelle: B. Bensmann, I. Pena-Arias, R. Hanke-Rauschenbach, K. Sundmacher, Electrochimica Acta (2013)
Prof. Dr.-Ing. K. Sundmacher P2G: Power-to-Gas Leopoldina-Symposium, 6. Februar 2014 14
Tely = 60°C
Ene
rgy
dem
and
[kJ/
mol
]
H2 delivery pressure [bar]
PICO2
H2
Pre
ssur
e
Spatial coordinate
Hydrogencross-over
∆V = 500 mV (@1 A/cm2)kH2 = 0.25·10-9 mol/(s·m·bar)
ηisen·ηmech = 0.72
Quelle: B. Bensmann, I. Pena-Arias, R. Hanke-Rauschenbach, K. Sundmacher, Electrochimica Acta (2013)
PEM-Wasserelektrolyse: Energetische Bewertung
Prof. Dr.-Ing. K. Sundmacher P2G: Power-to-Gas Leopoldina-Symposium, 6. Februar 2014
PEM-Wasserelektrolyse: Energetische Bewertung
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High-p (asymmetr.) Pfad→ Exergieverlust infolge
H2-Permeation durch PEM
Tely = 60°C Hoch-p (symmetr.) Pfad→ Exergieverlust durch
O2-Verdichtung
Atmosphärischer Pfad→ Exergieverlust durch
nichtisotherme Verdichtung
Ene
rgy
dem
and
[kJ/
mol
]
H2 delivery pressure [bar]
Quelle: B. Bensmann, I. Pena-Arias, R. Hanke-Rauschenbach, K. Sundmacher, Electrochimica Acta (2013)
Prof. Dr.-Ing. K. Sundmacher P2G: Power-to-Gas Leopoldina-Symposium, 6. Februar 2014
PEM-Wasserelektrolyse: Robuste Optimierung unter Unsicherheiten
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Ele
ctro
lyse
r pre
ssur
e, p
ely
[bar
]
Delivery pressure, pdeliv [bar]
OptimaleKurve
Parametrische Unsicherheiten (∆V, kH2, ηisen·ηmech)
+0.5 kJ/mol
+3 kJ/mol
+6 kJ/mol
+0.3 kJ/mol
pely=pdeliv(no mechan.compression)
Energieoptimaler Pfad:Asymmetrische PEMEL (10-20 bar H2-Druck) +gekühlte mehrstufige H2-Kompression
Materialbedarf:Polymerelektrolyt-Membranen mit niedriger H2-Permeabilität
Quelle: B. Bensmann, I. Pena-Arias, R. Hanke-Rauschenbach, K. Sundmacher, Electrochimica Acta (2013)
Prof. Dr.-Ing. K. Sundmacher P2G: Power-to-Gas Leopoldina-Symposium, 6. Februar 2014 17
Power-to-Hydrogen: Speicherung des erzeugten Wasserstoffs
Pel,inElektro-
lyse
WasserH2O
Sauer-stoff O2
Wasserstoff, H2
H2Speicher
…
Mehrstufige gekühlte Verdichtung (Tmax = 450 K wegen Materialversprödung)
Prof. Dr.-Ing. K. Sundmacher P2G: Power-to-Gas Leopoldina-Symposium, 6. Februar 2014 18
Salzkavernen als Gasspeicherin Deutschland
Erdgas-Speicher Porengestein: n = 45Aktives Volumen: V = 12,5 Mrd. m3
Erdgasspeicher Salzkaverne: n = 173Aktives Volumen: V = 7,8 Mrd. m3
400 - 1800 m
pmax= 200 barpmin = 60 bar
Prof. Dr.-Ing. K. Sundmacher P2G: Power-to-Gas Leopoldina-Symposium, 6. Februar 2014 19
Nutzung des gespeicherten Wasserstoffs
Gasturbinen / GUD(stationär; < 0,57) für CH4 etabliert H2-Betrieb entwickeln!
Brennstoffzellen(mobil / stationär; = 0,4…0,5) Kosten senken ! Scale-up !
Wasserstoff-Pipelines
H2Kavernen-Speicher
H2Verbrennung
Luft / O2
Wasser H2O
Wasser-stoff, H2
Erdgas-Netz(max. 2 – 5% H2gemäß DVGW-Regelwerken)
Gasaufbereitung:- Trocknung
(H2O < 10 ppm)- Abscheidung
Salzaerosole
Pel,out
SynthetischesErdgas (SNG)
Chemische Prozesse Raffinerien Metallurgische ProzesseH2 MethanH2 Methanol MTGH2 Fischer-Tropsch
Prof. Dr.-Ing. K. Sundmacher P2G: Power-to-Gas Leopoldina-Symposium, 6. Februar 2014 20
BMBF-Verbundprojekt HYPOS: Hydrogen Power Storage & Solutions East Germany
Förderprogramm „Zwanzig20“ (2014-2019)
90 Partner, vornehmlich aus den 5 NBL (Industrie, Unis, Forschungsinstitute) 90 Mio.€ Gesamtvolumen (50% BMBF, 50% Industrie: Siemens, Linde, VNG, u.a.)
