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Elektrolyse an Wasserstofftankstellen – eine geeignete Anwendung von Power to Gas?

Fabian Grüger 20.06.2017 Jahreskonferenz Power to Gas

2 | Reiner Lemoine Institut – Jahreskonferenz Power to Gas 2017

Agenda

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Sind Wasserstofftankstellen relevant für Power to Gas?

Projekt „H2BER“

Wie kann die Flexibilität der Elektrolyse eingesetzt werden?

Projekt „H2BER“

Ergebnisse zu Betrieb und Wirtschaftlichkeit

Fazit

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Agenda

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Projekt „H2BER“


Projekt „H2BER“


Fazit

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Sind Wasserstofftankstellen relevant für Power to Gas? Status Quo H2-Tankstellen

Wasserstofftankstellen in Deutschland

Gegenwärtig gibt es 28 H2-Tankstellen, ~30 sind im Bau.

H2-T

an

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llen

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Quelle: H2 Mobility


Sind Wasserstofftankstellen relevant für Power to Gas? Ausbaupläne H2-Tankstellen



H2 Mobility plant: bis 2018: 100 Tankstellen

bis 2023: 400 Tankstellen

H2-T

an

kste

llen

ne

tz 2

02

3

Quelle: H2 Mobility


Sind Wasserstofftankstellen relevant für Power to Gas? Ausbaupläne H2-Tankstellen

* Quelle:

Huétink, F. J. et al., Initial infrastructure

development strategies for the transition to

sustainable mobility, October 2010



H2 Mobility plant: bis 2018: 100 Tankstellen

bis 2023: 400 Tankstellen

Das Tankstellennetz muss darüber hinaus weiter ausgebaut werden.

0500

10001500200025003000

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Sind Wasserstofftankstellen relevant für Power to Gas? Bedarf an Elektrolyse

Bedarf an Elektrolyse

Mittelfristig sollte der Wasserstoff für Tankstellen vollständig aus Elektrolyse stammen.

bei 100 Tankstellen sind etwa 40 MW Elektrolyseleistung nötig




Bedarf an Elektrolyse

Mittelfristig sollte der Wasserstoff für Tankstellen vollständig aus Elektrolyse stammen.



Perspektivisch: Wenn 10 % der PKW-Strecken mit H2 zurückgelegt werden, sind

etwa 4 GW Elektrolyseleistung nötig



Wirtschaftlichkeit von Onsite-Elektrolyse

Onsite-Elektrolyse vs. zentrale Elektrolyse:

geringe Elektrolyseleistung führt zu höheren spezifischen Kosten + niedrigere Hürde, da geringeres Invest + Keine Transportlogistik und -kosten






H2 kann an Tankstellen zu einem hohen Preis verkauft werden: gegenwärtig etwa 8 €/kg netto. Wirtschaftlichkeit ist gegenwärtig dennoch nicht gegeben.






H2 kann an Tankstellen zu einem hohen Preis verkauft werden: gegenwärtig etwa 8 €/kg netto. Wirtschaftlichkeit ist gegenwärtig dennoch nicht gegeben. Kann die Vermarktung der Flexibilität dies ändern?


Agenda

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Projekt „H2BER“


Projekt „H2BER“


Fazit

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Wie kann die Flexibilität der Elektrolyse eingesetzt werden? Projektvorstellung H2BER

Entwicklung intelligenter Betriebsstrategien für die H2-Tankstelle am Flughafen BER

Simulation aller Tankstellenkomponenten, wie

Elektrolyse, H2-Speicher und -Verdichter

Entwicklung intelligenter Betriebsstrategien mit

Berücksichtigung von Prognosen

Optimierung der Komponentenauslegung für

zukünftige Tankstellen

Partner

Zeitraum: 01.01.2015 – 31.12.2016 Ort: Flughafen BER

Förderung


Wie kann die Flexibilität der Elektrolyse eingesetzt werden? Projektvorstellung H2BER

Druckelektrolyseur

H2-Feststoffspeicher H2-Niederdruckspeicher

H2-Mitteldruckspeicher

Nicht sichtbar: Hochdruckverdichter, Hochdruckspeicher, H2-Dispenser und bivalentes BHKW

Quelle: RLI


Wie kann die Flexibilität der Elektrolyse eingesetzt werden? Flexibilitätsoptionen

