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Power-to-Gas im Energiepark Mainz
Mehr als 2 Jahre Betriebserfahrung
mit der weltgrößten
PEM-Power-to-Gas-Anlage (6 MW)
im Energiepark Mainz
2
Hintergrund: Elektrolyse-H2 als Energiespeicher und -vektor
Heute: Zeitweise Abschaltung erneuerbarer
Einspeiser aufgrund fehlender Netzkapazität
Tendenz steigend
§13, Abs.1: Netz-/marktbezogene Maßnahmen
bei Gefährdung der Sicherheit des Systems
§13 Abs.2 : Weitergehende Maßnahmen des
Netzbetreibers:
Änderung von Stromeinspeisungen
(z.B. gezieltes An- und Abregeln)
gezielter Lastabwurf und Anpassung
der Stromtransite
Anstieg kritischer Netzsituationen, Maßnahmen nach §13 EnWG
Flexible Kraftwerke Netzausbau Energiespeicherung DSM
Zentral
Dezentral
Flexibilitätsoptionen: Quelle: BNetzA 2011/2012/2013, Bundesregierung 2014, ENTSOe
3
Hintergrund: Elektrolyse-H2 als Energiespeicher und -vektor
Moderne PEM-Elektrolyseure mit dynamischen
Lastwechselverhalten können Überschussenergie
in Wasserstoff umwandeln.
Zukünftige Einsatzmöglichkeiten:
Bewirtschaftung lokaler Netzengpässe
Anbieten von Regelenergie
Prognoseanpassung von volatiler EE-
Einspeisung
Aktive Bilanzkreisbewirtschaftung
Produkt: Wasserstoff für weitere Anwendungen
Elektrolyse zur Netzstabilisierung und kurzfristigem Dispatch
Quelle: Siemens AG
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Hintergrund: H2 als Wegbereiter der Dekarbonisierung H2-Council Roadmap: Sieben Nutzungsarten für Wasserstoff
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Energiepark Mainz – Projektstand und Ausblick Fokus und Anlagendaten
Entwicklung einer modularen
dezentralen Power-to-Gas Anlage
Standort: Mainz, Stadtteil Hechtsheim
Anschluss an Windpark (8 MW)
6 MW Elektrolyse
(3 Stacks, je 2 MW max.)
Einspeisung ins Erdgasnetz
Trailer-Betankung
Budget: Summe ca. 17 Mio. €
Förderung: ~ 50% (BMWi)
Dauer F&E-Projekt: 4 Jahre
(10/2012 – 12/2016)
Mainz
Standort
Reference: Google Maps
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Energiepark Mainz – Projektstand und Ausblick Technische und wissenschaftliche Ziele des Forschungsprojektes
Netzoptimierung durch die Speicherung erneuerbarer
Energie.
Bereitstellung von Systemdienstleistungen im
Stromnetz (inkl. negative Regelenergie)
Intelligente Management- und
Kommunikationssysteme
Erforschung der Auswirkungen erhöhter
Wasserstoffkonzentrationen auf Endgeräte im Gasnetz
Erstmalige Erprobung und Weiterentwicklung der
Megawatt-PEM-Elektrolyse
Intelligente und effiziente Wasserstoffkonditionierung, -
speicherung und –handling
Öffentlichkeitsarbeit und soziale Akzeptanz
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Energiepark Mainz – Projektstand und Ausblick Zeitlicher Ablauf
Projektidee
Start Engineering
Zuwendungsbescheid Förderung
Antrag zur
öffentl. Förderung
Einreichung
Genehmigungsantrag
Genehmigungsplanung
fertiggestellt Start
Bauarbeiten
Start
Forschungsbetrieb
Vorzeitiger Bau-
beginn (BImSchG) Erste Behördengespräche
Lieferung Elektrolyse
Start Gasnetzeinspeisung
Dispatch durch DV
Regelenergie Start Vergabeverfahren
Bauleistungen Finale
Genehmigung
Optimierungsphase
Kommerzieller
Testbetrieb
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Energiepark Mainz – Technische Umsetzung Elektrolysesystem
3 SILYZER 200 PEM-
Elektrolysestacks
1.3 MW Dauerleistung / 2.0 MW
zeitlich begrenzte Spitzenleistung
Hohe Dynamik: Lastwechsel in
Sekunden, in weiten Grenzen
teillastfähig
35 bar Ausgangsdruck
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Energiepark Mainz – Technische Umsetzung Blockschaltbild: Elektrolyse, H2-Handling und Gasnetzeinspeisung
Elektrolyse(20-35 bar)
Wasser Aufbereitung
Netzanschluss 20kV
DeOxo
Ionischer Verdichter
Trockner1.
