Gerhard Schmitz Technische Universität Hamburg Harburg Institut für Thermofluiddynamik (M21) Power to Gas (P2G) 1 1. und und 2. Hauptsatz der Thermodynamik Energie kann nur gewandelt werden Wandlungen von Energie sind Beschränkungen unterworfen 2 Energieerhaltung Systemgrenze Wärme Innere Energie Arbeit Kinetische Energie Potenzielle Energie Nur Innere Energie, Kinetische und Potenzielle Energie sind speicherbar! Wärme und Innere Energie sind nicht vollständig in Arbeit wandelbar 3 Energiewandlungswege Regenerative Primärenergien Sonne, Wind, Meeresströmungen, Biomasse, Geothermie Kraftanlagen (Fotovoltaik, Windanlag.) Nicht – Regenerative Primärenergien Uran Kohle Öl Gas Großkraftwerk Nutzenergien Thermische Anlagen Stromspeicher Sekundärenergie Wärmespeicher elektr. Motor Kältemaschine KÄ KÄ: Kälte z.B. Kühlschrank NW HW NW: Niedertemperaturwärme für Heizung NW Wärmetransformator Absorptionskältemaschine Motor Feuerung Primärenergie KI: kinetische Energie, z.B. el. Rührbesen Heizdraht, Induktion BHKW Transport, Umwandlung (ggfs. Sekundärenergie) Wärmepumpe KI PO NW Arbeitsmaschine Endenergie HW KÄ Arbeitsmaschine Wärmepumpe Kältemaschine Heizungskessel Wärmepumpe KI PO NW Absorptionskältemaschine KÄ Umwandlung KÄ HW: Hochtemperaturwärme z.B. für das Kochen oder für Prozesse PO: Potenzielle Energie, z.B. Aufzug NW HW Nutzenergie 5 Energiewende Übergang von gespeicherten, sich verbrauchenden Energieträgern zur Nutzung von kontinuierlich, der Erdoberfläche zugeführten Energieströmen. Energieströme sind zeitlichen Schwankungen (Fluktuationen) unterworfen Nachfrage nach Energie („Energieverbrauch“) schwankt sowieso 6 Fluktuierende Regenerative Energien Quelle: Speicher für Stromnetze mit hohem Anteil erneuerbarer Energie. etz, (2):2–3, 2009. Verlauf von Windenergieeinspeisung und Last im Vattenfall Hochspannungsnetz 2008 Primärleistung & Energiebedarf Schmelzbetrieb 1-Korb & 3-Korb Charge Primärleistung & Energiebedarf eines Elektrolichtbogenofens Quelle: ArcelorMittal Hamburg GmbH 120 100 % P/Pmax Primärleistung in MW Gesamtenergieverbrauch in MWh 100 80 60 50% 40 20 00 9:30 9:40 9:50 10:00 10:10 10:20 Ofenleistung 10:30 Ofenleistung 10:40 10:50 Energie 11:00 11:10 Energie 11:20 11:30 Zeit Energiewende - vorher Last in GW Angebot Nachfrage Zeit in h Energiewende – nachher, ohne Maßnahmen Last in GW Angebot Nachfrage Zeit in h 10 Energiewende – nachher, ohne Maßnahmen Last in GW Angebot BILD 2.04.2012 Nachfrage Zeit in h 11 Energiewende = Energiemanagement Entsprechend dem optimierten Bedarf genau die erforderliche Energiemenge mit der nötigen Energiequalität zum richtigen Zeitpunkt an den richtigen Ort liefern - bei möglichst wenig Energiewandlungsverlusten. Dies erfordert Energiespeicher. Power to Gas Power to Gas (P2G) bedeutet elektrischen Strom zur Erzeugung eines Gases (Wasserstoff) zu nutzen, das dann als Energieträger genutzt wird. Gas (welches auch immer) ist ein speicherbarer Energieträger Begriffe: Power to gas (P2G), power to heat (P2H) oder power to chemicals, mobile applications etc. (P2X) 13 Vor‐ und Nachteile verschiedener Exergiespeicher Effizienz Größe Dynamik Selbst‐ entladg. Lebens‐ dauer + ‐ 0 + + + + ‐ + + ‐ + + ‐‐ + + + Druckluftspeicher 0 0 ‐ + + + + ‐ Druckluftspeicher adiabat 0 0 ‐ 0 + + + Thermische Exergiespeicher 0 ‐ 0 0 + + + P2G H2 – Kombiprozess ‐ + 0 + + + 0 P2G H2 – PEM Brennstoffzelle ‐‐ + + + + 0 0 Redox‐Flow‐Batterie + 0 + + + + 0 ‐ Natrium‐Schwefel‐Batterie 0 0 + + ‐ ‐ ‐ Blei‐Säure‐Batterie + 0 + + + ‐‐ ‐ Pumpspeicher Schwungradmassenspeicher Um‐ welt Power to Gas Möglichkeiten zur Nutzung des Wasserstoffes Rückverstromung in Gasturbinen Rückverstromung in stationären Brennstoffzellen Beimischung zum Erdgas Treibstoff für Autos und Flugzeuge Synthetisches Erdgas (SNG) Liquid Organic Hydrygen Carrier (LOHC) Nutzung als chemisches Produkt DVGW – Projekt Wasserstoffzumischung 0003 0005 0006 0017 0017 0016 0002 H2 0013 0018 0004 0005 0014 consumer 0015 0012 0001 0011 0007 0006 0009 0007 0010 0008 0008 Bis zu 10 Vol.