Projekt HYDROCELL: Wasserstoffproduktion mit Hochtemperatur Brennstoffzellen Wien, 22. September 2014

Richard Schauperl, AVL List GmbH Lead Engineer Fuel Cell

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Email: richard.schauperl@avl.com

Inhalt

Einleitung

Power to Gas

Stromspeichertechnologien

Wasserstoffproduktion

Funktionsprinzip Hochtemperatur-Elektrolyse (SOE)

Projektvorstellung und Ziele des Projektes HYDROCELL

Power-to-Gas

Vgl. [2] [3]

Strom aus erneuerbaren Energien speichern und transportfähig machen

Konzept eines geschlossenen Kreislaufs: Für gesicherte Nutzung im Mobilitäts- und

Wärmesektor

HYDROCELL

Was ist grüner Strom?

Quelle: http://www.sauberenergie.de

Stromerzeugung und -verbrauch müssen stets ausgeglichen sein, damit das Stromnetz stabil

arbeitet. Daher speisen die Versorger immer genau die Menge ins Netz ein, die von

den Kunden entnommen wird.

Bilanz der öffentlichen Elektrizitätsversorgung

Quelle: Energie Control GmbH.

Entwicklung der anerkannten Ökostromanlagen in Österreich

Stromproduktion aus erneuerbaren Energien dass es zu keinem Flächennutzungskonflikt kommt. Die vermehrte Einspeisung von EE in

das Stromnetz, insbesondere von Strom aus Windenergie, bringt jedoch das Problem der

Fluktuationen mit sich. Spätestens ab einem Anteil von etwa 40% wird dies bei

vorhandener Infrastruktur problematisch, wie in Abb.1.1 veranschaulicht.

Abb.1.1. - Fluktuationen EE nach BEE Szenario (Sterner et al;2010;Folie 7-8)

Um die Fluktuationen auszugleichen müssten konventionelle Kraftwerke im

Lastfolgebetrieb arbeiten, was häufiges An- und Abfahren notwendig macht. (Sterner et

al,2010) Dies ist unwirtschaftlich und ineffektiv, da durch das ständige Ab- und Anlaufen

der Generatoren der Wirkungsgrad der Kraftwerke deutlich gesenkt wird und außerdem

eine ständige Überkapazität vorhanden ist. Wesentlich sinnvoller ist ein Szenario bei dem

konventionelle Kraftwerke einen reduzierten Grundlastbedarf decken und der zu Zeiten

überschüssig produzierte Strom der Windkraftwerke dazu verwendet wird Treibstoff

herzustellen, welcher wiederum den Verbrennungskraftwerken zugeführt wird.

Es ergibt sich eine dringende Notwendigkeit des Netz- und Speicherausbaus. Deutschland

gilt zusammen mit Spanien und Dänemark als europäischer Vorreiter in Sachen

erneuerbarer Energien. In der deutschen Politik ist die Bedeutung zukünftig benötigter

Stromspeicher anerkannt. So wird im Koalitionsvertrag vom 26.10.2009 von der

Bundesregierung die Relevanz des Speicherausbaus hervorgehoben. Explizit werden

jedoch nur Pumpspeicherkraftwerke genannt. (dena;2010;S4) Die begrenzte

Einsatzmöglichkeit von PSW sei an folgendem Beispiel vor Augen geführt:

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Vgl. [1]

Zunehmender Anteil von erneuerbaren Energien (EE) in der Stromerzeugung führt zu mehr Überschuss- bzw. Defizit-Situationen.

z.B. Stromerzeugung und Last für einen Zeitraum von einem Jahr bei 15% und 47 EE-Anteil.

Konventionelle Stromspeichertechnologien

Am weitesten verbreitet:

Pumpspeicherkraftwerk

Druckluftspeicherkraftwerke

Windkraftwerk

Superkondensator

Batterien

Quellen: kbbnet, voith, Windkraft Simonsfeld AG, Maxwell Technologies, Banner

Damit erneuerbare Energie gesichert zur Verfügung steht, kann mit Hilfe von Energiespeichern

zum Produktionszeitpunkt überschüssige Energie gespeichert und zu einem späteren Zeitpunkt

bedarfsgerecht bereitgestellt werden.

Konventionelle Stromspeichertechnologien

Vgl. [1]

Speicherzeit

Kurz lang

Kap

azit

ät

nie

dri

g h

och

Flywheels

Supercapacitors

VBR und ZnBr Batterien

PSKW CAES

Li-ion NiCd Lead-acid Batterien

Limits von konventionellen Stromspeichertechnologien

Alternative: Erzeugung von Wasserstoff und synthetischem Erdgas

hour

day

month

year

Mit der Hochtemperaturelektrolyse ist die Speicherung von überschüssiger Energie im

GW-TW Bereich möglich!

