Elektrolyseur-Testfeld & Hybridkraftwerk

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Windenergie und Wasserstoff zusammen denken

Das Fraunhofer IWES trägt dazu bei, die Windenergie wirtschaftlicher zu machen, z.B. durch die Erhöhung der Anlagenverfügbarkeit, Effizienzsteigerung und Kostenreduktion. Bei einem temporären Überangebot erneuerbarer Energien im Netz werden Windenergieanlagen heute vielfach abgeschaltet, um das Netz nicht zu überlasten. Sogenannter Überschuss-Strom geht für die Energieerzeugung verloren, was die Wirtschaftlichkeit drückt und für die Stärkung der öffentlichen Akzeptanz nicht hilfreich ist

Grüner Wasserstoff kann als molekularer Energiespeicher dienen, um Energieverluste zu vermeiden. Er ist transportfähig, vielfältig einsetzbar und durch Verbrennung letztlich wieder in Energie rückführbar. Die Bandbreite der Einsatzmöglichkeiten ist sehr groß, und erstreckt sich über Industrie- und Sektorengrenzen hinweg. In jedem Anwendungsbereich gibt es Konkurrenzprodukte mit unterschiedlichen Marktpreisen - wo die Nutzung von Wasserstoff in welchem Maßstab wirtschaftlich sinnvoll ist, sollte daher für eine spezifische Anwendung betrachtet werden.

Laut dem Entwurf des BMWi für eine nationale Wasserstoffstrategie soll bis zum Jahr 2030 ein Erzeugungspotenzial von 3 GW, möglichst 5 GW Elektrolyseleistung in Deutschland aufgebaut werden. Die Nutzung von Offshore-Windenergie ist explizit als eine mögliche und attraktive Technologie zur Erzeugung von grünen Wasserstoff in naher Zukunft vorgesehen. Angesichts mangelnder Akzeptanz auf dem Festland bietet der Ausbau der Offshore-Windenergie die Möglichkeit, politisch gesetzte Klimaziele zu erreichen. Im Gegensatz zur Nutzung von importiertem Wasserstoff würde die Wertschöpfung dabei vor Ort stattfinden und eine Produktion unter kontrollierten Bedingungen erleichtern. Derzeit sind noch 90 Prozent des in Deutschland hergestellten Wasserstoffs „grau“, also aus Erdgas gewonnen und somit nicht emissionsfrei produziert.

 

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Elektrolyseur-Testfeld

 

Um die Methoden zur Wasserstoffproduktion systematisch vergleichen zu können, baut das Fraunhofer IWES im Rahmen des Projektes „Grünes Gas 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. 

 

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 Windenergieanlage 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 „Grünes Gas 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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