Der Elektrolyseur als Schlüsselkomponente von

Power-to-Fuel

Inhalt

• Übersicht und Grundlagen

• Atmosphärische Elektrolyse

• Wasserstoffanlagen

• Druckelektrolyse

• Kosten

• ecoPtG

Definition

Power to X

Power toHeat

Power toFuel

Power toH2

Power toGas

Power toLiquids

Schlüsselkomponente Elektrolyse

Wirkungsgrade

Quelle: VNG Gasspeicher

Vergleich Elektrolyseverfahren

Elektrolyse-verfahren

Alkalische Elektrolyse

Atmosphärische Elektrolyse

Druckelektrolyse

Saure Elektrolyse

Membran-elektrolyse

Hochtemperatur-Elektrolyse

Vergleich Elektrolyseverfahren

AETAET

advancedPEM HTET

Temperatur °C 80 90-120 120 900

Druck bar 1-15 30+ 30+ 20

El. Energie (DC) kWh/Nm³ 4,6 4,0 4,0 2,6

HT-Wärme kWh/Nm³ - - - 0,5

Primärenergie kWh/Nm³ 12,8 11,1 11,1 8,6

ηel= 36%, ηErdgas= 90%, H2: 3 kWh/Nm³

Funktionsprinzip (AET)

Kathode: 2 H2O + 2e- → H2 + 2 OH-

Anode: 2 OH- → ½ O2 + H2O + 2 e-

Gesamt: 2 H2O → H2 + ½ O2

Grundlagen Elektrolyse

Heizwert Wasserstoff (LHV): 3,0 kWh/Nm³ ULHV = 1,25 VBrennwert Wasserstoff (HHV): 3,55 kWh/Nm³ UHHV = 1,48 VReversibles Potential: E0 = 1,23 VThermoneutrale Spannung: Uth = 1,49 VFaraday: 2393 Ah/Nm³ H2/nz

Spannungswirkungsgrad : ηV = ULHV / UZ bzw. UHHV / UZ

Stromwirkungsgrad : ηI = IH2/ IGesamt (Shuntströme)

Gesamtwirkungsgrad: ηG = ηV x ηI

Alle Angaben bei NPT

Grundlagen Elektrolyse

Elektrolysekennlinie und Potentialverlauf in der Zelle

Quelle: V.M. Schmidt, Elektrochemische Verfahrenstechnik

Grundlagen Elektrolyse

Elektrolysekennlinie konventionell / fortgeschritten

Quelle: V.M. Schmidt, Elektrochemische Verfahrenstechnik

Grundlagen Elektrolyse

H2O2 H2O2 H2O2 H2O2 H2O2

Bipolare Anordnung Unipolare Anordnung

Elektr. Reihenschaltung Elektr. Parallelschaltung

Der Elektrolyseur als Schlüsselkomponente

von Power-to-Fuel

Inhalt

• Übersicht und Grundlagen

• Atmosphärische Elektrolyse

• Wasserstoffanlagen

• Druckelektrolyse

• Energiespeicher

Zellenaufbau

Zellenaufbau / Senkrechter Schnitt durch den H2-Gaskanal

Blockaufbau

O2-Dichtungsrahmen

Distanzrahmen

Distanzrahmen

Diaphragma mit Dichtungsrahmen

H2-Dichtungsrahmen

Endelektrode (-)

Enddichtung (-)

Spannkasten (-)

Spannkasten (+) mit Gasabgang

Enddichtung (-)

Endelektrode (-)

O2-Dichtungsrahmen

Distanzrahmen

Distanzrahmen

Diaphragma mit Dichtungsrahmen

H2-Dichtungsrahmen

Distanzrahmen

Aufbau eines Elektrolyseurs

Aufbau eines Elektrolyseurs

Aufbau eines Elektrolyseurs

Aufbau eines Elektrolyseurs

Aufbau eines Elektrolyseurs

Aufbau eines Elektrolyseurs

Aufbau eines Elektrolyseurs

Aufbau eines Elektrolyseurs

Aufbau eines Elektrolyseurs

Aufbau eines Elektrolyseurs

Aufbau eines Elektrolyseurs

Atmosphärische Elektrolyse (HT)

