Power-to-Gas - energiekreis lokale Agenda21 Leonberg

Vortragsreihe Schiller-Volkshochschule Kreis Ludwigsburg 

06. November 2013, Bürgersaal Ditzingen 

Power-to-Gas 

Eine neue Technologie zur Speicherung von elektrischem Strom 

als Wasserstoff- oder Methangas 

Dipl.-Ing. Andreas Brinner 1 

mit Beiträgen von: 

M. Specht 1 , J. Brellochs 1 , V. Frick 1 , B. Stürmer 1 , U. Zuberbühler 1 , 

M. Sterner 2 , G. Waldstein 3 

1) ZSW – Zentrum für Sonnenenergie- und Wasserstoff-Forschung, Stuttgart 

2) Fraunhofer IWES, Kassel 

3) etogas GmbH, Stuttgart

Vortragsinhalt: 

• Kurze Vorstellung des ZSW 

• Warum benötigen wir neue Energieträger? 

• Welche Energieträger gibt es und welche brauchen wir? 

• Wie kann ein Energieversorgungsszenario mit Power-to-Gas aussehen? 

• Von der erneuerbaren Energie (EE) zum Wasserstoff 

• Kommerzieller Stand der Elektrolysetechnik 

• Leistungsanpassung von EE und Elektrolyse 

• Betriebsergebnisse von PV-Elektrolysesystemen 

• Übertragung der Ergebnisse auf Wind-Elektrolysesysteme 

• Power-to-Gas-Anlagenentwicklung von ZSW und Solar Fuel 

• Wo ist der Markt? 

• Elektrolyse ist entscheidend für den Erfolg! 

• Keine Angst vor neuen Energieträgern! 

-2-

Zentrum für Sonnenergie- und Wasserstoff-Forschung 

(ZSW): Neue Energietechnologien 

• Angewandte Forschung und Entwicklung 

• Enge Kooperation mit Unternehmen und Universitäten 

• 25 Millionen € Umsatz, 220 Angestellte 

• Photovoltaik – Dünnschicht-Technologien (CIS) & Anwendungssysteme 

• Regenerative Energieträger und Verfahren 

• Brennstoffzellen – Technologie, Systeme, Testzentrum 

• Batterien & Superkondensatoren – Material, Systeme, Qualifizierung 

• Systemanalyse & Politikberatung 

Stuttgart Widderstall Ulm 

-3- 

Kurze Vorstellung des ZSW

Ein Energieversorgungssystem mit hohem 

erneuerbarem Energieanteil benötigt Speicher 

-4- 

Warum neue Energieträger ?

Ziel: Ein Energiesystem ohne Schadstoffe 

Lösung 1: Erneuerbare Energie zu Wasserstoff mit 

geschlossenem Wasser-Kreislauf 

Grafik: DLR Stuttgart aus Broschüre „Solarer Wasserstoff – ein möglicher Energieträger der Zukunft“ 

-5-

Ziel: Ein Energiesystem ohne Schadstoffe 

Lösung 2: Erneuerbare Energie zu Ersatz-Erdgas mit 

geschlossenem Kohlenstoff-Kreislauf 

(Engl.: Substitute Natural Gas SNG) 

SNG (Kohlenstoff-basierter Kraftstoff) 

-6-

Energieverbrauch und -speicherkapazitäten in 

Deutschland (2008) 

Strom 

Erdgas 

Flüssigkraftstoffe 

1) 

Verbrauch 

[TWh/a] 

615 

930 

707 

durchschnittliche Leistung 

[GW] 

70 

106 2) 

81 

Speicherkapazität 

[TWh] 0,04 3) 217 4) 250 5) 

rechnerische Speicherreichweite 6) [h] 

0,6 2000 3100 

1) Benzin, Diesel, Kerosin 

2) jahreszeitlich stark schwankend 

3) Pumpspeicherkraftwerke 

4) 47 Untertage Gasspeicher / für weitere 79 TWh Rahmenbetriebsplan eingereicht / weitere Speicher in Planung [LBEG, Hannover] 