Flexibilitätsoptionen für Elektrolyse

Spotmarktteilnahme (Arbitrage)





Regelenergiemarktteilnahme

Primär

Sekundär

Tertiär (Minutenreserve)






Primär

Sekundär


Kopplung mit Erneuerbaren Energien

Prognosefehlerausgleich

Peak-Shaving / Valley-Filling

Gezielte Nutzung des EE-Stroms & Spotmarktteilnahme


Wie kann die Flexibilität der Elektrolyse eingesetzt werden? Spotmarktteilnahme

Spotmarkt

I: Spotmarkt- Szenario



Spotmarkt

I: Spotmarkt- Szenario

Nachfrage gemäß Tankstellenklasse „Small“

Elektrolyseur Nennleistung: ~450 kW Überlast: ~650 kW

Niederdruckspeicher Druck: 45 bar Volumen: 95 m³

Verdichter

Hochdruckspeicher Druck: 1.000 bar Volumen: 0,9 m³



Spotmarkt

0:00 -1:00 1:00 -2:00 2:00-3:00 3:00-4:00 … 23:00-0:00

Erfüllungstag Vortag



Spotmarkt

0:00 -1:00 1:00 -2:00 2:00-3:00 3:00-4:00 … 23:00-0:00


12 Uhr

Day-ahead Auktion: - Market clearing price - Stundenkontrakte



Spotmarkt

0:00 -1:00 1:00 -2:00 2:00-3:00 3:00-4:00 … 23:00-0:00


12 Uhr 15 Uhr


Intraday Auktion: - Market clearing price - ¼ - Stundenkontrakte



Spotmarkt

0:00 -1:00 1:00 -2:00 2:00-3:00 3:00-4:00 … 23:00-0:00


12 Uhr 15 Uhr


Intraday Auktion: - Market clearing price - ¼ - Stundenkontrakte Intraday Handel (kontinuierlich):

- Pay-As-Bid - Handel bis 30 Minuten vor Erfüllung möglich - ¼ - Stundenkontrakte



Spotmarkt

0:00 -1:00 1:00 -2:00 2:00-3:00 3:00-4:00 … 23:00-0:00


12 Uhr 15 Uhr



- Pay-As-Bid - Handel bis 30 Minuten vor Erfüllung möglich - ¼ - Stundenkontrakte Verwendung als

Strompreisprognose



Spotmarkt

0:00 -1:00 1:00 -2:00 2:00-3:00 3:00-4:00 … 23:00-0:00


12 Uhr 15 Uhr



- Pay-As-Bid - Handel bis 30 Minuten vor Erfüllung möglich - ¼ - Stundenkontrakte

Stromeinkauf für Elektrolyse

Verwendung als Strompreisprognose



Spotmarkt

Zeit

Zeit

Le

istu

ng

de

s

Ele

ktro

lys

eu

rs

Str

om

pre

is


Wie kann die Flexibilität der Elektrolyse eingesetzt werden? Regelenergiemarktteilnahme

Sekundärregelleistungsmarkt (SRL)

II: Regelenergiemarktteilnahme (Szenario I + SRL)

f [Hz]




II: Regelenergiemarktteilnahme (Szenario I + SRL)

f [Hz]

Gebotene Leistung: 200 kW




Übertragungsnetzbetreiber (ÜNB)





Elektrolyseur





Elektrolyseur

Negative Regelleistung


Wie kann die Flexibilität der Elektrolyse eingesetzt werden? Kopplung mit Erneuerbaren Energien

Windenergieanlagen-Anbindung

III: Windenergieanlagen-Szenario (Szenario I + Windenergieanlage)




III: Windenergieanlagen-Szenario (Szenario I + Windenergieanlage)

Windenergieanlage (WEA) in räumlicher Nähe Nennleistung: 1,2 MW




Erzeugung Windenergieanlage

Zeit

Le

istu

ng




Max. Leistung Elektrolyseur

Zeit

Le

istu

ng





Zeit

Le

istu

ng

Verkauf am Spotmarkt (keine EEG-Vergütung)





Zeit

Le

istu

ng

Verkauf am Spotmarkt (keine EEG-Vergütung)

Zukauf am Spotmarkt


Agenda

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Projekt „H2BER“


Projekt „H2BER“


Fazit

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Ergebnisse zu Betrieb und Wirtschaftlichkeit Methodik

