Power-to -X weChemischeEnergiespeicher · 2016. 6. 20. · 6.Treffend erS eniorexpertenC...

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6.Treffen�der�Seniorexperten�Chemie�– Münster,�19.05.2016Dr.�Steffen�Schirrmeister

thyssenkrupp�Industrial�Solutions�- Process�Technologies

Power-to-XweChemische�Energiespeicher

thyssenkrupp�Industrial�Solutions�- Process�Technologies2 |��14.12.2015�|��Hydrogen�to�Chemical��|��Dr.�Steffen�Schirrmeister

• Motivation

• Wasserstoff

• Synthesegas

• Eigene�Projekte

• Herausforderungen

• Zusammenfassung

H2BZ�Initiative�Hessen

Power-to-XChemische�Energiespeicher

Power-to-X�- MotivationEinführung�regenerativer�Energie�im�Stromsektor

fluktuierend

0% 20% 40% 60%

Anteil�EE�an�der�Elektrizitätserzeugung

Hydro Bio Wind Solar Geothermie

Windleistun

g�/�GW

Stunden

Steigender�Anteil�erneuerbarer�Energien�führt�z.�B.�zu:1. Tageszeitlichen�Schwankungen

2. Saisonalen�Schwankungen

Hoher�SpeicherbedarfMonat

Windleistun

0 100 200 300 400 500 600

thyssenkrupp�Industrial�Solutions�- Process�Technologies4 |��19.05.2015�|��Power-to-X�Chemische�Energiespeicher|��Dr.�Steffen�Schirrmeister

Power-to-X�- MotivationEinführung�regenerativer�Energie�im�Stromsektor

1�– Grundlast

2�– Regelenergie - heute�

3�– Netzausbau - heute

4�– Überstromkapazität�� - heute

5�– Energiespeicherung�

zur�Rückverstromung�� ~2035

6�– Energiespeicherung�und�-transfer� - heute

Source�EON

8760�h/aVerfügbarkeit

thermisch

latenteWärmespeicher

sensibleWärmespeicher

mechanisch

Pumpspeicher

Schwungrad

Druckluft-speicher

elektrochemisch

internerSpeicher

externerSpeicher

Li-Ionen

BleiChemische�Speicher

NiCd Flow-Speicher

supraleitendeSpule

Kondensatoren

elektrisch

Power-to-X�- MotivationPower-to-X�- Energiespeicher

Energie /�MWh

Leistung

/�MW

0,001 0,01 0,1 1 10 100 103 104

1�sec 1�min 1�h

Typische�Entladezeit

Power-to-X�- MotivationNutzung�und�Speicherung�regenerativ�erzeugten�Wasserstoffs

H2-Mobilität

Methanol�

• Mobilität�

• Chemie

Raffinerie

Chemie

Ammoniak

Metallurgie

Elektrische�Energie

Speicher-technologien

Transfer-technologien

CCU Green�

Transport

StrombasierterWasserstoff�

MOFMeH

LOHCTanklager

ErdgasnetzKavernenspeicher

Wasserstoff��•SNG��•

Ulrich�Eberle,�Michael�Felderhoff und�Ferdi�Schüth:�Chemische�und�physikalische�Lösungen�für�die�Speicherung�von�Wasserstoff,�Angew.�Chem.�2009,�121,�6732�– 6757

Georg�Markowz:��Power-to-Hydrogen:�Technologien�zur�Erzeugung�von�Wasserstoff�mit�flexiblem�StromeinsatzVCI/DECHEMA-Workshop�Strombasierter�Wasserstoff,�Frankfurt,�14.�Dezember�2015

• Motivation

• Wasserstoff

• Synthesegas

• Zusammenfassung

• 680.000�Mio.�Nm³�weltweite�Wasserstoffproduktion

• ~�95%�Direktverbrauch

Power-to-X�- WasserstoffHerstellung�und�Verwendung�von�Wasserstoff�- Produktionsmengen