VNG Gasspeicher:in Bad Lauchstädt:
Drei neue Salzkavernen mitArbeitsgasvolumen von 195 Mio. m3
(Fertigstellung 2022)
Bad Lauchstädt
www.hypos-eastgermany.de
Prof. Dr.-Ing. K. Sundmacher P2G: Power-to-Gas Leopoldina-Symposium, 6. Februar 2014 21
Methanisierung von Wasserstoff:Grundidee
Motivation: Methanisierung von Wasserstoff ermöglicht Speicherung und
Verteilung erneuerbarer Energien über das bestehende Erdgasnetz.
Methanisierung:
2) Bio-katalytische Route(Methanogenese: Flüssigphase)
4 H2 + CO2 CH4 + 2 H2O
A. Bensmann et al. (2014), Energy Environm. Sci., submitted
• VollständigerH2/CO2-Umsatz
• Reines CH4als Produkt
• kein CO
• interne Kühlung
1 bar60 °C
1) Chemo-katalytische Route(Sabatier-Prozess: Gasphase)6 - 20 bar270-450 °C
CH4H2O
QH2CO2
Wasser, H2O
CH4
Wasser-kondensation
• Robuster Prozess• Kat.: Ni/-Al2O3 ; Ru/-Al2O3
Solar Fuel, Patent DE 10 2009 059 310 A1 (2011)
Prof. Dr.-Ing. K. Sundmacher P2G: Power-to-Gas Leopoldina-Symposium, 6. Februar 2014 22
Sabatier-Prozess: Wirkungsgrad
Sabatier-Prozess
Wasserstoff, H2
Kohlendioxid, CO2
p = 6 barT = 450 °C
QM = 11,2 MW
Qv,1
Qv,2
Wasser, H2O
Syn. Methan, CH4NH2 = 253,0 mol/sEH2 = 59,7 MWp = 1 bar
NCH4 = 63,25 mol/sECH4 = 53,1 MW
p = 84 barNCO2 = 63,25 mol/sECO2 = 1,53 MWp = 1 bar
Pel = 100 MW
Pv,1 = 1,4 MW
Pv,2 = 0,4 MW
Konden-sation
NH2O = 126,5 mol/sEH2O = 0,1 MWp = 1 bar
%82%...75Meth
IsothermeKompression
IsothermeKompression
Prof. Dr.-Ing. K. Sundmacher P2G: Power-to-Gas Leopoldina-Symposium, 6. Februar 2014 23
Prozessvergleich: H2-Route vs. CH4-Route
Sabatier-Prozess
100 MWElektro-
lyseWasserH2O
Sauer-stoff O2
Wasserstoff, H2
Qel
Erdgas-Netz
Pv,1
Pv,2
p = 84 barH2O < 10 ppm
KohlendioxidCO2 (aus Biogas oder CCU: Carbon Capture & Use)
6 bar
Konden-sation
Pv
SynthetischesMethan (SNG), CH4
QMQv,1
Qv,2
Qv
1 bar
Wasser, H2O
Konden-sation
Wasser, H2O
H2-Route: 62,5 MWCH4-Route: 53,6 MW
Prof. Dr.-Ing. K. Sundmacher P2G: Power-to-Gas Leopoldina-Symposium, 6. Februar 2014
Methanisierung aus erneuerbarem CO2:Potenzialabschätzung
Jährliche EnergiemengeWind + Photovoltaik [2]:
77,05 TWhel (277 PJ)
1,52 Mio. Tonnen H2(760 Gmol)
Biogas24,8 TWhel
CO2 verfügbar aus Biogas [2]: 9,3 Mio. Tonnen
Biomethan
ElektrolyseDaten aus [3]
Kavernenspeicherfür Methan in D:
2011: 204 TWh
2050: 514 TWh
42 TWh
Elektrischer Speicherbedarf in D: 80% EE 7,5 TWhel
100% EE 26 TWhel
25,2 TWhel(ηC = 0.60)
3,04 Mio. Tonnen190 Gmol
8,36 Mio. Tonnen CO2(190 Gmol)
Kohle-Kraftwerke
CO2 Emissionen: 764 Mio. Tonnen[1]
[1] Energie in Deutschland (BMWi, Feb 2013)[2] Erneuerbare Energien in Zahlen (BMU, Juli 2013)[3] Carmo et al., Int. J. Hydrogen En. 38 (2013) 4901
+ 6,84 Mio. Tonnen H2O !
Sabatier-Prozess
Prof. Dr.-Ing. K. Sundmacher P2G: Power-to-Gas Leopoldina-Symposium, 6. Februar 2014 25
Zusammenfassung
Im zukünftigen Energiesystem sind zusätzliche Langzeiten-Energiespeicher(Monate) unverzichtbar, um die volle Versorgungssicherheit zu gewährleisten.Dies ist nur erreichbar mit chemischen Energiespeichern (insb. H2, CH4).
Exergetische Hierarchiestufen der Nutzung erneuerbarer Energien*:1. EE-Strom direkt nutzen (dafür: Ausbau des Stromnetzes)2. EE-Strom Elektrolyse H2 Kavernenspeicher3. Rückverstromung von H2: Gasturbinen/GUD, Brennstoffzellen4. Wandlung H2 + CO2 CH4, Methanol, DME, MTG- & FT-Kraftstoffe
Eingesetztes CO2 sollte ausschließlich aus erneuerbaren Ressourcen stammen (abgetrennt an Biogas-Anlagen; nicht aus CCU-Prozessen).
Die gesellschaftliche Akzeptanz für großskalige H2-Speicherung ist fraglich.
* vgl. hierzu: DECHEMA-Diskussionspapier „Überschussstrom nutzbar machen“, 3.02.2014