Elektrolyseur-Testfeld & Hybridkraftwerk

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Windenergie und Wasserstoff zusammen denken

Das Fraunhofer IWES trägt dazu bei, Windenergie wirtschaftlicher zu machen, z.B. durch die Erhöhung der Anlagenverfügbarkeit, Effizienzsteigerung und Kostenreduktion bei Betrieb und Bauteilen. 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 hilfreich. Die Verwendung zur Herstellung von Wasserstoff, der als molekularer Energiespeicher dient, kann dieses Dilemma lösen - er ist transportfähig, vielfältig einsetzbar und durch Verbrennung wieder in Energie rückführbar. Allerdings reicht nur die Umwandlung von "Überschuss-Strom", der nur temporär anfällt, als Basis für eine Wasserstoffwirtschaft nicht aus.
 

Wasserstoff gilt als zentraler Baustein der Energiewende. Die Bandbreite der Einsatzmöglichkeiten umfasst verschiedene Industrien und Sektoren: ob für Mobilität und Transport, als Grundstoff für chemische und industrielle Prozesse, zur Dekarbonisierung von Vorgängen bei der Zementherstellung, zum Heizen für Quartierslösungen oder als Element der Sektorkopplung.
 

Die nationale Wasserstoffstrategie der Bundesregierung sieht vor, bis zum Jahr 2030 Erzeugungsanlagen bis zu 5 GW Elektrolyseleistung in Deutschland aufzubauen - einschließlich der dafür erforderlichen Offshore- und Onshore-Energiegewinnung. In diesem Zeitfenster sollen auch Lösungen im Industriemaßstab vorbereitet und schließlich zur Anwendungsreife gebracht werden.

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Elektrolyseur-Testfeld

 

Um die Methoden zur Wasserstoffproduktion systematisch vergleichen zu können, baut das Fraunhofer IWES im Rahmen des Projektes „Grüner Wasserstoff für Bremerhaven“ eine PEM- und eine alkalische Elektrolyseeinheit auf. Nach Fertigstellung der zunächst geplanten 2 MW-Elektrolyseureinheit wird im Volllastbetrieb rund 1 Tonne Wasserstoff/Tag sowie Sauerstoff und Abwärme erzeugt und von der Betreibergesellschaft der Forschungspartner vertrieben. Weitere Flächen für den Anschluss von Elektrolyseuren stehen für interessierte Industrieunternehmen bereit. Der Aufbau eines Testfeldes wird mit Geldern der Europäischen Union (EFRE) und des Landes Bremen finanziert.

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Sichere Speicherung, effizienter Transport


Wasserstoff ist ein sehr reaktives Gas. Um es lange zu speichern und über weite Distanzen sicher und platzsparend zu transportieren, wird seit einigen Jahren die LOHC-Technologie (Liquid Organic Hydrogen Carrier) erforscht. Dabei wird der Wasserstoff durch ein flüssiges, organisches Trägermaterial (z.B. Dibenzyltoluol) gebunden und ist dann nur sehr schwer entflammbar und nicht explosiv. Besonders im maritimen Bereich wird der Technologie großes Potential zugesprochen: Hochseeschifffahrt, Binnenschifffahrt und Fähren könnten davon profitieren. Es ist geplant, auf dem Elektrolyseur-Testfeld eine Hydrierungs- und Dehydrierungseinheit zu errichten, um Erfahrungen damit zu sammeln.

 

Elektrische Eigenschaften von Elektrolyseuren


Die Anbindung des Elektrolyseur-Testfeldes an das Fraunhofer Dynamic Nacelle Testing Laboratory (DyNaLab), der führenden Einrichtung für Netzintegrationstests von Windenergieanlagen, schafft weitreichende Synergien: Mithilfe eines virtuellen Stromnetzes von 44 MVA lässt sich ermitteln, welche Auswirkungen der Anschluss mehrerer dezentraler Erzeugungseinheiten (Elektrolyseure) hat und inwiefern diese Netz-stabilisierend wirken können. 

Die lokalen Energiesysteme müssen geeignete dynamische Eigenschaften aufweisen, um einen stabilen Betrieb des Energienetzes sicherzustellen. Dies ist sowohl von den Hardware-Komponenten (Elektrolyseure) als auch von angepasster Regelungs- und Automatisierungstechnik abhängig.