Quelle:�IHS�Chemical�Economics�Handbook�– Hydrogen;�2015�

Wasserstoffherstellung Wasserstoffverbrauch

Power-to-X�- WasserstoffHerstellung�und�Verwendung�von�Wasserstoff

Quelle:�IHS�Chemical�Economics�Handbook�– Hydrogen;�2015�

Bruttostromerzeugung�in�Deutschland�2014,�%

614�Mrd.�kWh 160�Mrd.�kWh

Quelle:�Statistisches�Jahrbuch�2015�

Mio.�m³Mrd.�kWh�

@�4,5�KWh/Nm³GW�

@�4000�hGW�

@�8000�h

32.577 147 37 18

3.449 16 4 2

4.425 20 5 2

25.556 115 29 14

1.204 5 1 1

680 3 1 1

67.891 306 76 38

Energie-bedarf

LeistungElektrolyse

Europa

Power-to-X�- WasserstoffHerstellung�von�Harnstoff�über�Ammoniak

Harnstoffsynthese�auf�Basis�von�Ammoniak�und�CO2 ist�hochgradig�integriert�und�optimiert

H2 +�CO�+�CO2 +�H2O

N2 +�H2 +�CO2

Power-to-X�- WasserstoffMethanol�Herstellung

H2 +��CO2

Methanolsynthese�auf�Basis�von�Synthesegas�ist�hochgradig�integriert�und�optimiert

thyssenkrupp�Industrial�Solutions�- Process�Technologies14 |��19.05.2015�|��Power-to-X�Chemische�Energiespeicher|��Dr.�Steffen�Schirrmeister

Typische�Anlagengrößen

<��100.000�t/a�Kohle,�Off-Gas,�Naphtha��(��100�MWth)�

<��1.000.000�t/a�Kohle,�Off-Gas,�Naphtha��(1.200�MWth)

>��500.000�t/a�Erdgas

>�1.000.000�t/a�Erdgas�- Megamethanol�von�Air�Liquide

>�3.000.000�t/a�Erdgas�- Gigamethanol�von�Air�Liquide

<��65.000�t/a�auf�Basis�Elektrolysewasserstoff�(100�MWel Auslegung)

Power-to-X�- WasserstoffMethanol�Herstellung

Martin�Bertau�et�al�Methanol:�The�Basic�Chemical�and�Energy�Feedstock�of�the�Future:�Asinger's�Vision;�Eigene�Recherchen

• Motivation

• Wasserstoff

• Synthesegas

• Zusammenfassung

Power-to-X�– WasserstoffSynthesegaschemie

Kohle,�Petrolkoks,�Biomasse Schweröl ErdgasNaphtha

ReformierungVergasung

SynthesegasSNGDirektoxidation�

von�Eisen

Strom Wasserstoff Methanol FTKraftstoffe

EthanolAmmoniak

Benzin

Diesel

Naphtha

Formaldehyd

Methylacetat

Essigsäure

Olefine

Kraftstoffe

Ethylen

Harnstoff

Ammonnitrat

Düngemittel

Chemikalien

Salpetersäure

Hydrotreater

Kraftstoff

Brennstoff-zelle

Chemikalien

H2 +�CO�+CO2 +�H2O

Eventuell�H2

zusätzlich

Elektronik

Metallurgie

Power-to-X�– WasserstoffMethanisierung

CO��+��3�H2 � CH4 +��H2O�� ∆rH298K =�−206.2�kJ/mol

CO2 +��4�H2 � CH4 +��2�H2O��∆rH298K =�−165.0�kJ/mol

CO2 als�KohlenstoffquelleSabatier�Reaktion,�Paul�Sabatier�1902

SNG�als�Gas�von�festen�und�flüssigen�Brennstoffen

Speicherung�elektrischer�Energie�in�chemischer�Form

Stoffliche�Nutzung�von�CO2

Power-to-X�– SynthesegasCO2 Quellen

• Anthropogenic�CO2 – emissions�~�30�bn t/a�(30*109 t/a)

