Westfälisches Energieinstitut
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Electrodeposited Mo-rich NiMo catalysts offer enhanced catalytic activity for the alkaline hydrogen evolution reaction (HER) and provide an electrically conductive, binder-free substrate connection, making them promising catalysts for green hydrogen production. However, creating Mo-rich deposits is challenging, as the codeposition process typically favors Ni. Optimal deposition conditions for Mo-rich NiMo catalysts remain insufficiently explored. This article investigates Mo-rich NiMo electrodeposition from an ammonia-free citrate bath using NaSO4 as a chlorine-free support electrolyte. The effects of the deposition parameters, 1) sodium molybdate concentration in the electrolyte, 2) deposition current density, and 3) enhanced mass transport via working electrode rotation on the alkaline HER activity, were studied. The electrodeposits, containing 44–66 wt% Mo, exhibited increased surface area due to a rough, cracked morphology and variable oxygen content of the catalyst. The oxygen content was linked to HER activity, revealing an inhibiting effect. The lowest overpotential of 118 mV at −10 mA cm−2 for the alkaline HER was achieved using an electrolyte with 0.02 mol L−1 sodium molybdate, a deposition current density of 600 mA cm−2, without electrode rotation. Respective samples combined a favorable Ni:Mo ratio comprising 56 wt% Mo content with increased surface area and low oxygen content.
Die vorliegende Studie untersucht die Auswirkungen dynamischer Stromtarife auf das Stromverbrauchsverhalten und die Gesamtstromkosten in Deutschland im Jahr 2024. Gemäß §41 EnWG sollen dynamische Stromtarife den Stromverbrauch an das wetterabhängige Angebot erneuerbarer Energien (EE) anpassen. Die Studie analysiert 243 Szenarien eines preisgesteuerten Stromverbrauchs, wobei verschiedene Parameter wie das EE-Stromangebot, der minimale Strombörsenpreis und die Verschiebungsperiode des Stromverbrauchs variiert werden. Die Ergebnisse zeigen, dass eine kostenoptimierende Anpassung des Stromverbrauchs nur mit zusätzlichen Kurzzeitspeichern umsetzbar ist, um inakzeptable Verwerfungen im Tagesablauf der Stromverbraucher zu vermeiden. Die Berechnungen verdeutlichen, dass dynamische Stromtarife unter den Bedingungen des Jahres 2024 keine wesentlichen systemischen Vorteile bieten und erhebliche technische und finanzielle Zusatzaufwände erfordern. Die Studie schließt mit der Feststellung, dass die Einführung dynamischer Stromtarife neue Geschäftsmodelle und psychologische Effekte auf die Verbraucher haben könnte, jedoch auch eine neue Form der Stromrationierung darstellt.
Zusammenfassung
Anlass dieser Studie ist die verpflichtende Einführung dynamischer Stromtarife gemäß §41 EnWG. Hierdurch soll ein Paradigmenwechsel im Hinblick auf den Stromverbrauch bewirkt werden: Der Stromverbrauch soll sich künftig bestmöglich an das überwiegend wettergeführte Stromangebot der Erneuerbare-Energien-Quellen anpassen, statt dass sich das Stromangebot wie bisher am Strombedarf orientiert.
Die Studie untersucht, inwieweit dynamische Stromtarife das Stromverbraucher-Verhalten und die Gesamtstromkosten des Jahres 2024 hätten beeinflussen können, wenn diese bereits 2024 deutschlandweit genutzt worden wären.
The study introduces flexible and scalable manufacturing approach for electrodes utilizing boron-doped silicon as conductive support for iridium nanoparticles, addressing the challenges of cost and scarcity associated with noble catalysts for oxygen evolution reaction (OER). Colloidal Ir nanoparticles are synthesized via pulsed-laser ablation (≈4–7 nm) and decorated on B-doped Si (≈100 nm) through electrostatic adsorption. Titanium substrates are ultrasonically sprayed with Si:B – Ir and Ir nanoparticles with very low iridium loading of 12 wt.%. Crystalline Ir phases (Ir(111), Ir(200)) are observed and known to enhance the OER mechanism. Additionally, atom probe tomography confirms that the Si support particles contained 0.03-0.5 at.% of boron throughout the entire particle, while electrical permittivity and through-plane measurements reveal a positive impact of B-doped Si on the electrical conductivity of the nanocatalysts and of the ultralow-loaded catalyst coated Ti substrates (0.12 mgIr cm−2), respectively. Rotating disk electrode results show pronounced oxidation peaks for decorated Ir nanoparticles. The Si:B-Ir 4 nm catalyst exhibits the highest turnover frequency (2.62 s−1) and a competitive electrochemical surface area (25 m2 gIr−1) compared to Si:B-Ir 7 nm (0.96 s−1; 37.5 m2 gIr−1) and Ir black (0.24 s−1; 5 m2 gIr−1). The overall analysis of the parameters highlights a performant catalytic efficiency, through balancing activity and reaction kinetics effectively.
