Power-to-Gas Entwicklungsstand und Marktbedingungen

(1)

Power-to-Gas

Entwicklungsstand und Marktbedingungen

Torsten Seemann

Siemens AG, Hamburg

(2)

84 108

83 120 158

53 62 17 54

2050 21 37

2040 19 57

2030 18 72

2020 17 80

2010 27 17

105

2000 6 11

105

Für einen hohen Anteil fluktuierender Energie-

erzeugung sind großskalige Langzeitspeicher notwendig

Beitrag der erneuerbaren Energien an der Stromversorgung in Deutschland

Nicht systemrelevant

Speicherung dezentral und kurzfristig

Zentrale langfristige Speicherung essentiell

Source: E ST MC SR 2012 until 2030, Extrapolation to achieve 80% RE by 2050

0 200 400 600 800

2050 2045

2040 2035

2030 2025

2020 2015

2010 2005

2000

Wind Solar

Andere Erneuerbare Konventionell

TWh

GW (Wind+Solar)

~3 x Peak load 80%

Erneuerbare

Max. Last

~ 80GW

GW

Min. Last

~ 35GW

35-40%

Erneuerbare

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Framework

Sprunghafte Preise im Energiemarkt durch starke Fluktuationen

Erneuerbare Energien – Schneller Ausbau – Unberechenbarer

Charakter Weitere Anforderungen:

– Nachhaltigkeit

– Abrufbare Verfügbarkeit – Höchstmögliche CO₂-

Reduktion

Preise MWh [€]

10% - 90% Prozent min./max. Preise Durchschnittspreis -600

-300 0 300 600 900

05 06 07 08 09

Netzausbau

Treibende Faktoren

Treibende Faktoren für die Energiespeicherung:

Langsamer Netzausbau und keine

abrufbare Verfügbarkeit Erneuerbarer Energien

Energiespeicherung ist der Schlüssel für eine CO

₂

-optimiertes Szenario

(4)

Die veränderte Energielandschaft

stellt die Energiewirtschaft vor Herausforderungen

Source: TU Berlin, Prof. Erdmann, extrapolated for the year 2020

Erzeugungs- und Lastkurven

Ein zukünftiges CO

₂

-optimiertes Energieszenario erfordert smarte Lösungen

30.000 25.000 20.000 15.000 10.000 5.000 0

2020

27.710

2015

1.861

2010

127

GWh²⁾

1) EnBW (Münch) at BMU Strategy Meeting, 05.09.12 2) total demand Germany 2011: 615.000 GWh

Erzeugungsabregelung

(5)

„Der Bedarf an kurzfristiger Stromspeicherung dürfte sich bis 2025 zumindest verdoppeln und danach weiter wachsen.“

„Spätestens 2040 ist eine regelmäßige Speicherung von 40 TWh notwendig, um die sich abzeichnenden Überschüsse aufzufangen. Überdies muss Elektrizität dann über mehrere Wochen und Monate gespeichert werden.“

„Allein in den kommenden zwei Dekaden summiert sich der Investitionsbedarf für neue Energiespeicher in Deutschland auf rund EUR 30 Mrd.“

„Wasserstoff- und Methanspeicher sind weiterzuentwickeln, damit die Energiewende bezahlbar bleibt und sicher bewerkstelligt werden kann.“

“Für Speicherbetreiber kann der Dienstleistungsanteil schon heute ein Drittel bis hin zur Hälfte (teilweise sogar bis zu zwei Drittel) des Geschäftsvolumens erreichen.

„Erneuerbare brauchen mehr Regelleistung“ … „steigt der Bedarf an Regelleistung

gegenüber 2010 um 50% bis 2025 und um 70% bis 2040“

(6)

Großskalige Energiespeicherung

Optionen zum „Netzspeicher“ sind begrenzt

Batteriespeicher-

Applikationen sind auf den Stundenbereich begrenzt

Stromspeicher >100 MW(h) können nur durch Pumpspeicher, komprimierte Luft (CAES) oder Wasser - stoff realisiert werden Das Potential Pump-

speicher auszubauen ist sehr begrenzt

CAES ist eingeschränkt in Bezug auf betriebliche Flexibilität und Kapazität

SuperCaps

Alle Daten gemittelt

1 sec

1 d 1 h 1 min

Redox-Flow-Batterien

Blei Li-ion

Na/S supercaps

pumped hydro

CAES

Wasserstoff

1 d

Leistung[MW] 0,11101001.0000,0010,01104

Strom [MWh]