• 1.�Energie

− Electrizität

− Wärme

• 2.�Transportsektor

• 3.�Prozesstechnologie (prozessbedingtes CO2�und�energiebasiertes CO2)

− Eisenproduktion

− Zement- und�Klinkerproduction

• 4.�Chemie (prozessbedingtes CO2�und�energiebasiertes CO2)

− Wasserstoffproduction aus Erdgas

− Nebenprodukt chemischer Prozesse (z.B Ethylenoxid)

• 5.�Biotechnologie

− Bioethanolproduktion

− Biogasproduktion

CO2 Emission�percentage�by�production�sector�in�the�world,�source�of�data�IEA.

Power-to-X�– SynthesegasIndustrieller�Verbrauch�von�CO2 – gasförmig

1.Chemische�Verwendung*:

a) Herstellung�von�Harnstoff��– 180�Mio.�t/a��(132�Mio.�t/a�CO2)

b) Herstellung�von�Methanol��– 60�Mio.�t/a�(ca.�4�Mio.�t/a�CO2)

c) Herstellung�von�organischen�Karbonaten�– 0,08�Mio.�t/a�(0,04�Mio.�t/a�CO2)

d) Herstellung�von�Acetylsalicylsäure��– 0,07�Mio.�t/a�(0,03�Mio.l t/a�CO2)

e) Herstellung�von�SNG�(Sabatier�Process)��– Chemische�Energiespeicher�derzeit�als�FuE�Projekte��

->�Problem�für�die�chemischen�Anwendungen�– Hohe�Aktivierungsenergie�erforderlich**

2.Physikalische�Verwendung:�Enhanced�Oil�recovery�– 65�Mio.�t/a

*��TK�IS�Information�and�Study�of�RWTH�and�FZ�Jülich�for�BMWi,�March�2010**��Karsten�Müller,�Liudmila�Mokrushina�and�Wolfgang�Arlt:�Thermodynamic�Constraints�for�the�Utilization�of�CO2 CIT,�Volume�86,�Issue�4,�pages�497–503,�April,�2014

Power-to-X�– SynthesegasVerfügbarkeit�von�CO2 Quellen

Mögliche�CO2�Quellen�(weltweit)

• Kraftwerk��0.7�– 0.8�t�CO2/MWh 12�Mrd.�t/a

• Stahlwerk�� 1.2�– 1.5�t�CO2/t�Stahl 2�Mrd.�t/a

• Zementwerk�� 0.6�– 1.0�t�CO2/t�Zement 2�Mrd.�t/a

• Chemieanlage 3�Mrd.�t/a

• Bioethanolanlagen��1.0�t�CO2/t�Ethanol 60�Mio.�t/a

• Biogasanlagen�(DE)�ca.�7500�Anlagen,�ca.�60%�CH4�

• Grubengas�(DE)

Power-to-X�– SynthesegasQualität�von�CO2 Quellen

Anlagentyp Typische�CO2-Konzentration�im�Abgas

Zementwerk 15-25�%

Eisen- und�Stahlwerk 15-20�%

Ammoniak-Produktion�(Abgas) 8�%

Ammoniak-Produktion�(reines�CO2) 100�%

Raffinerie 3-18�%

H2-Produktion�(Abgas) 8�%

H2-Produktion�(reines�CO2) 100�%

Petrochemische�Anlage 8-13�%

Kraftwerk�(Rauchgas) 3-15�%

Biogas-Anlage�(Schwachgas) 97�%

Ethanolanlage�(Fermenter) 7-8%�(O2+N2)

Ethanolanlage�(Vent.�Gas;�20%) 85%�(Wasser+Ethanol)

Quelle:�Wuppertal-Institut�+�eigene�Angaben

H2 +�CO2

Power-to-X�– SynthesegasWege�der�Synthesegastechnologie

H2 +�CO

„Synthesegas“

WGS�undH2O�Entf.

