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Stofflicher Speicher
BMWi
Elektrolyse 12.4.2017

Entwicklungsziel: Energiebedarf Elektrolyseanlage
© ZSW

Wasserstoff-Herstellung im Megawatt-Maßstab

Im P2G-Elektrolyse-Projekt arbeiteten Forscher an der Entwicklung und Erprobung eines optimierten H2-Erzeugungsanlagen-Prototypen basierend auf alkalischer Elektrolyse-Technologie in der 300kWel-Klasse. Ausgehend von der heute verfügbaren AEL-Technologie sollen die für die Gesamtanlage technisch notwendigen Entwicklungspotenziale ausgeschöpft und die Hochskalierung in die untere Megawattklasse vorbereitet werden.

Projektstatus Projekt beendet
Typische Anlagengröße 6-10 MW / > 20 MW
Wirkungsgrad AC/VnH2 68 % / ca. 75 %
Wirkungsgrad AC/VnCH4 < 54 % / ca. 60 %
Brauchbarkeitsdauer der Anlage 1-10 Zyklen/Tag
Ansprechzeit bei Bereitstellung der Energie < 1 h beim Anfahren aus dem kalten Zustand, < 1 min aus dem warmen Zustand
Anwendungsfelder Wasserstoff-Erzeugung im dynamischen Betrieb für alle Wasserstoff-Speicher bzw. -Anwendungen
Projektlaufzeit November 2012 bis Februar 2017

Das zukünftige Energiesystem in Deutschland soll eine nachhaltige und vollständige Versorgung aus erneuerbaren Ressourcen gewährleisten. Da viele Erneuerbare Energien (EE) jedoch stark fluktuierend anfallen, sind -- bei einer 100-prozentigen Vollversorgung von erneuerbarer Energie Speicherkapazitäten von etwa 20 TWhel notwendig. Dafür eignen sich bevorzugt chemische Energieträger wie Wasserstoff oder Methan (Erdgas-Substitut, engl.: Substitute Natural Gas SNG). Für die SNG-Herstellung wurde am Zentrum für Sonnenenergie- und Wasserstoff-Forschung Baden Württemberg (ZSW) in Kooperation mit der SolarFuel und dem Fraunhofer IWES das „Power-to-Gas“ (P2G)-Konzept entwickelt.

  • Ansicht eines 0,5 m² großen Druckelektrolyseblocks &copy; ZSW
  • Entwicklungsziel: Energiebedarf Elektrolyseanlage &copy; ZSW
  • Modulkonzept der P2G-Elektrolyse &copy; ZSW

Entwicklungspotenziale ausschöpfen

Ziel des Projektes „P2G-Elektrolyse“ ist die Entwicklung und Erprobung eines optimierten H2-Erzeugungsanlagen-Prototypen basierend auf alkalischer Elektrolyse Technologie in der 300kWel-Klasse. Ausgehend von der heute verfügbaren AEL-Technologie sollen die für die Gesamtanlage technisch notwendigen Entwicklungspotenziale ausgeschöpft und die Hochskalierung in die untere Megawattklasse vorbereitet werden. Des Weiteren sollen auf Grundlage einer Analyse der Kostenstruktur und Wertschöpfungskette innovative Anlagenbau- und Fertigungskonzepte entwickelt werden.

Für die weitere Kommerzialisierung und Verbreitung der Technologie sind eine verbesserte Systemeffizienz und reduzierte Systemkosten unerlässlich. Eine Schlüsselkomponente bildet die Wasserstoff-Erzeugungsanlage. Sie hat erheblichen Einfluss auf den Wirkungsgrad sowie die Speichersystemkosten und bietet somit das höchste Kostensenkungspotenzial.

H2-Erzeugungsanlagen sind heute prinzipiell kommerziell verfügbar. Es fehlt aktuell die Optimierung an den EE-typischen dynamischen bzw. intermittierenden Betrieb. Technologisch und kostenseitig weist die AEL prinzipiell deutliche Verbesserungs- und Kostensenkungspotenziale auf, die. erst erschlossen werden müssen. Verfügbare AELs und AEL-Anlagen besetzen bislang nur hochpreisige Nischenmärkte für den Konstant-Betrieb.