0,1 1 10 100 1.000

0,01 10⁴

0,001 10⁵

Einzelne WEA

Windpark

Elektromobiität 1 m

Kernbotschaften:

Segmentierung von großskaliger elektrischen Energiespeichern

Wasserstoff ist die einzige Option, um Stromspeicher > 10 GWh zu realisieren

(7)

Der Wirkungsgrad ist nur ein Kriterium, um Speichertechnologien zu vergleichen

Electrochemisch

Chemisch Mechanisch

Quellen: EPRI, Dec 2010, Prognos 2011, ESA, BCG, Sandia

Wochen Monate 30%

35%

40%

45%

50%

55%

60%

65%

70%

75%

80%

85%

90%

95%

100%

Li-Ion

Speicherzeit Wirkungsgrad

12h 10h NaS Blei-Säure Akku

8h 6h 4h

2h 0h

Flywheel

Wasserstoff+

Rückverstromung Pumpspeicher

Redox Flow Battery

CAES

Investitionskosten [ € / kW ]

Investitionskosten [ € / kWh ] 3000

2000

1000

5000 50 500

Wasserstoff+

Rückverstromung

Li-Ion Akku Pumpspeicher

Kraftwerke

Blei-Säure Akku

NaS

Redox-Flow Batteries

CAES

Schwungrad

(8)

Energieerzeugung Umwandlung Anwendung

schwankende Erzeugung

PEM-Electrolyseur

CO₂

H₂

Industrie / Brennstoffzelle

Mobilität / Industrie

Energie (Rück-

verstromung)

kleine GT

H₂

überirdische H₂-Speicherung

(Beimschung, kleine Konzentrationen)

H2 Kavernen- speicherung

H₂

+ -

O₂ H₂

H₂O

H₂

H2-Motor

Gas Pipeline H₂-Kavernen-

speicherung

Energie (Rück-

verstromung)

CH₄

Direkte Wasserstoff Verwendung

Power to Gas Pfade

Gasturbine

Mobilität H₂

Energie (Rück-

verstromung)

CH₄+ H₂

Methanisierung Biomethan SNG

Industrie / Wärme

Big Picture Wasserstoff:

Umwandlung von elektrischen Strom in chemische Energie

PEM Elektrolyseur – zukünftige Schlüsseltechnologie zur Speicherung der EE

(9)

Wasserstoffproduktion durch Elektrolyse Fallentscheidungen

Anwendungsgebiete

• Erzeugung von H₂/ O₂ mit sehr hoher Reinheit (≥5.0)

• Anwendung in entlegenen Regionen (bei denen H₂-

Antransport unwirtschaftlich ist)

• Produktion in Regionen in mit geringen Elektrizitätskosten

heute

technische Anforderungen

• Hohe Effizienz

• Kontinuierlicher Betrieb

• Wasserstoff Mobilität

• Stromspeicherung

morgen ^• Grüne Erzeugung

• Hohe Dynamik

• On/Off-Betrieb

• Hochdruckbetrieb

Johann Wilhelm Ritter, 1800

Das Prinzip der Wasserstoffelektrolyse und das Potential von Wasserstoff ist seit

mehr als 200 Jahren bekannt. Stand der Technik sind Systeme mit alkalischer

Elektrolyse für den Dauerbetrieb

(10)

Gleichspannung teilt Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff Produktionsrate ist direkt

proportional zum Strom 9 Liter Wasser liefern 1kg

Wasserstoff

näherungsweise 50 kWh Strom erzeugen 1 kg Wasserstoff

1 kg Wasserstoff enthält 33,3 kWh an chemischer Energie

Hauptmerkmale:

Alkalische Technologie 2H

₂

0 2H

₂

+ O

₂

**PEM* Technologie:**

* Polymer Elektrolydt Membran Proton Exchange Membram

Eigenschaften:

- Ionenleiter (H⁺) - Elektrischer Isolator - Gasdichter Separator

- + Wasserelektrolyse

Prinzip und Grundlage

Die PEM Technologie benutzt eine robuste Polymermembran als Elektrolyt

(11)