↑ EV150/52 (Arkema)← EV50/60 (MP)

Atmosphärische Elektrolyse

↑ NEL Hydrogen← Enertrag (Audi Werlte)

Atmosphärische Elektrolyse

Assuan - Elektrolyseanlage

• 36 x 8 Elektrolyseure

• Produktionsrate 40.000 Nm³/h

• Leistung 200 MW

• Düngemittelproduktion

• Inbetriebnahme 1963

Der Elektrolyseur als Schlüsselkomponente

von Power-to-Fuel

Inhalt

• Übersicht und Grundlagen

• Atmosphärische Elektrolyse

• Wasserstoffanlagen

• Druckelektrolyse

• Kosten

• ecoPtGQuelle: Audi/Etogas

Wasserstoffproduktionsanlage

Kühlung

H2-KompressorH2-Zwischen-

speicher

Steuerung

H2-Speicherung

O2

H2

Elektrolyseur

Atmosphäre

H2O (demin.)

Rohwasser

Speisewasser-

versorgung

Transformator/

Gleichrichter

H2-Reinigung/

Trocknung

KühlungKühlung

1,02 bar

Gaswäscher

KOH-

Management

KOH

Abwasser

Analytik

Kühlung

Aufbau einer Wasserstoffproduktionsanlage

Aufbau einer Wasserstoffproduktionsanlage

Aufbau einer Wasserstoffproduktionsanlage

Aufbau einer Wasserstoffproduktionsanlage

Aufbau einer Wasserstoffproduktionsanlage

Aufbau einer Wasserstoffproduktionsanlage

Aufbau einer Wasserstoffproduktionsanlage

Aufbau einer Wasserstoffproduktionsanlage

Aufbau einer Wasserstoffproduktionsanlage

Aufbau einer Wasserstoffproduktionsanlage

Aufbau einer Wasserstoffproduktionsanlage

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• Atmosphärische Elektrolyse

• Wasserstoffanlagen

• Druckelektrolyse

• Kosten

• ecoPtG

Druckelektrolyse

• Druck- / Niveauregelung oder

Druck- / Differenzdruckregelung

• Anfahren (p < pS)

