Power to Gas (P2G) - SolarZentrum Hamburg

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
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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
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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)
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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
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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
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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!
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Weitere Informationen:
[email protected]