Projekt HYDROCELL: Wasserstoffproduktion mit ... · Quelle: ... Um die Flu ktu ationen a uszug lei...
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Projekt HYDROCELL: Wasserstoffproduktion mit Hochtemperatur Brennstoffzellen Wien, 22. September 2014
Richard Schauperl, AVL List GmbH Lead Engineer Fuel Cell
Phone: +43.316.787.2168 or mobile +43.664.827.417.3
Email: [email protected]
Inhalt
Einleitung
Power to Gas
Stromspeichertechnologien
Wasserstoffproduktion
Funktionsprinzip Hochtemperatur-Elektrolyse (SOE)
Projektvorstellung und Ziele des Projektes HYDROCELL
Power-to-Gas
Vgl. [2] [3]
Strom aus erneuerbaren Energien speichern und transportfähig machen
Konzept eines geschlossenen Kreislaufs: Für gesicherte Nutzung im Mobilitäts- und
Wärmesektor
HYDROCELL
Was ist grüner Strom?
Quelle: http://www.sauberenergie.de
Stromerzeugung und -verbrauch müssen stets ausgeglichen sein, damit das Stromnetz stabil
arbeitet. Daher speisen die Versorger immer genau die Menge ins Netz ein, die von
den Kunden entnommen wird.
Bilanz der öffentlichen Elektrizitätsversorgung
Quelle: Energie Control GmbH.
Entwicklung der anerkannten Ökostromanlagen in Österreich
Stromproduktion aus erneuerbaren Energien dass es zu keinem Flächennutzungskonflikt kommt. Die vermehrte Einspeisung von EE in
das Stromnetz, insbesondere von Strom aus Windenergie, bringt jedoch das Problem der
Fluktuationen mit sich. Spätestens ab einem Anteil von etwa 40% wird dies bei
vorhandener Infrastruktur problematisch, wie in Abb.1.1 veranschaulicht.
Abb.1.1. - Fluktuationen EE nach BEE Szenario (Sterner et al;2010;Folie 7-8)
Um die Fluktuationen auszugleichen müssten konventionelle Kraftwerke im
Lastfolgebetrieb arbeiten, was häufiges An- und Abfahren notwendig macht. (Sterner et
al,2010) Dies ist unwirtschaftlich und ineffektiv, da durch das ständige Ab- und Anlaufen
der Generatoren der Wirkungsgrad der Kraftwerke deutlich gesenkt wird und außerdem
eine ständige Überkapazität vorhanden ist. Wesentlich sinnvoller ist ein Szenario bei dem
konventionelle Kraftwerke einen reduzierten Grundlastbedarf decken und der zu Zeiten
überschüssig produzierte Strom der Windkraftwerke dazu verwendet wird Treibstoff
herzustellen, welcher wiederum den Verbrennungskraftwerken zugeführt wird.
Es ergibt sich eine dringende Notwendigkeit des Netz- und Speicherausbaus. Deutschland
gilt zusammen mit Spanien und Dänemark als europäischer Vorreiter in Sachen
erneuerbarer Energien. In der deutschen Politik ist die Bedeutung zukünftig benötigter
Stromspeicher anerkannt. So wird im Koalitionsvertrag vom 26.10.2009 von der
Bundesregierung die Relevanz des Speicherausbaus hervorgehoben. Explizit werden
jedoch nur Pumpspeicherkraftwerke genannt. (dena;2010;S4) Die begrenzte
Einsatzmöglichkeit von PSW sei an folgendem Beispiel vor Augen geführt:
Seite 7 von 40
Vgl. [1]
Zunehmender Anteil von erneuerbaren Energien (EE) in der Stromerzeugung führt zu mehr Überschuss- bzw. Defizit-Situationen.
z.B. Stromerzeugung und Last für einen Zeitraum von einem Jahr bei 15% und 47 EE-Anteil.
Konventionelle Stromspeichertechnologien
Am weitesten verbreitet:
Pumpspeicherkraftwerk
Druckluftspeicherkraftwerke
Windkraftwerk
Superkondensator
Batterien
Quellen: kbbnet, voith, Windkraft Simonsfeld AG, Maxwell Technologies, Banner
Damit erneuerbare Energie gesichert zur Verfügung steht, kann mit Hilfe von Energiespeichern
zum Produktionszeitpunkt überschüssige Energie gespeichert und zu einem späteren Zeitpunkt
bedarfsgerecht bereitgestellt werden.
Konventionelle Stromspeichertechnologien
Vgl. [1]
Speicherzeit
Kurz lang
Kap
azit
ät
nie
dri
g h
och
Flywheels
Supercapacitors
VBR und ZnBr Batterien
PSKW CAES
Li-ion NiCd Lead-acid Batterien
Limits von konventionellen Stromspeichertechnologien
Alternative: Erzeugung von Wasserstoff und synthetischem Erdgas
hour
day
month
year
Mit der Hochtemperaturelektrolyse ist die Speicherung von überschüssiger Energie im
GW-TW Bereich möglich!
