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Wind-Wasserstoff-Systeme 12.4.2017

60 bar Druckelektrolyseur des Wasserstoffforschungszentrum Cottbus
© Forschungszentrum Cottbus

Überschüssigen Wind in Wasserstoff zwischenspeichern

Wie lässt sich überschüssige Windenergie im energiewirtschaftlichen Maßstab als Wasserstoff zwischenspeichern? Dieser Frage gehen Forscher im Projekt WESpe auf den Grund. Dazu betrachten die Wissenschaftler die Wertschöpfungskette, angefangen bei der Elektrolysetechnologie, über die Untergrundgasspeicherung bis zur Gasnetzanbindung aus technischer und ökonomischer Sicht.

Projektstatus Kurz vor Fertigstellung
Typische Anlagengröße (Energie) Bis 85 GWh (Kavernenkapazität)
Typische Anlagengröße (Leistung) 0,5 bis 20 MW (Elektrolyse)
Energiedichte volumetrisch 300 Wh/l (bei 100 bar Kavernendruck)
Wirkungsgrad (AC/VNH2) < 4,4 kWh/Nm3 (alkalische Elekerolyse), < 4,3 kWh/Nm3 (PEM-Elektrolyse)
Ansprechzeit bei Bereitstellung der Energie < 10 s (aus betriebswarmen Zustand)
Projektlaufzeit Dezember 2013 bis Dezember 2017

Das Forschungsprojekt WESpe hat das Ziel, die Integration von Wasserstoffspeichern in die Energiewirtschaft voranzutreiben. Forscher untersuchen daher die verschiedenen Komponenten von Wind-Wasserstoff-Systemen, um den Nachweis der technischen und betrieblichen Machbarkeit zu erbringen. Erstmals werden auch die Technologien der PEM-Elektrolyse und der alkalischen Elektrolyse nebeneinander in einem Projekt untersucht. Ergänzend werden die Optimierungspotenziale entlang der gesamten Wertschöpfungskette ermittelt, die in nachfolgende Technologie-Generationen einfließen sollen.

  • Prozessoptimierung im Wasserstoff-Forschungszentrum der BTU C-S &copy; Lehrstuhl Kraftwerkstechnik
  • Wasserstoffforschungszentrum Cottbus &copy; Forschungszentrum Cottbus
  • Die Abbildung zeigt einen fortschrittlichen PEM-Druckelektrolyseur &copy; Hydrogenics

Wissenschaftliche Untersuchung

Die Systeme zur Überführung schwankender Überschuss-Windenergie in Wasserstoff mit verschiedenen Optionen der Zwischenspeicherung und den Verwendungsmöglichkeiten stellen hochkomplexe Systeme dar, die in dieser Größenordnung und diesem Umfang bisher technisch noch nicht realisiert worden sind. Damit sind eine Reihe neuer technischer Detailprobleme im Bereich der Grundlagenforschung, systemische allgemeingültige Fragestellungen, sowie Probleme zum Umweltschutz und gesellschaftlicher Akzeptanz zu lösen, die eine wissenschaftliche Untersuchung erfordern. Diese Detailprobleme wollen die Forscher bearbeiten. Darüber hinaus wollen sie allgemein gültige Erkenntnisse ableiten, die dazu dienen:

  • die Elektrolyse und Wind-Wasserstoff-Systeme unter realen Bedingungen technisch weiterzuentwickeln und zu optimieren,
  • geeignete Standorte zu indentifizieren,
  • und die direkten Wechselwirkungen zwischen Windstromerzeuger und Gasnetz unter den Bedingungen des beschleunigten Ausbaus der erneuerbaren Energien zu analysieren.

Optimierung und Wirtschaftlichkeit

Die Forscher identifizieren die Potenziale zur Leistungs- und Effizienzsteigerung zentraler Komponenten von Wind-Wasserstoff-Systemen (v. a. alkalische und PEM-Elektrolyse). Auf der Basis von theoretischen Untersuchungen, grundlegender experimenteller Arbeiten und wissenschaftlicher arbeiten sie die Ergebnisse aus dem Praxisbetrieb auf. Weiterhin erfolgt die Entwicklung von Methoden zur Standort- und Risikobewertung von Power-to-Gas-Anlagen sowie deren Peripherie und Infrastruktur. Parallel dazu erweitern sie die Wissensbasis für die Speicherung von Wasserstoff in Untergrundgasspeichern hinsichtlich der Wechselwirkungen mit den Speichergesteinen, der Integrität der Bohrungen und obertägigen Ausrüstungen. Ein weiterer Baustein ist die Entwicklung von Simulationstools auf Basis der Modellbildung für Wind-Wasserstoff-Systeme zur Abbildung von System- und Betriebsverhalten. Ergänzend erfolgt die Analyse der Wechselwirkungen des Gas- und Stromnetzes durch Kopplung mit Wasserstoff-Systemen. Abschließend erfolgt die Ermittlung von Klima-, Umweltschutz- und Effizienzvorteilen der Speicherung von Wasserstoff und Ableitung geeigneter Maßnahmen zur Stärkung der öffentlichen Akzeptanz von Wasserstoff als Speichermedium.

