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Simulation zur Ermittlung von Einsatzpotentialen der alkalischen Druckelektrolyse im Hinblick auf die Versorgung wasserstoffbasierter Applikationen im heutigen und zukünftigen Energiesystem

Simulation to determine the utilization potential of alkaline pressure electrolysis with regard to the supply of hydrogen-based applications in the current and future energy system

  • In einem von erneuerbaren Energien dominierten Energiesystem spielen Speichertechnologien eine zentrale Rolle. Im Rahmen der deutschen Energiewende entstehen momentan mehrere Demonstrationsprojekte, in welchen regenerativer Strom mittels Wasserelektrolyse in Form von Wasserstoff gespeichert wird und sektorenübergreifend Anwendung findet. Zur technischen und ökonomischen Bewertung von Szenarien, welche bereits heute von Relevanz sind, werden im Rahmen dieser Arbeit Simulationen durchgeführt. Hierfür werden mehrere auf regenerativen Energien und Wasserstoff basierende Systempfade mit den Zielapplikationen Wasserstoffbereitstellung für Industrieanwendungen, Wasserstoff-Gasnetzeinspeisung und Rückverstromung entworfen. Darüber hinaus wird auch ein zukünftiges Szenario zur saisonalen Stromspeicherung betrachtet. Als Voraussetzung der Simulation werden die in den Systempfaden vorkommenden Komponenten in Matlab/Simulink von Grund auf abgebildet und je nach Zielstellung logisch miteinander verschalten. Die Elektrolyseanlage als zentraleIn einem von erneuerbaren Energien dominierten Energiesystem spielen Speichertechnologien eine zentrale Rolle. Im Rahmen der deutschen Energiewende entstehen momentan mehrere Demonstrationsprojekte, in welchen regenerativer Strom mittels Wasserelektrolyse in Form von Wasserstoff gespeichert wird und sektorenübergreifend Anwendung findet. Zur technischen und ökonomischen Bewertung von Szenarien, welche bereits heute von Relevanz sind, werden im Rahmen dieser Arbeit Simulationen durchgeführt. Hierfür werden mehrere auf regenerativen Energien und Wasserstoff basierende Systempfade mit den Zielapplikationen Wasserstoffbereitstellung für Industrieanwendungen, Wasserstoff-Gasnetzeinspeisung und Rückverstromung entworfen. Darüber hinaus wird auch ein zukünftiges Szenario zur saisonalen Stromspeicherung betrachtet. Als Voraussetzung der Simulation werden die in den Systempfaden vorkommenden Komponenten in Matlab/Simulink von Grund auf abgebildet und je nach Zielstellung logisch miteinander verschalten. Die Elektrolyseanlage als zentrale Komponente verfügt hierbei über den höchsten Detailgrad. Zur Erhebung technischer Kennfelder als auch zur Charakterisierung des Betriebsverhaltens werden weitreichende Untersuchungen an einem realen Druckelektrolyseur durchgeführt, woraufhin eine Implementierung der erhobenen Daten in das Modell erfolgt. Die Energiebereitstellung in den Simulationen geschieht mittels Windkraft und Photovoltaik, welche direkt oder zur Wasserstoffherstellung genutzt wird. Der Wasserstoff wird je nach Einsatzstrategie weiter verdichtet, einer Speicherlösung zugeführt und anschließend rückverstromt. Zur Deckung des Wasserstoffbedarfs bzw. der Stromabnahmeprofile wird eine Sensitivitätsanalyse zur Dimensionierung der Systemkomponenten durchgeführt. Der Hauptfokus liegt hierbei auf der Sicherstellung der Versorgungssicherheit. Aufgrund seines Detailgrades schließt das im Rahmen dieser Arbeit entwickelte Modell die Lücke zwischen der Komponenten- und der Systemmodellierung. Somit findet es in der zielgerichteten Analyse von realen Wasserstoff-Versorgungspfaden seine Anwendung. Aufbauend auf der technischen Simulation werden die rechtlichen Rahmenbedingungen der Systempfade dargestellt und anhand eines spezifisch angepassten Kostenmodells die Wasserstoff- und Stromgestehungskosten berechnet sowie die Kostenverteilung hinsichtlich der Kostenbestandteile und Komponenten dargestellt. Die Hauptfaktoren der Gestehungskosten liegen in der Strombereitstellung, gefolgt von der Elektrolyse. Für die Wasserstoffspeicherung und Rückverstromung fallen vergleichsweise geringe Kosten an. Der angesetzte Zinssatz und eventuelle Abgaben haben einen wesentlichen Einfluss auf die Strom- und Wasserstoffkosten. Die Höhe der anfallenden Abgaben ist stark vom Anwendungsfall abhängig und muss für jeden Einzelfall gesondert betrachtet werden. Ein maßgeblicher Entfall von Abgaben liegt bei der Eigenversorgung ohne Leitung durch ein öffentliches Netz vor.show moreshow less
