Power-to-Gas Entwicklungsstand und Marktbedingungen - Torsten Seemann Siemens AG, Hamburg
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Power-to-Gas
Entwicklungsstand und
Marktbedingungen
Torsten Seemann
Siemens AG, Hamburg
Seite 1 HAW - Woche der Energie 2012 © Siemens AG 2012. All rights reservedMit einem Paradigmenwechsel zu einem
nachhaltigen Energiesystem
19. Jahrhundert 20. Jahrhundert Beginn 21. Jahrhundert 21. Jahrhundert
Elektrifizierung Elektrische Energie- Herausforderungen Das Neue Stromzeitalter
der Gesellschaft erzeugung in breitem Stil zwingen zum Umdenken: Strom wird der Energieträger
- Klimawandel für die meisten Anwendungen
„Kohlezeitalter“ „Zeitalter der fossilen Brennstoffe“ - Demographischer Wandel des täglichen Lebens.
- Ressourcenverknappung
Energiesystem nicht nachhaltig Energiesystem nicht nachhaltig Nachhaltiges Energiesystem
Erzeugung und Last eng Erzeugung folgt Last Energiesystem im Wandel Last folgt Erzeugung
aufeinander abgestimmt Verbundnetze, zentrale Zunehmend dezentrale, Intelligente Netze ermöglichen
Stromversorgung auf einzelne Stromerzeugung nach fluktuierende Stromerzeugung hohen Anteil Erneuerbarer
Gebiete oder Stadtteile begrenzt „geschätztem“ Verbrauch durch Erneuerbare Energien Energien z. B. durch E-Cars
und Wärmepumpen
Fossile Energieträger, Fossile Energieträger, Fossile Energieträger, Erneuerbare Energieträger,
Wasserkraft Wasserkraft, Wasserkraft, Kernkraft, (Solar, Wind, Wasserkraft, Biomasse),
Kernkraft Biomasse, Wind, Solar Effiziente GuD Kraftwerke
Energiespeicher
Kein Umweltbewußtsein Hohes Umweltbewußtsein
Seite 2 HAW - Woche der Energie 2012 © Siemens AG 2012. All rights reservedFür einen hohen Anteil fluktuierender Energie-
erzeugung sind großskalige Langzeitspeicher notwendig
Beitrag der erneuerbaren Energien an der Stromversorgung in Deutschland
TWh
Konventionell Andere Erneuerbare Solar Wind
800
600
400
80%
200 35-40% Erneuerbare
Erneuerbare
0
2000 2005 2010 2015 2020 2025 2030 2035 2040 2045 2050
GW 37
Max. Last 21
57
~ 80GW GW (Wind+Solar)
Min. Last 72 19
158 ~3 x Peak load
~ 35GW 80 18 120
105 17 83
105 54
17 84 108
17 53 62
6 11 27
2000 2010 2020 2030 2040 2050
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
Seite 3 HAW - Woche der Energie 2012 © Siemens AG 2012. All rights reservedTreibende Faktoren für die Energiespeicherung:
Langsamer Netzausbau und keine
Framework
abrufbare Verfügbarkeit Erneuerbarer Energien
Treibende Faktoren
Preise MWh [€]
900
600
300
Netzausbau
Erneuerbare Energien 0
– Schneller Ausbau 05 06 07 08 09
– Unberechenbarer -300 Weitere Anforderungen:
Charakter
– Nachhaltigkeit
10% - 90% Prozent
-600
min./max. Preise
– Abrufbare Verfügbarkeit
Durchschnittspreis – Höchstmögliche CO2-
Reduktion
Sprunghafte Preise im Energiemarkt
durch starke Fluktuationen
Energiespeicherung ist der Schlüssel für eine CO2-optimiertes Szenario
Seite 4 HAW - Woche der Energie 2012 © Siemens AG 2012. All rights reservedDie veränderte Energielandschaft
stellt die Energiewirtschaft vor Herausforderungen
