Herausforderungen mit Power-to-Gas Anlagen Die ESI ... · The Paris Agreement’s (November 4,...

WIR SCHAFFEN WISSEN – HEUTE FÜR MORGEN

Herausforderungen mit Power-to-Gas Anlagen Die ESI-Plattform am PSI

Dr. Felix Büchi :: Electrochemistry Laboratory :: Paul Scherrer Institut

Siemens Kundentag :: May 16, 2017

The Paris Agreement’s (November 4, 2016) central aim is ….

keeping a global temperature rise this century well below 2 °C

above pre-industrial levels …..

1939

Quelle: www.swisseduc.ch/glaciers/alps/grosser_aletschgletscher/aletsch_2_1939-2010-de.html

2010

http://www.meteoswiss.admin.ch/home/climate/future/climate-change-scenarios.html?filters=t2_NE_jja

Temperatur NE-Schweiz

CO2 und Klima-Prognosen

Fuss et al. Nature Climate Change 4, 850 (2014)

Szenario: Power Production CH 2050

Quelle: BFE (2013): Energiespeicher in der Schweiz; Bedarf, Wirtschaftlichkeit und

Rahmenbedingungen im Kontext der Energiestrategie 2050

Szenario: Erneuerbare Stromproduktion (D)

Source: Sterner et al, 2010

Szenario für Produktion und Last 2050

Szenario: Erneuerbare Stromproduktion (D)

Source: Fraunhofer IWES, 2010

Simulation

(Germany,

Meteo: 2007)

Residuale Last / GW

Kapazität und Leistung

Pumpspeicher heute

Jan Feb Mar Apr May Jun Jul Aug Sep Oct Nov Dec

-100

-80

-60

-40

-20

0

20

40

60

shortage: 64.4 TWh

surplus: -115.3 TWh

D CH

Abgeregelte Ern. Erzeugung (D) 2009 - 2015

Quelle: Bundnesnetzagentur (D), Monitroingbericht (2016)

Wind

Total

Sonne

Energie Speicher Technologien E

ntla

dung

szei

t [h

]

Speicher-Kapazität

Power-to-Gas

Source: M. Specht, ZSW

CAES: compressed air energy storage

PHS: pumped hydro storage

SNG: synthetic natural gas

Power-to-Gas Konzept

Strom

Netz

Erneuerbare

Energie

vorhandene Speicher:

0.04* TWhel

(pumped hydro)

Speicher

* in Deutschland

Erdgas

Netz

CH4 Speicher

vorhandene Speicher:

220* TWhth

Strom

Erzeugung

Wasser

Elektrolyse H2O

O2 Speicher

H2

wenige%

CO2

Methanierung

CO2

H2O

Herausforderung:

die Entwicklung von Energie- und

Kosten-effizienten Prozessen

Elektrolyse Wiederverstromung H2 mit Brennstoffzelle

Methanierung

Hot-gas

cleaning Methanisation Gas-

purification

Wood-

gasification

Wood-

processing

Hydrothermal-

Methanisation

Biomass

Liquefaction

Electrolyzer Fuel Cell

CO2 from Ind. Process

O2

CO2

H2

Photovoltaic-

Array

Research PSI

Commercial or pre-commercial technology with PSI adaption Commercial Industrial Process

Path 1: Dry

Biomass

Path 3: CO2

from Industry

PEL

PEL

Storage

SNG

O2

Path 2: Wet

Biomass

Path 4:

Hydrogen path

Power zu Wasserst zu Power

Biomasse zu SNG

Power zu SNG

ESI Plattform PSI

Energy System Integration Platform

Power-to-Hydrogen-to-Power

PE-Technologie

≈ 50 bar, dynamisch

SIEMENS Sylizer 100

Clean & Dry Gases

ReiCat

Custom designed comm.

Speicherung H2 & O2

@ 10 – 50 bar

ohne mechanische Kompression

Brennstoffzelle

H2 / reiner O2

Swiss Hydrogen / PSI

bessere Effizienz bei der Gas-Speicherung

bessere Effizienz bei der Wiederverstromung

Elektrolyse

1 kg Wasserstoff

benötigt ca.

