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H2-Gasturbinen: Status und Ausblick Wasserstoff Energieträger für die Industrie der Zukunft?! IN4CLIMATE.NRW Prof. Dr. Thomas Thiemann, 23.05.2019 Siemens AG © 2019

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H2-Gasturbinen: Status und Ausblick

Wasserstoff – Energieträger für die Industrie der Zukunft?!

IN4CLIMATE.NRW

Prof. Dr. Thomas Thiemann, 23.05.2019

Siemens AG © 2019

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H2-Gasturbinen: Status und Ausblick Unrestricted © Siemens AG 2019 23th May 2019 Prof. Dr. Thomas Thiemann

Inhalt

• Situation

• Strom- und Wärmeversorgung mit H2-Gasturbinen

• Herausforderungen

• Ausblick

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Versorgungssicherheit / “Dispatchable Power”

Beispiel Deutschland, Januar 2017

Li Ion batteries, each 129MWh

~ 10200 x Tesla battery parks

(Source: Hornsdale Power Reserve)

German pump storage

capacity: ~ 0.04 TWh

Residual load demand: 11 days x 24h/day x 60 GW ~ 16 TWh

assessment of storage solutions

Assumed 100% E-mobility: ~ 1.32 TWh (44 Mill. Cars, 20kWh/100km, capacity 300km,

100% charged, discharge down to 50% cap. level)

solar wind onshore wind offshore hydro conv. plants

bio mass power demand

Installed Wind/Solar capacity (Dec. 2018): 45.0 GW wind

39.2 GW solar

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Versorgungssicherheit / “Dispatchable Power”

Beispiel Deutschland, Januar 2017

360 TWhtherm

16 TWhelektr

Gassystem-Kapazität: ~360 TWhthermal

• 230 TWh Speicherkapazität (Kavernen)

• plus 130 TWh Gasnetz (500.000 km)

(Basis: Methan)

Residuallast (Beispiel Jan. 2017):

~16 TWhelektrich

entspricht ~9% der Gassystem-Kapazität

(mit =0,5)

Erneuerbares Gas: Ein Energieträger der Zukunft!

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Inhalt

• Situation

• Strom- und Wärmeversorgung mit H2-Gasturbinen

• Herausforderungen

• Ausblick

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Industry Mobility

Sector coupling

Grid

Renewable energy

Re-electrification in Gas Turbines

Electrical storage

Energy conversion Compression & Storage

Battery

Hydrogen

Grid

stabilization

Intermittent generation

System mit wasserstoffbasierter

Strom- und Wärmeversorgung

Cities

Heat Heat

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GET H2 Initiative

60MW Gasturbine, Upgrade auf H2

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Inhalt

• Situation

• Strom- und Wärmeversorgung mit H2-Gasturbinen

• Herausforderungen

• Ausblick

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EUTurbines: “Renewable Gas Commitment“

Quelle: www.euturbines.com

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Siemens H2 in Gasturbinen

Status Neuanlagen-Portfolio

Heavy-duty

gas turbines

Industrial

gas turbines

Aeroderivative

gas turbines

50H

z

50H

z o

r 60H

z

60H

z

450 MW

329 MW

187 MW

310 MW

215 to 260 MW

117 MW

60 to 71/58 to 62 MW

27 to 37/28 to 38 MW

4 to 6 MW

48 to 57 MW

40/34 to 41 MW

33/34 MW

24/25 MW

10 to 14/11 to 15 MW

8/8 to 9 MW

5/6 MW

41 to 44 MW

SGT5-9000HL

SGT5-8000H

SGT5-4000F

SGT5-2000E

SGT6-9000HL

SGT6-8000H

SGT6-5000F

SGT6-2000E

SGT-A65

SGT-800

SGT-A45

SGT-750

SGT-700

SGT-A35

SGT-600

SGT-400

SGT-300

SGT-100

SGT-A05

593 MW

405 MW

5

10

15

27

5

10

25

27

15

50

100

40

55

15

60

10

30

30

65

2

100

100

65

15

Diffusion burner with unabated NOx emissions DLE burner WLE burner 1 ISO, Base Load, Natural Gas Version 2.0, March 2019

Higher H2 contents

to be discussed

on a project

specific basis

Values shown are indicative

for new unit applications and

depend on local conditions and

requirements. Some operating

restrictions/special hardware

and package modifications

may apply. Any project >25%

requires dedicated engineering

for package certification.

H2 capabilities in vol. % Gas turbine model Power Output1

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Zero Emissions via Hydrogen Combustion –

Some physics to be handled in the system

Physics of hydrogen H2 Volume Impact on Package

Differences of hydrogen and natural gas as a fuel in gas turbines

Hydrogen flame

H2

Less density

Higher

diffusivity

CH4 O2 N2

CH4

CH4

CH4

CH4

H2

H2

H2

H2

• Larger fuel flows to be handled in

fuel system for same energy content

• Hydrogen gas travels ~3x

faster than Methane gas

Flame speed ~10x faster

Explosive mixtures created quickly

Jet Momentum less coherent

for mixing control

Flame stabilizes further upstream

• Decreasing CO2 with increasing

H2% admixture 30% H2 40% H2 50% H2

90% H2

Flame location closer to the burner

increases risk of flashback

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2011

2015 2018

2023+ 2030+

Silyzer portfolio scales up by factor 10 every 4-5 years driven

by market demand and co-developed with our customers

Silyzer 100

Lab-scale demo

~4.500 op.h1

~150k Nm³ of H2

Silyzer 300

Biggest PEM cell in the

world built by Siemens!

First investigations

in cooperation with

chemical industry Next generation

Under development

Silyzer 200

~43.000 op.h

~6.0 mio Nm³ of H2

World’s largest Power-to-

Gas plants with PEM

electrolyzers in 2015 and

2017 built by Siemens!

Silyzer portfolio roadmap

1) op.h.: operating hours

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Herausforderungen - Anregungen zur Podiumsdiskussion ….

• Entwicklung von 100% H2 Gasturbinen

(incl. upgrade Packages für Bestandskraftwerke)

• Entwicklung großtechnischer Elektrolyse-Systeme (“Economy of Scale”)

• Günstiger Strom / Strom-Überschuss aus erneuerbaren Energien

• Auslastung des Elektrolysesystems (Betriebsstunden)

• H2 Infrastruktur incl. Speicher

• Geeignete Förderkulisse für den Bau vorwettbewerblicher großtechnischer

Referenzanlagen (CAPEX, OPEX, Umlagen/Entgelte!)

• ……

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Inhalt

• Situation

• Strom- und Wärmeversorgung mit H2-Gasturbinen

• Herausforderungen

• Ausblick

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CO2-free H2-Energy Center (CHP)

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NRW fördert Siemens-Studie für ein

CO2-freies Energieversorgungssystem

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Vielen Dank!