vgbe energy journal 7 (2022) - International Journal for Generation and Storage of Electricity and Heat

Wasserstoffbasierte Hybridlösungen
ken Grundlastversorgung. In unserem Fall
hat sich daher angeboten, die vorhandenen
Flächen und Hallendächer möglichst sinnvoll
für Photovoltaik-Anlagen zu nutzen und
primär die so erzeugte Energie für die Eigenversorgung
zu nutzen.
Dabei stellten sich mehrere Fragen:
––
Woher kommt der Strom nachts?
Woher kommt der Strom im Winter?
Wie kann eine Sektorkopplung in das
Wärmenetz insbesondere in der kalten
Jahreszeit realisiert werden?
Im Rahmen der Voruntersuchungen wurde
schnell klar, dass eine Versorgung ausschließlich
über Photovoltaik nicht ausreichend
sein würde, um die Anlage ausschließlich
aus dieser Quelle zu speisen. Wir
haben demzufolge schon frühzeitig auf diversitäre
Energieeingangsgrößen geachtet.
Nur so kann sichergestellt werden, dass eine
zeitliche und preisliche Abhängigkeit von
Eingangsgrößen minimiert wird.
Des Weiteren ist es unabdingbar, die zeitliche
Entkopplung zwischen Erzeugung und
Verbrauch durch zwischengeschaltete Speicher
sicherzustellen. Stationäre Energiespeicher
als Kurzzeitspeicher sind heute
keine große Herausforderung mehr, wenn
man einmal von den Anforderungen für
Platz und Brandschutz absieht. Auch gibt es
verschiedene Technologien neben den häufig
eingesetzten Lithium-Ionen-Batterien,
wie beispielsweise NaS (Natrium-Schwefel)
und Redox-Flow, die je nach erforderlichem
Last- und Speicherverhalten genutzt
werden können. Wir haben uns in diesem
Projekt auf Second-Life-Batterien festgelegt,
die aus ökologischen Aspekten
die derzeit sinnvollste Variante darstellen,
ohne zusätzliche Ressourcen zu fordern.
Die Batteriespeicher können in den Sommermonaten
überschüssigen Strom aus der
Photovoltaik aufnehmen und können zusätzlich
günstigen Bezugsstrom aus Windund
anderen Überschüssen aus dem Netz
aufnehmen.
Damit die Batteriespeicherkapazität nicht
unendlich vergrößert werden muss, haben
wir zusätzlich vorgesehen, Strom auch für
eine modular erweiterbare Elektrolyse zur
Erzeugung von Wasserstoff nutzen zu können.
Das bietet gleich mehrere Vorteile:
Der Wasserstoff kann in entsprechenden
Druckspeichern zwischengespeichert werden.
Die dabei eingesetzten Technologien
werden stetig verbessert. Die Diffusionsverluste
von Wasserstoff und die Schwächung
der Behältermaterialien sind bereits in akzeptablen
Grenzen angekommen. Zum einen
lässt sich der Wasserstoff als Ergänzung zum
Batteriespeicher bei Bedarf über Brennstoffzellen
wieder rückverstromen, zum anderen
kann der Wasserstoff auch für andere Anwendungen
zur Verfügung gestellt werden.
In unserem Fall haben wir Möglichkeiten
zur LKW-Betankung beim Zulieferverkehr
und zur werksinternen Vertankung für Gabelstapler
und andere Flurfahrzeuge eingeplant.
Wenn sich der Wasserstoffmarkt entwickelt
hat, kann bedarfsweise auch Wassersoff
von externen Quellen bezogen und
genutzt werden.
Ein weiterer Aspekt der Wasserstoffnutzung
ist die bei der Umwandlung in Wasserstoff
und bei der Rückverstromung entstehende
Abwärme, die wiederum in das eigene
Wärmenetz eingekoppelt und dort über
Warmwasserspeicher vorgehalten werden
kann.
Ein entsprechendes Energiemanagementsystem
(EMS) ist zum einen in der Lage, den
Ladezustand der Batteriespeicher dem direkten
Verbrauch und der erzeugten Strommenge
anzupassen, und kann zum anderen
vorausschauend freie Kapazitäten in den
Batteriespeichern schaffen, indem elektrische
Ladung in Wasserstoff umgewandelt
wird.
Vor allem in den Wintermonaten ist mit einem
wesentlichen Beitrag zur Stromgewinnung
durch Photovoltaik nicht zu rechnen.
Batteriespeicher über Monate in geladenem
Zustand vorzuhalten ist wenig effektiv, zumal
die meisten Batteriespeicher Materialalterung
erfahren, wenn sie nicht regelmäßig
be- und entladen werden.
Wasserstoff langfristig in Druckspeichern zu
lagern ist aufgrund der Materialalterung der
Tankstrukturen und der Diffusion des Wasserstoffs
keine brauchbare Lösung, sodass
wir uns zusätzlich für eine chemische Bindung
des Wasserstoffs zur Einlagerung entschieden
haben.
In unserem Fall haben wir uns für die
LOHC(Liquid-Organic-Hydrogen-Carrier)-
Technologie entschieden. Diese Technologie
ist ausreichend betriebsbewährt und bietet
Möglichkeiten im Umgang mit dem Wasserstoff,
diesen, ähnlich der Einlagerung von
Diesel-Kraftstoffen, zu behandeln.
Die Umwandlung von Wasserstoff in LOHC
bietet, wie auch die Elektrolyse eine starke
Wärmekomponente bei der Erzeugung, benötigt
allerdings auch Wärme bei der Freisetzung
des Wasserstoffs.
In Ergänzung zu den beschriebenen Komponenten,
ist auch immer eine Betrachtung der
möglichen bestehenden Ressourcen sinnvoll.
In diesem Fall hat sich herausgestellt, dass
jedes Jahr eine Menge an Holzabfällen anfällt,
die sinnvoll gesammelt und verfügbar
gemacht, als thermische Abfallverwertung
für eine ergänzende Wärmeerzeugung im
Winter genutzt werden kann, ohne dass dafür
zusätzliches Material beschafft werden
müsste.
Das Projekt befindet sich nun in der Startphase
der Umsetzung. In einem ersten
Schritt werden ein Teil der Photovoltaik und
der Batteriespeicher realisiert, die sukzessive
in mehreren Ausbaustufen erweitert werden.
Dabei werden bereits die Schnittstellen
für die Wasserstoffnutzung und die Entwicklung
des EMS mit digitalem Zwilling
umgesetzt.
In einem weiteren Ausbauschritt wird dann
die Elektrolyse und das Wasserstoffnetz implementiert,
bevor im letzten Ausbauschritt
die LOHC-Bevorratung umgesetzt werden
soll.
Ein spannendes Projekt für alle Beteiligten.
Quellen:
[1] Eigene Projektstudie. Die Studie wurde im
Rahmen eines laufenden Projektes basierend
auf Angaben und Datenblättern mehrerer
Hersteller von Brennstoffzellen, sowie
auf Basis von Gesprächen mit Hochschulen
erstellt. Faktisch liegen die elektrischen Wirkungsgrade
je nach Technologie und Hersteller
zwischen 30 % und 60 %.
[2] Theoretischer Wert unter Zugrundelegung
von Erfahrungswerten aus Projekten mit Abwärmeausnutzung
verschiedener Wärmequellen,
sowie Abschätzungen der Hersteller
im Rahmen der Projektstudie [1]. l
vgbe energy journal 7 · 2022 | 53