Effizienz bezieht sich auf konkreten Betriebspunkt oder –Zyklus

Effizienzdaten ohne oben aufgeführte Zuordnung sagen nichts aus

Lebenszykluskosten sind ein Schlüsselindikator um die wirtschaftlichste

Speichertechnologie zu identifizieren

“Effizienz” ist durch die Gleichung beschrieben

Die Rolle der Effizienz

Oft werden irreführende Informationen gegeben

60 65 70 75 80 85 90 95 100

0 50 100 150 200 250 300

Leistung in MW

Effizienz in % (bezogen auf HHV)

40 45 50 55 60 65 70 75 80

KWh/kg(H2)

Investition

Effizienz (HHV) Strombedarf für H₂Produktion Nennleistung

Extrapolierte Leistung eines 90 MW Systems

0 10 20 30 40 50

large-scale batteries thermal *

[ ct / kWh ]

Speicherungskosten (pro kWh_out) Thermisch

Batterien Großspeicher

Kernaussagen

η η η

η = E _in / E _out

(12)

eines PEM Elektrolyseur stack´s

(Labordurchführung - Ausgangsdruckregler)

PEM Elektrolyseur erlaubt systembedingt einen hohen Ausgangsdruck

Leistungsmerkmale

1 1,5 2 2,5 3

0 1 2 3 4

Dichte [ A/cm² ]

Spannung [ V ]

100 bar 50 bar 1 bar

Typische Sromdichte

eines alkalischen Elektrolyseurs

PEM Elektrolyseure können mit Hochdruck betrieben werden. Es wird keine zusätzliche Energie zur Druckerhöhung benötigt.

Ein hoher Ausgangsdruck ist vorteilhaft weil:

Additive Kompressorstufen verursachen zusätzlichen Invest und gehen zu Lasten der Gesamteffizienz

H2-Verdichtungstufen sind kostenintensiv und

wartungsbehaftet

Kernaussagen

(13)

0%

50%

100%

150%

200%

0 10 20 30 40 50 60 70 80

Betriebsstunden

P

soll

, P

ist

Prozentuale Angaben bezogen auf Nennleistung

Psoll Pist Versuchsergebnisse eines Siemens PEM Elektrolyseblocks, der einem realen Windprofil folgt

-20,0%

-15,0%

-10,0%

-5,0%

0,0%

5,0%

10,0%

15,0%

20,0%

0 10 20 30 40 50 60 70 80

Betriebsstunden

Psoll-Pist

PEM Elektrolyseur @ Siemens

Elektrisches Nachführen eines realen Windprofils

PEM Elektrolyseure sind extrem dynamisch und tolerant in Bezug auf Überlast

auch im Hochdruckbetrieb.

(14)

• Startzeit (aus Blackstart) ~ 10 min

• Aus Standby zur Nennleistung < 10 sec

• Voller Dynamikbereich zwischen 0 und 300% elektrischer Leistung nutzbar (positive und/oder negative Regelenergie)

Power in %

100%

200%

300%

Normaler Betrieb Bereitstellung von negativer Regelenergie

(Aufnahme)

Bereitstellung von Positiver Regelenergie

(Abgabe)

13 kg H₂/MW

positive Regellast:

1 MW

negative Regellast:

200 %

15 kg H₂/MW

18 kg H₂/MW Bezogen auf 1 MW

Unterschiede durch variablen Wirkungsgrad

Der Siemens PEM Elektrolyseur kann aufgrund seiner Dynamik sowohl sekundäre als auch primäre Regelenergie bereitstellen

Die hohe Dynamik der Siemens PEM-Elektrolyseure

erlaubt die Teilnahme an Regelenergiemärkten

(15)

PEM electrolyzer @ Siemens

Skalierbare Speichertechnologie mit hohen Kapazitäten

Hydrogen: Ermöglicht Umwandlung zwischen elektrischer und chemischer Energie

Excess Energy

Renewable Energy Chemical Energy

PEM Electrolyzer Technology

■ Robuste Polymer Membran als Electrolyt

■ Extreme dynamische Eigenschaften

■ Hoher Regelbereich 0-300% (Hochdruck)

■ Überlastbetrieb (2-fach Dauerlast)

■ Hochdruckbetrieb ohne Effizienzverluste

■ Dynamik erlaubt Betrieb im

Regelenergiemarkt (Sekündär und Primär)

■ Reiner Wasserbetrieb – keine Lauge

■ Kaltstartfähigkeit – on/off Betrieb

■ Keine Spülung und Vorheizbetrieb

Siemens Expertise

■ PEM Electrolyseur-Entwicklung 1998 gestartet.

