Klimaneutrale Quartiere mit PV- und Elektrolyseanlage

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15. Februar 2023

Klimaneutrale Quartiere mit PV- und Elektrolyseanlage

In dem Forschungsvorhaben H2-Quartiere untersucht das Steinbeis-Innovationszentrum energieplus (kurz siz e+) bis 2024, wie eine dezentrale und verbrauchernahe Wasserstoffproduktion mittels Elektrolyse (kurz: ELY) umgesetzt werden kann. Im Auftrag des Bundesministeriums f√ľr Wirtschaft und Klimaschutz werden dabei sechs Vorzeigequartiere mit ELY im urbanen und suburbanen Raum in Baden-W√ľrttemberg analysiert und auf technisch-wirtschaftliche H√ľrden hin √ľberpr√ľft. Die Ergebnisse werden in einer Marktanalyse f√ľr Elektrolyseure vorgestellt.

Diese Untersuchung basiert auf 23 Betreiber- und Herstellerinterviews, wobei die Analyse des Herstellermarkts auf Firmen begrenzt ist, die mit einer Niederlassung in Deutschland ans√§ssig sind. Bei Herstellern ohne Niederlassung in Deutschland w√ľrde eine schnelle Verf√ľgbarkeit von Service-Personal im Instandsetzungsfall infrage stehen. Die Ergebnisse dieser Marktanalyse gew√§hren Einblick in die aktuelle Situation hinsichtlich Investitionskosten (kurz: CAPEX), Wirkungsgraden, Stack-Temperaturen sowie Herausforderungen f√ľr Betreiber beim Vertrieb von gr√ľnem Wasserstoff.

Betrachtung der Betreiberseite

In Deutschland befinden sich aktuell 13 √∂ffentlich bekannte Elektrolyseanlagen mit einer Leistungsaufnahme von √ľber 1 MW im Betrieb (Stand 202). Diese verf√ľgen gemeinsam √ľber eine ELY-Kapazit√§t von rund 70 MW. Von sieben interviewten Betreibern von ELY-Gro√üanlagen beanstanden zwei die mangelnde Normung im Stack-Markt. Es w√§re vorteilhaft, wenn man beim Stack-Austausch nicht an den urspr√ľnglichen Hersteller gebunden w√§re, hei√üt es. Ein Betreiber √§u√üert zudem Zweifel, was au√üereurop√§ische Hersteller betrifft, hinsichtlich der schnellen Verf√ľgbarkeit von Service-Monteuren im Fall einer Betriebsst√∂rung.

* (Inbetriebnahme zum Zeitpunkt der Ver√∂ffentlichung noch nicht erfolgt, aber f√ľr 2022 angek√ľndigt)

Hinsichtlich des politisch avisierten Scale-ups merken f√ľnf von sieben Betreibern an, dass es f√ľr weitere Investitionen nicht genug Abnehmer beziehungsweise Nachfrage nach gr√ľnem Wasserstoff gibt. Dies zeigt sich auch bei den bisherigen Verwertungswegen von gr√ľnem Wasserstoff. Sechs von 13 Elektrolysegro√üanlagen speisen ihren Wasserstoff bislang in das Erdgasnetz ein. Lediglich sechs liefern Wasserstoff an die Industrie und eine ausschlie√ülich in den Mobilit√§tssektor. Aus volkswirtschaftlichen und √∂kologischen Gr√ľnden sollte gr√ľner Wasserstoff vorwiegend in sonst schwer zu dekarbonisierenden Industrieprozessen eingesetzt werden [Agora Energiewende, 2021].

Die Erfahrungen eines Anlagenbetreibers waren von diversen Herausforderungen gepr√§gt: Der Errichtungsprozess verz√∂gerte sich insbesondere durch Lieferschwierigkeiten und mangelhafte Leistungen einzelner Baufirmen. Inbetriebnahme und Genehmigungsprozess wurden durch zus√§tzliche Sicherheitsauflagen des zust√§ndigen Regierungspr√§sidiums unverh√§ltnism√§√üig erschwert. Der Betrieb nach der Fertigstellung wurde durch stark steigende, volatile Strompreise beeintr√§chtigt. Trotz dieser Herausforderungen plant der Betreiber die Errichtung einer noch gr√∂√üeren ELY-Anlage. Das Unternehmen ist der Ansicht, der Vorteil durch das langfristige √∂kologische und wirtschaftliche Potenzial gr√ľnen Wasserstoffs werde die Nachteile mittelfristig √ľberwiegen.

