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Direkte solare Wasserstofferzeugung - Entwicklung einer technisch und wirtschaftlich effizienten Anlage

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Schönberger, S.; Regitschnig, T.; Wolfart, A.; Frank, O.; Knetsch, N.; Reise, C.; Singer, R.; Volgstätter, C.

2019

Projektbericht - Abschlussbericht; Projektbericht - Forschungsberichtsblatt

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Beschreibung

Grüner Wasserstoff wird derzeit überwiegend aus Wind- oder Überschussstrom in Demo-Anlagen erzeugt, die jedoch nicht wirtschaftlich arbeiten und meist nach Ende des Förderzeitraumes ihren Betrieb wiedereinstellen. In Baden-Württemberg ist die Photovoltaik der primäre regenerative Energieträger. Photovoltaik-Anlagen im MW-Maßstab liefern inzwischen den mit Abstand günstigsten Grünstrom (per 01.02.2018: 4,33 ct/kWh). Für die großtechnische Wasserstofferzeugung in Baden-Württemberg sind damit sowohl die Kerntechnik der Elektrolyse als auch günstiger Grünstrom verfügbar. Mit dem vorliegenden Projekt sollen vorhandene technische Komponenten neu so zusammengefügt werden, dass sich eine technisch und wirtschaftlich effiziente Erzeugung grünen Wasserstoffs ergibt. Projektnachgelagertes Ziel der Unigea Solar Projects GmbH ist die Errichtung einer Wasserstoffanlage mit direkter DC/DC-Koppelung zwischen Elektrolyse und PV-Anlage.

 

Hierzu wurden im Rahmen dieses Projektes wesentliche technische, wirtschaftliche und rechtliche Fragestellungen geklärt:

  • Die Kernkomponente einer direkten elektrotechnischen Koppelung in Form eines DC/DCStellers wurde im leistungselektronischen Labor des Fraunhofer ISE vermessen. Die standardmäßig gelieferte Stromregelung des DC/DC-Stellers konnte zu einer hier deutlich effektiveren Spannungsregelung umparametrisiert werden. Der DC/DC-Steller ist generell geeignet für die vorgesehene Verwendung und liefert Gesamtwirkungsgrade im Bereich von 98%. Darüber hinaus besteht weiteres Verbesserungspotenzial an den DC/DC-Stellern bei Hard- und Software.
  • Eine elektrische Anlagentopologie wurde erstellt und auf die Zielfragestellung hin optimiert. Das Konzept besteht aus einer DC-Schiene, deren Spannung durch den Betriebspunkt der direkt gekoppelten Elektrolyse-Zellstapel vorgegeben wird. Weitere DC/DC- und DC/AC-Steller passen die Spannung an die Pufferbatterie für den Nachtbetrieb an und unterhalten ein kleines batteriegestütztes AC-Inselnetz. Der Inselbetrieb der Gesamtanlage resultiert aus den gegenwärtig gegebenen rechtlichen Rahmenbedingungen.
  • Die Photovoltaik-Anlage wurde hinsichtlich der Wasserstoff-Gestehungskosten unter Berücksichtigung der Wasserstoff-Verbrauchsprofile optimiert. Eine Überdimensionierung bei strikter Südausrichtung der PV-Tische ergab die geringsten Wasserstoff-Gestehungskosten. Diverse Variationen der PV-Anlage konnten die Wasserstoff-Gestehungskosten nicht weiter reduzieren. Ein Batteriepuffer erwies sich als sinnvolle Komponente zur Erhöhung des Ertrags und Reduzierung der Kosten, sofern der Unterschied zwischen Batterie- und Elektrolyseurkosten dem im Projekt angenommenen Werten entspricht.
  • Eine konkrete Anlage wurde konzeptioniert und optimiert. Diese Anlage enthält neben der o.g. elektrischen Komponenten ein leichtes Peak-Shaving mittels diverser stromverbrauchender Nebenaggregate wie Wasserreinigung, Kompression etc. Zur Deckung der Winterlücke wird ein Anlagenteil zeitweise ausgegliedert und mit grünem Netzstrom betrieben.
  • Das wirtschaftliche Geschäftsmodell wurde validiert und eine Wirtschaftlichkeitsrechnung auf Basis der Grenzkostenrechnung simuliert.

 

Die Ergebnisse des Projektes zeigen, dass PV-Wasserstoff unter gegebenen rechtlichen Rahmenbedingungen in Baden-Württemberg und Deutschland mit dem vorgestellten Konzept für ca. 8 €/kg produziert werden kann. Die rechtlichen Randbedingungen sind nicht optimal, wurden aber als gegeben akzeptiert und bei allen Betrachtungen berücksichtigt.

Ob der Wasserstoff damit wirtschaftlich ist, ergibt sich aus dem Wert des grünen Wasserstoffs für den Kunden und aus dem Wettbewerb, der nicht immer unter den gleichen Randbedingungen agiert (bspw. Anerkennung als energieintensives Unternehmen).

Im Verlauf des Projektes haben sich auch diverse Erkenntnisse ergeben, die einen weiteren Entwicklungsbedarf aufzeigen, der eine weitere spürbare Kostensenkung und Verbesserung des Konzeptes verspricht.

Das Projekt trägt wesentlich dazu bei, den anfänglich schwierigen Übergang von fossilen auf kohlenstofffreie Energieträger, zunächst insbesondere im Mobilitätsbereich, zu meistern.