+�N2

3�H2 +�CO

+�CO2

2�H2 +�CO

+�CO2

2�H2 +�CO

+�CO2

3�H2 +�N2

+�CO2

Sauergas-wäsche

3 H2 + CO

3 H2 + N2

2 H2 + CO

Methanol-Synthese

Fischer-TropschSynthese

Ammoniak-Synthese

Methanisierung

Ammoniak�zurWeiterverarbeitung

CH4 +�H2O

CH3OHKondensation

MTG�Reaktion

C2H4 und�C3H6

CH3-O-CH3

CH3-(CH2)n-CH3�+�n�H2O

CH3-(CH2)n-CH3�+�nH2O

Kraftstoffe�und�Wachse

Kraftstoffe

Ethylen�und�Propylen

WGS�undH2O�Entf.

Sauergas-wäsche

MTOReaktion

Harnstoff

H2NCONH2

4�H2 +�CO2

3�H2 +�CO2

n�H2 +�CO2

?** Simon Schulte-Beerbühl: Herstellung von Ammoniak unter Berücksichtigung fluktuierender Elektrizitätspreise, 2014

+�CO2

H2 +�CO�

• Motivation

• Wasserstoff

• Synthesegas

• Zusammenfassung

Power-to-X�– Eigene�ArbeitenFokus thyssenkrupp Industrial�Solutions

VerbraucherProduktion

+�N2 Ammoniak

+�CO2Methanol

ErneuerbareEnergien

KonventionelleEnergien

Stromnetz

Chemie

GuD-Turbine

Mobilität

Gasnetz

Wasserelektrolyse

Elektrochemische�Energiespeicher�(RFB)

+�CO2Methan

©�KSLight – fotolia.com

©�Nivellen77–fotolia.com

©�andrea lehmkuhl –fotolia.com

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©�mr.nico – fotolia.com

©�visdia – fotolia.com

©�TK�Uhde

Power-to-X�– Eigene�ArbeitenIntegration�in�ein�Kraftwerk– MT�Ole�Buchholz

O.S.�Buchholz, A.G.J.�van�der�Ham, R.�Veneman, D.W.F.�Brilman, S.R.A.�Kersten:�Power-to-Gas:�Storing Surplus�Electrical Energy.�A�Design�Study,�Energy�Procedia,�Volume�63,�2014,�Pages�7993–8009

Power-to-X�– Eigene�ArbeitenSNG�for�Power�Plant�Integration�– Ergebnisse

• Unter�aktuellen�Rahmenbedingungen�(Preise),�kein�wirtschaftliches�Szenario�in�Deutschland

• Einbeziehung�weiterer�Faktoren�in�die�Wirtschaftlichkeitsbetrachtung:�

• CO2 Anrechnung

• Anrechnungen�der�Leistungen�im�Regelenergiemarkt

• Einrechnung�ersparter�Wartungskosten

• Heute�gibt�es�noch�keinen�Markt�für�Stromspeichertechnologien�

Stromerzeugung im

Bedarf

Wasserelektrolyse

und Methanisierung

Braunkohle,

183,1 MW

Wasser

Wärme

50,3 MW

43,7 % 63,2 %

27,48 %

Power-to-X�– Eigene�ArbeitenIntegration�in�ein Kraftwerk – MT�Bastian�Brand

flue gas scrubber

methanolsynthesis

220 - 250°C, 50 - 90 bar

CH3OH max. 20 kt/a

electricity

10% block power

power plant2 x 800 MW

electrolysis

flue gas

ligniteair

H2O+�additive

www.storeandgo.info 28

Horizon 2020 project STORE&GO (I): Key data

Demo sites

Academia

industry +energy suppliers

Scope of the project

− Erection and operation of 3 Power-to-Gas demonstration plants

− Testing of 3 innovative methanation technologies

− Integration in existing energy infrastructure

Project specifications

− 27 partners from 6 countries

− Overall budget 28 M€

− EU contribution 18 M€, SERI (CH) contribution 6 M€

− 4 years duration, from 03/2016

− Coordinated by DVGW

− www.storeandgo.info

Horizon 2020 project STORE&GO (II): Aims

• Achieve operation ≥ 24 months (4.000 h)