Warum Hochtemperaturelektrolyse?
• Der Gesamtenergiebedarf der Elektrolyse verlagert sich bei hohen Temperaturen hin zu mehr Wärme und weniger wertvollen Strom. Dadurch ist bei der Hochtemperaturelektrolyse der elektrische Energiebedarf um bis zu 25% niedriger als bei den heute üblichen Verfahren (PEM & Alkali).
Quelle: Konzept für eine 10 kW SOEC-Elektrolyseanlage
Bernd Wede. Masterarbeit AVL/TU-Graz
• Steht eine Abwärmequelle (200-300C) für diesen Bedarf zur Verfügung können mit Hochtemperaturelektrolyse extrem hohe Wirkungsgrade bis zu über 85% dargestellt werden.
• Die Hochtemperaturzelle SOEC benötigt keine teuren Katalysatormaterialien (z.b. Pt). Als Katalysator wird Ni verwendet.
• In der Hochtemperaturelektrolyse kann direkt unter Zugabe von CO2 und H2O ein Synthesegas (H2 & CO) gewonnen werden, dass direkt einer Methanisierungsstufe zugeführt werden kann.
Aufbau einer Hochtemperaturelektrolysezelle
Elektrolyse von H2O
+
Elektrolyt
Kathode Anode
H2O
H2
O2 O2-
CO- Elektrolyse von CO2 und H2O
In
terk
on
nekto
r /
Bip
ola
rpla
tte
Wiederholeinheit
SOE Stack
+
Elektrolyt
Kathode Anode
H2O, CO2
O2 O2-
H2O, H2, CO
Power-to-Power und Power-to-Wheel Effizienz
Hochtemperatur Wasserstoffelektrolyse
10
0%
Ho
chte
mp
erat
ur
Elek
tro
lyse
η ≅
85
%
85
%
H2 T
ran
spo
rt
un
d S
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cher
un
g η≅
85
%
72
.3%
Bre
nn
sto
ffze
lle
η ≅
60
%
43
.4%
43.4% elektrische Energie (Power-to-Gas-to-Power)
56.6% Energieverlust
Pow
er-t
o-
Wh
eel*
η
≅6
5%
47% in kinetische Energie
53% Energieverlust
72
.3%
47
%
[4]
*Angenommener Wirkungsgrad FCV 65%
[4]
[4]
Projekt HYDROCELL:
Fakten:
Projektleitung AVL
Projektlaufzeit 1.3.2013 – 31.8.2015
Gesamtprojektkosten EUR 2.858.872
Förderung EUR 1.811.700
Ziele:
Sehr hohe Wirkungsgrade, 80% and 90%
Kraftstoffe: Wasser, Luft und Gleichspannung
Neues Elektrolysekonzept wird untersucht und demonstriert mit einem “Proof-Of-Concept” System in 2015
AP 1.1: „ Abbildung der Wertschöpfungskette“
Strukturbaum des Systems (Hauptbaugruppen, Komponenten)
Rohstoffe, Fertigungsverfahren/Produktion
Wertschöpfungsstruktur / Kette
AP 1.2: „Erstellung eines Lastenheftes“
Identifikation der Nutzergruppen
Identifikation relevanter Rahmenbedingungen (Regulatorisches)
Anforderungsanalyse (Leistungsmerkmale, Dimensionierung, etc.)
Nutzergruppenspezifisches Lastenheft
AP 1.3: „Analyse der Wertschöpfungspotenziale in Österreich“
Identifikation von österreichischen Unternehmen zur Herstellung der SOEC-Komponenten
Erarbeiten von Stückzahlszenarien und Marktdiffussionsgeschwindigkeiten in Form einer Technologie-Roadmap
Wertschöpfungs- und Beschäftigungsanalyse gemäß Basiskonzept
AP1 – Lastenheft und Wertschöpfungsanalyse
Zellpräparation
Zellcharakterisierung
Vermeidung von Degradation
AP2 – Komponenten Zellentwicklung
In AP2 sollen die einzelnen Stackkomponenten derart adaptiert werden, dass sie den
hohen Anforderungen im SOEC-Betrieb standhalten können.
