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Der Elektrolyseur als Schlüsselkomponente von
Power-to-Fuel
Inhalt
• Übersicht und Grundlagen
• Atmosphärische Elektrolyse
• Wasserstoffanlagen
• Druckelektrolyse
• Kosten
• ecoPtG
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Definition
Power to X
Power toHeat
Power toFuel
Power toH2
Power toGas
Power toLiquids
Schlüsselkomponente Elektrolyse
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Wirkungsgrade
Quelle: VNG Gasspeicher
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Vergleich Elektrolyseverfahren
Elektrolyse-verfahren
Alkalische Elektrolyse
Atmosphärische Elektrolyse
Druckelektrolyse
Saure Elektrolyse
Membran-elektrolyse
Hochtemperatur-Elektrolyse
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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
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Funktionsprinzip (AET)
Kathode: 2 H2O + 2e- → H2 + 2 OH-
Anode: 2 OH- → ½ O2 + H2O + 2 e-
Gesamt: 2 H2O → H2 + ½ O2
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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
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Grundlagen Elektrolyse
Elektrolysekennlinie und Potentialverlauf in der Zelle
Quelle: V.M. Schmidt, Elektrochemische Verfahrenstechnik
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Grundlagen Elektrolyse
Elektrolysekennlinie konventionell / fortgeschritten
Quelle: V.M. Schmidt, Elektrochemische Verfahrenstechnik
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Grundlagen Elektrolyse
H2O2 H2O2 H2O2 H2O2 H2O2
Bipolare Anordnung Unipolare Anordnung
Elektr. Reihenschaltung Elektr. Parallelschaltung
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Der Elektrolyseur als Schlüsselkomponente
von Power-to-Fuel
Inhalt
• Übersicht und Grundlagen
• Atmosphärische Elektrolyse
• Wasserstoffanlagen
• Druckelektrolyse
• Energiespeicher
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Zellenaufbau
Zellenaufbau / Senkrechter Schnitt durch den H2-Gaskanal
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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
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Aufbau eines Elektrolyseurs
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Aufbau eines Elektrolyseurs
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Aufbau eines Elektrolyseurs
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Aufbau eines Elektrolyseurs
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Aufbau eines Elektrolyseurs
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Aufbau eines Elektrolyseurs
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Aufbau eines Elektrolyseurs
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Aufbau eines Elektrolyseurs
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Aufbau eines Elektrolyseurs
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Aufbau eines Elektrolyseurs
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Aufbau eines Elektrolyseurs
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Atmosphärische Elektrolyse (HT)
↑ EV150/52 (Arkema)← EV50/60 (MP)
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Atmosphärische Elektrolyse
↑ NEL Hydrogen← Enertrag (Audi Werlte)
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Atmosphärische Elektrolyse
Assuan - Elektrolyseanlage
• 36 x 8 Elektrolyseure
• Produktionsrate 40.000 Nm³/h
• Leistung 200 MW
• Düngemittelproduktion
• Inbetriebnahme 1963
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Der Elektrolyseur als Schlüsselkomponente
von Power-to-Fuel
Inhalt
• Übersicht und Grundlagen
• Atmosphärische Elektrolyse
• Wasserstoffanlagen
• Druckelektrolyse
• Kosten
• ecoPtGQuelle: Audi/Etogas
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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
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Aufbau einer Wasserstoffproduktionsanlage
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Aufbau einer Wasserstoffproduktionsanlage
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Aufbau einer Wasserstoffproduktionsanlage
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Aufbau einer Wasserstoffproduktionsanlage
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Aufbau einer Wasserstoffproduktionsanlage
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Aufbau einer Wasserstoffproduktionsanlage
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Aufbau einer Wasserstoffproduktionsanlage
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Aufbau einer Wasserstoffproduktionsanlage
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Aufbau einer Wasserstoffproduktionsanlage
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Aufbau einer Wasserstoffproduktionsanlage
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Aufbau einer Wasserstoffproduktionsanlage
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Der Elektrolyseur als Schlüsselkomponente
von Power-to-Fuel
Inhalt
• Übersicht und Grundlagen
• Atmosphärische Elektrolyse
• Wasserstoffanlagen
• Druckelektrolyse
• Kosten
• ecoPtG
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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
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Elektrolysesteuerung/Regelkreise
Druckregelung
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Elektrolysesteuerung/Regelkreise
Niveau-/Differenzdruckregelung
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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
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Druckelektrolyse
Autoklav
Vorteile
• Zellrahmen aus Kunststoff möglich
• Geringere Shuntströme
• Kompakte Zelle
Nachteile
• In der Größe/Leistung begrenzt
• Schlechte Zugänglichkeit
• Schlechte DiagnosemöglichkeitQuelle: dpa
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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
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Druckelektrolyse
Zellaufbau
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Druckelektrolyse
Zellblock
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Druckelektrolyse
Zellblock
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Druckelektrolyse
Zellblock
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Druckelektrolyse
Druckbehälter
Zellblock
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Druckelektrolyse
Druckfeste Zellrahmen
Vorteile
• Großanlagen möglich
• Zelle kurzschließbar
• Zellspannungsmessung möglich
Nachteile
• Zellrahmen aus Stahl
• Hohe Shuntströme
• Ungünstige Zellgeometrie Quelle: NEL HMI 2013
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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
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Druckelektrolyse
Vorteile
• Kompakte Bauweise
• Geringere Verdichterleistung
• Größeres Entwicklungspotential
Nachteile
• Ex-Zone erforderlich
• Geringerer Lastbereich
• Höherer Wartungsaufwand
• Mehraufwand MSR
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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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Der Elektrolyseur als Schlüsselkomponente
von Power-to-Fuel
Inhalt
• Übersicht und Grundlagen
• Atmosphärische Elektrolyse
• Wasserstoffanlagen
• Druckelektrolyse
• Kosten
• ecoPtG
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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
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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
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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
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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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Der Elektrolyseur als Schlüsselkomponente
von Power-to-Fuel
Inhalt
• Übersicht und Grundlagen
• Atmosphärische Elektrolyse
• Wasserstoffanlagen
• Druckelektrolyse
• Kosten
• ecoPtG
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„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
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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
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Innovation/Einsparungspotentiale
• Leistungselektronik
• Steuergerät
• Sensorik
• Verfahrenstechnische
Komponenten
• Zellrahmen aus Kunststoff
(Spritzguss)
• Galvanische Aktivierung
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Reduktion des spez. Energieverbrauchs
• Effiziente Leistungselektronik
• Diaphragmen mit geringen spez. Widerstand
• Nullabstandanordnung
• Elektrodenaktivierung
• Naturumlaufbetrieb
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Reduktion des spez. Energieverbrauchs
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Der Elektrolyseur als Schlüsselkomponente
von Power-to-Fuel
• Übersicht und Grundlagen
• Atmosphärische Elektrolyse
• Wasserstoffanlagen
• Druckelektrolyse
• Kosten
• ecoPtG
Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit
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Wasserelektrolyse Hydrotechnik GmbHPfannkuchstr. 576185 [email protected]