Digitalisierte Wasserstoffprozesskette für die Energiewende (Digi-HyPro)
Neben der preisgünstigen Erzeugung und ggf. dem Transport spielt vor allem die sichere und langzeitstabile Speicherung von Wasserstoff eine zentrale Rolle, um größere Fluktuationen zwischen der Energiegewinnung aus nachhaltigen Quellen und dem Bedarf auszugleichen. Die kontinuierliche Energieversorgung muss auch zur Überbrückung längerer Dunkelflauten zuverlässig sichergestellt werden, ohne auf fossile Energieträger angewiesen zu sein. Nicht zuletzt wird durch die Energiespeicherung auch ein Beitrag zur Energiesouveränität von Deutschland und Europa geleistet. Energieflüsse müssen computergestützt gesteuert werden, um die Dynamik der Netze und Speicher optimal aufeinander abzustimmen und damit die Energieversorgung für Strom und Wärme jederzeit zu gewährleisten.
Im Projekt Digi-HyPro soll die Entwicklung und Erprobung einer Smart-Energy-Transform-Box (SET-Box) realisiert werden. Ein solches System kann modular (und damit skalierbar) sowie dezentral an verschiedenen Stellen eingesetzt werden. Innerhalb der Box kann Wasserstoff durch einen Elektrolyseur erzeugt (Schnittstelle Ausspeisung aus Stromnetz) und nach Durchlaufen einer Membrantrocknung kompakt und sicher in einem Metallhydridspeicher gespeichert oder dem Erdgasnetz zugeleitet werden (Schnittstelle Einspeisung ins Gasnetz). Bei Bedarf kann der Wasserstoff aber auch aus dem Zwischenspeicher oder aus dem Gasnetz entnommen werden (Schnittstelle Extraktion aus Gasnetz). Für die Entnahme aus dem Gasnetz sollen effiziente Polymer-basierte Membranen für die Grobtrennung von Erdgas und Wasserstoff und wiederum Metallhydride zur Feintrennung erprobt werden. Der Wasserstoff aus dem Zwischenspeicher oder dem Gasnetz kann neben der Brennstoffzelle auch über Metallhydridkompressoren an andere Systeme auf einem höheren Druckniveau abgegeben und beispielsweise zur Betankung von Fahrzeugen (LKW, PWK, Schiffe, etc.) genutzt werden (Schnittstelle Mobilitätsnetz). Die SET-Box ermöglicht somit Energie flexibel zu transformieren und kann netzdienlich und zuverlässig Strom-, Gas- und Mobilitätsnetz effizient koppeln.
Umfang des SET-box-Systems im Labormaßstab (≤ 10 kWel Leistung): Die SET-box wird derzeit entwickelt, um den Elektrolyseur, die Brennstoffzelle, den Metallhydridspeicher und den Metallhydridkompression zu integrieren und zu koppeln. Für die Durchführung der Integration sind Systemsimulationen zusammen mit experimenteller Kopplung ein integraler Bestandteil der laufenden Arbeiten. Das vereinfachte Diagramm zeigt Bilder der Versuchsaufbauten im Labormaßstab. Dieser Maßstab dient der weiteren Optimierung der Metallhydrid-basierten Einheiten sowie der Wasserstoff- und Wärmemanagementstrategien. In einem späteren Schritt werden weitere Komponenten als Teil der Setbox betrachtet, wie z. B. Gasseparationseinheiten um das System mit dem Gasnetz zu koppeln.
Wasserstoffspeicherung: Ein Prototyp eines Metallhydridspeichers wurde entwickelt, um eine Machbarkeitsstudie durchzuführen und um weitere Aspekte der Wasserstoffspeicherung in fester Form zu untersuchen. Der Prototyp wurde konzipiert, 15 kg einer hydridbildenden Legierung zu fassen und ist für den Betrieb unter gemäßigten Bedingungen, d. h. unter Raumtemperatur und niedrigen Drücken (≤ 35 bar) ausgelegt. Diese Bedingungen erfüllen die Vorraussetzung zur Kopplung des Speichers mit Niederdruckelektrolyseuren und Raumtemperatur-Brennstoffzellen. Sowohl der Versuchsaufbau als auch der digitale Zwilling werden parallel entwickelt, um eine der vielversprechendsten Wasserstoff-Speichertechnologien zu untersuchen und zu optimieren.
Wasserstoffkompression: Im Rahmen des Projekts werden auch Prototypen von Metallhydrid-Kompressoren entwickelt. In diesem Fall wurde der erste Ansatz für einen zweistufigen Kompressor mit etwa 1 kg hydridbildender Legierung in jeder Stufe konzipiert. Der zweite Prototyp wird in jeder Stufe etwa 20 kg einer hydridbildenden Legierung enthalten. Der Druckbereich des Kompressors soll es ermöglichen Wasserstoff mit 350 bar für die Betankung von Lastkraftwagen zur Verfügung zu stellen.
Laufzeit: 10/2020 – 09/2024
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Letzte Änderung: 9. Februar 2023