ecoPtG

Im Projekt ecoPtG wurde erforscht, wie ein Technologietransfer aus der Automobilindustrie zur Realisierung eines modularen Low-Cost Elektrolysesystems der 100kW Klasse beitragen kann.

Im Zuge der Energiewende wird zunehmend Strom aus fluktuierenden Quellen wie Sonne und Wind erzeugt. Die Energiegewinnung im Erneuerbaren Energiesystem kann daher stark schwanken. So entstehen regional Situationen, bei denen die regenerative Stromproduktion den Bedarf zeitweise übersteigt. Deshalb soll der Verbrauch an die Erzeugung bestmöglich angepasst werden, sodass wenig Anlagen abgeregelt werden müssen und keine Energie verschenkt wird. Dies kann beispielsweise durch Lastverschiebung oder Nutzung des „Überschussstroms“ zur Erzeugung von H2 geschehen.

Power-to-Gas-Verfahren für die Dekarbonisierung des Verkehrs

Eine Lösung für die Nutzung von überschüssig produziertem Strom liegt im sogenannten Power-to-Gas-Verfahren. Hierbei wird Strom aus Sonnen- und Windenergie mithilfe eines Elektrolyseurs in Wasserstoff umgewandelt, welcher ohne Verluste und über einen langen Zeitraum gespeichert werden kann. Bei Bedarf kann der Wasserstoff dann rückverstromt, oder aber als klimafreundlicher Kraftstoff von Brennstoffzellenfahrzeugen genutzt werden. Letzteres kommt der Dekarbonisierung des Verkehrs, also einem Umstieg von fossilen auf erneuerbare Energieträger zum Antrieb von Fahrzeugen, entgegen.

Technologietransfer für marktfähige alkalische 100-Kilowatt-Elektrolyse

Bisher standen die hohen Investitionskosten gerade bei kleineren Elektrolyseuren einer Markteinführung im Wege. Hier setzte das Projekt ecoPtG an: Durch ein einfaches Konzept, vereinfachte Fertigungsverfahren und günstige Materialien wie Kunststoff sollten die geplante alkalische 100-Kilowatt-Elektrolyse fit für den Markt werden. Um das zu erreichen, wurde vor allem auf Erfahrungen aus der Automobilindustrie zurückgegriffen. Im Fokus standen dabei die Leistungselektronik, Steuerung und Sensorik sowie verfahrenstechnische Komponenten, etwa für die Temperierung und Medienkreisläufe. Viele dieser Komponenten wurden für Autos bereits günstig in Großserie hergestellt – und erfüllten zugleich die Anforderungen der Elektrolyse. Im Rahmen von ecoPtG wurde geprüft, wie genau der Technologietransfer erfolgen kann.

Tankinfrastruktur als möglicher Einsatzbereich des Elektrolysesystems im Verkehrssektor

Das ecoPtG-Projekt konnte zeigen, dass das Einsatzpotenzial für modulare Elektrolysesysteme in verschiedenen Bereichen und Regionen weltweit hoch ist. In Bezug auf den Verkehressektor ist bisher jedoch unklar, welches Fahrzeugkonzept sich am besten in ein auf regenerative Ressourcen basierendes Energiesystem einbetten und gleichzeitig die Anforderungen der Nutzer*innen erfüllen kann. Für die H2-Mobilität stellte der Aufbau einer bezahlbaren Tankinfrastruktur bis zum Abschluss des Projekts eine der größten Herausforderungen dar. Im ecoPtG-Projekt wurde deshalb auch das Einsatzpotenzial des modularen Low-Cost-Elektrolyseurs an Tankstellen sowie an Off-Grid Standorten und die Potenziale einer optimierten Betriebssteuerung für das Elektrolysesystem untersucht. Die Simulationsmodelle des Projekts wurden mit Messdaten validiert und ein Live-Betrieb getestet.

Projektzeitraum: 01.11.2015 – 31.10.2018

In diesem Projekt analysierte das RLI Betriebs- und Anwendungsszenarien für das Elektrolysesystem im Kontext von Wasserstofftankstellen und Off-Grid-Anwendungen. Zu den konkreten Aufgaben gehörten:

• Leitung des Arbeitspakets „Prozess-, Simulations- und Marktpotenzialanalyse“
• Entwicklung eines Simulationsmodells, welches das gesamte Elektrolysesystem mit allen relevanten Effekten abbilden kann:
  • Bestimmung eines geeigneten Detaillierungsgrads, um qualitativ hochwertige Simulationsergebnisse bei angemessener Rechenzeit zu ermöglichen
  • Ausarbeitung von Key Perfomance Indicators, die eine technische und wirtschaftliche Bewertung zulassen
• Entwicklung einer Steuerungsstrategie für den stationären sowie den dynamischen Betrieb von Elektrolyseuren:
  • Übersetzung der entwickelten Simulations-Software in ein Steuerungstool, welches einen optimierten Betrieb der Elektrolysesysteme unter Einbeziehung von Wetter-, Strompreis- und Bedarfsprognosen, zulässt
• Bestimmung von Einsatzpotenzialen von Elektrolysesystemen im Mobilitätssektor, an Off-Grid-Standorten und in der Wirtschaft:
  • Bestimmung passender Standorte mit Einsatzpotenzialen für Wasserstoff
  • Ermittlung technischer Anforderungen an das System bei standortabhängigen Umweltbedingungen
  • Marktpotenzialanalysen zur Bestimmung der Wirtschaftlichkeit der einzelnen Standorte

• Entwicklung eines modularen Low-Cost-Elektrolysesytems der 100 kW Klasse
• Elektrosystem kann sehr gut mit Windenergieanlagen gekoppelt werden
• Der Einsatzbereich des Elektrolysesystems hat keinen relevanten Einfluss auf die Wasserstoffgestehungskosten und ist für jegliche Transportmittel geeignet
• Modulare Elektrolysesysteme sind über einen Planungszeitraum von 20 Jahren stets günstiger als große Systeme
• Modularer Aufbau ermöglicht es auf Fehler in der Bedarfsentwicklungsprognose zu reagieren
• Konzipierung und Realisierung einer Echtzeitsteuerung für das Elektrosystem, die den Betrieb optimiert
• Hohes Einsatzpotenzial für modulare Elektrolysesysteme in verschiedenen Bereichen und Off-Grid-Regionen weltweit
• Hohe Kostenreduktion durch intelligente Betriebsstrategien und die Kombination mit lokalen Erneuerbaren Energien, insbesondere Windenergie