  • In an energy system dominated by renewable energies, storage technologies play a central role. In the context of the German energy transition, several demonstration projects are currently being developed in which renewable electricity is stored in the form of hydrogen by means of water electrolysis and applied across sectors. For the technical and economic evaluation of scenarios, which are already relevant today, simulations are carried out in the context of this work. For this purpose, several system paths based on renewable energies and hydrogen are designed with the target applications of hydrogen supply for industrial applications, hydrogen gas grid feed-in and reverse power generation. In addition, a future scenario for seasonal electricity storage is also considered. As a basis for the simulation, the components occurring in the system paths are mapped from scratch in Matlab/Simulink and logically interconnected depending on the objective. The electrolysis system as the central component has the highest level of detail.In an energy system dominated by renewable energies, storage technologies play a central role. In the context of the German energy transition, several demonstration projects are currently being developed in which renewable electricity is stored in the form of hydrogen by means of water electrolysis and applied across sectors. For the technical and economic evaluation of scenarios, which are already relevant today, simulations are carried out in the context of this work. For this purpose, several system paths based on renewable energies and hydrogen are designed with the target applications of hydrogen supply for industrial applications, hydrogen gas grid feed-in and reverse power generation. In addition, a future scenario for seasonal electricity storage is also considered. As a basis for the simulation, the components occurring in the system paths are mapped from scratch in Matlab/Simulink and logically interconnected depending on the objective. The electrolysis system as the central component has the highest level of detail. Extensive investigations are carried out on a real pressure electrolyser to determine technical characteristics and to characterize the operating behaviour, whereupon the collected data is implemented in the model. The energy supply in the simulations is provided by wind power and photovoltaics, which is used directly or for hydrogen production. Depending on the application strategy, the hydrogen is further compressed, fed to a storage solution and then converted back into electricity. To cover the hydrogen demand or the power consumption profiles, a sensitivity analysis is performed to dimension the system components. The main focus here is on ensuring security of supply. Due to its level of detail, the model developed in this thesis closes the gap between component and system modeling. Thus, it finds its application in the targeted analysis of real hydrogen supply paths. Based on the technical simulation, the legal framework of the system paths is presented and the hydrogen and electricity production costs are calculated by using a specifically adapted cost model as well as the cost distribution with regard to the cost elements and components is presented. The main factors of the production costs are the electricity supply, followed by the electrolysis. Comparatively low costs are incurred for hydrogen storage and reconversion to electricity. The interest rate applied and any levies have a significant influence on the costs of electricity and hydrogen. The amount of the levies depends strongly on the case of application and must be considered separately for each individual case. There is no need to pay levies in the case of self-supply without a transmission through a public network.show moreshow less

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Metadaten
Author: André Voigt
URN:urn:nbn:de:kobv:co1-opus4-66955
DOI:https://doi.org/10.26127/BTUOpen-6695
Referee / Advisor:Prof. Dr. Krautz
Document Type:Doctoral thesis
Language:German
Year of Completion:2021
Date of final exam:2024/03/11
Release Date:2024/06/04
Tag:Alkalische Druck-Elektrolyse; Erneuerbarer Wasserstoff; Matlab Simulink; Power-to-Gas; Systemmodellierung und Simulation
Alkaline pressure electrolysis; Matlab Simulink; Renewable hydrogen; System modeling and simulation
GND Keyword:Wasserstoff; Erneuerbare Energien; Elektrolyse; Power-to-Gas; SIMULINK; Systemmodellierung; Simulation
Institutes:Fakultät 3 Maschinenbau, Elektro- und Energiesysteme / FG Thermische Energietechnik
Licence (German):Keine Lizenz vergeben. Es gilt das deutsche Urheberrecht.
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