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 chemischer Energiespeicher dient, kann dieses Dilemma lösen - er ist transportfähig, unbegrenzt lagerfähig, vielfältig einsetzbar und durch Verbrennung oder in einer Brennstoffzelle wieder in elektrische Energie umwandelbar. Allerdings reicht die Umwandlung von "Überschuss-Strom", der nur temporär anfällt, als alleinige Basis für eine Wasserstoffwirtschaft nicht aus.

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Zusammenspiel effizient und reibungslos gestalten

Das Fraunhofer IWES erforscht deshalb unter anderem, wie das Zusammenspiel von Windenergie- und Wasserstoff-Erzeugung, Rückverstromung und Netzintegration möglichst effizient und reibungslos gestaltet werden kann. Gerade klimaneutral hergestellter Wasserstoff wird zur Dekarbonisierung bestehender Industrien in großem Umfang benötigt. Wasserstoff und wasserstoffbasierte Syntheseprodukte sind zentrale Bausteine der Energiewende und für die Erreichung der Klimaziele.

Laut Koalitionsvertrag sollen in Deutschland bis zum Jahr 2030 Wasserstofferzeugungs-anlagen bis zu 10 GW Elektrolyseleistung aufgebaut werden. Damit möglichst viel grüner Wasserstoff dabei entsteht, sollen die Erneuerbaren Energien stark ausgebaut werden. In diesem Zeitfenster sollen auch Lösungen im Industriemaßstab vorbereitet und schließlich zur Anwendungsreife gebracht werden. 

Wissenschaft: Innovation für eine ganzheitliche Wasserstoffwirtschaft

Hierbei ist Innovation der maßgebliche Treiber für die nachhaltige Etablierung einer ganzheitlichen Wasserstoffwirtschaft. Den Weg zum Markthochlauf beschleunigen die Fraunhofer Hydrogen Labs konkret, indem sie

  • Standardisierungs- und Zertifizierungsprozesse etablieren
  • Hybridkraftwerke (z.B.  Windenergieanlage und Elektrolyseur) systemübergreifend optimieren
  • neue Betriebsführungs- und Regelungskonzepte für Elektrolyseure im Verbund mit WEA und PV, sowie zur Weiternutzung des H2 in PtX-Prozessen optimieren
  • Materialien und Komponenten weiterentwickeln und deren Produktion und Fertigung effizienter machen
  • beschleunigte Lebensdauertests für Energiesysteme mit komplexen, variablen Umwelteinflüssen validieren und bereitstellen
  • Untersuchungen von reinem Inselnetzbetrieb ermöglichen

Durch die Verbindung von Methodenkompetenz und einmaliger Forschungsinfrastruktur ist eine neuartige Kooperationsplattform für Industrie und Forschung entstanden. In den Testeinrichtungen werden auf unterschiedlichen Ebenen - von der Zelle über den Labor-Stack bis zur Industrie-Stack/Systemebene - experimentelle Daten zu Materialien und Systemen erhoben. Diese Daten werden ausgewertet und in einem gemeinsamen Datenraum zusammengeführt. Ausgehend von einer breiten Datenbasis und einem vertieften Verständnis der Material- und Bauteileigenschaften erfolgen Modellierung und Optimierung. Die Messdaten aus dem gemeinsamen Hydrogen Data Space fließen auch in die Simulation ein. Die Validierung von Elektrolysesystemen im MW-Bereich liefert zentrale Aussagen für die Weiterentwicklung von Produkten und Systemen und ihr Zusammenspiel mit dem Stromnetz und der chemischen Industrie der Zukunft.

Außerdem werden am Fraunhofer IWES Prüfverfahren zur Entsalzung von Meerwasser entwickelt. Fragestellung hinsichtlich Langzeitstabilität und dynamischer Betriebsweisen in Kopplung mit Windenergieanlagen und Elektrolyseuren können somit beantwortet werden. Die Herstellung von grünem Wasserstoff auf Offshore-Plattformen wird dadurch erst ermöglicht. Energetisch optimiert wird die Entsalzung durch sinnvolle Integration der Abwärme aus der Elektrolyse. 

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.

Verbindung von Methodenkompetenz und einmaliger Forschungsinfrastruktur

 

Hydrogen Labs

Bremerhaven, Leuna, Görlitz

 

Anwendungszentrum für Integration lokaler Energiesysteme ILES