h2well-compact

Wasserstoff mit Wasserkraft aus der Ilm

Projekttitel:
Kompaktes Wasserstoffversorgungssystem für dezentrale Mobilitätsanwendungen – h2well-compact

Fördernde Einrichtung:
Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF)

Projektdauer:
01.06.2021 – 31.05.2024

Leiter des Projekts:
Prof. Dr. Mark Jentsch

Projektpartner:
An dem Vorhaben sind neben der Professur Energiesysteme der Bauhaus-Universität Weimar die WIR!-Bündnispartner Kyros Hydrogen Solutions GmbH, Energieversorgung Apolda GmbH, Fraunhofer IKTS Hermsdorf, Höschel & Baumann Elektro GmbH, Imaginata e.V., IMG Electronic & Power Systems GmbH, MAXIMATOR GmbH und Rießner-Gase GmbH beteiligt. Assoziierte Partner sind die Stadt Apolda, die eurocylinder systems AG und das EnviroConsult Ingenieurbüro.

Am Projekt beteiligte Personen der Professur:
Saskia Wagner M.Sc., Nicole Meyer M.Sc.

Projektbeschreibung

Im Forschungsvorhaben h2well-compact wird die dezentrale Wasserstofferzeugung und -Anwendung in der Mobilität erprobt. Die Bauhaus-Universität Weimar ist für die Gesamtkoordination des Vorhabens verantwortlich, an dem insgesamt neun Partner an der Entwicklung und Realisierung eines grünen H2-Versorgungssystems für dezentrale Anwendungen arbeiten. Das durch das BMBF im Rahmen des WIR!-Bündnisses h2-well Wasserstoffquell- und Wertschöpfungsregion Main-Elbe-LINK geförderte Vorhaben wird in Apolda umgesetzt. Die Kreisstadt des Weimarer Lands soll Vorbild werden für Orte mit ähnlichen Voraussetzungen für die lokale Wasserstofferzeugung und -Einbringung in die Mobilität. Abbildung 1 fasst das Konzept des Projektes h2well-compat zusammen.

Abb. 1 - Schaubild des integrierten Gesamtsystems zur dezentralen Wasserstofferzeugung an einer Kleinwasserkraftanlage mit Transportlogistik und Wasserstoffnutzung durch regionale Anwender.

H2-Erzeugung unter den spezifischen Bedingungen kleiner erneuerbarer Energieanlagen

Ein Ziel in h2well-compact ist es, einen PEM-Druckelektrolyseur auf die besonderen Bedingungen von kleinen Erneuerbaren-Energie-Anlagen anzupassen. Am Beispiel der Apoldaer Kleinwasserkraftanlage sollen hierfür mögliche Ansätze zur Systemdimensionierung von Elektrolyseanlagen im Zusammenspiel mit fluktuierender Energie aus erneuerbaren Quellen eruiert werden. Da keine langjährigen Daten zur Stromeinspeisung der Kleinwasserkraftanlage in Oberroßla an der Ilm vorliegen, wurde durch die Professur Energiesysteme auf Basis von langjährigen Durchflussdaten der etwas flussaufwärts gelegenen Messstation Mellingen ein theoretischer Ansatz zur Ableitung eines Leistungsprofils der durchschnittlichen täglichen elektrischen Turbinenleistung in den Jahren 2000 - 2020 entwickelt. Die so erhaltenen Daten wurden außerdem mit weiteren Durchflussdaten der flussabwärts gelegenen Messstation Niedertrebra abgeglichen. Die grundlegende Anwendbarkeit der theoretischen jährlichen Leistungsprofile konnte mit Hilfe von Realleistungsdaten der Energienetze Apolda zur Netzeinspeisung der Kleinwasserkraftanlage im Zeitraum vom 01.05.2014 bis zum 23.09.2021 nachgewiesen werden. Abbildung 2 zeigt, dass die theoretische Einspeiseleistung der Kleinwasserkraftanlage zwischen keiner Einspeisung in Trockenperioden, d.h. 0 kW (dunkelblaue Bereiche) und maximal ca. 70 kW (dunkelrote Bereiche) schwankt. In den Sommermonaten erreicht die Wasserkraftanlage aufgrund des geringeren Wasserdargebots der Ilm eine niedrigere Turbinenleistung als im restlichen Jahresverlauf. Besonders in den Sommermonaten der vergleichsweise trockenen Jahre 2003, 2018 und 2019 konnte die Wasserkraftanlage für längere Zeiträume gar keinen Strom einspeisen. Des Weiteren kommt es, wie in Abbildung 2 zu sehen ist, in einzelnen Jahren in den Winter- und Frühjahrsmonaten zu Leistungseinbußen oder auch zu vollständigen Betriebsausfällen aufgrund eines zu großen Wasserdargebots.  