Verdichterstufe2.
Verdichterstufe
Gasespeicher(20-80 bar)
Gasnetz-einspeisung
RestfeuchteAbsorbtion
Trailer-Betankung(225 bar)
Trafo und Gleichrichter
Kondensat Rückführung
Speichervolumen 2x 82 m³
Netto-Speicherkapazität 780 kg / 26 MWh
Gasqualität Eingang
(vol.%)
<0.5% O2
<3.0% H2O
Gasqualität Ausgang
(vol.%)
<0.0002% O2
<0.0005% H2O
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Energiepark Mainz – Technische Umsetzung H2-Trailerbefüllung
2 Positionen + 1 Parkplatz
Vollautomatische Befüllung
Betriebsdruck im Trailer 200 bar
Speicherkapazität der Trailer
300-600 bar
Befülldauer ~3h
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Energiepark Mainz – Technische Umsetzung H2-Gasnetzeinspeisung in ein Erdgas-Teilnetz (Stichleitung)
Kommunalgasleitung zum
Stadtteil Mainz-Ebersheim
Netzbetreiber:
Stadtwerke Mainz Netze
GmbH
Eigentümer Einspeisung:
Stadtwerke Mainz AG
Betriebsdruck:
0.7 – 0.9 MPa
Volumenstrom:
max. 1.200 m³/h
Im Sommer minimaler
Durchfluss Limitierung der
Einspeisemenge.
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Energiepark Mainz – Erfahrungen aus dem Betrieb Betriebsdaten der Elektrolyse und Präqualifikation für Regelenergie
Präqualifikation für MRL und SRL
beim Übertragungsnetzbetreiber
(Amprion) erfolgreich
abgeschlossen
Einsatz in der neg. MRL und SRL
erfolgreich absolviert
Die Elektrolyseskits können
innerhalb von 15 sec auf eine
Dauerlast von 4 MW hochfahren
Der H2-Betriebsdruck kann bis zu
60min gehalten werden, um
mögliche Wasserstoff-verluste zu
begrenzen
Quelle: Hochschule RheinMain, Martin Kopp
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Energiepark Mainz – Erfahrungen aus dem Betrieb Techn. Leistungsdaten, Evaluation der Messergebnisse (I)
Grundlage ist die
gesamte Leistungs-
aufnahme der PtG-
Anlage inklusive
aller Nebenanlagen
Wirkungsgrad
bezogen auf den
Brennwert von
Wasserstoff
(3.54 kWh/Nm³)
Datenaufnahme im
Oktober 2015 0%
20%
40%
60%
80%
100%
0
200
400
600
800
1 000
0 1 000 2 000 3 000 4 000 5 000 6 000
Wir
ku
ng
sg
rad
Wassers
toff
-Pro
du
kti
on
[N
m³/
h]
Leistungsaufnahme [kW]
Teillast= 2MW
ca. 35.5 kg/h 395 Nm³/h
Nominallast= 4MW
ca. 65.6 kg/h 730 Nm³/h
Maximallast= 6MW
ca. 90.4 kg/h 1006 Nm³/h
Quelle: Hochschule RheinMain, Martin Kopp
Wirkungsgrad H2-Produktion
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Techn. Leistungsdaten, Evaluation der Messergebnisse (II)
Messkampagne bei 2 MW Leistung
Schaltanlage (η = 100 %)
Transformatoren und Gleichrichtern
(η = 98,25 %)
Elektrolyseure (η = 76,7 %)
Verdichters (η = 96,7 %)
sonstige Verbraucher (η = 96,6 %)
Gesamtwirkungsgrad = 70,4 %.
