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Entwicklung einer Bewertungsmethodik zur Standortplanung und Dimensionierung von Wasserstoffanlagen

Development of valuation method for location planning and dimensioning of hydrogen plants

  • Gewöhnlich wird über Standorte von Produktionsanlagen nach Kriterien wie z.B. der Verfügbarkeit von Rohstoffen, Energie, Infrastruktur und damit verbundene Kosten entschieden. Die Dimensionierung der Produktionskapazitäten erfolgt unter anderen nach der absetzbaren Produktmenge sowie den erzielbaren Gewinnen. Voraussetzung ist die ständige Verfügbarkeit der benötigten Energie. Für Konzepte zur Nutzung überschüssiger Energien, besonders fluktuierender Windenergie zur Wasserstoffproduktion sind die gewöhnlichen Methoden nur bedingt geeignet. Daher wurde mit dieser Arbeit eine Bewertungsmethodik entwickelt, die Dauer und Menge der verfügbaren Energie in die Standortentscheidung sowie die Anlagendimensionierung integriert. Zunächst wird die Wasserstoffanlage modularisiert und in die Teilprozesse Energieversorgung, Wasserversorgung, Wasserelektrolyse, Kühlung, Speicherung und Verdichtung für den Transport unterteilt. Nach Vorgabe technologischer und wirtschaftlicher Parameter werden für jede Teilanlage die Stoff- und Energieströme sowieGewöhnlich wird über Standorte von Produktionsanlagen nach Kriterien wie z.B. der Verfügbarkeit von Rohstoffen, Energie, Infrastruktur und damit verbundene Kosten entschieden. Die Dimensionierung der Produktionskapazitäten erfolgt unter anderen nach der absetzbaren Produktmenge sowie den erzielbaren Gewinnen. Voraussetzung ist die ständige Verfügbarkeit der benötigten Energie. Für Konzepte zur Nutzung überschüssiger Energien, besonders fluktuierender Windenergie zur Wasserstoffproduktion sind die gewöhnlichen Methoden nur bedingt geeignet. Daher wurde mit dieser Arbeit eine Bewertungsmethodik entwickelt, die Dauer und Menge der verfügbaren Energie in die Standortentscheidung sowie die Anlagendimensionierung integriert. Zunächst wird die Wasserstoffanlage modularisiert und in die Teilprozesse Energieversorgung, Wasserversorgung, Wasserelektrolyse, Kühlung, Speicherung und Verdichtung für den Transport unterteilt. Nach Vorgabe technologischer und wirtschaftlicher Parameter werden für jede Teilanlage die Stoff- und Energieströme sowie die Kosten berechnet. Auf Basis der gegebenen Randbedingungen erfolgen die Anlagenkonfigurierung sowie die Ermittlung der Standortspezifischen Produktionskosten. Durch Parametervariationen bei Technologie und Kosten können Sensitivitätsanalysen durchgeführt und unterschiedliche Betriebsszenarien analysiert werden. Die Anwendung der Bewertungsmethodik wird an Fallbeispielen demonstriert. Eine am Industriepark positionierte Wasserstoffanlage dient als Referenzanlage für den kontinuierlichen Betrieb mit Netzenergie. Am Beispiel einer durch Windenergie betriebenen Wasserstoffanlage werden die Einflüsse von verfügbarer Energiemenge und Versorgungsdauer gezeigt. Bei vorgegebenen Wasserstoffpreisen werden die Zusammenhänge zwischen optimaler Anlagenkapazität und Anlagenauslastung dargestellt sowie die daraus erzielbaren Stromkostenbudgets zur Vergütung der Windparkleistung ermittelt.show moreshow less
  • Common decisions for locations of production plants are based on criteria such as availability of commodities, energy, infrastructure and costs related with these. Sizing of product capacities depends on other things such as production quantities to be sold and profits to be obtained. The condition is an permanent availability of the required energy. For concepts of using surplus renewable energies especially wind energy for hydrogen production common methods are only partly suitable. Thus in this work an evaluation methodology was developed which integrated duration and amount of available energy for decisions of locations and dimensioning of the plant. Initially the hydrogen plant is modularised and segmented to the sub processed energy supply, water supply, water electrolyses, cooling, storing and compression for transport. After the specification of technological and economical parameters, the material and energy streams as well as the costs are calculated for every individual plant. Based on the given conditions, theCommon decisions for locations of production plants are based on criteria such as availability of commodities, energy, infrastructure and costs related with these. Sizing of product capacities depends on other things such as production quantities to be sold and profits to be obtained. The condition is an permanent availability of the required energy. For concepts of using surplus renewable energies especially wind energy for hydrogen production common methods are only partly suitable. Thus in this work an evaluation methodology was developed which integrated duration and amount of available energy for decisions of locations and dimensioning of the plant. Initially the hydrogen plant is modularised and segmented to the sub processed energy supply, water supply, water electrolyses, cooling, storing and compression for transport. After the specification of technological and economical parameters, the material and energy streams as well as the costs are calculated for every individual plant. Based on the given conditions, the configuration of plant and also the investigation of site-specific production costs is done. By variation of technology and costs parameters, feasibility studies and different operating scenarios can be demonstrated. The application of this evaluation methodology is demonstrated by case studies. A hydrogen plant situated at an industry park serves as a reference plant for the continuous operation with grid energy. Using a wind energy propelled hydrogen plant as an example, the effects of amount and duration of the usable energy are shown. Based on predefined hydrogen prices, the correlation between optimal plant capacity and plant utilization is described and the difference between the predefined price and the operation costs is calculated. This difference can be used to finance the wind farm operation. The results serves among others for the development of optimal operation concepts and also for first cost estimations, prior to a detailed plant design.show moreshow less

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Metadaten
Author: Thomas Günther
URN:urn:nbn:de:kobv:co1-opus-30864
Referee / Advisor:Prof. Dr.-Ing. Werner Witt
Document Type:Doctoral thesis
Language:German
Year of Completion:2014
Date of final exam:2014/02/04
Release Date:2014/05/16
Tag:Bewertungsmethodik; Dimensionierung; Elektrolyseur; Standortplanung; Wasserstoffanlage
Dimensioning; Electrolyzer; Hydrogen plant; Location planning; Valuation method
GND Keyword:Wasserstoff; Technische Anlage; Bemessung; Standortplanung; Elektrolyse
Institutes:Fakultät 2 Umwelt und Naturwissenschaften / FG Anlagen- und Sicherheitstechnik
Institution name at the time of publication:Fakultät für Umweltwissenschaften und Verfahrenstechnik (eBTU) / LS Anlagen und Sicherheitstechnik
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