 

 

Abb. 2 - Theoretische erwartete durchschnittliche tägliche Turbinenleistung der Kleinwasserkraftanlage in Oberroßla bei Apolda, sortiert nach Kalenderjahren

Mit Hilfe der theoretischen jährlichen Leistungsprofile der Kleinwasserkraftanlage wurde ermittelt, dass die installierte Leistung des Elektrolysestacks am Standort Oberroßla 25 kW nicht übersteigen sollte, um eine ausreichende Anzahl an Betriebsstunden (Volllaststunden) zu gewährleisten. Diese Größenordnung der Stackleistung entspricht hierbei der Elektrolyseurzielgöße, die durch den Projektpartner Kyros Hydrogen Solutions angestrebt wird, um die im Gesamtvorhaben vorgesehene H2-Versorgungsaufgabe zu gewährleisten. Abbildung 3 zeigt das theoretische Wasserstofferzeugungspotential an der Kleinwasserkraftanlage pro Tag und Jahr bei der empfohlenen installierten Leistung des Elektrolysestacks von 25 kW unter der Annahme, dass noch 8 KW Leistung für Peripheriegeräte mit hinzukommen. Sofern der Elektrolyseur unter Volllast betrieben werden kann, können pro Tag ca. 10 kg Wasserstoff erzeugt werden (dunkelgrüne Bereiche). Allerdings ergeben sich anhand der bereits in Abbildung 2 aufgezeigten Zeiten ohne Stromerzeugung an der Wasserkraftanlage auch längere Zeiträume, in denen keine Wasserstofferzeugung möglich ist (dunkelrote Bereiche). Die höchste Anzahl an Tagen ohne Wasserstofferzeugung ergibt sich für das Jahr 2018 mit knapp 100 Tagen. (2018 war das trockenste Jahr im Betrachtungszeitraum.) Für den im Projektzeitraum von h2well-compact in den Herbst- und Wintermonaten angesetzten Probebetrieb kann jedoch, wie Abbildung 3 zeigt, in der Regel von der Möglichkeit eines Volllastbetriebs des Elektrolyseurs ausgegangen werden.

Abb. 3 - Theoretisches tägliches H2-Erzeugungspotenzial an der Kleinwasserkraftanlage in den Jahren 2000 bis 2020 unter Verwendung eines 25 kW Elektrolysestacks (Peripherie: 8 kW)

Die Professur Energiesysteme bringt ihre Expertise in der Systemmodellierung weiterhin bei der Entwicklung eines Tools zur Dimensionierung der Anlage und ihrer Komponenten ein. Ein mit der Dimensionierung verbundenes Ziel ist das Ausloten von unterschiedlichen Elektrolyse-Betriebsregimen, die sowohl auf die jeweiligen Ausgangsbedingungen zur Wasserstofferzeugung als auch an wechselnde Wasserstoff-Bedarfe adaptiert und darauf ausgelegt sind.