Warum Hochtemperaturelektrolyse?

• Der Gesamtenergiebedarf der Elektrolyse verlagert sich bei hohen Temperaturen hin zu mehr Wärme und weniger wertvollen Strom. Dadurch ist bei der Hochtemperaturelektrolyse der elektrische Energiebedarf um bis zu 25% niedriger als bei den heute üblichen Verfahren (PEM & Alkali).

Quelle: Konzept für eine 10 kW SOEC-Elektrolyseanlage

Bernd Wede. Masterarbeit AVL/TU-Graz

• Steht eine Abwärmequelle (200-300C) für diesen Bedarf zur Verfügung können mit Hochtemperaturelektrolyse extrem hohe Wirkungsgrade bis zu über 85% dargestellt werden.

• Die Hochtemperaturzelle SOEC benötigt keine teuren Katalysatormaterialien (z.b. Pt). Als Katalysator wird Ni verwendet.

• In der Hochtemperaturelektrolyse kann direkt unter Zugabe von CO2 und H2O ein Synthesegas (H2 & CO) gewonnen werden, dass direkt einer Methanisierungsstufe zugeführt werden kann.

Aufbau einer Hochtemperaturelektrolysezelle

Elektrolyse von H2O

+

Elektrolyt

Kathode Anode

H2O

H2

O2 O2-

CO- Elektrolyse von CO2 und H2O

In

terk

on

nekto

r /

Bip

ola

rpla

tte

Wiederholeinheit

SOE Stack

+

Elektrolyt

Kathode Anode

H2O, CO2

O2 O2-

H2O, H2, CO

Power-to-Power und Power-to-Wheel Effizienz

Hochtemperatur Wasserstoffelektrolyse

10

0%

Ho

chte

mp

erat

ur

Elek

tro

lyse

η ≅

85

%

85

%

H2 T

ran

spo

rt

un

d S

pei

cher

un

g η≅

85

%

72

.3%

Bre

nn

sto

ffze

lle

η ≅

60

%

43

.4%

43.4% elektrische Energie (Power-to-Gas-to-Power)

56.6% Energieverlust

Pow

er-t

o-

Wh

eel*

η

≅6

5%

47% in kinetische Energie

53% Energieverlust

72

.3%

47

%

[4]

*Angenommener Wirkungsgrad FCV 65%

[4]

[4]

Projekt HYDROCELL:

Fakten:

Projektleitung AVL

Projektlaufzeit 1.3.2013 – 31.8.2015

Gesamtprojektkosten EUR 2.858.872

Förderung EUR 1.811.700

Ziele:

Sehr hohe Wirkungsgrade, 80% and 90%

Kraftstoffe: Wasser, Luft und Gleichspannung

Neues Elektrolysekonzept wird untersucht und demonstriert mit einem “Proof-Of-Concept” System in 2015

AP 1.1: „ Abbildung der Wertschöpfungskette“

Strukturbaum des Systems (Hauptbaugruppen, Komponenten)

Rohstoffe, Fertigungsverfahren/Produktion

Wertschöpfungsstruktur / Kette

AP 1.2: „Erstellung eines Lastenheftes“

Identifikation der Nutzergruppen

Identifikation relevanter Rahmenbedingungen (Regulatorisches)

Anforderungsanalyse (Leistungsmerkmale, Dimensionierung, etc.)

Nutzergruppenspezifisches Lastenheft

AP 1.3: „Analyse der Wertschöpfungspotenziale in Österreich“

Identifikation von österreichischen Unternehmen zur Herstellung der SOEC-Komponenten

Erarbeiten von Stückzahlszenarien und Marktdiffussionsgeschwindigkeiten in Form einer Technologie-Roadmap

Wertschöpfungs- und Beschäftigungsanalyse gemäß Basiskonzept

AP1 – Lastenheft und Wertschöpfungsanalyse

Zellpräparation

Zellcharakterisierung

Vermeidung von Degradation

AP2 – Komponenten Zellentwicklung

In AP2 sollen die einzelnen Stackkomponenten derart adaptiert werden, dass sie den

hohen Anforderungen im SOEC-Betrieb standhalten können.

