Entwicklungsstand und Marktbedingungen · Seite 3 HAW - Woche der Energie 2012 © Siemens AG 2012. All rights reserved 84 108 83 120 158 53 62 54 17 2050 21 37 2040 19 57 2030 18

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Power-to-GasEntwicklungsstand undMarktbedingungen

Torsten Seemann Siemens AG, Hamburg


Kein Umweltbewußtsein

19. Jahrhundert

Hohes Umweltbewußtsein

Energiesystem nicht nachhaltig Nachhaltiges EnergiesystemEnergiesystem nicht nachhaltig

Elektrifizierung der Gesellschaft

„Kohlezeitalter“

Elektrische Energie-erzeugung in breitem Stil

„Zeitalter der fossilen Brennstoffe“

Herausforderungen zwingen zum Umdenken: - Klimawandel- Demographischer Wandel - Ressourcenverknappung

Das Neue StromzeitalterStrom wird der Energieträger für die meisten Anwendungen

des täglichen Lebens.

20. Jahrhundert Beginn 21. Jahrhundert 21. Jahrhundert

Erzeugung und Last eng aufeinander abgestimmtStromversorgung auf einzelne

Gebiete oder Stadtteile begrenzt

Erzeugung folgt LastVerbundnetze, zentrale Stromerzeugung nach

„geschätztem“ Verbrauch

Energiesystem im WandelZunehmend dezentrale,

fluktuierende Stromerzeugung durch Erneuerbare Energien

Last folgt ErzeugungIntelligente Netze ermöglichen

hohen Anteil Erneuerbarer Energien z. B. durch E-Cars

und Wärmepumpen

Fossile Energieträger,Wasserkraft

Fossile Energieträger, Wasserkraft,

Kernkraft

Fossile Energieträger, Wasserkraft, Kernkraft,Biomasse, Wind, Solar

Erneuerbare Energieträger, (Solar, Wind, Wasserkraft, Biomasse),

Effiziente GuD KraftwerkeEnergiespeicher

Mit einem Paradigmenwechsel zu einem nachhaltigen Energiesystem


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120158

6253

5417

2050

2137

2040

1957

2030

1872

2020

1780

2010

2717

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

20502045204020352030202520202015201020052000

WindSolarAndere ErneuerbareKonventionellTWh

GW (Wind+Solar)~3 x Peak load

80% Erneuerbare

Max. Last ~ 80GW

GW

Min. Last ~ 35GW

35-40% Erneuerbare


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. PreiseDurchschnittspreis

-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 CO2-optimiertes Szenario

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Die veränderte Energielandschaftstellt die Energiewirtschaft vor Herausforderungen

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

Erzeugungs- und Lastkurven

Ein zukünftiges CO2-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

GWh 2)

1) EnBW (Münch) at BMU Strategy Meeting, 05.09.122) total demand Germany 2011: 615.000 GWh

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 EnergiespeicherungOptionen 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

SuperCapsAlle Daten gemittelt

1 sec

1 d

1 h1 min

Redox-Flow-B

atterie

n

Blei

Li-ion

Na/S

supercaps

pumped

hydro

CAES

Wassers

toff

1 d

Lei

stu

ng

[MW

]

0,1

110

100

1.00

00,

001

0,01

104

Strom [MWh]0,1 1 10 100 1.0000,01 1040,001 105

Einzelne WEA

Windpark

Elektromobiität 1 m

Kernbotschaften:

Segmentierung von großskaliger elektrischen Energiespeichern

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


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

12h10h

NaS

Blei-Säure Akku

8h6h4h2h0h

Flywheel

Wasserstoff+Rückverstromung

Pumpspeicher

Redox Flow Battery

CAES

Investitionskosten[ € / kW ]

Investitionskosten[ € / kWh ]

3000

2000

1000

500050050

Wasserstoff+Rückverstromung

Li-IonAkku

PumpspeicherKraftwerke

Blei-SäureAkku

NaS

Redox-FlowBatteries

CAES

Schwungrad


Energieerzeugung Umwandlung Anwendung

schwankendeErzeugung

PEM-Electrolyseur

CO2

H2

Industrie / Brennstoffzelle

Mobilität / Industrie

Energie(Rück-verstromung)

kleine GT

H2überirdische

H2-Speicherung

(Beimschung, kleineKonzentrationen)

