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Wir schaffen Wissen – heute für morgen
11. Februar 2015 PSI, 11. Februar 2015 PSI,
Paul Scherrer Institut
Energy System Integration Platform
T.J. Schildhauer, P. Jansohn, M. Hofer
System-Integration der erneuerbaren Energien
PSI, 11. Februar 2015 Seite 2
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Fluctuating Electricity Biomass
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Co
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Households Other consumption
Heating, Heat Pumps, Transport Industry,
other consumption
Fuels for Transportation
Heat Storage Gas Storage
Hydrogen Storage
Electricity
System
System Flexibility: Low
Need for Flexibility: High
Gas System
Gas Storage
System Flexibility: High
Need for Flexibility: Low
Switzerland
Sys
tem
S
ervi
ces
Energy System Integration Platform: RTTP für 2 SCCER
SCCER Storage: Positive und negative Regelleistung sowie Speicherung
durch Erzeugung/Verstromung von H2 und CH4 (Power-to-Gas-to-Power)
SCCER Biosweet: mehr Biomasse und mehr Arten Biomasse für
Treibstoffproduktion und als flexible positive Regelleistung (Polygeneration)
- Was sind die Bedürfnisse? (Dynamik, Leistung, Kapazität, Speicherdauer?)
- Was ist technisch möglich? (Kombinationen von Prozess-Schritten, bessere
Katalysatoren, Dynamik, Teillastfähigkeit, Wirkungsgrade?)
- Hochskalierung von Labor-Massstab (TRL4/5) zu Pilot-Massstab (TRL 6/7)
- Was kostet es? (Vergleich mit anderen Optionen)
Motivation und Hauptfragen
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Ziele Energy System Integration Platform
Flexibles System zum Ernten, Speichern und
Umwandeln der erneuerbaren Energien
realisieren
Container-basiert, offen für Kooperationen
Durch gemeinsames Experimentieren
Erfahrungen gewinnen, die über das Testen
von Einzelkomponenten hinausgehen
Neue Forschungsfragen ableiten; Input für Systemanalysen liefern
Systemkonzepte im Pilotmassstab (100-200 kW) testen und validieren
Machbarkeit demonstrieren, um industrielle Umsetzung vorzubereiten;
nächster Schritt: 1 MW Demo-Anlage (Industrie im Lead)
Seite 4
Ziele Energy System Integration Platform
Flexible Plattform für Kooperation mit Industrie/KMU (auch als KTI-Projekte),
z.B. F&E oder Testen von Technologien, Komponenten, Materialien, …
Beitrag zu PARK innovAARE (Netzwerkstandort des Schweizer Innovationspark)
Kommunikation mit der Öffentlichkeit; zugänglich für Besuchergruppen
Seite 5
ESI – Platform (Layout)
Seite 6
- Nachfahren verschiedener Profile, Austesten Dynamik und Teillast
H2 und O2 Gasspeicher füllen (PtG-H2, TRL 7)
Seite 7
GanyMeth
Stromnetz
11. Februar 2015 PSI, 11. Februar 2015 PSI,
Elektrizität
H2 (Wasserstoff)
O2 (Sauerstoff)
CO2 (Kohlenstoffdioxid)
Roh SNG (Methan-reich)
Vergaser - Produktgas
- Nachfahren verschiedener Profile, Austesten Dynamik und Teillast
H2 und O2 Gasspeicher füllen (PtG-H2, TRL 7)
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GanyMeth
Stromnetz
11. Februar 2015 PSI, 11. Februar 2015 PSI,
Elektrizität
H2 (Wasserstoff)
O2 (Sauerstoff)
CO2 (Kohlenstoffdioxid)
Roh SNG (Methan-reich)
Vergaser - Produktgas
Siemens PEM-Elektrolyseur 100kW
später andere Technologien Kommerzielle
Technologie
- Nachfahren verschiedener Profile, Austesten Dynamik und Teillast
Elektrolyse-Forschung am PSI
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GanyMeth
Stromnetz
11. Februar 2015 PSI, 11. Februar 2015 PSI,
Elektrizität
H2 (Wasserstoff)
O2 (Sauerstoff)
CO2 (Kohlenstoffdioxid)
Roh SNG (Methan-reich)
Vergaser - Produktgas
- Dynamik Strom-Input vs. Teilsysteme, Regelalgorithmen
- Wirkungsgrad des Gesamt-Elektrolyse-Systems, auch in
Teillast
- Alterungsphänomene, Lebensdauer
ca. 10 MA
Katalysatoren
Membranen
Hochdruck-
Tomographie
Kosten senken