Pulvermetallurgische Herstellung von einbaufertigen Interkonnektoren

Weiterentwicklung des MK-Designs und Optimierung der Prozessroute

AP2 – Komponenten Interkonnektor

Nachweis der Einsatzmöglichkeit der Chrom-Eisen-Yttrium-Legierung für SOEC-Anwendungen

Untersuchung neuer Legierungsvarianten und Schutzschichten

Reduzierung der Übergangswiderstände

Nachweis der Verbesserung der Hochtemperaturkorrosions-beständigkeit

Stackbau

AP3 – Stacks

Stackmodul Stacktests

Reproduzierbarer und zuverlässiger Stackaufbau

Screening von Zellen im Stack

Messungen von Langzeitstabilität und Robustheit

Post-mortem Analyse

Festlegung einheitlicher Prozedur für Stack-Tests

Bestimmung der Stack-Degradation

Untersuchungen bzgl. Degradation

Ermittlung von Kennfeldern und Grenzbedingungen

Design und Aufbau HotBox für SOEC-Modul

Betriebsdaten für SOEC-Modul im Prüfstand und im System

Aufbau des Moduls mit zwei SOEC-Stacks

Auslegung einer SOEC Anlage im Leistungsbereich von 10-100kW

Aufbau und Betrieb eines SOEC „proof-of-Concept“ Systems am Prüfstand

Entwicklung von Betriebsstrategien für eine SOEC Anlage

Ergebnisse:

Systemkonzept für eine 10-100kW SOEC Anlage

SOEC System-Komponenten Tests

Auslegung und Spezifikation der Komponenten

Erstellen von Lastenheften für die Hauptkomponenten

AP4 - Systemkonzept

AP5: Beispiel für ein SOEC System Konzept

Wasserstoffproduktion mit Wasser, Luft und Gleichspannung

AP5 - Upscaling und Anwendungsszenarien

Ziele

Upscale der Technologie auf eine großindustriell relevante Leistungsklasse (1-100MW)

Analyse von Anwendungsszenarien für eine großindustrielle SOEC Anlage

Bewertung der Wirtschaftlichkeit einer großindustriellen SOEC Anlage

Analyse zur Kopplung der SOEC Anlage mit Methanisierung

Ergebnisse:

Anlagenkonzept und Bewertung für eine 1-100MW SOEC Anlage

AP6 - SOEC CFD Modellierung und Zuverlässigkeitsanalyse

Ziele

3D CFD Modellierung von SOEC Zellen mit AVL FIRE

Validierung der 3D CFD Modellierung mit Einzelzellentests

Zuverlässigkeitsanalyse SOEC Anlage

Ergebnis:

AVL FIRE kompatibel mit SOEC Zellsimulation

Validierung der 3D CFD Simulationsergebnisse mit Einzelzellentests

Liste mit priorisierten Fehlerarten SOEC Zelle/Stack/Modul

Darstellbare Zuverlässigkeit/Lebensdauer von SOEC Stacks auf Basis der im Projekt geplanten Tests

Validierungsstrategie SOEC Stacks

Gute Gründe für das Projekt:

Wasserstoff, Brennstoffzellen und Elektrolyse sind Schlüsseltechnologien für eine zukünftige, nachhaltige, sichere, leistbare und wettbewerbsfähige Energieversorgung mit einer im Gegensatz zum heutigen Ölimport hohen regionalen und nationalen Wertschöpfung.

Der SOEC Prozess erlaubt die effiziente Umwandlung von erneuerbarer elektrischer und thermischer Energie in das chemische Speichermedium Wasserstoff (oder Synthesegas) und kann damit einen wesentlichen Beitrag zur Energiespeicherung von erneuerbaren Ressourcen leisten

Der Wasserstoff ist ein ungiftiges Gas mit hoher Energiedichte (somit gut als Speichermedium geeignet) und kann durch elektrochemische Prozesse mit der SOEC sowohl zentral wie auch dezentral erzeugt werden

Wasserstoff kann in einem chemischen Reaktor (Synthese) unter Zumischung von CO2 in flüssige und gasförmige Kohlenwasserstoff - Verbindungen umgewandelt werden, wodurch die Energiedichte noch weiter erhöht werden kann.

Höherer Wirkungsgrad verglichen mit am Markt verfügbaren Produkten

Quellenangabe

[1] Systems analyses Power to Gas: A technology review. Part of TKI project TKIG01038 – Systems analyses Power-to-Gas pathways Deliverable 1: Technology Review. Lukas Grond, Paula Schulze & Johan Holstein. Groningen, June 2013 GCS 13.R.23579

[2] Power to Gas Research Roadmap- Offering a Solution to the Energy Storage Problem? Robert Judd, Dave Pinchbeck. In: Gas-for-Energy.2-2013. ISSN: 2192-158X

[3] Bioenergy and renewable power methane in integrated 100% renewable energy systems. Dissertation. University of Kassel. Dr.M.Sterner. Germany, Sept 2009

[4] Energiehandbuch: Gewinnung, Wandlung und Nutzung von Energie. Eckhard Rebhan (Hrsg.). VDI Springer publishing. Mai 2002 ISBN-13: 978-3540412595