-% Wasserstoffzumischung in ein öffentliches Gasnetz sind zulässig entsprechend DVGW G260 SNG (Substitute Natural Gas) Synthetisches Erdgas (CH4) mit CO2 aus Biogasanlagen oder CCS-Anlagen (CCS: Carbon Capture & Storage) und mit Wasserstoff nach der folgenden chemischen Reaktion: 4 H2 + CO2 CH4 + 2 H2O HR0 = -164,9 KJ/mol Teilreaktionen: H2 + CO2 H2O + CO HR0 = + 41,5 KJ/mol CH4 + H2O HR0 = - 206,4 KJ/mol 3 H2 + CO Die Reaktion ist exotherm, d. h. es wird Wärme frei. Diese Wärme kann zur Verdampfung des Wassers in Kombination mit einer Hochtemperatur-Dampfelektrolyse eingesetzt werden, was zu einer Wirkungsgradverbesserung führt. Wasserstoffpotential Hamburger Industrie 0,0 t/a 35.000 t/a 90 t/a 385 t/a 3.595 t/a 0,0 t/a Erdgasreformer 297 t/a 385 t/a Extern von Dow 153 t/a 25.000 t/a Erdgasreformer, katalytischer Reformer 153 t/a Extern von Dow 11.684 t/a Bedarf 2013: 60.540 t/a Potential Wind-H2 2023: 16.205 t/a 19 Wasserstoffleitungen Brunsbüttel „ChemCoast“ Hamburg Marl Air Liquide Wasserstoffnetz Essen Köln Köln Leipzig Pumpspeicherwerk SchwungradRöhren(Geesthacht) massespeicher gasspeicher Abfall- bzw. BioMasseanlage (z. B. Köhlbrandshöft) Wind energie (Eigenerzg. & anteilig Nordsee) CO2 Druckluftspeicher H2 Gasturbine (Groß-) Batteriespeicher El. Strom, Hochspannungs-, Mittel- WärmeTransformator Heizungs kessel Solar thermische anlage BHKW Thermischer Speicher H2 + - H2 Batterie CH4 Niederspannungs - Netze Gasentsp.-Turb. (Groß-) Batterie + - druck -Netze PCMSpeiche r Schwungradmasse -speicher Fotovoltaikanlage - CH4 CO2 - Gas, Hochdruck, Mitteldruck, Nieder- Elektrische Wärme pumpe + + spannungs-, Fernwärmenetz HH 136/60°C Gasverdichte r Kavernengasspei cher (Allermöhe) Wohngebiet Industrieanlage z. B. Aurubis, Kupferhütte Energienetzmodell Kohlekraftwerk mit CO2 – AbScheidung (z. B. Moorburg) Power‐to‐Gas ‐ Modelica Xi_NG m_flow_NG m_flow_H2_max m_flow_H2 P_el_PtG max. m_flow_H2 P_el_E P_el_V Determination of Elektrolysis- and Auxiliary power demand Mixing Compressor Sensor m_flow_H2 Elektrolysis El. grid 22 Zumischung von Wasserstoff zum Erdgas ‐ Grenzen Much excess power and little gas demand Zusammenfassung Die Energiewende erfordert Energiemanagement: entsprechend dem optimierten Bedarf die erforderliche Energiemenge mit der nötigen Energiequalität zum richtigen Zeitpunkt an den richtigen Ort liefern - bei möglichst wenig Energiewandlungsverlusten. Infrastrukursysteme müssen die Speicherbarkeit eines Energieträgers berücksichtigen. Daher nicht „entweder – oder“ sondern jede Energie am richtigen Platz! Power to Gas (P2G) ist eine Option. Gasförmige Energieträger sind speicherbar! Mögliche P2G-Optionen sind: Wasserstoffrückverstromung, Zumischung zum Erdgas, Synthetisches Erdgas, Wasserstoffverwendung für Mobilität und Chemieindustrie mit eigener Infrastruktur Algorithmen zur Optimierung der Energieverteilung müssen weiterentwickelt werden Brennstoffzellen und Batterien erfordern träge Massen an anderer Stelle. Wandlung möglichst lokal um unterschiedliche Energiearten optimal zu nutzen Entwicklung der Energiewende wird auch zu Rückschlägen führen. Dennoch: Kein Zurück! 24 Weitere Informationen: [email protected]
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