Wärme – Strom – Verkehr: Verknüpft durch Energiespeicher

Wasserstoff zuverlässig tanken: Testanlage für PEM-Elektrolyse vorgestellt

Wohin mit Strom aus Windkraft, wenn die Nachfrage auf dem Strommarkt gering ist und die Netze an ihre Grenzen kommen? Ein Lösungsansatz ist die Herstellung von Wasserstoff mittels Elektrolyse. Mit diesem Wasserstoff können dann zum Beispiel an Wasserstofftankstellen Brennstoffzellenautos betankt werden. Damit der mittels Elektrolyse gewonnene Wasserstoff genauso zuverlässig getankt werden kann wie Benzin und Diesel heute, untersuchen und vergleichen die DLR-Energieforscher unterschiedliche Elektrolyseverfahren – direkt vor Ort an einer bereits existierenden Wasserstofftankstelle des Energieversorgers EnBW im Stuttgarter Osten.

Bisher wird der dort benötigte Wasserstoff mittels alkalischer Elektrolyse bereitgestellt, einem technisch ausgereiften, langlebigen und zuverlässigen Verfahren. Zusätzlich zur existierenden Anlage bauen die DLR-Wissenschaftler eine Polymer-Membran-Elektrolyse (PEM-Elektrolyse) auf und erproben sie. "Die PEM-Elektrolyse hat unter anderem den Vorteil, dass sie von der Anlagengröße wesentlich kompakter ist und hoch dynamisch betrieben werden kann", erklärt Projektleiter Dr. Fabian Burggraf. Alkalische Elektrolyseanlagen fahren am effizientesten unter kontinuierlicher Volllast. Im Gegensatz dazu können PEM-Elektrolyseanlagen schnell hoch- und runtergefahren, in unterschiedlichen Lastbereichen problemlos betrieben werden und auch einige Stunden Überlast verkraften. "Das sind alles sehr wichtige Eigenschaften, wenn wir in Zukunft Wasserstoff aus erneuerbaren, aber stark fluktuierenden Ressourcen wie Windkraft erzeugen wollen", fasst Burggraf zusammen.

Gleichzeitig handelt es sich um eine vergleichsweise junge Technologie mit erheblichem Forschungs- und Entwicklungsbedarf: So will das Team um Burggraf beispielsweise herausfinden, wie sich das PEM-System im Betrieb unter realistischen Bedingungen verhält und sich Komponenten hinsichtlich ihrer Leistung, Lebensdauer und Langzeitstabilität weiter verbessern lassen. Außerdem sollen beide Elektrolysearten in einem gekoppelten Betrieb bewertet und miteinander verglichen werden. "Die Idee liegt nahe, beide Technologien zu verbinden, also die konstante Grundversorgung der Tankstelle mit Wasserstoff aus der alkalischen Elektrolyse abzudecken und die PEM-Elektrolyse für Spitzenlasten und als Puffer bei Bedarf dazu zu schalten", erklärt Burggraf. Welche Steuerungs- und Regelungstechnik dazu notwendig ist und ob sich durch die Kopplung Synergien für den Praxiseinsatz schaffen lassen – diesen Fragen wollen die Wissenschaftler im Zuge dieses deutschlandweit einmaligen Projekts auf die Spur gehen.

Szenarien der Versorgungssicherheit in Süddeutschland

Gemeinsam mit der Universität Stuttgart haben die Systemanalysedes DLR-Institut für Technische Thermodynamikin zwei Studien die Entwicklung der Versorgungssicherheit in Süddeutschlandbis zum Jahr 2025 untersucht. Sie betrachteten dabei unter anderem die zukünftige Spitzenlast und gesichert verfügbare Erzeugungsleistung sowie die Beiträge von Stromnetzen und fluktuierenden erneuerbaren Energien. Unter Verwendung des DLR-Energiesystemmodells REMixuntersuchten sie für verschiedene Szenarien im Detail, wie wahrscheinlich Deckungslücken auftreten und wie groß diese sein können.

"Die Studien zeigen, dass es unter bestimmten Voraussetzungen in Deutschland bis 2025 zu Versorgungsengpässen kommen kann. Ob und wann diese auftreten, hängt stark ab von der weiteren Betriebsdauer existierender Kraftwerke, aber auch dem Ausbau erneuerbarer Energien und des Stromnetzes", fasst DLR-Wissenschaftler Dr. Hans Christian Gils zusammen. Für Süddeutschland rechnen die Forscher mit Defiziten von bis zu 0,5 Gigawatt, was ungefähr zwei mittelgroßen Gaskraftwerken oder der Spitzenerzeugung von 150 Windenergieanlagen entspricht. Ob durch weitere Kraftwerke, Speicher, Netzausbau, Lastmanagement oder Sektorenkoppelung – wie diese Engpässe am günstigsten zu vermeiden sind, steht im Fokus zukünftiger Arbeiten.

Strom aus Erneuerbaren in flüssigen Kraftstoffen speichern

Ein weiterer Weg, um momentan nicht benötigten Strom aus fluktuierenden erneuerbaren Energiequellen zu nutzen, ist die Herstellung von synthetischen flüssigen Kohlenwasserstoffen. Diese sind bei Umgebungstemperatur flüssig und nutzen – im Gegensatz zu Wasserstoff – die bereits vorhandene Tank- und Lagerinfrastruktur. Von Interesse sind sie vor allem als Treibstoff für den Schwerlast-, Schiffs- und Flugverkehr: Sie verbrennen CO2-neutral und können in bestehenden Brennkammern und Turbinen zum Einsatz kommen. Im Zuge einer techno-ökonomischen Bewertung haben die DLR-Energieforscher mittels einer verfahrenstechnischen Prozeßimulation untersucht, welche Wege es gibt, um flüssige Kohlenwasserstoffe besonders preiswert herzustellen. Zudem analysierten sie, wie sich diese Technologie eignet, um preiswerten erneuerbaren Strom für die Energiewende im Transportsektor einzusetzen.