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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Inhalt
• Übersicht und Grundlagen
• 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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• Wasserstoffanlagen
• 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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• 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
Der Elektrolyseur als Schlüsselkomponente
von Power-to-Fuel
• Übersicht und Grundlagen
• Atmosphärische Elektrolyse
• Wasserstoffanlagen
• Druckelektrolyse
• Kosten
• ecoPtG
Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit
Wasserelektrolyse Hydrotechnik GmbHPfannkuchstr. 576185 [email protected]
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