Betrachtung der Herstellerseite

Die Investitionskosten (CAPEX-Kosten) von Wasserelektrolyseuren befinden sich aktuell verfahrens√ľbergreifend bei Gro√üanlagen bei ca. 1.000 ‚ā¨/kWel. Die Vergleichbarkeit ist allerdings zum Teil schwierig, da hinsichtlich der Balance-of-Plant (Anlagenperipherie; kurz: BoP) nicht alle Hersteller den gleichen Leistungsumfang anbieten. Die befragten Akteure planen den Ausbau zunehmend automatisierter Produktionslinien, was die CAPEX-Kosten wesentlich senken k√∂nnte. Bei PEM lag der BoP-Kostenanteil 2020 bei 55 Prozent [IRENA, 2020]. Seitdem ist das Marktvolumen gestiegen. Es ist jedoch davon auszugehen, dass auch hier durch Skaleneffektive weiterhin beachtliche Kostensenkungen erfolgen werden.

Abbildung 2 zeigt den elektrischen Systemwirkungsgrad (LHV to AC = unterer H2-Heizwert bis Wechselstrom) der insgesamt 17 Elektrolyseure von neun unterschiedlichen Herstellern, anonymisiert aufgeteilt nach dem Elektrolyseverfahren. Es handelt es sich um alkalische Elektrolyseure (AEL), Proton-Exchange-Membrane-Elektrolyseure (PEM) und Anion-Exchange-Membrane-Elektrolyseure (AEM). Es werden nur die Fabrikate von Herstellern ber√ľcksichtigt, die in Deutschland ans√§ssig sind und bereits √ľber Referenzen verf√ľgen. Solid-Oxyde-Elektrolyseure (SOEL) werden aufgrund des prozessbedingten W√§rmebedarfs auf hohem Temperaturniveau nicht mitbetrachtet.

Dargestellt werden Minimum, Mittelwert und Maximum der Herstellerangaben je Elektrolyseverfahren. Die untersuchten Fabrikate bewegen sich verfahrens√ľbergreifend auf √§hnlichem Niveau, wobei AEL leicht h√∂here Werte aufweisen. Die Vergleichbarkeit der Herstellerangaben ist allerdings in Frage zu stellen. Aktuell existieren keine Normen bzw. Richtlinien, die einen Standard definieren, der besagt, unter welchen vergleichbaren Bedingungen der Wirkungsgrad zu ermitteln ist.

Auff√§llig ist, dass einige Hersteller f√ľr Fabrikate aller Gr√∂√üen den gleichen Systemwirkungsgrad angeben. Dies deutet darauf hin, dass der Stromverbrauch der BoP nur √ľberschl√§gig ber√ľcksichtigt wird. Bei manchen Angaben ist unklar, ob die Angabe des Wirkungsgrades als Momentaufnahme beim ‚ÄěBeginning of Life‚Äú oder als Mittelwert √ľber die gesamte Lebensdauer erfolgt. Ferner liegen oft auch keine Informationen dar√ľber vor, bei welchem Lastzustand der Wirkungsgrad gemessen wurde.

Durch Abw√§rmenutzung kann eine deutliche Steigerung des Gesamtwirkungsgrades erzielt werden. Ein wichtiger Faktor dabei ist das Temperaturniveau der Abw√§rmequelle. Abbildung 3 zeigt die Angaben von neun Herstellern bez√ľglich der Stacktemperaturen beim Betrieb unter Nennlast. Die Stacktemperatur ist die mittlere Temperatur zwischen Ein- und Austritt des K√ľhlmediums aus dem Stack.

Die Stackk√ľhlung ist in der Regel √ľber einen W√§rme√ľbertrager in zwei Kreise aufgeteilt: in einen Prim√§rkreislauf f√ľr die direkte Stackk√ľhlung und einen sekund√§ren Glykolkreis f√ľr die W√§rmeabfuhr an die Umgebung, beispielsweise √ľber einen Tischk√ľhler.

Verfahrens√ľbergreifend betr√§gt die Spreizung zwischen Stack-Eintritts- und -Austrittstemperatur in der Regel nicht wesentlich mehr als 10 Kelvin, da h√∂here Spreizungen zu verst√§rkter Degradation und unterschiedlichen Lastzust√§nden im Stack f√ľhren k√∂nnen [TU Delft, 2019]. Der prim√§re K√ľhlkreislauf ist aufgrund der besonderen Anforderungen an das K√ľhlmedium durch den direkten Kontakt mit den Zellen in der Regel √ľber einen W√§rme√ľbertrager vom Glykolkreis getrennt. Aus Gr√ľnden der hydraulischen Entkoppelung kann ein weiterer W√§rme√ľbertrager im sekund√§ren Glykolkreis f√ľr die Abw√§rmeauskopplung erforderlich sein. Falls hier von einer Gr√§digkeit von beispielsweise 10 Kelvin ausgegangen wird, muss die R√ľcklauftemperatur der Abw√§rmeanwendung zwischen 15 und 20 Kelvin unter den Stacktemperaturen in Abbildung 3 liegen.

