Stromerzeugung aus der Koppelung von Wind und Brennstoffzellen
Werbung
Stromerzeugung aus der Koppelung von Wind und Brennstoffzellen Vortragsreihe neue Entwicklungen auf den Energiemärkten Sonia Acosta Ramírez Einleitung Die erneuerbaren Energien können dazu beitragen, Ressourcen zu schonen und CO2 -Emissionen zu reduzieren. Oftmals sind sie aber abhängig von den Wetterbedingungen. 2006 trug der Strom aus Windenergie mit 5,7% zur Stromversorgung in Deutschland bei, aber der Rohstoff „Wind“ ist nicht immer konstant. Eine Lösung dieses Problem könnte der Ausgleich der Fluktuationen mit Hilfe von andere Technologien in unserem Fall die Brennstoffzelle sein. 2 Die Präsentation basiert auf Ergebnissen einer Projektarbeit des Lehrstuhls für Energiesysteme und Energiewirtschaft der Ruhr-Universität Bochum Inhalt 1. Zielsetzung 2. Lastverhalten von Windkraftanlagen der Energieversorgungsunternehmen (EVU) 3. Auswahl der Brennstoffzellentypen 4. Auslegung des Wind-Brennstoffzellensystems 5. Berechnung der Gesamtkosten der Brennstoffzellen 6. Zusammenfassung 3 Zielsetzung Ist die Brennstoffzelle als Ergänzung Technologie eine mögliche Lösung der fehlenden Energieversorgung aus Windkraftanlagen? Zwischenziel: 4 z Analyse des Lastverhaltens der Windeinspeisung Wie groß sind die Fluktuationen? z Welche Brennstoffzelle ist geeignet für dieses System? z Ist diese Lösung bezahlbar? Lastverhalten von Windkraftanlagen der EVU Verteilung der Windenergieproduktion aller EVU über das Jahr 2006 Windenergieproduktion schwankt zwischen Tag und Nacht und über das Jahr Juni, Juli, August steht wenig Windenergie zur Verfügung Produktion von EnBW ist deutlich geringer als der anderen EVU‘s 5 Quelle: Homepage der jeweiligen EVU‘s Lastverhalten von Windkraftanlagen der EVU Ausschnitt aus Daten zur Windeinspeisung von EVU Überproduzierte Leistung zur H2 Erzeugung fehlende Leistung wird durch Brennstoffzellen mit dem gespeicherten H2 erzeugt 6 Quelle: Homepage der jeweiligen EVU‘s Auswahl der Brennstoffzellentypen • Auswahl der geeigneten Brennstoffzellen anhand • Wirkungsgrad • Laständerungsgeschwindigkeiten • Verwendbare Brennstoffe • An- und Abfahrzeit • Polymer-Elektrolyt-Membran und Oxidkeramische Brennstoffzellen wurden im Rahmen dieser Studie verwendet. Brennstoffzelletyp 7 Wichtige Eigenschaften der Bennstoffzellen Laständerung Ziel Geschwindigkeit Sp. Kosten Sp. Kosten (Є/kWel) (Є/kWel) Leistung (kWel) Wirkungsgrad (%) (% Pel Nen/Min) PEMFC 212 35 8,50 14000 2100 SOFC 300 52 10,00 10000 1300 Geplante SOFC 3000 58 10,00 10000 1300 Quelle: Ausdruck der Vorlesung Energietechnik II TU Berlin Auslegung des Wind Brennstoffzellensystems Die Erzeugung der gesamten installierten Brennstoffzellen muss die Abweichung zwischen prognostizierter und tatsächlicher Winderzeugung mindesten 99% abdecken Implementierung von Brennstoffzellen nach EVU‘s 8 EVU BrennstoffzellenGesamtleistung (MW) Differenz Winderzeugung Prognose (tausend MWh) EnBW 60 14 EON 2500 3 890 RWE 1350 1 131 Vattenfall 2500 1 948 Quelle: Homepage der jeweiligen EVU‘s Berechnung der Gesamtkosten der Brennstoffzellen •Gesamtkosten des Brennstoffzellensystems nach Petrovic •Gesamtkosten auf Investitionskosten und Betriebskosten bzw. Wasserstoffkosten bezogen •Wartungskosten vernachlässigbar •Erwartete Kosten für Brennstoffzellensysteme der Hersteller verwendet •Wasserstoffherstellung aus Wind-Elektrolyse und Erdgas-Reformierung •Investitionskosten bezüglich auf Bruchteil der Brennstoffzellen mit 100% Nennleistung, 15 Jahren, Laufzeit der Brennstoffzellen von 40,000h 9 Jährliche Investitionskosten aller EVU‘s •EON und Vattenfall müssen ein Brennstoffzellesystem von 2500 MW auslegen, deshalb haben sie höhere Investitionskosten •RWE und EnBW müssen nur eine kleinere Investition machen Quelle: Projektarbeit Wind –BZ von Bochum Universität 10 •Die Investitionskosten von SOFC sind geringer als mit PEMFC Jährliche Betriebskosten aller EVU‘s SOFC hat geringere Betriebskosten als PEMFC EnBW nur geringe Leistung abzudecken, daher die geringen Betriebskosten EON höhere Betriebskosten, da mehr Leistung bei anderen EVU‘s abgedeckt werden muss