Sektorlyseur

Kompakt-Hochdruckelektrolyse für den urbanen Raum

Projekttitel:
Sektorlyseur – Sektorengekoppelter Kompakt-Hochdruckelektrolyseur

Teilprojekt: Entwicklung und Bilanzierung von Anwendungsszenarien zur sektorenübergreifenden Steigerung der Energieeffizienz von Gebäuden und Quartieren in den Bereichen Elektrizität, Mobilität und Wärme durch die Nutzung von Kompakt-Hochdruckelektrolyseuren

Fördernde Einrichtung:
Thüringer Aufbaubank (TAB), Europäischer Fonds für regionale Entwicklung (EFRE)

Projektdauer:
01.06.2019 - 31.05.2021

Leiter des Projekts:
Prof. Dr. Mark Jentsch

Projektpartner:
AVX/Kumatec Hydrogen GmbH & Co. KG, ISLE Steuerungstechnik und Leistungselektronik GmbH

Am Projekt beteiligte Personen:
Bauhaus-Universität Weimar: Prof. Dr. Mark Jentsch, Nicole Meyer M.Sc. 

Projektbeschreibung

Wasserstoff aus erneuerbarem Strom ist nicht nur für industrielle Anwendungen ein probates Mittel zur Steigerung der Energieeffizienz und Minderung von Emissionen. Auch im kleinen Maßstab, zum Beispiel für den Einsatz auf Quartiersebene im urbanen Raum, können Wasserstofflösungen einen entscheidenden Beitrag zur sektorenübergreifenden Energiewende leisten. Das Verbundvorhaben Sektorlyseur setzt hier an und untersucht die kleinskalige Erzeugung von Wasserstoff aus fluktuierender erneuerbarer Elektrizität in Verbindung mit deren Nutzungspotentialen in verschiedenen Brennstoffzellenanwendungen für Mikromobilitätslösungen, Kleingeräte und in Solar-Home-Hydrogen-Systemen. Kern des von der Thüringer Aufbaubank (TAB) und dem Europäischen Fonds für regionale Entwicklung (EFRE) geförderten Projekts ist die Entwicklung eines Kompakt-Hochdruckelektrolyseurs/Sektorlyseurs (AVX/Kumatec) mit integrierter Stromversorgung (ISLE) im Leistungsbereich von 2 kW bis 10 kW. Im Zuge der technischen Konzeption und Umsetzung des Sektorlyseurs werden von der Bauhaus-Universität Weimar verschiedene Betriebsszenarien für eine optimierte Wasserstofferzeugung in Abhängigkeit des Stromdargebots aus erneuerbaren Quellen und der unterschiedlichen Energiebedarfe der betrachteten Anwendungsfälle eruiert und validiert. Ein mit Realdaten gespeistes Simulations-Modul soll Erkenntnisse zum Marktpotential für den im Kompakt-Hochdruckelektrolyseur erzeugten Wasserstoff, einschließlich der Speicherung, liefern. Damit der Betrieb von Brennstoffzellen in mobilen Kleinanwendungen rentabel ist, bedarf es eines platz- und gewichtssparenden Wasserstoffspeichersystems, das einfach befüllt werden kann. Kartuschen sind hierbei die präferierte Lösung, da sie schnell auszuwechseln sind und ihre Dimensionierung und Speicherkapazität je nach Anwendungsbedarf angepasst werden kann.

Mit Wasserstoff mehr Reichweite und Nutzlast bei mobilen Anwendungen – erste Teilergebnisse

Eine erste Auswertung von Simulationen mit Realdaten für Anwendungsbeispiele in der Mikromobilitätzeigt, dass hinsichtlich Reichweite und möglichem Zuladungsgewicht die kompakte Dimensionierung von Brennstoffzelle und Wasserstoffspeicher bei Mobilitätsanwendungen entscheidende Vorteile gegenüber anderen Antriebstechniken bieten kann. So zeigt die bislang erfolgte Datenauswertung, dass eine Verdoppelung der Nutzungszeiten respektive der zulässigen Nutzlast im Vergleich zu batteriebetriebenen Modellen möglich sein kann. Die erweiterte Zuladungsmöglichkeit ist besonders interessant, da auf dem Markt verfügbare Systeme bis dato den Transport von schwerer Ausrüstung wie z.B. Messtechnik für die Überwachung von Bauwerken nicht erlauben. Mobile Arbeitsgeräte in der Garten- und Landschaftspflege stellen ein weiteres Einsatzgebiet für die Sektorlyseurlösung dar, die Gegenstand der Untersuchung durch die Bauhaus-Universität sind. Weitere Analysen der Daten bezüglich einer optimierten Gestaltung des Kartuschensystems für die verschiedenen Anwendungen erfolgt nun als nächster Schritt in der Eruierung des Marktpotentials.

Ausblick Untersuchung der Bedingungen für energieautarke Haushalte

Neben den obengenannten mobilen Anwendungsfällen ist der wirtschaftliche Betrieb des Sektorlyseurs in Kombination mit einem fest installierten Solar-Home-Hydrogen-System vielversprechend. Im Vorhaben soll ergründet werden, inwiefern das System zur energetischen Autarkie eines 3-Personenhaushalts mit durchschnittlichem Energieverbrauch dienen kann. Ziel ist es, saisonale Spitzen in der Solarenergie für die Umwandlung von Wasser in Wasserstoff zu nutzen und in einem 100 bar Wasserstoff-Langzeitspeicher für die spätere Rückverstromung (oder Wärmenutzung) vorzuhalten.

Abb. 1 - Visualisierung der Energiespeicherkette im Solar Home Hydrogen System

Innovation

Die Entwicklung eines leistungsstarken, aber kleinskaligen Kompakt-Hochdruckelektrolyseurs, der in der Lage ist, Wasserstoff mit 100 bar bereitzustellen, schließt eine Lücke in der Wasserstoffinfrastruktur. Bestehende Elektrolyse-Anlagen sind zum einen mehrheitlich auf die Ausgabe von Wasserstoff mit 30 bis 40 bar begrenzt und zum anderen sind deren Kapazitäten entweder auf einen sehr kleinen Verbrauch im Labormaßstab oder einen großen Bedarf im Industriemaßstab ausgerichtet. Der Sektorlyseur eröffnet neue Anwendungspotentiale und erschließt neue Nutzergruppen für eine bottom-up getriebene, dezentrale Wasserstoffinfrastruktur. Ferner ist eine sektorenübergreifende Verwertung des im Sektorlyseur-Betrieb erzeugten Wasserstoffs durch die Verknüpfung verschiedener Kleinanwendungen (z.B. Mikromobilität im Zusammenspiel mit dem Solar-Home-Hydrogen-System) denkbar, womit ein zentrales Element der Energiewende, nämlich die Sektorenkopplung, auch auf der Mikro-Haushaltsebene umgesetzt würde.