Erzeugungs- und Lastkurven Erzeugungsabregelung
GWh 2)
30.000 27.710
25.000
20.000
15.000
10.000
5.000
1.861
127
0
2010 2015 2020
1) EnBW (Münch) at BMU Strategy Meeting, 05.09.12
2) total demand Germany 2011: 615.000 GWh
Source: TU Berlin, Prof. Erdmann, extrapolated for the year 2020
Ein zukünftiges CO2-optimiertes Energieszenario erfordert smarte Lösungen
Seite 5 HAW - Woche der Energie 2012 © Siemens AG 2012. All rights reserved„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“ Seite 6 HAW - Woche der Energie 2012 © Siemens AG 2012. All rights reserved
Großskalige Energiespeicherung
Optionen zum „Netzspeicher“ sind begrenzt
Segmentierung von großskaliger elektrischen Energiespeichern
1 sec 1 min 1h
Kernbotschaften:
10 100 1.000 104
Batteriespeicher-
Windpark 1d
d
Applikationen sind auf
pe o 1d
m r den Stundenbereich
Einzelne WEA pu hyd
begrenzt
Leistung [MW]
Elektromobiität ff
1m
o
st Stromspeicher >100
ES ser
CA a s MW(h) können nur
W
ps /S rie
n durch Pumpspeicher,
rca Na t t e
pe Ba komprimierte Luft
1
su -
ow (CAES) oder Wasser -
- Fl
0,001 0,01 0,1
n ox
- io d stoff realisiert werden
Li Re
Das Potential Pump-
ei
SuperCaps
Bl
Alle Daten gemittelt
speicher auszubauen ist
sehr begrenzt
0,001 0,01 0,1 1 10 100 1.000 104 105 CAES ist eingeschränkt
Strom [MWh] in Bezug auf betriebliche
Flexibilität und Kapazität
Wasserstoff ist die einzige Option, um Stromspeicher > 10 GWh zu realisieren
Seite 7 HAW - Woche der Energie 2012 © Siemens AG 2012. All rights reservedDer Wirkungsgrad ist nur ein Kriterium, um
Speichertechnologien zu vergleichen
Investitionskosten
Wirkungsgrad
[ € / kW ]
100%
95% Li-Ion 3000
Wasserstoff+ NaS
90% Flywheel Blei-Säure Akku Rückverstromung
85% Pumpspeicher
80%
Redox-Flow
75% NaS Batteries
2000
70% Redox Flow Battery Pumpspeicher
Kraftwerke
65%
60%
55% CAES
50% 1000 CAES
45% Electrochemisch
Blei-Säure Li-Ion Schwungrad
40% Mechanisch Wasserstoff+ Akku Akku
35% Chemisch Rückverstromung
30%
50 500 5000
0h 2h 4h 6h 8h 10h 12h Wochen Monate
Investitionskosten
Speicherzeit
[ € / kWh ]
Quellen: EPRI, Dec 2010, Prognos 2011, ESA, BCG, Sandia
Seite 8 HAW - Woche der Energie 2012 © Siemens AG 2012. All rights reservedBig Picture Wasserstoff:
Umwandlung von elektrischen Strom in chemische Energie
Energieerzeugung Umwandlung Anwendung
H2
Mobilität /
Direkte Industrie
H2
Wasserstoff überirdische
Industrie / Brennstoffzelle
Verwendung H2-Speicherung
Energie
H2
(Rück-
verstromung)
H2-Motor
O2 H2
H2 Kavernen- H2 Energie
+ - H2 speicherung (Rück-
verstromung)
kleine GT
H2O (Beimschung, kleine
Konzentrationen)
CH4 + H2 Energie
PEM-Electrolyseur
(Rück-
schwankende Gasturbine verstromung)
Erzeugung
CO
H2-Kavernen-
2
Gas Pipeline
speicherung
Mobilität
CH4
Power to Gas Industrie /
SNG Biomethan Wärme
Pfade Methanisierung
PEM Elektrolyseur – zukünftige
Seite 9
Schlüsseltechnologie
HAW - Woche der Energie 2012 zur Speicherung der EE
© Siemens AG 2012. All rights reservedWasserstoffproduktion durch Elektrolyse
Fallentscheidungen