■ Referenzliste in Electrolyseur Technologie:

- Fortlaufender Laborbetrieb > 40.000 Std.

- 10y Felderfahrung (prototype) - 100 bar Prototyp

- 40 Jahre Elektroden Know-How

■ Komplettlösungen aus einer Hand:

- Hochstromgleichrichter (up to 70.000 A) - Transformatoren

- Automatisierungskomponenten - Netzkomponenten

- Gas Turbinen

(16)

PEM Elektrolyse @ Siemens 100 kW Demonstrator

Nennleistung des Systems ist 100 kW, Spitzeneistung 300 kW (Leistungsaufnahme).

H₂und O₂werden bei einem Ausgangsdruck von 50 bar erzeugt

Der Container ist ein autarkes system. Sowohl Stromversor- gung als auch Wasserauf- bereitung sind im System enthalten.

Ein 100 kW Vorführmodell wurde im Dezember 2012 an RWE im Zusammenhang mit dem BMBF-initiierten Projekt CO2RRECT* geliefert.

Kernaussagen

*CO2-Reaktion die erneuerbare Energien und katalytische Prozesse nutzt

Hochdynamische Siemens-Electrolyseure sind seit Dezember 2012 verfügbar.

(17)

Roadmap: PEM Elektrolyse Portfolio

Nennleistung nominale

langfristig

( > 5 Jahre)

heute mittelfristig

(3-5 Jahre)

Geplanter Zeithorizont

Gen I

0,1-0,3 MW

Gen II 2-10 MW

Gen III

> 90 MW

Ein komplettes Portfolio an PEM-Elektrolyseuren

ermöglicht zukünftig die Abdeckung aller Leistungsbereiche

(18)

PEM Elektrolyseur @ Siemens Status

Kernaussagen

• Siemens begann die Entwicklung der PEM- Elektrolyseur Technologie im Jahre 1998

• Siemens Referenzliste Elektrolyseur Technologie:

- kontinuierlicher Laborbetrieb > 50.000 Std.

- 10 Jahre Feldbetrieb (Prototyp) - 100 bar Prototyp

- 40 Jahre Elektroden Know-How

- über 50 Jahre Erfahrung in Stromrichter- Technologien

• Komplettlösung aus einer Hand - Stromrichter (bis zu 70.000 A) - Stromwandler

- Kontrolleinheiten - Netzanbindung - Gasturbinen

100 kW Vorführmodell, z.B. geliefert innerhalb des CO2RRECT Projekts (BMBF)

Stromrichter SIPOREC

(19)

Zusammenfassung: Wasserstoff wird

eine wichtige Rolle in zukünftigen Energieszenarios spielen

CO

₂

-Reduzierungsziele sind klar mit dem Ausbau der Erneuerbaren verbunden. Diese werden Speicher- lösungen im TWh- Bereich erfordern.

Wasserstoff ist das einzige Energiespeicherkonzept, um Strommengen > 10 GWh zu speichern.

Siemens adressiert Großspeicherlösungen für Strom durch die Entwicklung PEM Elektrolyseuren im hohen Leistungsbereich.

PEM Elektrolyseure sind sehr robust und extrem

dynamisch und überlastfähig. Sie können als Last zur Regelenergie eingesetztwerden.

Wir sehen eine zunehmende Vernetzung zwischen

Industrie- und Energiemärkten - Querschnittstechnologie

Der Energiemarkt muss zeitnah Geschäftsmodelle

entwickeln, die die Wirtschaftlichkeit von Speicher- lösungen ermöglichen.

Regulatorische Rahmenbedingungen müssen für

entsprechende Investitionen geschaffen werden.

