Elektrolyseur-Testfeld & Hybridkraftwerk

Windenergie und Wasserstoff zusammen denken

Grüner Wasserstoff wird ein zentraler Pfeiler einer nachhaltigen Energie-Zukunft sein. Mit Windenergie kann emissionsfreier Wasserstoff mittels Elektrolyse hergestellt werden. Besonders die Offshore-Windenergie bietet hier großes Potential, weil der Wind auf See stärker und konstanter weht und eine Zwischenspeicherung der erzeugten Energie notwendig sein wird. Dies ist in Form von Wasserstoff möglich, wodurch dieser und wasserstoffbasierte Syntheseprodukte zentrale Bausteine der Energiewende werden.

Das Zusammenspiel von Windenergie- und Wasserstoff-Erzeugung, Rückverstromung und Netzintegration sowie das Einsatzpotential zur Dekarbonisierung bzw. Defossilisierung der Industrie möglichst effizient gestalten - für diese komplexe Aufgabe ist das Fraunhofer IWES gut aufgestellt:

  • mit technologieoffenen Testplattformen (Hydrogen Labs) für die Qualifizierung und Optimierung von Elektrolyseuren (von der Zelle über den Industrie-Stack bis zur Gesamtsystemebene) mit einer Gesamtanschlussleistung bis zu 26 MW
  • mit der weltweit führenden Einrichtung für Netzintegrationstests (DyNaLab)
  • mit einem Anwendungszentrum für Modellierung und Regelung dezentraler und lokaler Energiesysteme
  • mit dem langjährigen Engagement für Zertifizierung und Standardisierung
  • mit Testmöglichkeiten für Langzeitstabilität von Materialien und dynamischer Betriebsweise von Elektrolyseuren in Kopplung mit Windenergieanlagen
  • mit Anwendungsnähe im Einsatzbereich der chem. Industrie (Power-to-X-Prozesse)

Verbindung von Methodenkompetenz und einmaliger Forschungsinfrastruktur

 

Hydrogen Labs

Bremerhaven, Leuna, Görlitz

 

Anwendungszentrum für Integration lokaler Energiesysteme ILES

Upscaling in neue Leistungsklassen – aber sicher!

Der Markthochlauf des Grünen Wasserstoffs benötigt verlässliche, sichere und kostenoptimierte Systeme und Komponenten entlang der gesamten Wertschöpfungskette für die breite Anwendung in Industrie und Wirtschaft. Die Kosten spielen neben der Betriebssicherheit eine zentrale Rolle - hier schafft die Entwicklung leistungsfähiger, kostengünstiger und zuverlässiger Komponenten sowie die Etablierung einer Serienfertigung für Elektrolyseure und Brennstoffzellen Einsparpotenziale. Experimentelles Testen und darauf aufbauende Modellierungen reduzieren das Risiko des Upscalings von Elektrolyseuren in neue Leistungsklassen und Einsatzbereiche, die für den Offshore-Gebrauch signifikant sind.

 

Konzern bis KMU, Sektorenkopplung inklusive

Das Fraunhofer IWES betrachtet die gesamte Wasserstoff-Wertschöpfungskette, von der Erzeugung bis zur Nutzung. Für spezifische Fragestellungen werden die Kompetenzen und Infrastrukturen verwandter Institute hinzugezogen. Unsere Kunden sind sowohl global agierende Konzerne als auch der regionale Mittelstand (KMU).

Auch können Modellprozesse der Sektorenkopplung demonstriert und erprobt werden. Dies ist bei fluktuierender Energiezufuhr besonders wichtig, um Versorgungssicherheit zu gewährleisten und die Speicherung von Leistungsüberschüssen zu ermöglichen. Betriebsstrategien für Insellösungen werden systemübergreifend entwickelt und unter techno-ökonomischen Aspekten optimiert.

 

Kernkompetenz Netzintegrationstests

Für die Versorgungssicherheit ist ein stabiles Netz grundlegend - momentan sind die Netze nicht für diverse Einspeisepunkte und fluktuierende Stromzufuhr ausgelegt. Bei einem Überangebot erneuerbarer Energien im Netz werden Windenergieanlagen heute vielfach abgeschaltet, um das Netz nicht zu überlasten - oder der Strom wird unter Preis ins Ausland verkauft. Der sogenannte "Überschuss-Strom" drückt somit die Wirtschaftlichkeit und ist für die öffentliche Akzeptanz nicht förderlich. Die Verwendung zur Herstellung von Wasserstoff, der als chemischer Energiespeicher dient, kann die Lösung dafür sein.

Da zunehmend Elektrolyseure als Großabnehmer ans Netz angeschlossen werden, ist eine Netzstabilisierung erforderlich, um den reibungslosen Betrieb nicht zu gefährden. Die elektrischen Eigenschaften von Elektrolyseuren so auszulegen, dass sie das Netz stabilisieren, statt es zu belasten, ist ein Kernpunkt unserer Forschungsarbeit. In den Hydrogen Labs werden experimentelle Tests durchgeführt, um dieses Ziel zu erreichen und den Herstellern Daten für die Weiterentwicklung ihrer Produkte an die Hand zu geben.