Anwendungsgebiete technische Anforderungen
• Erzeugung von H2 / O2 mit sehr
hoher Reinheit (≥ 5.0) • Hohe Effizienz
heute
• Anwendung in entlegenen • Kontinuierlicher Betrieb
Regionen (bei denen H2-
Antransport unwirtschaftlich ist)
• Produktion in Regionen in mit
Johann Wilhelm Ritter, geringen Elektrizitätskosten
1800
• Wasserstoff Mobilität • Grüne Erzeugung
morgen
• Stromspeicherung • Hohe Dynamik
• On/Off-Betrieb
• Hochdruckbetrieb
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
Seite 10 HAW - Woche der Energie 2012 © Siemens AG 2012. All rights reservedWasserelektrolyse
Prinzip und Grundlage
Alkalische Technologie Hauptmerkmale: PEM* Technologie:
2H20 2H2 + O2 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 * Polymer Elektrolydt Membran
Proton Exchange Membram
Eigenschaften:
- Ionenleiter (H+)
- Elektrischer Isolator
- Gasdichter Separator
Die PEM Technologie benutzt eine robuste Polymermembran als Elektrolyt
Seite 11 HAW - Woche der Energie 2012 © Siemens AG 2012. All rights reservedDie Rolle der Effizienz
Oft werden irreführende Informationen gegeben
Extrapolierte Leistung eines 90 MW Systems Kernaussagen
100 80
Effizienz bezieht sich auf
95 75
konkreten Betriebspunkt
Effizienz (HHV)
Effizienz in % (bezogen auf HHV)
90
Strombedarf für
70 oder –Zyklus
85 H2 Produktion 65
Effizienzdaten ohne oben
KWh/kg(H2)
80
Nennleistung
60 aufgeführte Zuordnung
75 55 sagen nichts aus
70 50 Lebenszykluskosten sind
65 45 ein Schlüsselindikator um
60 40
die wirtschaftlichste
0 50 100 150 200 250 300 Speichertechnologie zu
Leistung in MW
identifizieren
Investition
Thermisch
thermal *
“Effizienz” ist durch die
Batterien
batteries Gleichung beschrieben
Großspeicher
large-scale
η = Ein/ Eout
Speicherungskosten (pro kWhout) 0 10 20 30 40 50
[ ct / kWh ]
Seite 12 HAW - Woche der Energie 2012 © Siemens AG 2012. All rights reservedPEM Elektrolyseur erlaubt systembedingt einen
hohen Ausgangsdruck
Leistungsmerkmale Kernaussagen
eines PEM Elektrolyseur stack´s Ein hoher Ausgangsdruck ist
(Labordurchführung - Ausgangsdruckregler) vorteilhaft weil:
3
Additive Kompressorstufen
2,5
verursachen zusätzlichen
Spannung [ V ]
100 bar Invest und gehen zu Lasten
2 50 bar
1 bar
der Gesamteffizienz
1,5
H2-Verdichtungstufen sind
kostenintensiv und
1
0 1 2 3 4
wartungsbehaftet
Dichte [ A/cm² ]
Typische Sromdichte
eines alkalischen Elektrolyseurs
PEM Elektrolyseure können mit Hochdruck betrieben werden. Es wird keine
zusätzliche Energie zur Druckerhöhung benötigt.
Seite 13 HAW - Woche der Energie 2012 © Siemens AG 2012. All rights reservedPEM Elektrolyseur @ Siemens
Elektrisches Nachführen eines realen Windprofils
Versuchsergebnisse eines Siemens PEM Elektrolyseblocks, der einem realen Windprofil folgt
20,0%
15,0%
200% 10,0%
ist
5,0%
P soll-P
0,0%
-5,0%
150%
-10,0%
-15,0%
ist
-20,0%
0 10 20 30 40 50 60 70 80
P
Psoll-Pist Betriebsstunden
100%
soll ,
P
50%
0%
0 10 20 30 40 50 60 70 80
Psoll Pist
Betriebsstunden
PEM Elektrolyseure sind extrem dynamisch und tolerant in Bezug auf Überlast
auch im Hochdruckbetrieb.
