Wasserstoff zur Windenergiespeicherung

Wespe-Elektrolyseur

Wasserstoff als idealer chemischer Energieträger für die Langzeitspeicherung im Strom- und Wärmesektor und für die Verwendung in der Mobilität sowie als Grundstoff für die chemische Industrie hat für das zukünftig verstärkt sektorengekoppelte deutsche Energiesystem eine zentrale Bedeutung. Die unter dem Begriff Power-to-Gas (PtG) subsumierte elektrolytische Herstellung von Wasserstoff aus erneuerbaren Energien (Power-to-Hydrogen: PtH2) und die sich daran anschließende mögliche Methanisierung (PtCH4) werden daher in systemischen Studien auch mit bis zum Jahr 2050 erforderlichen Größenordnungen der Elektrolyseleistung von bis zu 110 GW (bei 90 % CO2-Reduktion) quantifiziert.

Wie können in einem künftigen sektorengekoppelten Energiesystem konkrete Windwasserstoff-Systeme technisch konfiguriert und skaliert werden? Wie ist ihre Performance im Jahresverlauf und wie arbeiten sie am wirtschaftlichsten? Diese Fragen sind in dem Verbundforschungsprojekt WESpe (Wissenschaftliche Forschung zu Windwasserstoff-Energiespeichern) diskutiert worden. Wichtige Ergebnisse wurden auf der Abschlusskonferenz am 4. Dezember 2017 auf dem GLS-Campus in Berlin vor etwa 80 Gästen aus Wirtschaft, Wissenschaft und Politik vorgestellt.

WESpe behandelte die gesamte Energieumwandlungskette von Erneuerbare-Energien-Quellen über elektrolytische H2-Herstellung, Speicherung in Kavernen, Einspeisung in das Erdgasnetz bis hin zur H2-Nutzung in verschiedenen Sektoren. Ein Schwerpunkt bildete dabei die Forschung in der Elektrolysetechnologie. Weitere Schwerpunkte waren die technische Weiterentwicklung von Komponenten zur H2-Speicherung in Untergrundgasspeichern sowie zur Gasnetzeinspeisung und die technoökonomische Analyse repräsentativer Windwasserstoff-Verwertungspfade.

Ziel von WESpe war es, die wesentlichen Kernkomponenten vollständiger Windwasserstoff-Ketten weiterzuentwickeln und in detaillierten technoökonomischen Systemsimulationen repräsentative PtG-Systeme zu analysieren, wobei der Fokus auf PtH2 gelegt wurde. Im Forschungskonsortium wurden dafür acht Konfigurationen selektiert, darunter für die Energiewende strategisch wichtige Pfade für Zeithorizonte bis 2050, z. B. für die großskalige Rückverstromung und Wasserstoffbereitstellung für die Industrie sowie bereits mittelfristig wirtschaftlich potenziell interessante Systeme, z. B. für die Mobilität.

Weiterentwicklung der Elektrolysetechnologie

Die Partner ISE, DLR und BTU haben vergleichend die alkalische und PEM-Elektrolyse, insbesondere im dynamischen Betrieb, untersucht. Der Fokus des DLR lag auf der Untersuchung der Leistungsfähigkeit des PEM-Elektrolyseurs sowie seines Degradationsverhaltens im dynamischen und im Überlastbetrieb. Aus den Ergebnissen wurden Optimierungsmöglichkeiten erarbeitet, insbesondere Maßnahmen zur Kostenreduktion auf Basis von Leistungs- und Effizienzsteigerung sowie Erhöhung der Lebensdauer. Hierzu wurden experimentelle Daten unterschiedlich großer Laborzellen (bis 1,5 MW) ausgewertet. Wichtige Ergebnisse wurden auch bei der Entwicklung von Gasdiffusionslagen mit Gradientenaufbau sowie bei korrosionshemmenden Beschichtungen von Bipolarplatten erreicht. Der dynamische Betrieb wurde insgesamt nicht als überdurchschnittlich kritisch identifiziert.

Am alkalischen 60-bar-Druckelektrolyseur (120 kW) der BTU (Abb. 1) wurden systematische Testreihen mit Variation verschiedener Versuchsparameter (Druck, Temperatur, Stromdichte, Laugenumwälzung) sowie unter Verwendung statischer und dynamischer Lastgänge durchgeführt. Während der Temperatureinfluss deutlich ausgeprägt ist, ist der Druckeinfluss auf den Wirkungsgrad nur marginal. Sein dynamisches Verhalten ist mit einem Stromgradienten von > 50 A/s aus dem Hot-Standby geeignet für die direkte Kopplung mit Windkraftanlagen. Für das Gesamtsystem wurde die Wechselwirkung der Teilsysteme bei intermittierendem und im Standby-Betrieb, u. a. hinsichtlich Druckhaltung und Wärmemanagement, untersucht.

Autoren:
Dr. Peter Ahmels und Ulrike Voß, beide Deutsche Umwelthilfe e.V.
Dr. Aldo Gago und Philipp Lettenmeier, beide Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR)

 

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