 

Co-Simulation von Nutzungsszenarien

Unser Spektrum umfasst überdies auch Lösungsansätze aus dem Bereich der Digitalisierung: Schlüsselkomponenten der Wasserstoff-Wertschöpfungskette werden modellbasiert abgebildet und ein kohärenter Daten- und Modellraum zur Co-Simulation von Nutzungsszenarien für eine zukünftige Wasserstoffwirtschaft aufgebaut. Außerdem arbeiten wir daran, eine Referenzarchitektur für digitale Zwillinge so zu erweitern, dass sie die Modularität erneuerbarer Energiesysteme abbilden kann und eingetragene Veränderungen am System berücksichtigt. Damit wird die Basis für einen einmaligen digitalen Zwilling von Wind- und Wasserstoffenergiesystemen geschaffen.

In den Wasserstoff-Leitprojekten des BMBF ist das Fraunhofer IWES in mehreren Verbundprojekten vertreten:

Im Projekt H2Mare werden Möglichkeiten untersucht, die Wasserstofferzeugung offshore effizienter zu machen; zum Beispiel durch die Nutzung der Abwärme aus der Elektrolyse zur Meerwasser-Entsalzung. Dazu wird eine spezielle Testinfrastruktur errichtet, die auf dem Hydrogen Lab Bremerhaven (HLB) aufbaut. Damit können die Auswirkungen der Offshore-Bedingungen in der Upscaling-Kette von Zell- bis Megawattsystem simuliert und im Realbetrieb evaluiert werden.

Speziell für den Offshore-Einsatz optimierte Elektrolyse-Stacks werden im Hydrogen Lab Leuna (HLL) getestet. Dazu werden neue Test- und Validierungsverfahren für die Diagnose und Prognose von Degradationsmechanismen, die am Offshore-Standort auftreten, entwickelt. Dies ermöglicht die Bewertung von Lebensdauer und Wirtschaftlichkeit der Elektrolyseure im Realbetrieb.

Das Fraunhofer IWES leitet gemeinsam mit Siemens Energy außerdem das Project Management Office (PMO) zur Gesamtsteuerung des Projektes.

Im Projekt H2GIGA steht die serienmäßige, technologieoffene Herstellung von Elektrolyseuren im Fokus. Bestehende Elektrolyse-Technologien wie PEM-Elektrolyse, alkalische Elektrolyse (AEL) und Hochtemperatur-Elektrolyse (HTEL) werden technisch weiterentwickelt. Auch Aspekte wie Recycling und flexibler Betrieb von Elektrolyseuren werden berücksichtigt. Als einer von 24 Verbünden bringt der einzige Fraunhofer-Verbund mit `FRHY – ReferenzFabrik für hochratenfähige Elektrolyseur-Produktion` seine Expertise in das Großprojekt ein. Hier beteiligen sich - gesamtkoordiniert vom Fraunhofer IWU - das IPT, das IPA, das ENAS und das Fraunhofer IWES.

Die vorrangige Aufgabe von FRHY liegt im Aufbau einer Referenzfabrik, in der neue Produktionsverfahren für Elektrolyseure entwickelt und geprüft werden können. Ziel ist, die Kosten zur Herstellung von Elektrolyseuren für grünen Wasserstoff um mehr als ein Fünftel zu senken. Das Fraunhofer IWES testet gemeinsam mit dem Fraunhofer IWU im Hydrogen Lab Görlitz und Hydrogen Lab Leuna die Einzelzellen und zieht Rückschlüsse auf Material- und Produktionsfragestellungen.

Ziel des Norddeutschen Reallabors ist es, den Transformationspfad für ein integriertes Energiesystem zu erproben, mit dem es gelingt, die CO2-Emissionen im Norden bis 2035 um 75 Prozent zu reduzieren. Die Modellregion des Norddeutschen Reallabors umfasst die Bundesländer Hamburg und Schleswig-Holstein, das westliche Mecklenburg-Vorpommern sowie Bremen. Das Projekt bündelt unterschiedliche Sektorkopplungsvorhaben in geografischen „Hubs“, die sich an der Netztopologie des Strom- und des Gasnetzes orientieren.

Produktions- und Lebensbereiche mit besonders hohem Energieverbrauch - in der Industrie, aber auch in der Wärmeversorgung und dem Mobilitätssektor – werden schrittweise dekarbonisiert. Dazu werden acht Elektrolyseure mit einer Wasserstoff-Erzeugungskapazität von 42 MW betrieben. Außerdem werden im NRL drei Projekte umgesetzt, die eine Abwärmenutzung in einem Umfang von 700 GWh pro Jahr ermöglichen. Im Mobilitätssektor werden mehrere Wasserstoff-Tankstellen und über 200 Fahrzeuge in unterschiedlichen Nutzungsszenarien erprobt.

Der Beitrag des Fraunhofer IWES ist dabei die Erstellung einer Simulation der hochtransienten Vorgänge in einem der betrachteten lokalen Energiesysteme, welches als Hub bezeichnet wird. Anschließend sollen Ansätze gefunden werden, wie dieses lokale Energiesystem netzstützend, als das Gesamtsystem entlastend, betrieben werden kann. Ebenfalls entwickelt das Fraunhofer IWES Betriebsführungskonzepte, damit das lokale Energiesystem als Ganzes optimal betrieben werden kann. Hierbei werden rechtliche und marktliche Rahmenbedingungen sowie die Präferenzen der Betreiber berücksichtigt.