Methodik zur Bewertung der Wirtschaftlichkeit

Simulation eines Jahres in ¼-Stunden-Auflösung





Annuitätenmethode, Berücksichtigung von Invest- und Betriebsausgaben für:

Elektrolyse

Niederdruckspeicher

Hochdruckspeicher

Verdichter

Dispenser und Kühlung

Verrohrung / Aufbau

Windenergieanlage (WEA)





Annuitätenmethode, Berücksichtigung von Invest- und Betriebsausgaben für:

Elektrolyse

Niederdruckspeicher

Hochdruckspeicher

Verdichter

Dispenser und Kühlung

Verrohrung / Aufbau

Windenergieanlage (WEA)

Umlage der Gesamtkosten auf die nachgefragte Wasserstoffmasse €/kg


0 €

2 €

4 €

6 €

8 €

10 €

12 €

14 €

Spotmarkt SRL WEA WEA"Medium"

H2-G

es

teh

un

gs

kos

ten

in €

/kg

Simpel

Mit Vorausschau

Ohne Umlagen

7,98 €/kg Abgabepreis

Ergebnisse zu Betrieb und Wirtschaftlichkeit Vergleich der Szenarien


0 €

2 €

4 €

6 €

8 €

10 €

12 €

14 €


H2-G

es

teh

un

gs

kos

ten

in €

/kg

Simpel

Mit Vorausschau

Ohne Umlagen


13,06 €/kg



0 €

2 €

4 €

6 €

8 €

10 €

12 €

14 €


H2-G

es

teh

un

gs

kos

ten

in €

/kg

Simpel

Mit Vorausschau

Ohne Umlagen


13,06 €/kg


12,85 €/kg


0 €

2 €

4 €

6 €

8 €

10 €

12 €

14 €


H2-G

es

teh

un

gs

kos

ten

in €

/kg

Simpel

Mit Vorausschau

Ohne Umlagen


13,06 €/kg 11,58 €/kg

10,79 €/kg


12,85 €/kg


0 €

2 €

4 €

6 €

8 €

10 €

12 €

14 €


H2-G

es

teh

un

gs

kos

ten

in €

/kg

Simpel

Mit Vorausschau

Ohne Umlagen


13,06 €/kg

9,32 €/kg


12,85 €/kg 11,58 €/kg

10,79 €/kg



Spotmarkt mit Vorausschau

Spotmarkt simpel

WEA



Spotmarkt mit Vorausschau

Spotmarkt simpel

WEA

Enthält Kosten für Aufbau und Betrieb der WEA Enthält Erlöse aus dem Verkauf von nicht für Elektrolyse nutzbaren Strom

Reduziert auf 40 %



Sankey-Diagramm: WEA-Szenario


0 €

2 €

4 €

6 €

8 €

10 €

12 €

14 €


H2-G

es

teh

un

gs

kos

ten

in €

/kg

Simpel

Mit Vorausschau

Ohne Umlagen


13,06 €/kg

9,32 €/kg


12,85 €/kg 11,58 €/kg

10,79 €/kg


0 €

2 €

4 €

6 €

8 €

10 €

12 €

14 €


H2-G

es

teh

un

gs

kos

ten

in €

/kg

Simpel

Mit Vorausschau

Ohne Umlagen


13,06 €/kg

9,32 €/kg

8,07 €/kg


12,85 €/kg 11,58 €/kg

10,79 €/kg


Agenda

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Projekt „H2BER“


Projekt „H2BER“


Fazit

4


Fazit

1. Im Verkehrssektor können hohe H2-Preise erzielt werden.

Fazit


Fazit


2. Der Markt kann eine bedeutende Größe erreichen.

Fazit


Fazit



3. Auslastung der Tankstellen ist sehr wichtig für die Wirtschaftlichkeit.

Fazit


Fazit




4. Flexibilität der Onsite-Elektrolyse kann gut in Verbindung mit einer WEA genutzt werden.

Fazit


Fazit




4. Flexibilität der Onsite-Elektrolyse kann gut in Verbindung mit einer WEA genutzt werden.

5. Die Wirtschaftlichkeit kann erreicht werden, wenn Regularien für Eigenstromnutzung

angepasst werden.

Fazit


Vielen Dank!

Kontakt: Fabian Grüger Tel.: +49 30 1208-434-34 [email protected] Reiner Lemoine Institut gGmbH Rudower Chaussee 12 12489 Berlin

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