Die Umsetzungsarbeiten am Elektrolysestandort an der Kleinwasserkraftanlage haben bereits am Ende des Jahres 2022 begonnen. Für die Aufstellung des PEM-Druckelektrolyseurs und des zugehörigen H2-Primärspeichers wurden eine Zaunversetzung, ein Bodenaustausch und Leerrohrverlegungen durchgeführt, sowie die Punktfundamente für den Elektrolysecontainer hergestellt. Abbildung 2 zeigt den aktuellen Stand der Arbeiten auf dem Gelände der Kleinwasserkraftanlage. 

Abb. 4 - Stand der Umsetzungsarbeiten am Elektrolysestandort auf dem Gelände der Kleinwasserkraftanlage in Oberroßla.

Reiner Wasserstoff für einen neu entwickelten Typus der H2-Betriebstankstelle

Der treibhausgasneutral erzeugte Wasserstoff soll an eine neuartige Betriebstankstelle geliefert werden, deren Prototyp in h2well-compact entwickelt wird. An dieser sollen Brennstoffzellenfahrzeuge in Zukunft günstiger tanken können. Denn dank einer Hochdruckspeicher-Kaskade können die Wasserstoffdrucktanks der Fahrzeuge per Überströmen befüllt werden, ohne dass ein vor Ort installierter Verdichter zur Komprimierung des Gases nötig wäre – ein signifikanter Kostenpunkt bei konventionellen H2-Tankstellen. Im Rahmen von h2well-compact soll für den Probebetrieb der H2-Tankstelle ein Brennstoffzellen-Gabelstapler in einem ortsansässigen Unternehmen in Apolda betankt werden. Durchschnittlich werden pro Betriebstag 3,3 kg Wasserstoff an der Tankstelle  für den Gabelstapler benötigt.

Mobile Speicherung und Verdichtung für die flexible Wasserstoffauslieferung

Für die Auslieferung des Wasserstoffs konzipieren die Projektpartner eine mobile Speicherlösung, die über einen on-board-Verdichter verfügt, um die Hochdruckspeicher an der Tankstelle zu befüllen. Der mobile Verdichter absolviert derzeit Dauerlauftests und wird voraussichtlich im Sommer 2023 in die Wechselbrücke integriert. Mit dieser flexiblen Lösung können unterschiedliche Abnehmer, zum Beispiel auch Industrieunternehmen, mit Wasserstoff beliefert werden. So soll die dem Projekt zugrundeliegende Vision verwirklicht werden, ein grünes H2-Versorgungskonzept mit kurzen und flexiblen Logistikketten zu konzipieren, von dem mehrere Infrastruktur- und Wirtschaftsbereiche profitieren.

Pop-up Ausstellung zum Wasserstoffversorgungssystem

Dank einer Pop-Up-Ausstellung, die im Rahmen des Vorhabens entworfen wird, können sich Interessierte anhand anschaulichen Exponaten zur Wasserelektrolyse und Brennstoffzellentechnologie über die in h2well-compact entwickelten H2-Innovationen informieren. 

Veröffentlichte Arbeiten

Wagner S, Jentsch MF (2023)
Verfahrensleitfaden für die Planung dezentraler Wasserstoffinfrastruktursysteme für Mobilitätsanwendungen → Beitrag anzeigen

Wagner S, Jentsch MF, Meyer N, Büttner S (2022)
Standortplanung von dezentralen H2-Erzeugungsanlagen an Erneuerbaren-Energie-Anlagen am Beispiel einer Kleinwasserkraftanlage29. REGWA Energiesymposium, Stralsund, 09-11 November 2022, 262-271. → Beitrag anzeigen

Meyer N, Jentsch MF, Wagner S (2022)
Entwicklung eines Dimensionierungswerkzeugs für die überschlägige Auslegung dezentraler Wasserstofferzeugungs- und Verbrauchsinfrastrukturen für die H2-Mobilität, 29. REGWA Energiesymposium, Stralsund, 09-11 November 2022, 153-162. → Beitrag anzeigen