Forschungsprojekt Digi-HyPro
Digitalisierte Wasserstoffprozesskette für die Energiewende
Im Projekt soll das Zusammenspiel zwischen Elektrolyseur, Metallhydridspeicher, Brennstoffzelle, Gasnetz und Gasverbraucher analysiert und durch umfassende Systemsimulationen mit Hilfe einer digitalen Smart-Energy-Transform-Box (SET-Box) optimiert werden, um die Komponenten optimal für eine energie- und kosteneffiziente Wasserstoffspeicherung ohne fossile Brennstoffe aufeinander abstimmen zu können.
Forschungsprojekt Digi-HyPro | |
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Laufzeit | Oktober 2020 bis September 2024 |
Förderung durch | dtec.bw – Zentrum für Digitalisierungs- und Technologieforschung der Bundeswehr |
Projektbeteiligte | - Helmut Schmidt Universität
- Institut für Vernetzte Energiesysteme
- Helmholtz-Zentrum hereon GmbH
- Technische Universität Hamburg
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Neben der preisgünstigen Erzeugung spielt eine sichere sowie langzeitstabile Speicherung von Wasserstoff eine zentrale Rolle, um größere Fluktuationen zwischen der Energiegewinnung aus nachhaltigen Quellen und dem Bedarf aus Mobilität, Wärme und Stromsektor sicher zu stellen. Durch eine sektorengekoppelte Umsetzung dieser Bereiche kann somit eine kontinuierliche Versorgung mit Energie auch zur Überbrückung längerer Dunkelflauten ohne fossile Energieträger erreicht werden.
Bei Normaldruck und -temperatur ist Wasserstoff ein extrem leichtes Gas und lässt sich nur schwer speichern. Für eine kompakte Speicherung, z.B. in Fahrzeugen, ist bisher ein hoher Druck bis 700 bar erforderlich. Eine alternative Verflüssigung des Wasserstoffs ist energieaufwändig und fordert circa 15-30 % des Wasserstoff-Energieinhaltes ein.
Eine energieeffiziente und kompakte Lösung stellt die Speicherung in sogenannten Metallhydriden, genauer Metall-Wasserstoff-Verbindungen dar. Hierin lässt sich gegenüber der Hochdruckwasserstoffspeicherung die doppelte volumetrische Kapazität bei wesentlich niedrigerem Druck erreichen. Gerade bei stationärem Einsatz, z.B. in Ballungsgebieten, weisen Metallhydridspeicher deshalb einen wesentlich kleineren Raumbedarf aus. Die Speicherung von Wasserstoff ist dabei zu 100 % reversibel, erfordert jedoch auf die jeweilige Anwendung zugeschnittene Auslegungen hinsichtlich Ein- und Ausspeicherleistung und ein passendes Wärmemanagement, da bei der Einspeicherung Wärme entsteht und bei der Ausspeicherung Wärme benötigt wird.
In diesem Projekt sollen die Entwicklung und Erprobung einer Container-Lösung für eine digitale Smart-Energy-Transform-Box (SET-Box) realisiert werden. Ein solches System kann modular – und damit skalierbar – sowie dezentral an verschiedenen Stellen eingesetzt werden. Innerhalb der Box kann Wasserstoff durch einen Elektrolyseur erzeugt und nach Durchlaufen einer Membrantrocknung kompakt und sicher in einem Metallhydridspeicher gespeichert oder dem Erdgasnetz zugeleitet und ebenso bei Bedarf entnommen werden. Für die Entnahme aus dem Gasnetz sollen effiziente Polymer-basierte Membranen für die Grobtrennung von Erdgas und Wasserstoff und wiederum Metallhydride zur Feintrennung erprobt werden. Der Wasserstoff aus dem Zwischenspeicher oder dem Gasnetz kann neben der Nutzung in der Brennstoffzelle auch über Metallhydrid-Kompressoren an andere Systeme auf einem höheren Druckniveau abgegeben und beispielsweise zur Betankung von Fahrzeugen (LKW, PKW, Schiffe, etc.) genutzt werden. Die SET-Box ermöglicht somit eine flexible Transformation der Energie und kann die Strom-, Gas- und Mobilitätsnetze netzdienlich und zuverlässig koppeln. Durch die parallele Abbildung des Gesamtkonzepts mit digitalen Zwillingen können die grundlegenden Materialgesetze und das gewünschte Anwendungsprofil im Gesamtsystem erstmals skalenübergreifend verknüpft werden.
Das Institut für Vernetzte Energiesysteme entwickelt einen digitalen Zwilling der SET-Box und simuliert die Energieflüsse und systemischen Wechselwirkungen der sektorenkoppelnden Elemente des Gas-, Strom- und Wärmenetzes. Damit wird die Entwicklung der Komponenten unterstützt und bietet eine Prognose auf zukünftige Einsatzmöglichkeiten inklusive Hochskalierung der SET-Box.
