Fraunhofer-Institut für Windenergiesysteme
Die Hydrogen Labs des IWES in Bremerhaven, Leuna und Görlitz unterstützen den Markthochlauf von grünem Wasserstoff und damit den Weg zu einer CO₂-neutrale Industrie.
Elektrolyseurvalidierung und -qualifizierung: Wind und Wasserstoff zusammendenken
Das Fraunhofer IWES betreibt technologieoffene Testplattformen (Hydrogen Labs) für die Qualifizierung und Optimierung von Elektrolyseuren - von der Zelle über den Industrie-Stack bis zur Gesamtsystemebene. Neben Elektrolyseuren werden hier auch wasserstoffverbrauchende Einheiten und Teile der peripheren Infrastruktur getestet. Unter anderem wird die Langzeitstabilität von Materialien und Komponenten bei dynamischer Betriebsweise von Elektrolyseuren in Kopplung mit Windenergieanlagen erprobt.
Darüber hinaus steht die weltweit führende Einrichtung für Netzintegrationstests am DyNaLab zur Verfügung. Da zukünftige Elektrolyseure als Großverbraucher an das elektrische Netz angeschlossen werden, sind deren netzdienliche Eigenschaften wichtig. Deren Bestimmung und Optimierung stehen daher im Fokus von Forschung und Entwicklung. Entsprechend unterstützen wir die Hersteller bei der Weiterentwicklung ihrer Produkte.
Ebenso steht eine Testplattform für gekoppelte PtX-Prozesse zur Verfügung, um auch die gesamte Wertschöpfungskette von der regenerativen, lastflexiblen Energiegewinnung über die Wasserstofferzeugung bis zur stofflichen Verwertung abzubilden und im großtechnischen Maßstab zu testen und zu beforschen.
Datenschutz und Datenverarbeitung
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Unsere Bereiche
- Upscaling in neue Leistungsklassen – aber sicher!
- Produkt-, Edukt- und Komponentenanalytik
- Abbildung der gesamten Wertschöpfungskette
- Kernkompetenz Netzintegrationstests
- Co-Simulation von Nutzungsszenarien
- Modellierung und Regelung von wasserstoffbasierten Energiesystemen
- Zertifizierung I Akkreditierung
- Kompetenz in der Anwendung: Referenzprojekte zu diesem Leistungsangebot
Upscaling in neue Leistungsklassen – aber sicher!
Der Markthochlauf des grünen Wasserstoffs benötigt verlässliche, sichere und kostenoptimierte Systeme und Komponenten entlang der gesamten Wertschöpfungskette zur breiten Anwendung in Industrie und Wirtschaft. Die Kosten spielen dabei neben der Betriebssicherheit eine zentrale Rolle. Die Entwicklung leistungsfähiger, kostengünstiger und zuverlässiger Komponenten sowie die Etablierung einer Serienfertigung für Elektrolyseure und Brennstoffzellen erschließen Einsparpotenziale.
Praxisorientiertes Testen und darauf aufbauende Modellierungen reduzieren das Risiko, das durch das Upscaling von Elektrolyseuren in neue Leistungsklassen und Einsatzbereiche entsteht, die unter anderem für Offshore-Anwendungen unumgänglich sind. Hierbei weist das Fraunhofer IWES Kernkompetenzen im Bereich der elektrochemischen Analytik auf und testet Zellen und Stacks auf der mikroskopischen Ebene. In den Hydrogen Labs sind Stack- und Systemtests bis in den industriellen Maßstab darstellbar. Dies erlaubt, in mikrosopischem Maßstab erworbenes Wissen in großskalige Systeme zu übertragen. Ebenso ist die umgekehrte Richtung denkbar, die Rückführung von im Gesamtsystem beobachteten Effekten auf die mikroskopische Ebene. Dieses Wechselspiel von System- und Einzelkomponententests ermöglicht eine ganzheitliche Optimierung.
Produkt-, Edukt- und Komponentenanalytik
Das Produkt »Grüner Wasserstoff«, seine Edukte sowie die zum Bau von Elektrolyseuren verwendeten Materialien unterliegen hohen Anforderungen, die überprüft und überwacht werden müssen. Hier bietet das Fraunhofer IWES ein breites Spektrum an Analysemethoden an. Neben der Gas- und Flüssigkeitsanalytik können die eingesetzten Materialien oder Komponenten vor dem Einsatz auf ihre Korrosionsbeständigkeit oder Veränderungen der Oberfläche hin untersucht werden. Mittels der am Fraunhofer IWES durchgeführten Flüssigkeitsanalytik wird ebenfalls eine konstante Wasser- und Elektrolytqualität sichergestellt als auch dadurch die Beständigkeit und Alterung der Materialien untersucht. Abschließend unterstützt die Gasanalytik die Überwachung der Produktqualität direkt an der Anlage.
Abbildung der gesamten Wertschöpfungskette
Das Fraunhofer IWES betrachtet die gesamte Wasserstoffwertschöpfungskette, 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.
Außerdem können Modellprozesse der Sektorenkopplung demonstriert und erprobt werden. Dies ist bei fluktuierender Energiezufuhr aus regenerativen Quellen 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. Nicht immer sind die Netze für hochgradig dezentrale Einspeisepunkte mit netzseitiger Umrichteranbindung und fluktuierende Energiezufuhr ausgelegt.
Bei einem Überangebot erneuerbarer Energien im Netz werden Windenergieanlagen oft abgeschaltet, um das Netz nicht zu überlasten - oder der Strom wird zu sehr günstigen Preisen ins Ausland verkauft. Eine Option ist, mithilfe des sogenannten »Überschuss-Stroms« Wasserstoff herzustellen, der als chemischer Energiespeicher dient. Mit steigender netzgekoppelter Elektrolyseurkapazität werden diese »Verbraucher« zukünftig auch relevant aus dem Blickwinkel der Netzstabilität. Auf der einen Seite werden Elektrolyseure sich aufgrund ihrer dynamischen Fahrweise sich auch an bestimmte Regeln der Netzbetreiber halten müssen, genauso wie dies z.B. Windenergieanlagen tun müssen. Auf der anderen Seite stellt die Möglichkeit, Netzsystemleistungen erbringen zu können, potentiell einen sehr wertvollen Beitrag für die Systemstabilität dar. Die Durchführung von sogenannten Netzintegrationstests in den Hydrogen Labs helfen, diese Systemeigenschaften vor der großflächigen Marktintegration zu validieren.
Co-Simulation von Nutzungsszenarien
Schlüsselkomponenten der Wasserstoffwertschöpfungskette werden modellbasiert abgebildet. Es wird ein kohärenter Daten- und Modellraum zur Co-Simulation von Nutzungsszenarien für eine zukünftige Wasserstoffwirtschaft aufgebaut.
Wir arbeiten 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 umfassenden generischen digitalen Zwilling von Wind- und Wasserstoffenergiesystemen geschaffen.
Modellierung und Regelung von wasserstoffbasierten Energiesystemen
Das Fraunhofer-Anwendungszentrum ILES des Fraunhofer IWES untersucht wasserstoffbasierte Multi-Energiesysteme. Der Schwerpunkt liegt hierbei auf der Modellierung und Regelung, wobei auch die Alterung der Elektrolyseure berücksichtigt wird. Wir verwenden hierbei die Systemklasse der multilinearen Modelle und nutzen diese in modellbasierten überlagerten Reglern (supervisory control) von Multi-Stack-Systemen, beispielsweise zur Leistungssteuerung der einzelnen Stacks.
