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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


Elektrolysekennlinie und Potentialverlauf in der Zelle

Quelle: V.M. Schmidt, Elektrochemische Verfahrenstechnik


Elektrolysekennlinie konventionell / fortgeschritten

Quelle: V.M. Schmidt, Elektrochemische Verfahrenstechnik


H2O2 H2O2 H2O2 H2O2 H2O2

Bipolare Anordnung Unipolare Anordnung

Elektr. Reihenschaltung Elektr. Parallelschaltung

Der Elektrolyseur als Schlüsselkomponente

von Power-to-Fuel

Inhalt





• 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

Atmosphärische Elektrolyse (HT)

↑ EV150/52 (Arkema)← EV50/60 (MP)


↑ NEL Hydrogen← Enertrag (Audi Werlte)


Assuan - Elektrolyseanlage

• 36 x 8 Elektrolyseure

• Produktionsrate 40.000 Nm³/h

• Leistung 200 MW

• Düngemittelproduktion

• Inbetriebnahme 1963


von Power-to-Fuel

Inhalt





• 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


von Power-to-Fuel

Inhalt





• 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

Druckbehälter

Zellblock

Druckelektrolyse


Vorteile

• Großanlagen möglich

• Zelle kurzschließbar

• Zellspannungsmessung möglich

Nachteile

• Zellrahmen aus Stahl

• Hohe Shuntströme

• Ungünstige Zellgeometrie Quelle: NEL HMI 2013

Druckelektrolyse


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


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


von Power-to-Fuel

Inhalt





• 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


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





South Carolina

Wasserstoffgestehungskosten (8712 – 6734 - 4356 h/a)





South Carolina

Bei kleineren AnlagenInvest- und Betriebskosten

1:1 oder größer


von Power-to-Fuel

Inhalt





• 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


von Power-to-Fuel





• Kosten

• ecoPtG

Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit

Wasserelektrolyse Hydrotechnik GmbHPfannkuchstr. 576185 [email protected]

http://www.ht-hydrotechnik.de/

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