Pulvermetallurgische Herstellung von einbaufertigen Interkonnektoren
Weiterentwicklung des MK-Designs und Optimierung der Prozessroute
AP2 – Komponenten Interkonnektor
Nachweis der Einsatzmöglichkeit der Chrom-Eisen-Yttrium-Legierung für SOEC-Anwendungen
Untersuchung neuer Legierungsvarianten und Schutzschichten
Reduzierung der Übergangswiderstände
Nachweis der Verbesserung der Hochtemperaturkorrosions-beständigkeit
Stackbau
AP3 – Stacks
Stackmodul Stacktests
Reproduzierbarer und zuverlässiger Stackaufbau
Screening von Zellen im Stack
Messungen von Langzeitstabilität und Robustheit
Post-mortem Analyse
Festlegung einheitlicher Prozedur für Stack-Tests
Bestimmung der Stack-Degradation
Untersuchungen bzgl. Degradation
Ermittlung von Kennfeldern und Grenzbedingungen
Design und Aufbau HotBox für SOEC-Modul
Betriebsdaten für SOEC-Modul im Prüfstand und im System
Aufbau des Moduls mit zwei SOEC-Stacks
Auslegung einer SOEC Anlage im Leistungsbereich von 10-100kW
Aufbau und Betrieb eines SOEC „proof-of-Concept“ Systems am Prüfstand
Entwicklung von Betriebsstrategien für eine SOEC Anlage
Ergebnisse:
Systemkonzept für eine 10-100kW SOEC Anlage
SOEC System-Komponenten Tests
Auslegung und Spezifikation der Komponenten
Erstellen von Lastenheften für die Hauptkomponenten
AP4 - Systemkonzept
AP5: Beispiel für ein SOEC System Konzept
Wasserstoffproduktion mit Wasser, Luft und Gleichspannung
AP5 - Upscaling und Anwendungsszenarien
Ziele
Upscale der Technologie auf eine großindustriell relevante Leistungsklasse (1-100MW)
Analyse von Anwendungsszenarien für eine großindustrielle SOEC Anlage
Bewertung der Wirtschaftlichkeit einer großindustriellen SOEC Anlage
Analyse zur Kopplung der SOEC Anlage mit Methanisierung
Ergebnisse:
Anlagenkonzept und Bewertung für eine 1-100MW SOEC Anlage
AP6 - SOEC CFD Modellierung und Zuverlässigkeitsanalyse
Ziele
3D CFD Modellierung von SOEC Zellen mit AVL FIRE
Validierung der 3D CFD Modellierung mit Einzelzellentests
Zuverlässigkeitsanalyse SOEC Anlage
Ergebnis:
AVL FIRE kompatibel mit SOEC Zellsimulation
Validierung der 3D CFD Simulationsergebnisse mit Einzelzellentests
Liste mit priorisierten Fehlerarten SOEC Zelle/Stack/Modul
Darstellbare Zuverlässigkeit/Lebensdauer von SOEC Stacks auf Basis der im Projekt geplanten Tests
Validierungsstrategie SOEC Stacks
Gute Gründe für das Projekt:
Wasserstoff, Brennstoffzellen und Elektrolyse sind Schlüsseltechnologien für eine zukünftige, nachhaltige, sichere, leistbare und wettbewerbsfähige Energieversorgung mit einer im Gegensatz zum heutigen Ölimport hohen regionalen und nationalen Wertschöpfung.
Der SOEC Prozess erlaubt die effiziente Umwandlung von erneuerbarer elektrischer und thermischer Energie in das chemische Speichermedium Wasserstoff (oder Synthesegas) und kann damit einen wesentlichen Beitrag zur Energiespeicherung von erneuerbaren Ressourcen leisten
Der Wasserstoff ist ein ungiftiges Gas mit hoher Energiedichte (somit gut als Speichermedium geeignet) und kann durch elektrochemische Prozesse mit der SOEC sowohl zentral wie auch dezentral erzeugt werden
Wasserstoff kann in einem chemischen Reaktor (Synthese) unter Zumischung von CO2 in flüssige und gasförmige Kohlenwasserstoff - Verbindungen umgewandelt werden, wodurch die Energiedichte noch weiter erhöht werden kann.
Höherer Wirkungsgrad verglichen mit am Markt verfügbaren Produkten
Quellenangabe
[1] Systems analyses Power to Gas: A technology review. Part of TKI project TKIG01038 – Systems analyses Power-to-Gas pathways Deliverable 1: Technology Review. Lukas Grond, Paula Schulze & Johan Holstein. Groningen, June 2013 GCS 13.R.23579
[2] Power to Gas Research Roadmap- Offering a Solution to the Energy Storage Problem? Robert Judd, Dave Pinchbeck. In: Gas-for-Energy.2-2013. ISSN: 2192-158X
[3] Bioenergy and renewable power methane in integrated 100% renewable energy systems. Dissertation. University of Kassel. Dr.M.Sterner. Germany, Sept 2009
[4] Energiehandbuch: Gewinnung, Wandlung und Nutzung von Energie. Eckhard Rebhan (Hrsg.). VDI Springer publishing. Mai 2002 ISBN-13: 978-3540412595