Wir schaffen Wissen – heute für morgen

Paul Scherrer Institut

“Energy System Integration (ESI)

Platform”

- Research and Technology Transfer Platform for

SCCER HaE 2nd Symposium, May 2015

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System-Integration der erneuerbaren Energien

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Integrated Energy Systems

Steering Committee Meeting (ESI), Okt. 2014

Energy System Integration Platform ESIP (100kW)

Heissgas-

Reinigung Methanisierung Gas-

aufbereitung

Holz-

vergasung

Holz-

aufbereitung

Hydrothermale-

Methanisierung

Biomasse

Verflüssigung

Elektrolyseur Brennstoffzelle

H2 –

Tankstelle

Simulation CC

Zementwerk

O2

CO2

H2 Eel

Photovoltaik-

Anlage

BHKW

Verfügbare Industrieanlage, Anpassungen PSI mit Lieferant

Sauerstoff für Prozesse in

Zementwerk, stickstofffreie

Verbrennung, „Oxyfuel“

Verfügbare Industrieanlage

PEL

PEL

PTh

Dünger Chemische Analysen

Biomasseprozesse

Speicher

BZ-

Fahrzeug

H2

SNG

PTh

O2

Energie-Szenarien,

System-Modellierung,

Technologie-

Assessment, LCA

CO2

Forschung PSI, Team Katalyse

Trockene

Biomasse

Nasse

Biomasse

(industr.)

CO2-Quellen

Power-to-Power

Power-to-Gas

Energy System Integration Platform

Sub-systems to be realized:

(dry) biomass-to-SNG

wet biomass to SNG/synthetic fuels/chemicals

(industrial) CO2 re-use/methane synthesis

power-to-gas/hydrogen/mobility

power-to-power

(cross-cutting activities)

+ Catalysis in energy processes

(synthesis facility, catalyst/support characterization)

+ Process diagnostics

(development & testing of new measurement techniques,

data generation for process validation, test site for external user groups,

measurement campaigns at PSI external/internal sites)

+ Energy scenarios, energy systems modelling,

technology assessment, LCA

Steering Committee Meeting (ESI), Okt. 2014

ESI – Plattform (Layout)

Energy System Integration Platform

a versatile platform for cooperation with industry/SME,

to support development & testing of components in a integrated system environment

and to promote market implementation of technologies & processes

an element in the PARK innovAARE (network location of the Swiss Innovation Park)

a contribution to the communication with the public; accessible for visitor groups

ESI Platform Operation Schemes

22.05.2015 PSI, Seite 15

Operation modes to be realized:

1. Synthetic natural gas (SNG) from wood

2. SNG/synthetic fuels/chemicals from wet biomass

3. methane synthesis from (industrial) CO2 & H2

4. power-to-gas (hydrogen and/or SNG)

5. power-to-power/mobility (via fuel cell systems)

(highly integrated/dynamic modes)

6. Dynamic power-to-gas (hydrogen and/or SNG)

w/o intermediate gas storage

7. frequency control (via electrolysis and fuel cell systems)

Energiespeicherung (negative/positive Regelleistung)

22.05.2015 PSI, Seite 17

Power-to-Power

- Nachfahren verschiedener Profile, Austesten Dynamik und Teillast

H2 und O2 Gasspeicher füllen (PtG-H2, TRL 7)

Seite 18

GanyMeth

Stromnetz

22. Mai 2015 PSI, 22. Mai 2015 PSI,

Elektrizität

H2 (Wasserstoff)

O2 (Sauerstoff)

CO2 (Kohlenstoffdioxid)

Roh SNG (Methan-reich)

Vergaser - Produktgas

- Dynamik der Teilsysteme (Elektrolyseur), Regelalgorithmen

- Wirkungsgrad des Gesamt-(Elektrolyse-)Systems (auch in Teillast)

- Alterungsphänomene, Lebensdauer

- Nachfahren verschiedener Profile, Austesten Dynamik und Teillast

H2 und O2 rückverstromen (TRL 7)

Seite 19

GanyMeth

Stromnetz

22. Mai 2015 PSI, 22. Mai 2015 PSI,

Elektrizität

H2 (Wasserstoff)

O2 (Sauerstoff)

CO2 (Kohlenstoffdioxid)

Roh SNG (Methan-reich)

Vergaser - Produktgas

- Dynamik der Teilsysteme (BZ), Regelalgorithmen

- Wirkungsgrad des Gesamt-(Brennstoffzellen)-Systems

(auch in Teillast)

