eine zukunftsträchtige Speichermöglichkeit Power to Gas: eine zukunftsträchtige Speichermöglichkeit Forum Energieforschung - Trends in der Methanisierung Winterthur, 3. September 2014 Serena Danesi IEFE- Institute of Energy Systems and Fluid-Engineering

Agenda Was ist Power to Gas und warum beschäftigen wir uns damit? Übersicht über Technologien der einzelnen Verfahrensschritte Elektrolyse Methanisierung Wirkungsgrade Entwicklungsstand / Pilotprojekte Aufgabenstellungen am IEFE 03.09.2014

Warum benötigen wir Speicher für elektrische Energie? Quote erneuerbarer Energieerzeugung wächst Zeitliche Diskrepanz zwischen Produktionskapazität und Bedarf nimmt zu Nutzung überschüssiger Kapazität durch Speicherlösungen Szenario für 80% EE in Deutschland 2050 03.09.2014

Was ist Power to Gas? H2 CH4 Stromnetz Elektrolyse Methani-sierung CO2 Überschuss Elektrolyse Erneuerbare Energie Strom- produktion Methani-sierung Heizung Mobilität Industrie CO2 Quelle CH4 Erdgasnetz 03.09.2014

Technische Realisierung der Elektrolyse H2O + Energie → H2 + ½ O2 Niedertemperatur (NT) - Elektrolyse (60-80°C, bis 30 bar): Alkalische Elektrolyse (OH-) PEM, Proton Exchange Membrane (H+) Hochtemperatur (HT) - Elektrolyse (600-1000°C) Festoxyd (O2-) Alkalische NT-Elektrolyse: PEM NT-Elektrolyse: HT-Elektrolyse: Anode Katode O2 H2 V H+ + - H2O Anode Katode O2 H2 V + - H2O (Dampf) O2- Anode Katode O2 H2 V OH- + - Alkalische Lösung 03.09.2014

Vergleich der Elektrolysetechnologien Alkalische El. PEM HT-El. Stand der Technik + - -- Grösse bis 760 Nm3/h bis 30 Nm3/h Wirkungsgrad = 60 - 80 % 90 - 95 % Lebensdauer 90.000 Std 20.000 Std 1.000 Std Betriebsmittel Kalilauge Wasser Gas Reinheit Teillast 20 - 100 % 0 - 100 % Investitionskosten 03.09.2014

Pro und Kontra der Methanisierung Bestehende Infrastruktur Pipelines, Speicherkavernen Tankstellen, Fahrzeugausrüstung H2 CH4 Speicherevolumen Erhöhung der Energiedichte 3 => 10 kWh/Nm³ (Verringerung des Speichervolumens) Contra: Bedarf einer zusätzlichen Prozessstufe (Investitions- und Betriebskosten) 03.09.2014

4H2 + CO2 → CH4 + 2H2O RH0 = -165 kJ/mol Methanisierung 4H2 + CO2 → CH4 + 2H2O RH0 = -165 kJ/mol Katalytische Methanisierung Katalysator, z.B. Nickel Temperatur 200-400°C Biologische Methanisierung Anaerobe Mikroorganismen Temperatur 40-70°C 03.09.2014

CO2 Quellen Quelle CO2 Anteil Luft 0.04 Vol. % (2300 kWh / tCO2) Industrie: Stahl- und Zement Raffinerie Chemie 15...30 Vol. % (50...100 kWh / tCO2) 3...13 Vol. % bis 100 Vol. % Kraftwerke: Fossil CCS 3...15 Vol. % (200...450 kWh / tCO2) 90 Vol. % Biogasanlage: 40...50 Vol. % (Rest CH4) 03.09.2014

Wirkungsgrad NT-Elektrolyse Methan Strom Wasserstoff =75% Solar-/ Windpark Elektrolyse Strom Methani-sierung Wasserstoff =75% Power to Gas 100% 60% =80% HT-Elektrolyse =90% =80% Solar-/ Windpark Strom Elektrolyse Wasserstoff Methanisierung Methan 100% Power to Gas 72% 03.09.2014

Wirkungsgrad H0 = G0 + T S0 03.09.2014

Wirkungsgrad NT-Elektrolyse Methan Strom Wasserstoff =75% Solar-/ Windpark Elektrolyse Strom Methani-sierung Wasserstoff =75% Power to Gas 100% 60% =80% HT-Elektrolyse =90% =80% Solar-/ Windpark Strom Elektrolyse Solar-/ Windpark Strom Wasserstoff Methanisierung Methan 100% Power to Gas 72% 85% 03.09.2014

Projekte Projekt Leistung [kW] Elektrolyse Methanisierung Werlte (D) - Audi AG 6’000 alkalisch katalytisch Aragon (E) - ITHER 4’000+70 alkalisch+PEM n.v. Falkenhagen (D) - EON AG 2’000 PEM Regione Puglia (I) - INGRID Project 1’200 Grapzow (D) - RH2 Wind Project Gruppe 1’000 Graben (D) - Hamburg (D) - Vattefall 900 Prenzlau (D) - Enetrag AG 500 Frankfurt (D) - Thüga & ITM Power 360 n.v Foulum (DK) - Electrochae 250 biologisch Stuttgart (D) - Solar Fuel & Fraunhofer IWES Xermade (E) - Sotavento Project 200 Herten (D) - Stadt Herten & Evonic Industries 165 Leverkusen (D) - CO2RRECT, Siemens & RWE 100 Schwandorf (D) - Eucolino: Schmack & Viessmann Ibbenburen (D) - RWE, CERAM Hyd 03.09.2014

IEFE Erneuerbare Energie Energiespeicher und –Netze Energieeffizienz «Steigerung der installierten Leistung an erneuerbaren Energien» Energiespeicher und –Netze «Sichere Integration der fluktuierenden Erneuerbaren Energien in die Energieversorgung» Energieeffizienz «Reduktion des Energieverbrauchs von industriellen Prozessen und Anlagen» 03.09.2014

Womit beschäftigt sich das IEFE? Elektrolyse KOH PEM HT ? %vol CH4 Methani-sierung CO2 Erdgasnetz 03.09.2014

Vielen Danke für Ihre Aufmerksamkeit! Serena Danesi Wissenschaftliche Mitarbeiterin IEFE Institut für Energiesysteme und Fluid-Engineering ZHAW Zürcher Hochschule für Angewandte Wissenschaften Telefon: +41 (0)58 934 49 90 Email: serena.danesi@gmail.com Internet: http://www.iefe.zhaw.ch   03.09.2014