H2 Kavernen-speicherung

H2+ -

O2 H2

H2O

H2

H2-Motor

Gas PipelineH2-Kavernen-speicherung


CH4

DirekteWasserstoffVerwendung

Power to GasPfade

Gasturbine

Mobilität

H2


CH4 + H2

Methanisierung

BiomethanSNG

Industrie /Wärme

Big Picture Wasserstoff:Umwandlung von elektrischen Strom in chemische Energie

PEM Elektrolyseur – zukünftige Schlüsseltechnologie zur Speicherung der EE


Wasserstoffproduktion durch ElektrolyseFallentscheidungen

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

heu

te

technische Anforderungen

• Hohe Effizienz

• Kontinuierlicher Betrieb

• Wasserstoff Mobilität

• Stromspeicherung

mo

rgen

• 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


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

2H20 2H2 + O2

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


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 EffizienzOft werden irreführende Informationen gegeben

60

65

70

75

80

85

90

95

100

0 50 100 150 200 250 300

Leistung in MW

Eff

izie

nz

in %

(b

ezo

gen

au

f H

HV

)

40

45

50

55

60

65

70

75

80

KW

h/k

g(H

2)

Investition

Effizienz (HHV)Strombedarf für H2 Produktion

Nennleistung

Extrapolierte Leistung eines 90 MW Systems

0 10 20 30 40 50

large-scale

batteries

thermal *

[ ct / kWh ]

Speicherungskosten (pro kWhout)

Thermisch

Batterien

Großspeicher

Kernaussagen

ηηηη = Ein/ Eout


eines PEM Elektrolyseur stack´s(Labordurchführung - Ausgangsdruckregler)

PEM Elektrolyseur erlaubt systembedingt einenhohen Ausgangsdruck

Leistungsmerkmale

1

1,5

2

2,5

3

0 1 2 3 4Dichte [ A/cm² ]

Sp

ann

un

g

[ V

]

100 bar50 bar1 bar

Typische Sromdichteeines alkalischen Elektrolyseurs

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

Ein hoher Ausgangsdruck istvorteilhaft weil:

Additive Kompressorstufenverursachen zusätzlichenInvest und gehen zu Lastender Gesamteffizienz

H2-Verdichtungstufen sindkostenintensiv und wartungsbehaftet

Kernaussagen


0%

50%

100%

150%

200%

0 10 20 30 40 50 60 70 80

Betriebsstunden

P s

oll,

P is

t

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

BetriebsstundenP

so

ll-P

is

tPsoll-Pist

PEM Elektrolyseur @ SiemensElektrisches Nachführen eines realen Windprofils

PEM Elektrolyseure sind extrem dynamisch und tolerant in Bezug auf Überlast auch im Hochdruckbetrieb.


• 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 BetriebBereitstellung 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 MWUnterschiede durch variablen Wirkungsgrad

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

Die hohe Dynamik der Siemens PEM-Elektrolyseureerlaubt die Teilnahme an Regelenergiemärkten


PEM electrolyzer @ SiemensSkalierbare Speichertechnologie mit hohen Kapazitäten

Hydrogen: Ermöglicht Umwandlung zwischen elektrischer und chemischer Energie

Excess Energy

Renewable EnergyChemical 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


PEM Elektrolyse @ Siemens100 kW Demonstrator

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

H2 und O2 werden 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-Demonstratorwird bis Ende 2012 an RWE für das BMBF-geförderteProject CO2RRECT* geliefert.

Kernaussagen

*CO2-Reaktion die erneuerbare Energien und katalytische Prozesse nutzt

Erste Einheiten von hochdynamischen Siemens-Elektrolyseuren werden Ende 2012 verfügbar sein.


Roadmap: PEM Elektrolyse Portfolio

Nen

nle

istu

ng

no

min

ale

langfristig( > 5 Jahre)

heute mittelfristig(3-5 Jahre)

Geplanter Zeithorizont

Gen I0,1-0,3 MW

Gen II2-10 MW

Gen III> 90 MW

Ein komplettes Portfolio an PEM-Elektrolyseuren ermöglicht zukünftig die Abdeckung aller Leistungsbereiche


Zusammenfassung: Wasserstoff wirdeine wichtige Rolle in zukünftigen Energieszenarios spielen

CO2-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.


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Kontakt:Torsten Seemann

Siemens AGRegion NordBusiness Development

+49-40-2889 2912

mailto:[email protected]

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