Beschreibung

Ziel des Ende 2017 abgeschlossenen Projektes Energieverbund Freiburg war die Entwicklung und Demonstrierung von Wasserstoff-Erzeugungsanlagen auf Basis von Elektrolyseuren als Teil eines kommunalen Energieverbunds. Hierfür wurden zwei Demonstrationsanlagen geplant, implementiert und getestet, welche einerseits die Machbarkeit von Power-to-Gas im Verbund demonstrierten und andererseits als Plattform für den Test von Betriebsführungsalgorithmen dienen. Für den Betrieb des Elektrolyseurs als Teil des kommunalen Energieverbundes wurde eine Demonstrationsanlage auf dem Gelände des Fraunhofer ISE im Industriegebiet Nord errichtet. Die Anlage enthält einen 120 kW Elektrolyseur, eine Gas-Aufbereitungsanlage, einen Gas-Speicher mit 1,8 m³ Volumen, der bei Elektrolyse-Druck (max. 35 bar) betrieben wird und damit ca. 2,5h Wasserstofferzeugung bei Volllast zwischenspeichern kann. Der erzeugte Wasserstoff wird mit bis zu 2 Vol-% Anteil in das kommunale Erdgasverteilnetz der bnnetze eingespeist. Betriebsalgorithmen wurden aus verschiedenen betrachteten Geschäftsmodellen ausgewählt, entwickelt und auf die Zielanlage portiert. Hierbei wurden Betriebs-Algorithmen, die sich am Strommarkt, an den regionalen erneuerbaren Energien und an der Netzsituation orientieren, implementiert und an der Demonstrationsanlage getestet. Vor allem der Algorithmus Mischbetrieb "EEX & regionale-EE-Erzeugung" erlaubt eine kombinierte Berücksichtigung von lokaler Stromerzeugung aus erneuerbaren Energien und der deutschlandweiten Situation (abgebildet durch die Preise an der EEX Day-Ahead Strombörse). Für die Umsetzung wurde dabei eine modellprädiktive Regelung, welche die Speicherbewirtschaftung optimiert und trotz der Restriktionen im Gasnetz einen möglichst optimalen Betrieb erlaubt entwickelt, auf die Demonstrationsanlage übertragen und dort erfolgreich seit August 2017 betrieben. Für den Betrieb des Elektrolyseurs als Teil eines bspw. Industrie-oder gewerblichen Microgrids wurde das an der Hochschule Offenburg bestehende Smart Grid Labor mit seiner Wasserstoffsystemeinheit in einem Feldversuch zum Einsatz gebracht. Dieses Demonstrationsnetz umfasst eine Photovoltaikanlage, einen großen Batteriespeicher sowie das Wasserstoffsystem, bestehend aus einem Elektrolyseur, einem Wasserstoffspeicher und einer Brennstoffzelle. Auch ein Teil der Stromverbraucher in den Büros sowie ein vorhandenes, batterieelektrisches Fahrzeug sind Teil des INES Smart Grids. Für diesen Fall wurde entschieden, das Ziel der optimierten Nutzung von Überschussstrom zu verfolgen, d.h. eine größtmögliche Unabhängigkeit vom Energieversorger und einen planbaren Austausch zum Stromnetz der öffentlichen Versorgung (Eigenverbrauchsmaximierung sowie die Kappung der Spitzenlast). Der Anwendungsfall Microgrid wurde exemplarisch für das INES-Microgrid modelliert und darauf folgend ein Optimierungsmodell entwickelt, welches Einsatzfahrpläne für alle relevanten Systemkomponenten liefert. Die Simulationen zeigen, dass das Wasserstoffsystem zwar zu einer deutlich erhöhten lokalen Stromnutzung der PV-Anlage führt, aber andererseits der Elektrolyseur einen hohen Standby-Bedarf (vor allem bei kleinen Elektrolyseuren typisch) und einen niedrigen Gesamtnutzungsgrad aufweist. Die zum INES-Modellnetz gehörigen Komponenten konnten mit dem im Projekt Steuerungssystem einzeln gemäß der vom entwickelten Algorithmus vorgegebenen Fahrplänen erfolgreich gesteuert werden und können damit die prinzipielle technische Eignung beweisen.