- Alterungsphänomene, Lebensdauer

Negative Regelleistung

22.05.2015 PSI, Seite 20

Power-to-Gas

- PtG mit verschiedenen CO2-Quellen, Austesten Dynamik und Teillast

Methanisierung von CO2 mit H2 (PtG-CH4, TRL7)

Seite 21

GanyMeth

22. Mai 2015 PSI, 22. Mai 2015 PSI,

Elektrizität

H2 (Wasserstoff)

O2 (Sauerstoff)

CO2 (Kohlenstoffdioxid)

Roh SNG (Methan-reich)

Vergaser - Produktgas

Vergaser –

Produktgas, Biogas Roh SNG

- sim. Industrie-CO2, Biogas, Vergasergase plus Wasserstoff

- Dynamik und Teillastfähigkeit Methan-Erzeugung

- Messung Performance, Optimierung Betriebsbedingungen

- Wirkungsgrad, auch in Teillast

- axiale Konzentrationsprofile zur Modellvalidierung

- PtG mit verschiedenen CO2-Quellen, Austesten Dynamik und Teillast

Regellast-synchrone Methanisierung von CO2

Seite 22

GanyMeth

22. Mai 2015 PSI, 22. Mai 2015 PSI,

Elektrizität

H2 (Wasserstoff)

O2 (Sauerstoff)

CO2 (Kohlenstoffdioxid)

Roh SNG (Methan-reich)

Vergaser - Produktgas

Vergaser –

Produktgas, Biogas Roh SNG

- direkte dynamische Zugabe von Wasserstoff zu simuliertem

Vergasergas ohne Zwischen-H2-Speicher

- Dynamik und Teillastfähigkeit Methan-Erzeugung

- Messung Performance, Optimierung Betriebsbedingungen

- Wirkungsgrad, auch in Teillast

- axiale Konzentrationsprofile zur Modellvalidierung

Stromnetz

Wir schaffen Wissen – heute für morgen

ESIP: Energy Storage using Hydrogen

Electrochemistry Laboratory

Paul Scherrer Institut, CH-5232 Villigen PSI, Switzerland

F. N. Büchi and T.J. Schmidt

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Elektrolyseur Brennstoffzelle

HRS

(«Tankstelle»)

H2

Photovoltaik-

Anlage

PEL (< 4 Rp/kWh)

FC-

Cars

H2

ESIP Hydrogen-Path: Concept

O2

Gasreinigung

Methanation

ca. 100 kW 30 kW

PEM-Technology

≈ 50 bar

dynamic

H2 / O2

humid

Dry & Clean

Gases

Data from PV Array

PSI West

Storage w/o

compression

PEM-Technology

optimized effciency

60 - 70%

PEL

(> 8 Rp/kWh)

H2 (ca. 20 Rp/kWh)

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Elektrolyseur Brennstoffzelle

H2

Photovoltaik-

Anlage

PEL

PEL

H2

ESIP Hydrogen-Path: Realization

O2

Gasreinigung

Methanisierung

100 kW 30 kW

Commercial Technology

later demonstrator own Tech.

Commercial

Technology

PSI-Belenos

Technology commercial

Technology

Wir schaffen Wissen – heute für morgen

Paul Scherrer Institut

ESI-Teil-System “Power-to-Gas“

(in Zusammenarbeit mit "Feste Biomasse / Methanisierung“ )

T.J. Schildhauer, S. Biollaz

Steering Committee Meeting (ESI), Okt. 2014

Stromnetz Erdgasnetz

Windkraft

Solar

Elektrolyse

Methanisierung

H2

CO2 , CH4 aus Biogas-Anlagen (Vergärung)

CH4

Gas-Speicher

Methanisierung: Schlüssel zum Erdgasnetz

Vergasung

Holz und trockene

Abfall-Biomasse CO, CO2 , CH4, C2H4

CO2 reiches Gas (aus Verbrennung, Hochofen,

Zementwerk, Abtrennung aus Luft usw.)

Gasreinigung

H2

Steering Committee Meeting (ESI), Okt. 2014

Aufzunehmende Leistung entscheidet über CO2-Quelle!

Zementwerk

Verbrennung

Holzvergaser

Climeworks

Biogas

→ Dynamische Tests mit simulierten Gasmischungen bzw. mit Elektrolyse (TRL6)

→ Detaillierte Messungen zur Modellvalidierung, Simulationen

→ Wirbelschicht Methanisierung ist robust und flexibel (keine Probleme erwartet)

→ Experimentelle Resultate übertragbar auf Grossanlagen

Technische Optionen: Dynamik, Teillast, Wirkungsgrad?