50 kWh Strom

Technische Daten:

Nennlast 100 kW ca. 20 Nm3/h (1,8 kg/h)

Überlast 200 kW (max.15 Min.) ca. 36 Nm3/h (3.2 kg/h)

Last

Elektrochemie

80%

60%

40%

System

Wirkungsgrad Elektrolyse

Verfahrenstechnik

Leittechnik

17

Wiederverstromung: Brennstoffzelle

Technische Daten:

Leistung 1. Phase 50 kW

2. Phase 200 kW

Last

Elektrochemie

80%

60%

40%

System

Wirkungsgrade

Last

Elektrochemie

80%

60%

40%

System

Effizienz wird durch die Lastpunkte bestimmt

Brennstoffzelle Elektrolyse

Speicher

Technische Daten:

Tank Kapazität H2 40 m3

@ dp 35 bar 1400 Nm3; ca. 124 kg H2

at ELY power 100 kW ca. 70 h capacity

Kosten

http://www.itm-power.com/news-item/itm-power-secures-3-5m-contract-to-deploy-a-3mw-electrolyser-system

Elektrolyse ca.

CHF 1500 / kW

Brennstoffzelle ca.

CHF 800 / kW

Tanks ??

Saftey Engineering

??

Schweiz: Brennstoffe & Treibstoffe

21

Quelle: Bundesamt für Umwelt BAFU 04.07.2014

Emissionen von Treibhausgasen nach revidiertem CO2-Gesetz und Kyoto-Protokoll, 2. Verpflichtungsperiode (2013-2020)

Power-to-Hydrogen-to-Power

PE-Technologie

≈ 50 bar, dynamisch

SIEMENS Sylizer 100

Clean & Dry Gases

ReiCat

Custom designed comm.

Storage of H2 & O2

@ 10 – 50 bar

without mechanical compression

PE Fuel Cells

H2 / pure O2

Swiss Hydrogen / PSI

High pressure storage @ HRS

Tankstelle

Benzin 10’000 km / h

Strom 600 km / h @ 120 kW Schnellladung

H2 6’000 km / h (gas)

Benzin Benzin Benzin Benzin

Strom Strom Strom Strom Strom StromStrom Strom








40’000 km / h

H2 H2 H2 H2 H2 H2 H2

Tankstelle mit 4 Säulen

Power-to Gas Wasserstoff ist ein möglicher lokaler Speicher

für überschüssigen Strom

Herausforderungen sind die Entwicklung von Effizienz

und Kosten-effizienten Materialien und Prozessen

Mobilität ist eine sinvolle Ergänzung

Schlussbemerkungen

Wir schaffen Wissen – heute für morgen

Danke für Ihre

Aufmerksamkeit !!

FRAGEN ???

[email protected]

Back-up Slides

Existing world capacity

Source: www.ren21.net

Wind Power

Existing world capacity

Solar Power (Photovoltaics)

18 % in Germany

Solar thermal: global

electricity 2015: 4.8 GW

but: 435 GW for heating

and warm water

(71 % in China)

Source: www.ren21.net

https://www.energy-charts.de/power_de.htm

Wasserkraft in der Schweiz

Wiederverstromung: Brennstoffzelle

Energie Speicher Technologien E

ntla

dung

szei

t [h

]

Speicher-Kapazität

Power-to-Gas

Source: M. Specht, ZSW

CAES: compressed air energy storage

PHS: pumped hydro storage

SNG: synthetic natural gas

ESI

kommerzielle

Anlage

jede 10. CH

Gemeinde

Safety of hydrogen as a fuel

PSI West

PSI East

Swiss National Lab

with ca. 1500 FT positions

Electrochemistry

Laboratory 65 persons

Energy & Environment

Division 300 persons

Herausforderungen mit Power-to-Gas Anlagen Die ESI ... · The Paris Agreement’s (November 4,...

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