• Druckabbau

• Wassernachspeisung

• Temperaturregelung

O2 H 2

O2 H 2

Fall 2: p < p ; h > 0O2 soll

h

Elektrolysesteuerung/Regelkreise

Druckregelung

Elektrolysesteuerung/Regelkreise

Niveau-/Differenzdruckregelung

Druckelektrolyse

Bauarten

Autoklav

• Zellrahmen in einem Druckbehälter

• Beständigkeit gegen T und Medium

Druckfeste Zellrahmen

• Zellrahmen als Druckbehälter

• Beständigkeit gegen p, T und

Medium

Quelle: ICS

Druckelektrolyse

Autoklav

Vorteile

• Zellrahmen aus Kunststoff möglich

• Geringere Shuntströme

• Kompakte Zelle

Nachteile

• In der Größe/Leistung begrenzt

• Schlechte Zugänglichkeit

• Schlechte DiagnosemöglichkeitQuelle: dpa

Druckelektrolyse

Autoklav

Ausgeführte Anlagen

• FZ Jülich

120 bar / 5 kW

• Uni Cottbus / Enertrag

60 bar / 30 Nm³/h

• Linde / GHW / MTU

30 bar /100 kW

• FHW / vH-S / HT

30 bar / 0,4 Nm³/h / 2 kW

Druckelektrolyse

Zellaufbau

Druckelektrolyse

Zellblock

Druckelektrolyse

Zellblock

Druckelektrolyse

Zellblock

Druckelektrolyse

Druckbehälter

Zellblock

Druckelektrolyse

Druckfeste Zellrahmen

Vorteile

• Großanlagen möglich

• Zelle kurzschließbar

• Zellspannungsmessung möglich

Nachteile

• Zellrahmen aus Stahl

• Hohe Shuntströme

• Ungünstige Zellgeometrie Quelle: NEL HMI 2013

Druckelektrolyse

Druckfeste Zellrahmen

Ausgeführte Anlagen

• Lurgi/IHT

30 bar / 760 Nm³/h / 3,4 MW

• PERIC

• 15/30 bar / 600 Nm³/h / 2,8 MW

• AccaGen

40 bar / 60 Nm³/h

• NEL/ Statoil

15 bar / 60 Nm³/h Quelle: IHT

Druckelektrolyse

Vorteile

• Kompakte Bauweise

• Geringere Verdichterleistung

• Größeres Entwicklungspotential

Nachteile

• Ex-Zone erforderlich

• Geringerer Lastbereich

• Höherer Wartungsaufwand

• Mehraufwand MSR

Atmosphärische Elektrolyse

Vorteile

• Einfach, robust, zuverlässig

• Keine bewegten Teile

• Keine Ex-Zone erforderlich

• Großer Lastbereich <20 – 100%

• Einfache Steuerung

• Lange Lebensdauer

Nachteile

• Erhöhter Platzbedarf

• Höherer Zellenwiderstand

• Zusätzliche Verdichterleistung

• Mehraufwand Gastrocknung

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• Druckelektrolyse

• Kosten

• ecoPtG

Wasserstoffgestehungskosten (300 Nm³/h)

Quelle: IJHE 40 (2015)

M. Felgenhauer, T. Hamacher: State-of-the-art of commercial

electrolyzers and on-site hydrogen generation for logistic

vehicles in South Carolina

Annahmen:Betriebszeit 15 a8712 Volllaststunden/aWasserstoff 5.0Stackaustausch 6/11 a 1)

Strom: 6,86 $ct (2015) – 7,42 $ct (2029)Wasser/Abwasser: 1.11 – 1,39 $ctDegradation 0,5 – 2,5%/a 1)

1) Nach Herstellerangabe

Betriebskosten dominieren

Wasserstoffgestehungskosten

Quelle: IJHE 40 (2015)

M. Felgenhauer, T. Hamacher: State-of-the-art

of commercial electrolyzers and on-site

hydrogen generation for logistic vehicles in

South Carolina

Anlagen- vs Betriebs-/Wartungskosten

Quelle: IJHE 40 (2015)

M. Felgenhauer, T. Hamacher: State-of-the-art

of commercial electrolyzers and on-site

hydrogen generation for logistic vehicles in

South Carolina

Wasserstoffgestehungskosten (8712 – 6734 - 4356 h/a)

Quelle: IJHE 40 (2015)

M. Felgenhauer, T. Hamacher: State-of-the-art

of commercial electrolyzers and on-site

hydrogen generation for logistic vehicles in

South Carolina

Bei kleineren AnlagenInvest- und Betriebskosten

1:1 oder größer

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• Atmosphärische Elektrolyse

• Wasserstoffanlagen

• Druckelektrolyse

• Kosten

• ecoPtG

„Entwicklung eines modularen Low-Cost-Elektrolysesystems der

100 kW-Klasse unter Nutzung von Skaleneffekten bei Komponenten

aus der Automobilindustrie“

• Einfaches Konzept

• Modulares Design (Container)

• Vereinfachte Fertigungsverfahren

• Günstige Materialien

• Optimierung Materialeinsatz

• Geringer spez. Energieverbrauch

Ziele und Eckdaten

• Atmosphärischer alkalischer Elektrolyseur

• Nennleistung 100 kW LHV H2

• Kosten < 1000 €/kW LHV H2

• Wirkungsgrad 65 – 85%

• Lebensdauer 20 a

• Vollständige Eigenentwicklung

• Anwendungen H2-Tankstellen u.

Off-Grid Energiesysteme

Innovation/Einsparungspotentiale

• Leistungselektronik

• Steuergerät

• Sensorik

• Verfahrenstechnische

Komponenten

• Zellrahmen aus Kunststoff

(Spritzguss)

• Galvanische Aktivierung

Reduktion des spez. Energieverbrauchs

• Effiziente Leistungselektronik

• Diaphragmen mit geringen spez. Widerstand

• Nullabstandanordnung

• Elektrodenaktivierung

• Naturumlaufbetrieb

Reduktion des spez. Energieverbrauchs

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• Atmosphärische Elektrolyse

• Wasserstoffanlagen

• Druckelektrolyse

• Kosten

• ecoPtG

Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit

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