Stabilität verstehen
Wirkungsrad verbessern
- Nachfahren verschiedener Profile, Austesten Dynamik und Teillast
H2 und O2 rückverstromen
Seite 10
GanyMeth
Stromnetz
11. Februar 2015 PSI, 11. Februar 2015 PSI,
Elektrizität
H2 (Wasserstoff)
O2 (Sauerstoff)
CO2 (Kohlenstoffdioxid)
Roh SNG (Methan-reich)
Vergaser - Produktgas
- Nachfahren verschiedener Profile, Austesten Dynamik und Teillast
H2 und O2 rückverstromen
Seite 11
GanyMeth
Stromnetz
11. Februar 2015 PSI, 11. Februar 2015 PSI,
Elektrizität
H2 (Wasserstoff)
O2 (Sauerstoff)
CO2 (Kohlenstoffdioxid)
Roh SNG (Methan-reich)
Vergaser - Produktgas
PSI-Belenos
Technologie
- Nachfahren verschiedener Profile, Austesten Dynamik und Teillast
Brennstoffzellen-Forschung am PSI
Seite 12
GanyMeth
Stromnetz
11. Februar 2015 PSI, 11. Februar 2015 PSI,
Elektrizität
H2 (Wasserstoff)
O2 (Sauerstoff)
CO2 (Kohlenstoffdioxid)
Roh SNG (Methan-reich)
Vergaser - Produktgas
- Dynamik Gas-Input vs. Stromerzeugung, Regelalgorithmen
- Wirkungsgrad des Gesamt-Systems, auch in Teillast
- Alterungsphänomene, Lebensdauer
ca. 30 MA
Katalysatoren
Membranen
Systemtechnik
Diagnostik
Kosten senken
Stabilität und Wirkungsrad verbessern
Systemkonzepte H2/O2
11. Februar 2015 PSI,
- Simulation verschiedener Kombinationen von Vergaser und Gasreinigung
Methanisierung von Vergaser – Produktgas (TRL 7)
11. Februar 2015 PSI, Seite 13
GanyMeth
Elektrizität
H2 (Wasserstoff)
O2 (Sauerstoff)
CO2 (Kohlenstoffdioxid)
Roh SNG (Methan-reich)
Vergaser –
Produktgas Roh SNG
Vergaser - Produktgas
PSI-Wirbelschicht
Methanisierung (160 kW)
- PtG mit verschiedenen CO2-Quellen, Austesten Dynamik und Teillast
Methanisierung von CO2 mit H2 (PtG-CH4, TRL7)
Seite 14
GanyMeth
11. Februar 2015 PSI, 11. Februar 2015 PSI,
Elektrizität
H2 (Wasserstoff)
O2 (Sauerstoff)
CO2 (Kohlenstoffdioxid)
Roh SNG (Methan-reich)
Vergaser - Produktgas
Vergaser –
Produktgas, Biogas Roh SNG
- sim. Industie-CO2, Biogas, Vergasergase plus Wasserstoff
- Dynamik und Teillastfähigkeit Methan-Erzeugung
- Messung Performance, Optimierung Betriebsbedingungen
- Wirkungsgrad, auch in Teillast
- axiale Konzentrationsprofile zur Modellvalidierung
- PtG mit Methan-aus-Holz, Austesten Dynamik und Teillast
Regellast-synchrone Methanisierung von CO2
Seite 15
GanyMeth
11. Februar 2015 PSI, 11. Februar 2015 PSI,
Elektrizität
H2 (Wasserstoff)
O2 (Sauerstoff)
CO2 (Kohlenstoffdioxid)
Roh SNG (Methan-reich)
Vergaser - Produktgas
Vergaser –
Produktgas 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
Methanisierungs-Pilotanlage „GanyMeth“
• 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
Frühling 2015
Reaktor
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Validiertes Reaktormodell unterstützt Scale-up
• Bestimmung der Kinetik im Microreaktor, Einsatz von IR-Spektrosopie
• Messung der Hydrodynamik (z.B. Blasengrössen), des Katalysatorabriebs und des Wärmeübergangs an GanyMeth
• Modellbildung mit Korrelationen und Kinetik
• Messung der Konzentrationsprofile in GanyMeth zur Modellvalidierung Seite 17
Integration in Forschungslandschaft
SCCER biosweet
SCCER storage
Energy system
integration
platform ESI
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Bauantrag: 31.07.2014
Baugenehmigung: 15.10.2014
Errichtung Pilotanlage Methanisierung: April 2015
Errichtung der Plattform: Jan. bis April 2015
Erste Container: ab April 2015
Meilensteine und nächste Schritte
Seite 19
Contact: Dr. P. Jansohn
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Transfer-Plattform für Forschung und Technologien
Flexibles System zum Ernten, Speichern und Umwandeln der erneuerbaren Energien
realisieren
100 kW PEM-Elektrolyse, PEM-Brennstoffzelle, 160 kW Wirbelschicht-Methanisierung
Container-basiert, offen für Kooperationen
Energy System Integration Platform