Ansatzpunkte und Entwicklungsstrategie

Das Verbundprojekt beruht auf drei Ansatzpunkten zur Schaffung einer neuen technischen Entwicklungsstufe der dynamischen und intermittierenden Wasserstofferzeugung:

  • technische Entwicklung wichtiger Kernsysteme auf der Basis neuer Konzepte (Elektrolyseblock, Elektrolyt-Kernsystem, Gleichrichteranlage, Bereitstellung thermischer Leistung, Anlagen-Sicherheits- und Produktgasanalysesystem),
  • Entwicklung eines skalierbaren und modularisierten Gesamtanlagenkonzepts
  • Weiterentwicklung der Subsysteme nach funktionellen, Fertigungs- und Kosten-Gesichtspunkten

Kontext

Das Projekt „P2G-Elektrolyse” versteht sich als Verbundprojekt unter Beteiligung des wissenschaftlichen Instituts Zentrum für Sonnenenergie- und Wasserstoff-Forschung Baden-Württemberg und der KMUs SolarFuel sowie Enertrag HyTec.
Der Aufbau des Anlagenprototyps soll in der am ZSW ab Mitte 2012 zur Verfügung stehenden „Power-to-Gas“ Gesamtsystem-Umgebung in Stuttgart erfolgen. Das prototypische System soll während der Projektlaufzeit über einen Zeitraum von neun Monaten betrieben und erprobt werden. Die labortechnische Infrastruktur für die Gesamtsystem- und Subsystemtests ist am ZSW vollständig vorhanden. Das wichtigste Erprobungsziel ist der Nachweis der vorab definierten technischen Spezifikationen im realen Wasserstoff-Erzeugungsbetrieb.

Wirtschaftlich?

Nach erfolgreichem Abschluss des Projektes ist eine für den dynamischen Betrieb optimierte Wasserstofferzeugungsanlage mit ihren peripheren Subsystemen in der Leistungsklasse von 300kWel realisiert. Es sind gleichzeitig alle weiteren vorbereitenden Maßnahmen getroffen worden, um eine Hochskalierung der Elektrolyse-Technologie in den energiewirtschaftlich relevanten MWel-Leistungsbereich umsetzen zu können. Insbesondere werden im Rahmen des Projektes alle relevanten Grundlagen entwickelt, die für eine spätere, kostenoptimierte Massenfertigung notwendig sind.

Kurzfristig im Zeitraum drei bis fünf Jahre nach Projektstart wird der kommerzielle Einsatz neuer und effizienter Subsysteme wie Gleichrichteranlage, Regelkomponenten, Überwachungs- und Betriebs-Subsysteme und stabiler Elektrodenbeschichtungen mit hohem Wirkungsgrad eingeschätzt. Diese Systeme sollten für den Einsatz im unteren Megawatt-Maßstab kommerzialisiert und auch für andere Anlagenkonzepte eingesetzt werden. Die Vorstellung eines neuen serientauglichen Blockkonzepts für den Druckbetrieb bis zu 30 bar ist ebenfalls für diese zeitliche Perspektive vorgesehen. Für den mittelfristigen Zeitraum von fünf bis sieben Jahren ist die Verfügbarkeit neuer modularisierter Anlagenkonzepte im Leistungsbereich 2 bis 5 Megawatt mit optimiertem spezifischen Energieverbrauch und kommerzieller Konkurrenzfähigkeit im Energiesektor geplant. Langfristig für den Zeithorizont von sieben bis zehn Jahren wird mit der Bereitstellung eines modularen Anlagenkonzepts für den vollautomatischen Betrieb im Leistungsbereich bis ca. 20 Megawatt gerechnet.

Gefördert durch die Bundesregierung aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages

Termine

24. Januar 2018
6. Batterieforum Deutschland

13. März 2018
Energy Storage Europe 2018

13. März 2018
Energiespeicher & Wärmepumpentechnologie

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Projektadressen

Ansprechpartner
  • Andreas Brinner
    Zentrum für Sonnenenergie- und Wasserstoff-Forschung Baden-Württemberg (ZSW)
Weitere Adressen

Infobox

Forschungsförderung

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