Komplexe Aufbereitung eines simplen Moleküls – die Wasserstoff-Infrastruktur

Elektrolyse für nachhaltige Mobilität

Elektrolyseure, die das energiereiche Gas aus Strom und Wasser erzeugen, gibt es in vielen Leistungsklassen: Zentrale Anlagen mit elektrischen Eingangsleistungen im 100-Megawatt-Bereich versorgen die Industrie, speisen ins Gasnetz ein und bilden die Grundlage für die Herstellung sogenannter E-Fuels. Demgegenüber stehen lokal verfügbare Elektrolyseure im Leistungsbereich von weniger als 1MW. Eine solch dezentrale und kompakte Anlage hat IAV mit Partnern dargestellt und die zentralen Komponenten wie das Druckelektrolysemodul und die Systemsteuerung weiterentwickelt. Ralf Wascheck erklärt das technische Konzept: „Durch den modularen Aufbau kann die Leistungsklasse kostengünstig erhöht werden, weshalb dieses Elektrolysekonzept optimal für die zukünftige Versorgung von Tankstellen geeignet ist – beispielsweise für den öffentlichen Raum oder den Eigenbetrieb von Logistikern sowie den ÖPNV.“

Effiziente Logistikkette

In Abhängigkeit der vorhandenen Infrastruktur und der zu transportierenden Mengen wird Wasserstoff überwiegend entweder in Gasleitungen oder – erneut gasförmig oder flüssig bei -253° C – per Tankwagen transportiert. Bei der Umwidmung vorhandener Erdgasleitungen sind die rechtlichen Voraussetzungen noch ungeklärt; die Verflüssigung erfordert hingegen einen immensen Energieaufwand.

Für die Wahl der Speichertechnologie und Ausgestaltung der Logistikkette existieren keine Patentlösungen. Um H₂-Verbraucher dennoch eine kostenreduzierende Versorgung zu ermöglichen, setzt IAV eigene Optimierungstools ein. Unter Berücksichtigung von Anschaffungskosten und anderer Faktoren können geeignete Technologien ausgewählt, notwendige Teilsysteme dimensioniert und beispielsweise Anlieferungsintervalle bestimmt werden.

Die Installation von Elektrolyseuren und Wasserstofftankstellen erfordert umfangreiche Kenntnisse einer sich stark im Wandel befindlichen Rechtslage. Neben der Auslegung der Systeme und der Entwicklung effizienter Betriebsstrategien unterstützt IAV daher bei der Projektierung – sowohl beim Umbau vorhandener als auch bei der Installation neuer Anlagen unter Berücksichtigung geltender Normen und Richtlinien.

Optimierung der Verbrauchsseite

Am Ende der Wertschöpfungskette stehen mögliche ­Verbrauchssektoren wie Verkehr, Gebäude, Industrie sowie Stromerzeugung. IAV bietet hier ein breites Leistungsspektrum, insbesondere im Bereich Verkehr mit Konzepten zum Beispiel für Wasserstoff-Verbrennungsmotoren sowie Brennstoffzellen für vielfältige Anwendungen.

Für die unterschiedlichen Anwendungen von Wasserstoff in der Mobilität sind geeignete Tankstellen notwendig. IAV unterstützt hier bei der mechanischen, elektrischen und thermischen Integration und verfügt über detaillierte thermodynamische Simulationsmodelle aller relevanten Komponenten. Neben der Automobil- und Luftfahrtbranche werden die Aktivitäten auf den maritimen Sektor und den Bahnbereich ausgeweitet.

Zusätzlich betrachtet IAV stationäre Verbraucher, zum ­Beispiel den Gebäudesektor. Bei zukünftigen Quartieren kann Energie in Form von Strom, Erdgas, Wärme und Wasserstoff zu zeitlich schwankenden Preisen bezogen werden. Dabei können festgelegte Lastprofile beispielsweise für Strom und Wärme kostenoptimierend umgesetzt werden. Je nach Szenario kann Wasserstoff mit Brennstoffzellen rückverstromt, in Blockheizkraftwerken oder Thermen verbrannt, ins Gasnetz eingespeist oder zur Versorgung einer angeschlossenen Tankstelle verwendet werden. Wirkungsgradverluste von Elektrolyseur und Brennstoffzelle können in Form von Wärme gespeichert und gezielt zur Beheizung genutzt werden.

Herkömmliche Regelstrategien werden der komplexeren Infrastruktur jedoch nicht gerecht. Daher entwickelt IAV Steuer- und Regelsysteme, die die Betriebsweise unter Berücksichtigung prognostizierter Strompreise und Lastprofile optimieren. „Während die Algorithmen weitestgehend unverändert bleiben, erfolgt die jeweilige Anpassung über festgelegte Modellparameter wie beispielsweise die Leistung des Elektrolyseurs oder die Größe des Wasserstoffspeichers. Die Skalierbarkeit wird sichergestellt, indem der einmalig hohe Entwicklungsaufwand auf zahlreiche Systeme übertragen wird“, erläutert Michael Nöding, Entwicklungsingenieur im Team Hydrogen Infrastructure und Electrolysis bei IAV.