In Anbetracht dessen sind alle g√§ngigen Produkte geeignet, gemeinsam mit einem Spitzenlasterzeuger √ľber ein Nahw√§rmenetz ein Bestands- oder Neubaugebiet mit Heizw√§rme zu versorgen. Die Temperatur der meisten AEL ist mit durchschnittlich 76 ¬įC theoretisch hoch genug, um gegebenenfalls eine Trinkwarmwasserversorgung zu erm√∂glichen. In der Praxis zeigen sich jedoch H√ľrden, welche eine Abw√§rmenutzung erschweren. Bei Container-Anlagen werden h√§ufig kompakte W√§rme√ľbertrager mit kleinen √úbertragungsfl√§chen und hohen Gr√§digkeiten eingesetzt, was √§u√üerst niedrige Eintrittstemperaturen auf Seite des K√ľhlmediums erfordert. Beim Einsatz einer W√§rmepumpe ist diese Eintrittstemperatur entscheidend f√ľr die Verdampfungstemperatur des K√§ltemittels. Um eine hohe Effizienz beziehungsweise Leistungszahl der W√§rmepumpe zu gew√§hrleisten, w√§ren gr√∂√üere W√§rme√ľbertrager und h√∂here Eintrittstemperaturen von Vorteil.

Klimaneutrales Quartier

Das Prinzip der Abw√§rmenutzung f√ľr die W√§rmeversorgung wurde vom Steinbeis-Innovationszentrum energieplus in dem Klimaquartier in Esslingen (s. HZwei-Heft Apr. 2021) bereits umgesetzt. Das Projekt basiert auf der Idee eines klimaneutralen Quartiers mit einer m√∂glichst niedrigen Treibhausgasbilanz. Herzst√ľck der Energieversorgung ist ein AEL mit einer ELY-Kapazit√§t von 1 MW, der √úberschussstrom aus den lokalen Photovoltaikanlagen und √ľberregionaler Erzeugung bezieht. Die ELY-Abw√§rme dient gleichzeitig als Energiequelle f√ľr eine W√§rmepumpe. Das Projekt verfolgt den innovativen Ansatz Power-to-Gas-and-Heat, bei dem an sinnvollen Knotenpunkten Wasserstoff verbrauchernah auf lokaler Ebene erzeugt werden soll.

In dem neuen Vorhaben H2-Quartiere wird die m√∂gliche Implementierung dieses Ansatzes in sechs weiteren Vorzeigequartieren untersucht. Durch die Abw√§rmenutzung im Umwandlungsprozess und gleichzeitig kurze Transportwege zu den Endverbrauchern ist dieser Systemansatz potenziell h√∂chst effizient und bietet hohe Synergieeffekte unter dem Aspekt einer integralen W√§rme- und Energiewende. Laut der ZIA-Studie 2021 k√∂nnten im Jahr 2045 rund 20 Prozent des W√§rmebedarfs im Geb√§udesektor mit ELY-Abw√§rme gedeckt werden, falls die H√§lfte des deutschen Wasserstoffbedarfs √ľber lokale ELY-Anlagen in Deutschland erzeugt w√ľrde [ZIA, 2021].

Literatur

Tiktak, W. J.: Heat Management of PEM-Electrolysis. TU Delft. Masterarbeit. 2019. S. 19

Flis, G. et al.: 12 Insights on Hydrogen. Agora Energiewende. 2021. S. 16.

Fisch, M. N.; Lennerts, K. et. al.: Verantwortung √ľbernehmen. Der Geb√§udebereich auf dem Weg zur Klimaneutralit√§t. 2021. ZIA Zentraler Immobilien Ausschuss. S. 144-145.

IRENA: Green Hydrogen Cost Reduction: Scaling up Electrolysers to meet the 1.5 ‚ĀįC Climate Goal. 2020. S. 52. International Renewable Energy Agency, Abu Dhabi

Autoren:
Prof. Dr. M. Norbert Fisch
Dr. Christian Kley
Benjamin Trippe
benjamin.trippe@siz-energieplus.de

alle vom Steinbeis-Innovationszentrum energieplus, Braunschweig

Quellenangabe:
JCB erreicht H2-Meilenstein

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