• Increase the flexibility in operation of methanation technologies

• Permanently reach gas output with gas grid quality (≥ 90 vol. % methane)

• Reach an overall energy efficiency ≥ 75 %

• Decrease capital costs for industrial scale methanation plants by at least 15 %

• Evaluate and analyse the role of PtG as a flexibility and storage tool

• Derive business models and create policy recommendations

Horizon 2020 project STORE&GO (III): site characteristicsDemonstration site

Falkenhagen/GermanyDemonstration site

Solothurn/SwitzerlandDemonstration site Troia/Italy

Representative region with respect to typical generation of

Rural area in the North East of Germany with high wind power

production and low overall electricity consumption

Municipal area in the Alps region with considerable RES from PV

and hydro production

Rural are in the Mediterranean area with high PV capacities,

considerable wind power production, low overall electricity

consumption

Connection to the electricity grid

Transmission grid Municipal distribution grid Regional distribution grid

Connection to the gas grid Long distance transport grid Municipal distribution grid Regional distribution grid

Plant size (in relation to the el. power input)

1 MW 700 kW 200 kW

Methanation technology to be demonstrated

Isothermal catalytic honeycomb/structured wall

reactorsBiological methanation

Modular milli-structured catalytic methanation reactors

CO2 source Biogas or bioethanol plant Waste water treatment plant CO2 from atmosphere

Heat integration possibilities Veneer mill District heating CO2 enrichment, H2 storage

Existing facilities and infrastructure

2 MW alkaline electrolyser, hydrogen injection plant

350 kW PEM electrolyser, hydrogen injection plant, district

heating, CHP plant

1 MW PEM electrolyser, innovative metal hydride

hydrogen storage

Power-to-X�– Weitere�ArbeitenPilotprojekte

http://www.powertogas.info/

Power-to-X�– Weitere�ArbeitenPilotprojekt�Lünen

Modellanlage�in�Lünen:�Aus�Rauchgas�wird�Methanol�gewonnen,�Ingenieur.de,�29.01.2015

• Motivation

• Wasserstoff

• Synthesegas

• Zusammenfassung

Power-to-X�- HerausforderungenWasserstoffnetze�in�Deutschland

www.chemcoast.de

www.hypos-eastgermany.de

www.brennstoffzelle-nrw.de

Chemcoast-Studie

Methion

• Industrielle�Quelle

• Effiziente�Aufreinigung

• Kompression

CO2 Versorgung

• Wärmeintegration

• Wärme�und�Energieintegration

• Externe�Prozessintegration

• Gesamtwirkungsgrad

Energieintegration

• Auswahl�des�Katalysators

• Reaktordesign

• Reaktionsbedingungen�- p,��T,��x,�τ

Reaction�engineering

• Smart�process�design

• H2 Ausgleichsspeicherung

• Vermeiden�von�process�loops

• Container�oder�Skid Mounted

Prozessentwicklung

StrombasierterWasserstoff

Power-to-X�- HerausforderungenRandbedingungen

CO2 +��3H2 � CH3OH�+�H2O��∆H�=�- 49,5,0�kJ/mol

Mit�100�MW�elektrischer�Anschlussleistung:

Wasserstoff:�16,667�Nm³/h�oder�1,488�kg/h

CO2 :�� 5,512�Nm³/h��or�11,000�Kg/h

Design�der�Anlage:�64.000�t/a

CO2 +��4�H2 � CH4 +��2�H2O��∆H�=�- 165,0�kJ/mol

Mit�100�MW�elektrischer�Anschlussleistung:

Wasserstoff:�16,667�Nm³/h�oder�1,488�kg/h

CO2 :��4,134�Nm³/h��or� 8,185�Kg/h

Design�der�Anlage:��24.000�t/a

MethanolMethanisierung

Smartes�AnlagendesignProcess�design�by scale�down

Power-to-X�- HerausforderungenAnlagendesign

Power-to-X�- HerausforderungenFaktoren�für�Wirtschaftlichkeit

• EEG�Umlagen

• Netzentgelte

• Versteuerung�der�Produkte

• Regelenergie�und�Netzstabilität

• Anerkennung�als�Biokraftstoff

• Verfügbarkeit�der�Energie�und�Rohstoffe��->�Standortwahl

• Prozessintegration

• Strandortintegration

• Systemübergreifende�Integration�

Regulatorischer�RahmenProzesstechnik

Power-to-X�- HerausforderungenParadigmenwechsel�in�der�Chemie�(?)

1. Die�chemische�Industrie�ist�auf�eine�stabile�und�kontinuierliche�Grundversorgung�mit�Energie ausgerichtet

2. Die�chemische�Industrie�ist�auf�eine�stabile�und�kontinuierliche�Grundversorgung�mit�Rohstoffen ausgerichtet

3. Viele�technische�chemische�Prozesse�sind�auf�eine�kontinuierliche�und�konstante�Fahrweise�ausgerichtet,�um�eine�stabile�und�hohe�Qualität zu�gewährleisten�– auch�Batchprozesse�

Kann�sich�die�chemische�Industrie�zukünftig�auf�fluktuierende�Rohstoffe�und�Energie�einstellen?

• Motivation

• Wasserstoff

• Synthesegas

• Zusammenfassung

• Vorreiterrolle�von�Deutschland�im�Bereich�regenerativer�Energie�(vor�allem�Strom)�mit�entsprechender�Gesetzgebung�(EEG,�EnWG)

• Nationale�industrieübergreifende�Verwendung�von�regenerativem�Strom�sollte�zunächst�mit�nationalen�Verrechnungsmodellen�regulativ�verknüpft�werden�

• Übergang�in�den�Exportbereich�mit�regenerativ�erzeugten�Produkten,�z.B.�der�Chemie,�erst�bei�internationalem�Ausbau�regenerativer�Energie�und�angeglichenen�Marktbedingungen

• Einbindung�von�regenerativ�erzeugtem�Wasserstoff�in�die�Wasserstoffnetze�der�chemischen�Industrie�und�Raffinerie�direkt�möglich

• Wirtschaftlichkeit�des�Wasserstoffeinsatzes�hängt�ab�von�Gestehungskosten,�Einsatzbereich�und�Rahmenbedingungen:

− Technologieoptimierung

− Schaffung�rechtlicher�Rahmenbedingungen

− Gesellschaftliche�Einbindung

Die�chemische�Industrie�ist�(noch?)�kein�Stromspeicher�der�Energiewirtschaft,�kann�aber�mit�ihren�Technologien�zum�Gelingen�der�Energiewende�beitragen

Power-to-X�Zusammenfassung

Vielen�Dankfür�

Ihre�Aufmerksamkeit

Hydrogen�to�ChemicalsVerwendung�von�Wasserstoff�in�der�Chemie�– spezifische�Kostenübersicht

Energieträger spezifischer Preis [€/MWh]

heute 2013-2014

Elektrizität 35 40

Natural gas 18 35

Benzin (Super 95) 55 83

Diesel 47 76

Methanol 47 70

Bioethanol 56 89

Formaldehyde 83 165

Essigsäure 125 250

Ethylen 72 111

Propylen 65 110

Ammoniak 71 124

8000 h 4000 h

Regeneratives Methanol 124 190

Entwicklungs-bedarf!

Power-to -X weChemischeEnergiespeicher · 2016. 6. 20. · 6.Treffend erS eniorexpertenC...

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