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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

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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

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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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Hintergrund: Anstieg der H2-Nachfrage H2-Council Roadmap: Verzehnfachung des H2-Bedarfs bis 2050

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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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14

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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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Energiepark Mainz – Erfahrungen aus dem Betrieb Brennwert und Wobbe-Index bei 10% H2-Einspeisung ins Gasnetz