5) Bevorratung an Benzin, Diesel, Kerosin und Heizöl EL 

6) bezogen auf die durchschnittliche Leistung 

-7-

Energieverbrauch und -speicherkapazitäten durch 

Elektrofahrzeuge in Deutschland 1) 

1 Mio. Elektrofahrzeuge 

40 Mio. Elektrofahrzeuge 

Verbrauch 2) 

[TWh/a] 

1,9 

76 

Anteil am Stromverbrauch 

[%] 

0,3 

12 

Speicherkapazität 3) [TWh] 

0,01 

0,4 

rechnerische Speicherreichweite 4) [h] 

0,15 

6 

1) Bezugsjahr 2008 

2) 0,16 kWh/km; 12 000 km/a 

3) verfügbare Speicherkapazität pro Fahrzeug: 10 kWh 

4) bezogen auf die durchschnittliche Leistung von 70 GW 

-8-

Speichertypen für Erneuerbare Energie: 

Kapazität und Entladezeit 

10000 

1 a 

1000 

SEG 

1 m 

100 

WPS 

Entladezeit [h] 

10 

1 

1 d 

1 h 

Batterien 

ADLS 

CAES 

H 2 

Warum neue Energieträger ? 

0,1 

Schwungrad 

0,01 

0,001 

1 kWh 10 kWh 100 kWh 1 MWh 10 MWh 100 MWh 1 GWh 10 GWh 100 GWh 

Speicherkapazitäten für verschiedene Speicherypen 

ADLS Adiabater Druckluftspeicher 

WPS Wasser-Pumpspeicher 

SEG Synthetisches Erdgas 

1 TWh 10 TWh 100 TWh 

-9-

Was wollen wir? 

Wir wollen Energie und Mobilität ohne Einschränkungen und ohne Nachteile 

für die Umwelt. Das geht nur in gekoppelten Systemen. 

NETZ 

GAS 

VERTEILUNGSSYSTEM 

Wind 

Solar 

GSP / 

BCHP 

GSP 

BCHP 

Gas and steam 

power plant 

Block-type heating 

power station 

ENERGIEERZEUGUNG 

GASTANK 

ENERGIESPEICHERUNG 

CO 2 

Elektrolyse / 

H 2 

Speicher 

CO 2 

Speicher 

H 2 

H 2 

CH 4 

Methanisierung 

CO 2 

Gasverteilungs- und 

Speichersystem 

auf der Basis von 

synthetischem Erdgas 

CO 2 

Plug-In HEV Plug-In HEV 

Elektrische 

Energie 

Wasserstoff 

Synthetisches 

Erdgas 

BEV FCEV CNG-V 

Mobilität 

BEV: 

FCEV: 

CNG-V: 

Plug-In HEV: 

Battery Electric Vehicle 

Fuel Cell Electric Vehicle 

Compressed Natural Gas 

Vehicle 

Plug-In Hybrid Electric 

Vehicle 

-10- 

Welche Energieträger brauchen wir?

Was wollen wir? 

Wir wollen Energie und Mobilität ohne Einschränkungen und ohne Nachteile 

für die Umwelt. Das geht nur in gekoppelten Systemen. 

NETZ 

GAS 

VERTEILUNGSSYSTEM 

Wind 

Solar 

GSP / 

BCHP 

GSP 

BCHP 

Gas and steam 

power plant 

Block-type heating 

power station 

ENERGIEERZEUGUNG 

GASTANK 

ENERGIESPEICHERUNG 

Elektrische Energie 

Elektrolyse / 

H 2 

Speicher 


Gasverteilungs- und 

Speichersystem 

auf der Basis von 


Elektrische 

Energie 


BEV FCEV ICE-V 

Plug-In HEV 

Plug-In HEV 

Mobilität 

BEV: 

FCEV: 

ICE-V: 

Plug-In HEV: 

Battery Electric Vehicle 

Fuel Cell Electric Vehicle 

Internal Combustion Engine 

Vehicle 

Plug-in Hybrid Electric 

Vehicle 

-11- 

Welche Energieträger brauchen wir?