(20)

Kontakt:

Torsten Seemann Siemens AG

Region Nord

Business Development +49-40-2889 2912

mailto:torsten.seemann@siemens.com

Power-to-Gas Entwicklungsstand und Marktbedingungen

Power-to-Gas

Entwicklungsstand und Marktbedingungen

Torsten Seemann

Siemens AG, Hamburg

Für einen hohen Anteil fluktuierender Energie-

erzeugung sind großskalige Langzeitspeicher notwendig

Beitrag der erneuerbaren Energien an der Stromversorgung in Deutschland

Framework

Treibende Faktoren

Treibende Faktoren für die Energiespeicherung:

Langsamer Netzausbau und keine

abrufbare Verfügbarkeit Erneuerbarer Energien

Energiespeicherung ist der Schlüssel für eine CO

-optimiertes Szenario

Die veränderte Energielandschaft

stellt die Energiewirtschaft vor Herausforderungen

Erzeugungs- und Lastkurven

Ein zukünftiges CO

-optimiertes Energieszenario erfordert smarte Lösungen

Erzeugungsabregelung

„Der Bedarf an kurzfristiger Stromspeicherung dürfte sich bis 2025 zumindest verdoppeln und danach weiter wachsen.“

„Spätestens 2040 ist eine regelmäßige Speicherung von 40 TWh notwendig, um die sich abzeichnenden Überschüsse aufzufangen. Überdies muss Elektrizität dann über mehrere Wochen und Monate gespeichert werden.“

„Allein in den kommenden zwei Dekaden summiert sich der Investitionsbedarf für neue Energiespeicher in Deutschland auf rund EUR 30 Mrd.“

„Wasserstoff- und Methanspeicher sind weiterzuentwickeln, damit die Energiewende bezahlbar bleibt und sicher bewerkstelligt werden kann.“

“Für Speicherbetreiber kann der Dienstleistungsanteil schon heute ein Drittel bis hin zur Hälfte (teilweise sogar bis zu zwei Drittel) des Geschäftsvolumens erreichen.

„Erneuerbare brauchen mehr Regelleistung“ … „steigt der Bedarf an Regelleistung

gegenüber 2010 um 50% bis 2025 und um 70% bis 2040“

Großskalige Energiespeicherung

Optionen zum „Netzspeicher“ sind begrenzt

Strom [MWh]

Kernbotschaften:

Segmentierung von großskaliger elektrischen Energiespeichern

Wasserstoff ist die einzige Option, um Stromspeicher > 10 GWh zu realisieren

Der Wirkungsgrad ist nur ein Kriterium, um Speichertechnologien zu vergleichen

Big Picture Wasserstoff:

Umwandlung von elektrischen Strom in chemische Energie

PEM Elektrolyseur – zukünftige Schlüsseltechnologie zur Speicherung der EE

Wasserstoffproduktion durch Elektrolyse Fallentscheidungen

Anwendungsgebiete

technische Anforderungen

Das Prinzip der Wasserstoffelektrolyse und das Potential von Wasserstoff ist seit

mehr als 200 Jahren bekannt. Stand der Technik sind Systeme mit alkalischer

Elektrolyse für den Dauerbetrieb

Alkalische Technologie 2H

0 2H

+ O

PEM* Technologie:

* Polymer Elektrolydt Membran Proton Exchange Membram

- + Wasserelektrolyse

Prinzip und Grundlage

Die PEM Technologie benutzt eine robuste Polymermembran als Elektrolyt

Effizienz bezieht sich auf konkreten Betriebspunkt oder –Zyklus

Effizienzdaten ohne oben aufgeführte Zuordnung sagen nichts aus

Lebenszykluskosten sind ein Schlüsselindikator um die wirtschaftlichste

Speichertechnologie zu identifizieren

“Effizienz” ist durch die Gleichung beschrieben

Die Rolle der Effizienz

Oft werden irreführende Informationen gegeben

Extrapolierte Leistung eines 90 MW Systems

Kernaussagen

η η η

η = E in / E out

eines PEM Elektrolyseur stack´s

(Labordurchführung - Ausgangsdruckregler)

PEM Elektrolyseur erlaubt systembedingt einen hohen Ausgangsdruck

Leistungsmerkmale

PEM Elektrolyseure können mit Hochdruck betrieben werden. Es wird keine zusätzliche Energie zur Druckerhöhung benötigt.

Ein hoher Ausgangsdruck ist vorteilhaft weil:

Additive Kompressorstufen verursachen zusätzlichen Invest und gehen zu Lasten der Gesamteffizienz

H2-Verdichtungstufen sind kostenintensiv und

wartungsbehaftet

Kernaussagen

Betriebsstunden

P

, P

PEM Elektrolyseur @ Siemens

Elektrisches Nachführen eines realen Windprofils

PEM Elektrolyseure sind extrem dynamisch und tolerant in Bezug auf Überlast

auch im Hochdruckbetrieb.

**PEM* Technologie:**

η = E _in / E _out