Ein Schwerpunkt des Projektes liegt in der Optimierung der technischen Komponenten von Wind-Wasserstoff-Systemen. Ziel ist die längere Dauerhaltbarkeit bei besserer Leistung. Die Wissenschaftler erwarten hier wichtige Schritte in Richtung Wirtschaftlichkeit. Es ergeben sich aussichtsreiche Chancen für die Industrieunternehmen frühzeitig neue Märkte mit Lösungen zu bedienen, die auch eine hohe Exportfähigkeit aufweisen.

Projektstadien

1. Phase: Erstellung einer vorbereitenden Studie zur Standortanalyse und Prüfung der Rahmenbedingungen und für die technischen Umsetzung von Wind-Wasserstoff-Projekten

2. Phase: Wissenschaftliche Forschung mit unterschiedlichen Leistungsmerkmalen und Erprobungsschwerpunkten zur Weiterentwicklung der zentralen Komponenten eines Wind-Wasserstoff-Systems und zur beschleunigten Optimierung von Prozessen und Technologien in der Industrie

3. Phase: Wissenschaftliche Forschung zur gesamtheitlichen Integration von Wind-Wasserstoff-Systemen in unser Energiesystem und zu ökonomischen Fragestellungen.

Teilprojekte

Methodenentwicklung für die Bewertung von Standorten: Das Forschungsprojekt beginnt mit einem grundlegenden Arbeitspaket zur Methodenentwicklung, die die allgemeingültigen Grundsätze zur Eignung von Standorten, zur allgemeinen Analyse und Bewertung der technischen, ökonomischen, genehmigungsrechtlichen und förderpolitischen Risiken und zum Grobscreening von geeigneten Betriebsmodellen zusammenstellt.

Arbeitspaket1 - Evaluation der Kernkomponenten: Erforderliche Grundlagenuntersuchungen zur alkalischen und PEM-Elektrolyse unter den neuen Bedingungen des dynamischen Betriebs.

Arbeitspaket 2 - Anforderungen an geologische Speicher: Die Schwerpunkte liegen in der Ermittlung von Methoden und Auslegungsgrundlagen, welche die Errichtung von technisch-wirtschaftlich optimalen und zuverlässigen Einspeiseanlagen ermöglichen sowie in der Evaluation und Einsatzoptimierung neuer Materialien und Komponenten für den Transport und die Verteilung von Wasserstoff und wasserstoffhaltigen Gasen. Schwerpunkte sind insbesondere die Fragen zur Systemsicherheit und zur Speicherperformance sowohl bei Porenspeichern als auch bei Kavernenspeichern. Inhalt der Arbeiten ist auch die Entwicklung von Erkundungs- und Monitoringprogrammen für Wasserstoff-Untergrundgasspeicher.

Arbeitspaket 3 - Modellbildung und funktionelle Betrachtung: Der Fokus des Arbeitspaketes liegt auf dem Gewinn allgemein gültiger Erkenntnisse für die Weiterentwicklung der Elektrolysetechnik und der gesamten H2-Energieversorgungskette vom Windstrom bis zum CGH2 durch dynamische Modellierung von alkalischen und PEM-Elektrolysesystemen und der weiteren Nebenkomponenten sowie der Bilanzierung der Jahreswerte, wie z. B. Gesamtjahresnutzungsgrad und Wirkungsgrad.

Arbeitespaket 4 - Umwelt und Klimaschutz: Untersuchung der Auswirkungen auf Umwelt und Klimaschutz hinsichtlich der Treibhausgasbilanzen, des vermeidbaren Erdgasimportes, des Landschaftsverbrauchs (vermeidbarer Stromnetzausbau) und der Umwelt-Relevanz von Materialien aus Elektrolyseuren.

Arbeitspaket 5 - Untersuchungen zu Akzeptanz und Transparenz: Das Arbeitspaket befasst sich mit der Entwicklung und Erprobung eines Kommunikationskonzepts. Parallel zur Erarbeitung des Kommunikationskonzepts soll ein geeigneter Partner für ein Windwasserstoff-Energiespeicher-Demonstrationsprojekt gefunden werden.  Es gilt, allgemeingültige Fragestellungen in Bezug auf Umweltschutz und gesellschaftliche Akzeptanz bei der Realisierung von Wasserstoff-Großspeichern für das vorwiegend regenerative Energiesystem zu lösen. Es soll eine Methodik zur Kommunikation energietechnischer und -politischer Zusammenhänge für eine bessere regionale Verankerung von Energiewende-Infrastrukturprojekten entwickelt werden, die auch die Erprobung und Umsetzung zukünftiger Speichertechnologie-Projekte vereinfachen soll.

Arbeitspaket 6 - Systemanalyse und ökonomische Betrachtungen: Systemanalytische und ökonomische Untersuchungen mit einem gesamtheitlichen Betrachtungsansatz runden die wissenschaftliche Forschung ab.

Gefördert durch die Bundesregierung aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages

Termine

25. September 2017
EU PVSEC 2017

26. September 2017
Batterien für Bordnetze, Hybrid- und Elektrofahrzeuge

5. Oktober 2017
Batterieinnovation - Forschung, Einsatz, Wirtschaftlichkeit

» Alle Termine

Projektadressen

Ansprechpartner
  • Dr. Ulrich Fischer
    Brandenburgische Technische Universität Cottbus-Senftenberg - Lehrstuhl Kraftwerkstechnik
Weitere Adressen

Infobox

Forschungsförderung

Das Informationssystem EnArgus bietet Angaben zur Forschungsförderung, so auch zu diesem Projekt.