Von der Primärenergie zum Sekundärenergieträger 

Energiewandler und Wasserstoff-Erzeugungsprozesse der 

nicht-fossilen Wasserstoffherstellung aus Sonnenenergie 

Die Strukturierung der 

H 2 -Herstellungsverfahren 

ist allgemein anerkannt 

-12- 

Von der erneuerbaren Energie (EE) zum Wasserstoff

Technische Verfahren zur Erzeugung von Wasserstoff 

als Sekundärenergieträger 

von der Entwicklung bis zum Anlagenbau 

Thermochemische Verfahren 

Thermochemische Kreisprozesse 

Entwicklung 

Technischer Reifegrad 

Elektrochemische Verfahren 

Anlagenbau 

-13- 


Einschätzung der System-Wirkungsgrade 

verschiedener Wasserstoffherstellungsverfahren 

Quelle: J. Blumberg, TU München 

-14- 


Funktionsprinzip einer alkalischen Elektrolysezelle 

Quelle: A. Brinner, DLR 

2 H 2 O + elektrische Energie 2 H 2 + O 2 

-15-

Prinzipien der Wasserelektrolyse 

AEL: T = 40 – 90°C PEMEL: T = 20 – 100°C SOEL: T = 700 – 1000°C 

-16- 


Einfacher atmosphärischer, alkalischer Elektrolyseur mit 

2 – 10 kW elektrische Leistung 

H 2 -Seite 

Gasabscheidekammern 

O 2 -Seite 

Elektrolytniveau 

Aktive 

Elektrodenfläche 

Kathoden-Kreislauf 

Zellrahmen 

-17- 

Elektrolytsammelkammern 

Anoden-Kreislauf 

Kathodenpumpe 

Anodenpumpe 


Wärmeübertrager

Funktionsprinzip einer alkalischen Elektrolysezelle 

H 2 -Seite 

Elektrolyt- 

Sammelkammer 

Kathoden- 

Kreislauf 

Aktive 


Zellrahmen 

O 2 -Seite 

-18- 

Elektrolytniveau 

Elektrolyt- 

Sammelkammer 

Anoden- 

Kreislauf 


Elektrolysezelle mit Naturumlauf

Einfacher atmosphärischer, alkalischer Elektrolyseur mit 

2 – 10 kW elektrische Leistung 

Elektrolyseblock 

Gas- 

Abscheidung 


-19- 


Laugensammler 

Laugen- 

Kreislauf

Fortschrittlicher alkalischer Druck-Elektrolyseur mit 

10-15 kW elektrische Leistung 

Wasser- 

Rückgewinnung 


Gas- 

Abscheidung 

Laugen- 

Kreislauf 


-20- 

Druckregelung

Fortschrittlicher alkalischer Druck-Elektrolyseur mit 500 kW 

elektrische Leistung in Saudi Arabien 

H 2 

-Wasser- 

Trennung 


Laugen- 

Kreislauf 

N 2 

-Spül- 

System 

Wasserabscheider 

Wasser- 

Kreislauf 


-21-

Kommerzieller technischer Stand der Wasserelektrolyse 

Alkalische Elektrolyse 

(AEL) 

Anlagenbau, 

Serienprodukte 

PEM-Elektrolyse 

(PEMEL) 

Prototypen, 

Einzelstücke 

Oxidkeramik-Elektrolyse 

(SOEL) 

Noch nicht kommerziell 

verfügbar 

ELT, 30bar, 2,4MW 

Siemens, 50bar, 

100kW, ab 2012 

Idaho NL, 1bar, 17,5kW 

Hydrogenics, 

10bar, 320kW 

ABB, 1bar, 100kW, bis 2000 

Leistung: 

Hydrotechnik, 

1bar, 0,6MW 

1 kW – 2,5 MW 

FUMATech, 

30bar, 1,7kW 

Leistung: 

