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Deutsch-Saudi Arabisches Gemeinschaftsprojekt - eLib - DLR

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NOW-Workshop „Regenerativer Wasserstoff aus der Elektrolyse", Juli 2008
Deutsch-Saudi Arabisches Gemeinschaftsprojekt HYSOLAR
(HYdrogen from SOLAR Energy) 1986 - 1995
Was haben wir aus der alkalischen Elektrolyseentwicklung gelernt?
Dipl.-Ing. TU Andreas Brinner
Deutsches Zentrum für Luft- & Raumfahrt e.V. (DLR)
Institut für Fahrzeugkonzepte (DLR-FK)
Pfaffenwaldring 38-40, D-70569 Stuttgart
Tel: 0711 6862 574 / Fax: 0711 6862 1574
E-mail: andreas.brinner@dlr.de / Internet: www.dlr.de/fk
Vortragsinhalt
Kurzvorstellung des HYSOLAR-Projektes
Test- und Produktions-Demonstrationsanlagen
Systemvarianten und Elektrolyseblockversionen
Versuchsbetrieb
Wichtige Ergebnisse
Vorschläge für weiteres Vorgehen
Dipl.-Ing. Andreas Brinner
Institut für Fahrzeugkonzepte
07.07.08
Projekt Hysolar: Mission & Entwicklungspartner
Programm zur Wasserstoffherstellung
aus der Sonnenenergie HYSOLAR
1986 - 1995
Gemeinsames Saudi-Arabisch Deutsches Programm
Dipl.-Ing. Andreas Brinner
Institut für Fahrzeugkonzepte
07.07.08
Finanzierungspartner & Arbeitsbereiche
Dipl.-Ing. Andreas Brinner
Institut für Fahrzeugkonzepte
07.07.08
PV-Elektrolyse-Anlagen des Projektes
350/500kW Solar-Wasserstoff
Herstellungs-Demonstrationsanlage
10kW Solar-Wasserstoff
Versuchsbetrieb
Forschungs- und Versuchsanlage
1993 - 2000
Versuchsbetrieb
1987 - 2004
3kW Solar-Wasserstoff
Testanlage
Versuchsbetrieb
1989 - 1995
Dipl.-Ing. Andreas Brinner
Institut für Fahrzeugkonzepte
07.07.08
Elektrolyseanlagen des Projektes
P = 2 – 350/500kW, p = 1 -10barabs, T = 40 – 95°C
(1) Versuchs-/Testsysteme
HT
Original-Lieferant
HT/DLR
HYDROGEN SYSTEMS /
HT/
DLR
METKON ALYZER 10kW
HS
Original-Lieferant
HYDROTECHNIK
HS/DLR
3 / 2kW
MA
FZJ
FZJ/DLR
Original-Lieferant
MA/DLR
FZ JÜLICH
FZJ/DLR
10kW
Dipl.-Ing. Andreas Brinner
Institut für Fahrzeugkonzepte
07.07.08
Elektrolyseanlagen des Projektes
P = 2 – 350/500kW, p = 1 -10barabs, T = 40 – 95°C
(2) Produktionsdemonstration
H2-WasserTrennung
Wasserabscheider
LaugenKreislauf
5000cm2- Block V.1
nicht abgenommen
5000cm2- Block V.2
nicht abgenommen
N2-SpülSystem
Elektrolyseblock
WasserKreislauf
2500cm2- Block V.3
TÜV-abgenommen
350/500 kW Druckelektrolyseanlage
TÜV-abgenommen, betriebsbereit
Dipl.-Ing. Andreas Brinner
Institut für Fahrzeugkonzepte
07.07.08
Auswertung des Solaren Langzeit-Elektrolysebetriebs
optimal, normal dynamisch, minimal
27.10.89
19.09.89
Optimaler Betrieb
Minimalbetrieb
19.05.89
Dynamischer Betrieb
Dipl.-Ing. Andreas Brinner
Institut für Fahrzeugkonzepte
07.07.08
Reproduzierbarer Elektrolyse-Versuchsbetrieb
Dipl.-Ing. Andreas Brinner
Institut für Fahrzeugkonzepte
07.07.08
Minimierung des spezifischen Energieverbrauchs
durch neue katalytisch aktive Elektrodenoberflächen
1 & 3: DLR-Technologieträger ; 2: 350 kW Elektrolyseur
o
Vergleich der Zellspannungen bei 70 C
2,6
5,5
2,2
2
2500 cm
K: APS; A: bl. Ni
P = 700 kPa
1
2,0
2
5,0
4,5
1,8
2
600 cm
K & A: VPS
P = 400 kPa
3
1,6
4,0
3
6,0
Spez. Energieverbrauch/ kWh/Nm
2,4
Zellspannung/ V
aktivierter Elektroden
2
600 cm
K & A: bl. Ni
P = 400 kPa
Durch die Verwendung
(z.B. DLR VPS-Elektroden)
kann der spezifische
Energieverbrauch um
15 – 18% gesenkt werden.