Quelle: Projektarbeit Wind –BZ von Bochum Universität 11 Spezifische Preis H2 0,25-0,54 €/Nm3 0,07-0,101 €/Nm3 Vergleich der Gesamtkosten Investitionskosten machen einen großen Teil der Gesamtkosten aus Je größer die Brennstoffzelle desto geringer sind die Gesamtkosten Gesamtkosten vom Spotmarkt ist die günstige Option 12 Quelle: Projektarbeit Wind –BZ von Bochum Universität Zusammenfassung Das Brennstoffzellensystem kann eine Lösung zum Ausgleich der Schwankungen der Windleistung sein Der Bedarf der Energie aus Brennstoffzellen wird angepasst SOFC ist für dieses System geeignet Die Technologie ist noch zu teuer, weil die Investitionskosten einen großen Teil der Gesamtkosten ausmachen Je größer das Brennstoffzellensystem desto geringer sind die Betriebskosten Die spezifischen Kosten für H2 durch Elektrolyse sind 0,25 – 0,54 €/Nm3 im Vergleich zu 0,07 – 0,101 €/Nm3 durch Erdgas-Reformierung. Die H2 Herstellung durch Windenergie-Elektrolyse könnte die Betriebskosten reduzieren, wenn der Preis von CO2 154,08-578,11 €/t erreicht 13 Vielen Dank für ihre Aufmerksamkeit 14 Quelle [Oertel, 2001] D. Oertel, T. Fleischer Brennstoffzellen-Technologie: Hoffnungsträger für den Klimaschutz Erich Schmidt Verlag, Berlin, 2001 [Petrovic, 2005] T. J. Petrovic, H.-J. Wagner, A. Lente, M. Krupp, R. Widmann Photobiologische Wasserstofferzeugung durch Mikroalgen – Beschreibung konkurrierender Systeme zur H2 -Erzeugung Endbericht zum Forschungsvorhaben 85.65.69-T-170, LEE-38 [Temming, 2005] H.V. Temming Analysen und Simulationen zur Bewertung der Einsatzmöglichkeiten und Marktpotentiale von Brennstoffzellen in der Industrie Dissertation, Selbstverlag des Lehrstuhls für Energiesysteme und Energiewirtschaft der Ruhr-Universität Bochum, Bochum, 2005 [Wikipedia] Wikipedia – die freie Enzyklopädie, Online-Enzyklopädie, www.wikipedia.de 15 Quelle Untersuchung des Lehrstuhls für Energiesystem und Energiewirtschaft der Universität Bochum Ausdruck der Vorlesung Energietechnik II, Prof. Dr. Ing. G. Tsatsaronis Kapitel # [CO2-Handel] Artikel “CO2-Preis: Emissionsexperten sehen mittelfristig Anstieg auf bis zu 40 Euro“, Europressedienst Bonn, 15.05.2006 Homepage http://www.co2-handel.de/article58_2222.html [DEWI] Homepage des Deutschen Instituts für Windenergie; www.dewi.de [Ledjeff-Hey, 2001] K. Ledjeff-Hey, F. Mahlendorf, J. Roes Brennstoffzellen – Entwicklung, Technologie, Anwendungen C. F. Müller Verlag, Heidelberg, 2. Auflage, 2001 16 Berechnung der Gesamtkosten der Brennstoffzellen nach Petrovic Methode 1. Investitionskosten: Ermittlung des Lebensdauer der BrZ L z Lebensdauer bei maximale Leistung L z Leistung pro Modul 15min z Anteil an Gesamtlaufzeit max = = 17 rieb Lebensdaue r ⋅ Maximalbet Anteil ⋅ Gesamtlauf zeit Tatsächlich Lebensdauer K z BZLeistung Modulanzah l • On Zeit Tasächlich e ⋅ Modulleist− ung GLZ = Nennleistu ng 15 min TLD = z Laufzeit On − Zeit Investitionskosten pro Jahr: inv = P inst •S L M Berechnung der Gesamtkosten der Brennstoffzellen nach der Petrovic Methode VH 1. z z E = el H u ,H Wasserstoff: •η Betriebskosten: Ermittlung der Kosten durch 2 2 Benötige Menge Wasserstoff E el , plus 3 VH 2 ,W (Nm H2)= E KwWasserstofferzeugung (€ ) = Sw • VH ,w aus Stromüberproduktion durch Windenergie-Elektrolyse 2 z Kosten für erzeugten Wasserstoff minimal und maximal VH z 2 ,E = VH − VH 2 2 ,h = VH 2 ,E 8760 h Fremdbezug von Wasserstoff K E = SE • VH 18 2 ,E VH 2,E z Kosten für bezogenen minimalen und maximalen Wasserstoff z Gesamtkosten Wasserstoff K Wa = K w + K E Berechnung der Gesamtkosten der Brennstoffzellen K w −E (€ ) = SE • VH ,w 2 1. Betriebskosten: b) Ermittlung der Kosten CO2 K z Kosten für bezogenen Wasserstoff z Kostendifferenz z Diff CO S CO2-Kostensparnis CO2 =K +K w = 2 ,Spar W −E =K V diff • CO H 2 ,w 2 ,E −V H 2 ,w • CO 2 ,w CO 2 ,Spar z Preis pro Tonne CO2 S CO2 ,Min ⎛€ ⎞ ⎜ tCO ⎟ ⎝ ⎠ 2 19 EON RWE Vattenfall EnBW Min 154,08 154,08 154,08 15,51 Max 578,11 578,11 578,11 451,41 Wie Funktioniert eine Brennstoffzelle? Brennstoff e¯ Anode + Elektrolyt Kathode Oxidationsmittels Anode H ↔ 2 H + 2e + 2 20 − Reaktion Elektrolyt-MemBrane Kathode O + 4 H + 4e H → + 2 −