0,1 kW – 100 kW 

Druck: 

drucklos – 100 bar 

Druck: 

drucklos – 100 bar 

-22- 

Kommerzieller Stand der Elektrolysetechnik

Dynamischer, vorhersehbarer 

Photovoltaik-Elektrolysebetrieb 

27.10.89 

Optimaler Betrieb 

19.09.89 

Minimalbetrieb 

19.05.89 

Dynamischer Betrieb 

Messungen im Rahmen 

des 

Deutsch – Saudi Arabischen 

HYSOLAR-Projektes 

Quelle: A. Brinner, DLR-TT, Stuttgart 

-23- 

Leistungsanpassung von EE und Elektrolyse

Dynamischer, nicht vorhersehbarer 

Wind-Elektrolysebetrieb 

Messungen im Rahmen 

des 

Europäischen Joule II- 

Projektes 

JOU2-CT93-0413 

Quelle: W. Hug, H. Dienhart, DLR-TT, Stuttgart 

-24- 

1996 

Windanlagen-Testbetrieb 

1997 

Dynamischer Elektrolysebetrieb 


Kopplungskonzepte der Energiewandler 

Photovoltaik und Elektrolyse 

Funktionsprinzip 

Technische Ausführung 


-25- 


Auch Wind-Elektrolysesysteme benötigen eine 

optimale Spannungs-/ Leistungsanpassung! 

Elektronische 

Leistungsanpassung ELA 

Elektronische 

Spannungsanpassung ESA 

Quelle: W. Hug, H. Dienhart, DLR-TT, Stuttgart 

-26- 

Übertragung der Ergebnisse auf Wind-Elektrolysesysteme

Fortschrittliche Druckelektrolyseure mit vakuum-plasmagespritzter 

Elektrodenaktivierung (DLR-Konzept) 

1,7 kW N alkalischer Versuchselektrolyseur, 

atmosphärischer Betrieb, 

22 % Energieeinsparung 

im Vergleich zu 

unbeschichteten Elektroden 

10 kW N alkalischer Druckelektrolyseur, 

5 bar Betriebsdruck, 

18 % Energieeinsparung 

im Vergleich zu 

unbeschichteten Elektroden 

Quelle: Hysolar Final Report, Phase II 1992- 1995, Stuttgart 

Vergleichsstromdichte 500 mA/cm 2 

-27- 


Direkt gekoppelter PV-Elektrolysebetrieb ohne elektrischen 

Zwischenspeicher 

Direkt gekoppelter PV-Elektrolysebetrieb 

mit 49,5V MPP-Spannung 


-28- 


Elektronisch angepasster PV-Elektrolysebetrieb ohne 

elektrischen Zwischenspeicher 

PV-Elektrolysebetrieb 

mit elektronischem 

Spannungswandler 

(DC/DC-Wandler) 


-29- 


PV-Elektrolysebetrieb ohne elektrischen Zwischenspeicher 

Direktkopplung Elektronische 

DK Spannungsanpassung ESA DK + teilw. ESA 


-30- 

Referenz: Solarenergieleistung auf der PV-Feldfläche 


Wichtiges Elektrolyseergebnis: 

Der Wirkungsgrad ist unabhängig vom Energieumsatz 

Der Betriebsstart mit Leistung < 7% P N ist reproduzierbar 

Ab 5% Nominalleistung erhält man nutzbaren Wasserstoff 

Quelle: A. Brinner, DLR-FK, Stuttgart 

-31- 


Technisches Konzept einer Wasserstoff- 

Erzeugungsanlage mit Druckelektrolyseur 

-32- 

Power-to-Gas-Anlagenentwicklung von ZSW und Solar Fuel

Containerisierte alkalische Druckelektrolyseanlage mit 

320 kW elektrische Leistung 

O 2 -Abblaseleitung 

Systemkühler 

H 2 -Abblaseleitung 

Kühlertrockner 

-33- 

Elektrolyse- 

Kernsystem 

Kühlersystem 

Gleichrichter 

Systemsteuerung

Detail-Blick in den Elektrolyse-Container 

Gaserzeugung in 

4 Elektrolyse- 

Doppelblöcken 

Gleichrichteranlage mit 

4 einzeln regelbaren 

80kW Gleichrichtern 

-34-

Detail-Blick in den Elektrolyse-Container 

Wasseraufbereitungsanlage 

mit Umkehrosmose 

und Mischbett-Filterung 

Gastrocknungsanlage und 

Kondensatabscheidung 

auf 99,999% Reinheit 

und -75°C Taupunkt 

Katalytische 

O 2 -Rekombination 

und Wechsel-Adsorberkolonne 

-35-

Herstellung von Ersatz-Erdgas (SNG) 