Dies entspricht einer Nutzleistung
von ca. 1,4 MW
Energiepark Mainz – Erfahrungen aus dem Betrieb
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Energiepark Mainz – Erfahrungen aus dem Betrieb Technisch-wirtschaftliche Optimierung des Anlageneinsatzes
Quelle: Hochschule RheinMain, Martin Kopp
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0 h 760 h 1 520 h 2 280 h 3 040 h 3 800 h
-6 €/kg
-4 €/kg
-2 €/kg
0 €/kg
2 €/kg
4 €/kg
6 €/kg
0 kg 50 000 kg 100 000 kg 150 000 kg 200 000 kg 250 000 kg
S
tro
mko
ste
np
ro k
g H
2
Wasserstoffproduktion und Betriebsstunden der 4 MWel PtG Anlage p.a.
-Stromkosten pro kg H2 in Abhängigkeit der produzierten Menge p.a.
EPEX 1h Auktion (+70 €/MWh) EPEX 1h-Auktion
neg SRL (inkl. LP +70 €/MWh) neg SRL (inkl. LP)
EE-Bilanzkreisbewirtschaftung (+70 €/MWh) EE-Bilanzkreisbewirtschaftung
Mögliche Wasserstofferlöse
(Chemische Industrie + Erdgasnetzeinspeisung)
Datengrundlage:
PtG Nennlast: 4MW (=65,6 kg);
Daten EPEX SPOT: 2015
SRL: Die Berechnungen basieren
auf den veröffentlichten Daten von
regelleistung.net,
Quelle zulässige
Wasserstoffkosten: [HyUnder
(2014) - Executive-Summary]
Quelle: Hochschule RheinMain
Energiepark Mainz – Erfahrungen aus dem Betrieb Produktionskosten, Optimierung der Strombeschaffung
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Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit!
Weitere Informationen:
www.energiepark-mainz.de
www.forschung-energiespeicher.info
Kontakt:
Mainzer Stadtwerke AG
Rheinallee 41
55118 Mainz
Jonas Aichinger
jonas.aichinger@mainzer-stadtwerke.de
Linde AG
Seitnerstr. 70
82049 Pullach
Christoph Stiller
Christoph.Stiller@Linde.com
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Hintergrund: Elektrolyse-H2 als Energiespeicher und -vektor H2 als Bindeglied zwischen verschiedenen Energiesystemen
H2 kann in industriellem umfang produziert und
gespeichert werden. Weiter ist H2 einfach zu
transportieren und kann somit industriellen
Anwendungen und dem Mobilitätsmarkt zugeführt
werden.
Mehr als 75% der Primärenergie wurde in
Deutschland für Heiz- und Kühlzwecke sowie für
der Mobilität verbraucht.
Elektrolyse-Wasserstoff kann erneuerbare
elektrische Energie für andere Sektoren verfügbar
machen (Energie-Vektor).
Strom, Wärme, Kälte und Mobilität müssen als
Gesamtsystem betrachtet und optimiert werden.
EE-Strom als führende Größe
Quelle: AG Energiebilanzen e.V.
Struktur des Primärenergieverbrauchs in Deutschland
für das Jahr 2013 in Prozent (in Klammern 2012)
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Energiepark Mainz – Erfahrungen aus dem Betrieb Regelung der Beimischung über eine vorgegebene Konzentration
2 % Beimischung
5 % Beimischung
Umstellung der H2-
Konzentration von
2% auf 5 %
H2 Volumenstrom
Erdgas Volumenstrom
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