Heutige Versorgungsnetze sind für den einfachen Parallelbetrieb von Erzeugungseinheiten an starken Netzen ausgelegt. Hier besteht erhebliches Potential zur Optimierung, denn die zunehmende Strommenge aus erneuerbaren Energien und die Zunahme dezentraler Erzeugungseinheiten führen zu neuen Fragestellungen für Netzbetreiber. Die Entwicklung neuartiger Testmethoden durch das Fraunhofer IWES trägt dazu bei, Ausbaukosten gering zu halten und Versorgungssicherheit zu gewährleisten.

Weltweit besteht ein großes Interesse an vereinheitlichten Prüfverfahren für die elektrischen Eigenschaften von Energieerzeugungseinheiten (EZE). Durch die Mitarbeit des Fraunhofer IWES in nationalen und internationalen Standardisierungs-Gremien wird frühzeitig Transparenz und Verlässlichkeit bei der Entwicklung konformer Prüfmethoden geschaffen. Die Beteiligung an der Ausgestaltung zukünftiger Netzanschlussrichtlinien ermöglicht uns, Szenarien weiterzudenken und Herstellern bei der Entwicklung neuer Modelle fundiert beratend zur Seite zu stehen.

 

Hybridkraftwerk

Der Begriff Hybridkraftwerk bezeichnet u.a. ein Kraftwerk, das (mindestens) zwei unterschiedliche Arten der Energiegewinnung koppelt, um einen höheren Wirkungsgrad zu erzielen. In der einfachen Variante ist dies die Kombination aus Windenergie-anlage und Elektrolyseur; die erweiterte Variante schliesst eine Brennstoffzelle ein, die bei Bedarf auch die Rückverstromung des Wasserstoffs leisten kann. Dies trägt zu gesteigerter Flexibilität der Gesamtanlage bei.

Das Fraunhofer IWES untersucht im Forschungsprojekt „Grüner Wasserstoff für Bremerhaven“, wie der Betrieb aller Komponenten des Hybridkraftwerks optimiert werden kann, und entwickelt Regler, um Messdaten der Windenergieanlage zu überwachen und eine möglichst hohe Verfügbarkeit sicherzustellen.

 

Kooperation mit HAW/CC4E

Gemeinsam mit dem Competence Center für Erneuerbare Energien und EnergieEffizienz (CC4E) der Hochschule für Angewandte Wissenschaft Hamburg (HAW) untersucht das Fraunhofer IWES systematisch Aspekte der Herstellung von grünem Wasserstoff mittels Elektrolyse. Der Schwerpunkt sind systemtechnische Betrachtungen, mit Fokus auf technischer Zuverlässigkeit, Verbesserung von Wirkungsgraden, Systemzeitkonstanten und Kostenmodellen. Die Datenbasis für diese Analysen wird durch Messungen an MW-Elektrolyseuren und Testfeldern in Hamburg-Bergedorf und Bremerhaven bereitgestellt, sowie aus laufenden Projekten und von Industriepartnern übernommen. Ziel ist der Aufbau eines Datenpools zu Wasserstofferzeuger-Technologien.

 

Virtuelle Prüfstände für große Erzeugereinheiten


Für Windenergie-Anlagenhersteller ist die Bestimmung der elektrischen Eigenschaften der Einzelturbine noch für eine Typenzertifizierung entscheidend; für Windparkentwickler und -betreiber sind dagegen die Eigenschaften eines kompletten Windparks relevant. Die direkte Validierung ist auf klassischem Wege (Feldtest, WEA-Systemprüfstand) jedoch nicht mehr umsetzbar.

Die verstärkte Nachfrage nach der Validierung der elektrischen Eigenschaften immer größerer Erzeuger-/Verbrauchereinheiten erfordert ein Umdenken: die elektrischen Eigenschaften und Funktionen werden pro Komponente mithilfe von EMT-Modellen beschrieben. Dabei entstehen Komponentenmodelle, die im nächsten Schritt zu einem Gesamtmodul zusammengefügt werden. Auf lokaler Energiesystemebene werden dann Test-Szenarien simuliert (virtuelle Prüfung), deren Ergebnis die elektrischen Eigenschaften beschreibt. Die Validität und Genauigkeit einzelner EMT-Modelle wird mittels spezifischer Prüfstandstest abgesichert.

 

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