Methanisierung von CO x 

2 CO + 2 H 2 CH 4 + CO 2 

H 298K 

= - 246.8 kJ/mol CH4 

CO + 3 H 2 

CH 4 + H 2 O(g) 

H 298K 

= - 206.2 kJ/mol CH4 

CO 2 + 4 H 2 

CH 4 + 2 H 2 O(g) 

H 298K 

= - 165.5 kJ/mol CH4 

SNG = Substitute Natural Gas 

-36-

CO 2 + elektrische Leistung SNG 

Experimentalergebnisse 

Speisegase 

(Edukte) 

Katalysator 

Substitute 

Natural Gas 

(Produkt) 

H 2 

79,5 

CH 4 

92,0 

Vol.% 


Vol.% 

CO 2 

20,5 

Parameter der 

Methanisierung: 

T 250 - 550°C 

p e 

< 10 bar 

SV wet 

> 2000 1/h 

H 2 

3,9 

CO 2 

4,1 

-37-

-38- 

Wind-zu-SNG - Konzept: 

Energetischer Wirkungsgrad 

(Sankey Diagramm ohne direkte H 2 -Abgabe)

Power-to-Gas - Technologie: 

Technische Realisierung für die Firma Etogas 

Methanreaktor 

CH 4 

-Abfüllstation 

ca. 15 kg, 200 bar 

CO 2 

- 

Gewinnung 

Elektrolyseur 

-39- 


Verfahrenstechnischer Umfang der ZSW 250kW-Anlage 

(PtG250) 

-40- 


PtG250-Anlageninstallation auf dem Versuchsgelände 

Subsysteme der Versuchsanlage 

1 Methansynthese 1 

2 Methansynthese 2 

3 Gasaufbereitung 

4 Gasbereitstellung 

5 Rezykl.-Verdichter 

6 Feuerungsanlage 

7 H 2 -Elektrolyse 

8 CO 2 -Bereitstellung 

9 N 2 -Bereitstellung 

10 Brenngas-Bereitstellung 

11 Wasseraufbereitung 

12 Sicherheitsleitung Gase 

13 Sicherheitsleitung Dampf 

14 Kamin 

15 Sicherheitsleitung H 2 

16 Abgabeleitung O 2 

17 Lüfter 

-41- 


Power-to-Gas - Container: Betrieb mit CO 2 und 

an Biogasanlagen mit Biogas und PSA Abfall-Gas 

Der Nordwesten Deutschlands 

wurde als geeigneter Standort 

von Audi 

für die SolarFuel Anlage gewählt. 

2011-Anlage an Biogasanlage 

Beta-Anlage 

Werlte 

Morbach 

2009 Alpha-Anlage 

2011 

Stuttgart 

Source: SolarFuel 

-42- 


-43- 

Kommerzialisierung in Werlte: 

Power-to-Gas - Anlage / Biogas-Anlage

CO 2 -Neutralität für e-tron und g-tron 

Strom 

H 2 

4 

Windkrafträder 

à3,6 MWel 

BEV-Fahrzeug 

CO 2 -neutraler 

Betrieb von Audi 

A3 e-trons 

Elektrolyse, 

6,3 MW el 


CH 4 

aus Luft 

oder… 

CO 2 

- 

Biogasanlage 

-Kläranlage 

-… 

Erdgasfahrzeug 

CO 2 -neutraler Betrieb von 

A3 g-tron-Fahrzeugen 

CH 4 

-44-

Markt für Power-to-Gas auf deutschen Biogasanlagen: 

