Systematische Analyse von Energieflüssen einer sektorgekoppelten Energieerzeugungseinheit (Wasserstoff-Microgrid)

Inhalt:
Im Rahmen der nationalen und internationalen Energiewende sind die letzten Jahrzehnte kontinuierlich die Erzeugungsleistungen durch alternative „grüne“ Energiequellen (z.B. Solar und Wind) erhöht worden. Der Umstand, dass es bei diesen Energiequellen zyklisch zu Zeitbereichen kommt, in den diese Energie nicht zur Verfügung steht (Erzeugungslücken), macht es notwendig die überschüssige Energie zu Hochproduktionszeiten, wenn möglich zu speichern oder die überschüssige Energie national und international im elektrischen Verbundnetz zu verteilen. Da mittelfristig eine weitere lokale und überregionale Verteilung von Leistungen im Megawatt und Gigawatt-Bereich, aufgrund der Netzkapazitäten nicht möglich ist, kommt es immer wieder zu Abschaltungen von z.B. Windenergieerzeugungsleistung. Auch die Speicherung in Batteriesystemen, u.a. in Fahrzeugen, stellt hier im hohen Leistungsbereich keine zufriedenstellende Lösung bereit. Daher wurde im Forschungsvorhaben „Grünes Gas für Bremerhaven“ im Teilprojekt Microgrid, Wasserstoff als Speicherenergieträger untersucht, der zu schwachen Erzeugungszeiten wieder in elektrische Energie zurückgewandelt werden soll. Diese elektrische Energie kann als Regelenergie im angeschlossenen Netzsystem oder zur autarken Versorgung von Gebäuden und Anlagen genutzt werden. In diesem Zusammenhang werden in diesem Beitrag die dynamischen Eigenschaften der Energieflüsse der Energiesektoren Strom, Wärme und Gas, untersucht, sowie die notwendigen Komponenten der Rückverstromungskette während des Betriebes bewertet. Das H2-Microgrid kann neben der Bereitstellung von elektrischer Energie auch als Wärme- und Gaslieferant dienen, indem es das Gas (Wasserstoff) innerhalb der Elektrolyseanlage erzeugt, in verschiedenen Druckstufen (20 bar und 200 bar) speichert und anschließend anderen Prozessen (z.B. Betankung von Fahrzeugen oder Erdgasnetz) zur Verfügung stellt. Im Wärmesektor wird die entstehende Abwärme von Elektrolyseur und Brennstoffzelle zusammen mit dem zentralen Rückkühler für die Wärmeauskopplung zur Speisung von Heizsystemen untersucht. Ferner wird auf den elektrischen Energiesektor eingegangen, in dem Batterien, Leistungselektronik, elektrische Verbraucher des Microgrids auf ihr Verhalten und den Einfluss auf die Netzstabilität hin analysiert werden. Abschließend werden die Gesamtwirkungsgrade der Kopplung zwischen Strom- und Gassektor, die sich bei dem Elektrolyseur und der Brennstoffzelle ergeben, vergleichen und bewertet.