3,5
1,4
0
100
200
300
2
Stromdichte/ mA/cm
400
500
Intermittierend betreibbare Elektrolyseure Stuttgart/Riad
Dipl.-Ing. Andreas Brinner
Institut für Fahrzeugkonzepte
07.07.08
Katalytische Aktivierung ist langzeit-stabil
10 kW DLR-Elektrolyseur mit VPS-Elektroden
Elektrodenfläche: 600cm2
Testbedingungen: i = 300mA/cm2, T = 60/80°C, p = 5barabs
Dipl.-Ing. Andreas Brinner
Institut für Fahrzeugkonzepte
07.07.08
Elektrolyse-Wirkungsgrad und Energieangebot
können unabhängig optimiert werden
Reference: LHV of H2
Dipl.-Ing. Andreas Brinner
Institut für Fahrzeugkonzepte
07.07.08
Gasproduktion ist sicher und effektiv mit
unterschiedlichstem Energieangebot
Der sichere Betriebsstart mit Leistung
< 7% PN ist bei unterschiedlichsten
Startbedingungen reproduzierbar
Ab 5% der Nominalleistung
erhält man nutzbaren Wasserstoff
Dipl.-Ing. Andreas Brinner
Institut für Fahrzeugkonzepte
07.07.08
Elektrolysebetrieb ist nach dem aktuellen Stand der
Technik sicher machbar und für den Betrieb zulassbar
Sicherheitstechnik ist für alle
HYS 10 & HYS 350
Elektrolyseure standardisierbar
Betriebserlaubnis zur Herstellung und
GasqualitätsSicherung
SignalEinrichtungen
RaumluftÜberwachung
BetriebsSicherheit
NotAbschaltung
Dipl.-Ing. Andreas Brinner
Institut für Fahrzeugkonzepte
Abgabe von Solar-Wasserstoff an Dritte
07.07.08
Solarer Elektrolysebetrieb ist effizient umsetzbar. Das
gilt auch für den Elektrolysebetrieb mit anderen
regenerativen Energiewandlern
Elektrolyse-Gesamtwirkungsgrad
70% für einen solaren Betriebstag mit VPS-E
10 kW Elektrolyseur
Elektrolyse-Gesamtwirkungsgrad 55% für
einen solaren Betriebstag ohne VPS-E
350 kW Elektrolyseur
Dipl.-Ing. Andreas Brinner
Institut für Fahrzeugkonzepte
07.07.08
Solarer Elektrolysebetrieb bei niedrigem Druck ist
effizient und kostengünstig
Der elektrische Eigenverbrauch der
Bei Berücksichtigung aller Bau- und
350 kW PV-Elektrolyseanlage während
Betriebskosten hätten die H2-Kosten
22 Monaten Testbetrieb betrug 8,2%
inkl. Lieferung nach Deutschland
inklusive H2-Druckspeicherung
67 Cent/kWh betragen
350 kW PV-Elektrolyseanlage
Energieverbrauch im Solarbetrieb
Datenbasis: September 1993 - Juni 1995
Elektronik: 1,18%
Elektrolysekühler:
1,64%
Anlagenkühler:
5,11%
H20-Aufbereitung:
0,06%
H2-Kompression:
0,25%
H2-Herstellung:
91,76%
Dipl.-Ing. Andreas Brinner
Institut für Fahrzeugkonzepte
07.07.08
Technische Standards für Sicherheit und
Produktgasqualität konnten gesetzt werden
Online-Produktgasanalyse
direkt an den Blockausgängen
durch Probenentnahme
aus dem 2-Phasen-Gemisch
Gas-Qualitätsstanddard 5.0 mit
• Gaswäsche
• Katalytischer Rekombination
• Trocknung
im Batch-Betrieb erreichbar
Dipl.-Ing. Andreas Brinner
Institut für Fahrzeugkonzepte
07.07.08
Vorschläge für F&E-Schwerpunkte
►
►
EFFIZIENZ
Verbesserte Materialien im Rahmen und Membranbereich
-
Betriebstemperaturerhöhung bis 150°C
-
Druckerhöhung bis 30bar,
Minimierung des ionischen Widerstandes
Erhöhung der Differenzdruckfestigkeit
KOSTEN
-
Vereinfachung der verfahrenstechnischen Systemperipherie
Einsatz von Kunststoffen
Reduktion der Komponentenanzahl
Funktionsintegration
►
EINSATZBEREICH Produktgasqualitäterhöhung im dynamischen Betrieb
►
EINSATZBEREICH Erhöhung der Toleranz gegenüber der Rohwasserqualität
-
►
Nutzung von Salzwasser, Brackwasser, stark belastetem Wasser
AUTONOMITÄT
-
Netzunabhängigkeit des Anlagenbetriebs
Anlagenbetrieb komplett aus dem Primärenergieangebot
►
BETRIEBSKOSTEN Betriebsautomatisierung
►
LIEFERBARKEIT
Industrialisierung der Ergebnisse
Dipl.-Ing. Andreas Brinner
Institut für Fahrzeugkonzepte
07.07.08
Energiewandler-Kopplung
► Testsystemstandard entwickeln
► Kopplungsverhalten mit den verschiedenen Energiewandlern im
Langzeitbetrieb untersuchen
► Auswertestandard entwickeln
Systemansatz im HYSOLAR-Projekt
Untersuchung und Vergleich
verschiedener Kopplungsmöglichkeiten
von Photovoltaik und Elektrolyse
Dipl.-Ing. Andreas Brinner
Institut für Fahrzeugkonzepte
07.07.08
Unterstützungswünsche / Fazit
► Forschungsförderung für
-
Effizienz
Kosten
Einsatzbereich
► Demonstrationsprogramme für
-
Energiewandler-Kopplung
► Marktanreize für
-
Autonomität
Betriebskosten
Lieferbarkeit
Standards
Herzlichen Dank für Ihre Aufmerksamkeit !
Dipl.-Ing. Andreas Brinner
Institut für Fahrzeugkonzepte
07.07.08
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