USP

Power-to-Synthetic Natural Gas/SNG

1 Nm3 CO2 (ca. 2 kg) 4 Nm3 H2 (11.4 kWhth)

1.2 kWh 16.2 kWh

electricity consumption electricity consumption

9.5 kWh SNG (ca. 54% efficiency from electricity to SNG)

1 t CO2 (509 Nm3) and 8.9 MWh electricity result in 4.8 MWh SNG

1000 t CO2 and 8.9 GWh electricity result in 4.8 GWh SNG

600‘000 t CO2 and 5.3 TWh electricity would result in 2.9 TWh SNG

PSI, 14.12.2011 Page 39

Stepwise Fixed Bed Fluidised Bed

+ State of the art (coal-to-SNG)

- Hot spot

- Formation of carbon whiskers if

olefins present in the feed gas

+ Excellent temperature control

+ No formation of carbon whiskers

if BTX & olefins present in feed gas

+ Hydrogenation of olefins

- Attrition resistant

catalyst required

- Scale-up requires

a good process

understanding

& design tools

Process options for methanation

Fluidized bed

syngas

methane-rich

gas

syngas

methane-rich

gas

syngas

raw SNG

syngas

raw SNG

Fuel (2010), 89, 8, 1749-2178, J. Kopyscinski, T. Schildhauer, S. Biollaz

Steering Committee Meeting (ESI), Okt. 2014

Methanisierungs-Pilotanlage „GanyMeth“ (Halle OLHB)

• Hochskalierbare Dimensionen (TRL 6/7): Reaktor-Ø: 21 cm, Betthöhe: bis 2 m, Gesamthöhe 6.50 m

• Druckbereich: 1 bis 12 bara

• Variation der Gas-, Wasser- und Teer- Konzentrationen zur Simulation verschiedener Kombinationen von Vergasern und Gasreinigung

• 21 horizontale und senkrechte Messstutzen

• Zunächst Flaschengas, Verwendung von realen Gasen möglich, sobald verfügbar

• Versuchsträger für dynamische Experimente im Rahmen von Power-to-Gas Projekten: ESI, RENERG2

Lieferdatum:

Mitte 2015

Reaktor

Steering Committee Meeting (ESI), Okt. 2014

Diskussion mit Industrie, Stakeholdern, Wissenschaft, um realistische Szenarien als

Randbedingung für unsere Arbeit zu erhalten

- Kapazität

entscheiden, ob es Methanisierung überhaupt braucht

- Speicherdauer

- Dynamik: Gradient beim Anfahren/Abfahren, Teillast, Zeitdauer der Stromaufnahme

→ Randbedingung für Elektrolysetechnologie, aber auch für Dynamik der H2-Erzeugung, für

Speichergrössen und für Betriebszeit Methanisierung

- Leistung

→ proportional zu CO2-Massenstrom: welche C-Quellen können verwenden werden ?

Energiespeicherbedürfnisse

Rolle und Funktion der ESI

Seite 68

ESI ist eine Orientierungsplattform, die als «Leading Hub» für

Innovationen im Bereich Speicherung und flexible Energieeinspeisung fungiert

In ESI konvergieren relevante Stakeholders der Industrie zum PSI

Gemeinsames Verständnis

ESI als strategische Drehscheibe für Analyse, Assessment, Demonstration und

Entwicklung von Systemen & Technologien; für die Initiierung von

Forschungskooperationen; für Validierung und Realisierung von Business Cases

Systemintegration als «Schlüssel» für nachhaltige Energieversorgung

Mit ESI

- bietet das PSI (verstärkt durch die SCCER’s einen Mehrwert an die Industrie-

Stakeholders und erfährt ihre Bedürfnisse und Erwartungen, umgekehrt

- kann das PSI Akzente industrieller Relevanz in der Forschung setzen

- nehmen die Stakeholders die Relevanz der PSI Energieforschung wahr

und das PSI gewinnt an Image und Reputation (auch in Bern)

- Schaffung von Drittmitteln

ESI: mögliche Weiterentwicklung

Seite 69

Bo

tto

m U

p

ESI-1 : 100 kW – Massstab

ESI-2 : > 1 MW - Massstab

Zu behandelnde Themenbereiche:

«Power to SNGas /to other Chemical Energy Carriers», (Saisonalspeicherung / Langstreckentransport)

«Power to H2 for Mobility» (H2-Erzeugung und Verteilungs-Infrastruktur)

«Power to Power» (Speicherung auf allen Zeitskalen / Peak-Glättung / Schwarzstart / UPS)

Workshop mit Trägerschaft (Anfang Juni 2015)

PSI, 22. Mai 2015 Seite 70