Anzahl der Anlagen und Leistungsklasse 

Anzahl der Biogasanlagen: ca. 5900 (Stand 2010) 

Installierte Leistung: 

2,3 GW el 

Mittl. Anlagenleistung: 

380 kW el 

(korrespondiert mit ca. 1 MWB Biogasleistung ) 

Benötigte Elektrolyseleistung 

für die CO 2 -Methanisierung in Biogas: ca. 1 MW el 

(für 1 MW Biogasleistung )* 

Source: DBFZ 

* Abhängig vom CH 4 

/CO 2 

–Verhältnis im Biogas und vom Elektrolyse-Wirkungsgrad 

-45- 

Wo ist der Markt ?

Einfluß des Elektrolyse-Wirkungsgrades 

(spez. Leistungsbedarf) auf den Wind-to-SNG 

System-Wirkungsgrad (CO 2 /H 2 -zu-SNG) 

70 

System-Wirkungsgrad [%] 

65 

60 

55 

50 

45 

40 

3,5 3,7 3,9 4,1 4,3 4,5 4,7 4,9 5,1 

Spezifischer Elektrolyse-Leistungsbedarf [kWh el 

/m N 

3 

H2 

] 

-46- 

Elektrolyse entscheidend für Erfolg !

Wichtige Kunden für Erneuerbare Energie: Fahrzeuge 

Die Tankstelle von heute wird sich zur Tankstelle von 

morgen weiterentwickeln 

Erdgas-Zapfsäule 

Wasserstoff-Zapfsäule 

Strom-Zapfsäule 

-47- 

Quelle: www.h2stations.org/; www.google.de; eigene Aufnahmen 

Keine Angst vor neuen Energieträgern !

Keine Angst vor der Betankung: 

Evolution der Zapfpistolen am Beispiel Wasserstoff 

Funktionsprinzip 

Test und Zulassung 

Kundenfreundliches System 

Quelle: www.h2stations.org/ ; eigene Aufnahmen 

-48- 


Die Bedienung wird sich weiterentwickeln aber das 

Prinzip bleibt gleich. 

Sicherheit gegen Verwechselung ist Pflicht! 

Strom-Zapfpistole 

Auch ein Vorschlag: 

Strom-Zapfpistole, 

Wasserstoff-Zapfpistole 

schönes Modell 

aber kaum durchsetzbar 

Quelle: http://www.h2stations.org/ ; eigene Aufnahmen 

Erdgas-Zapfpistole 

-49- 


Die Vergleichbarkeit der 

Preise ist Pflicht! 

Alle Tankstellen nutzen die gleiche 

Preisauszeichnung. 

Es ist direkt ersichtlich welchen Preis die 

Energie hat. 

Vorteile: 

Vergleichbarkeit 

Neue Energieträger wie Strom oder 

Wasserstoff lassen sich leicht integrieren. 

Rechtsgrundlage: Preisangabenverordnung 

Verbraucherschutz wird gestärkt 

Umstellungsaufwand an Tankstellen 

geringfügig 

€/10kWh oder €/fu 

Benzin 1.662 

Diesel 1.366 

Erdgas 0.715 

LPG 1.114 

Strom 2.100 

Wasserstoff 2.410 

Tankstelle XY 

1 Fuel-Unit (fu) = 10kWh 

-50- 


Noch Fragen? 

Herzlichen Dank für Ihre Aufmerksamkeit ! 

Dipl.-Ing. Andreas Brinner 

Zentrum für Sonnenenergie- und Wasserstoff-Forschung Baden-Württemberg 

Regenerative Energieträger und Verfahren 

Industriestr. 6, D-70569 Stuttgart 

Tel: ++49 (0)711 7870-338, Email: andreas.brinner@zsw-bw.de 

-51-

Power-to-Gas - energiekreis lokale Agenda21 Leonberg

Sie wollen auch ein ePaper? Erhöhen Sie die Reichweite Ihrer Titel.

Template löschen?

Als Template speichern?