Seite 14 Prozentuale Angaben bezogen auf Nennleistung HAW - Woche der Energie 2012 © Siemens AG 2012. All rights reservedDie hohe Dynamik der Siemens PEM-Elektrolyseure
erlaubt die Teilnahme an Regelenergiemärkten
• 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)
Bezogen auf 1 MW
Power in % Unterschiede durch variablen Wirkungsgrad
Bereitstellung von Bereitstellung von
Normaler Betrieb negativer Regelenergie Positiver Regelenergie
(Aufnahme) (Abgabe)
300% 13 kg H2/MW
negative Regellast:
200 %
200% 15 kg H2/MW
100% 18 kg H2/MW
positive Regellast:
1 MW
Der Siemens PEM Elektrolyseur kann aufgrund seiner Dynamik sowohl
sekundäre als auch primäre Regelenergie bereitstellen
Seite 15 HAW - Woche der Energie 2012 © Siemens AG 2012. All rights reservedPEM electrolyzer @ Siemens
Skalierbare Speichertechnologie mit hohen Kapazitäten
Hydrogen: Ermöglicht Umwandlung zwischen elektrischer und chemischer Energie
Excess Energy
Chemical Energy
Renewable Energy
PEM Electrolyzer Technology Siemens Expertise
■ Robuste Polymer Membran als Electrolyt ■ PEM Electrolyseur-Entwicklung 1998
■ Extreme dynamische Eigenschaften gestartet.
■ Hoher Regelbereich 0-300% (Hochdruck) ■ Referenzliste in Electrolyseur Technologie:
- Fortlaufender Laborbetrieb > 40.000 Std.
■ Überlastbetrieb (2-fach Dauerlast) - 10y Felderfahrung (prototype)
- 100 bar Prototyp
■ Hochdruckbetrieb ohne Effizienzverluste
- 40 Jahre Elektroden Know-How
■ Dynamik erlaubt Betrieb im
Regelenergiemarkt (Sekündär und Primär) ■ Komplettlösungen aus einer Hand:
- Hochstromgleichrichter (up to 70.000 A)
■ Reiner Wasserbetrieb – keine Lauge - Transformatoren
■ Kaltstartfähigkeit – on/off Betrieb - Automatisierungskomponenten
- Netzkomponenten
■ Keine Spülung und Vorheizbetrieb - Gas Turbinen
Seite 16 HAW - Woche der Energie 2012 © Siemens AG 2012. All rights reservedPEM Elektrolyse @ Siemens
100 kW Demonstrator
Kernaussagen
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-Demonstrator
wird bis Ende 2012 an RWE
für das BMBF-geförderte
Project CO2RRECT* geliefert.
*CO2-Reaktion die erneuerbare Energien
und katalytische Prozesse nutzt
Erste Einheiten von hochdynamischen Siemens-Elektrolyseuren werden Ende
2012 verfügbar sein.
Seite 17 HAW - Woche der Energie 2012 © Siemens AG 2012. All rights reservedEin komplettes Portfolio an PEM-Elektrolyseuren
ermöglicht zukünftig die Abdeckung aller
Leistungsbereiche
Roadmap: PEM Elektrolyse Portfolio
Nennleistungnominale
Gen III
Gen II
> 90 MW
2-10 MW
Gen I
0,1-0,3 MW
heute mittelfristig langfristig
(3-5 Jahre) ( > 5 Jahre)
Geplanter Zeithorizont
Seite 18 HAW - Woche der Energie 2012 © Siemens AG 2012. All rights reservedZusammenfassung: Wasserstoff wird
eine 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.
Seite 19 HAW - Woche der Energie 2012 © Siemens AG 2012. All rights reservedKontakt:
Torsten Seemann
Siemens AG
Region Nord
Business Development
+49-40-2889 2912
mailto:torsten.seemann@siemens.com
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