The feed-in of electricity from renewable energies, such as wind or solar power, fluctuates based on weather conditions. This unpredictability due to volatile feed-in can lead to sudden changes in energy generation so that solutions ensuring grid stability need to be implemented. The cooling sector offers the opportunity to create flexibilities for such balancing, with this study focusing on the thermal flexibilities that can be provided by cooling applications. Various cooling-demand profiles are investigated with respect to their load profile and their impact on flexibility is analysed. In addition to the cooling demand, scenarios of different storage dimensions are considered. As a result, it shows that an increasing base-load level and increasing operating-load duration have a negative effect on flexibility, while an increasing full-load duration is beneficial for flexibility. Storage size also has a strong impact as higher storage capacity and storage performance indicate higher flexibility, whereas above a certain size they only provide little added value.
This study presents the correlation between electrolyte pH, surface morphology, chemical speciation and electro-catalytic oxygen evolution activity of additive-free electrodeposited NiFe catalysts for application in anion exchange membrane water electrolysis. Spherical morphologies were identified at pH 0, shifting towards honey-combed structures at pH 4 with increasing surface area, especially at pH 3. Further, the electrolyte pH was found to influence the NiFe composition and electro-catalytic activity. Enhanced OER activity was noted at pH 2 with overpotentials of 214 mV at 10 mA cm−2 and 267 mV at 100 mA cm−2. The results reveal that the electrolyte pH is a parameter not only influencing the morphology but also tailoring the surface area, Fe oxide and Fe hydroxide composition and consequently the catalytic activity. Further, the outcomes highlight the electrolyte pH as a key process parameter that should be adjusted according to the application, and may substitute the addition of electrolyte-additives, proposing a simpler method for improving catalyst electrodeposition.
Steckbriefe zur Energiewende
(2024)
In dem Bericht werden insbesondere auf Daten der Bundesnetzagentur (2022) basierende Steckbriefe sämtlicher bei der simulatorischen Behandlung der generellen Leistungsverhält-nisse in einem der geplanten Energiewende unterworfenen Energieversorgungssystem darge stellt. Die Steckbriefe umfassen die auftretenden Leistungsverläufe der Versorgung aus Photovoltaik, Windkraft, Biomasse usw. und des Verbrauchs mit Stromdirektverbrauchern, Wärmepumpen und Elektro-Fahrzeugen. Für den Verbrauch werden zwei Lastvarianten angegeben. Elektrolyseure sind in beiden Varianten nicht berücksichtigt, da sie trotz ihrer hohen Verluste dem Bereich der Wasserstoffspeicherung zugeordnet werden. Ebenso werden Wasserstoff-Kraftwerke weder dem Bereich der Erzeuger oder, aufgrund ihrer hohen Verluste, der Verbraucher zugeordnet; diese sind ebenfalls dem Bereich der Wasserstoffspeicherung zuzuordnen.
Die Leistungsverläufe werden ergänzt durch „Heatmaps“, mit deren Hilfe sich die Leistungsverläufe in vorteilhafter Weise tages- und stundenweise auflösen lassen. Im Gegensatz zur normalen Darstellung der Leistungsverläufe, aus denen sich saisonale Leistungsgänge und Leistungswerte sehr gut ablesen lassen, lassen sich aus diesen Heatmaps auch Tagesgänge aufgrund menschlicher Verhaltensweisen ermitteln. Statistiken zur Verteilung der Leistungswerte und Tabellen mit den wichtigsten Eckwerten der entsprechenden EE-Erzeuger und Verbraucher vervollständigen die Steckbriefe. In Einzelfällen werden noch Zusatzerläuterungen gegeben, ohne die sich die entsprechenden Steckbriefe unvollständig wären.
Insgesamt ergibt sich, dass der Stromverbrauch ab 2045 saisonal enorm ausgeprägte Maxima und Minima aufweist, die erheblich von den Maxima und Minima des heutigen Stromverbrauchs abweichen. Dies ist das Resultat des Stromverbrauchs aus Wärmepumpen und Elektro-Fahr-zeugen. Die Verbrauchsmaxima können dabei Werte von etwa 170 GW erreichen, was im Gegensatz zu heutigen Maxima von weniger als 90 GW als bemerkenswert bezeichnet werden muss.
In jedem Fall wird ein steuerbarer Backup-Kraftwerkspark benötigt, dessen kontinuierliche Verfügbarkeit während eines Tages größer wie 2 Stunden sein muss. Er muss gezielt zur Morgenzeit, typischerweise zwischen 05:00 und 07:00, mit Leistungshüben von 20 GW/h eingeschaltet und abends, typischerweise zwischen 18:00 und 20:00, mit Lastabwürfen von über 22 GW/h gezielt wieder abgeschaltet werden können. Grund hierfür ist der Wechsel menschlicher Tagesaktivität auf Nachtpassivität und umgekehrt, was sich im täglichen Strombedarf widerspiegelt.
Deutschlands Stromversorgung soll im Jahr 2045 gemäß aktueller Planung (z.B. EEG 2023) aus-schließlich mit Hilfe sog. erneuerbarer Energien geschehen. Hierzu gehören Wind- und Solar-kraft und in erheblichst geringerem Maße Biomasse- und Laufwasserkraft.
Bekannt ist, dass die Energiezufuhr aus diesen Energiequellen überwiegend volatil und daher inkompatibel mit dem Strombedarf der Verbraucher ist. Ohne weitere Maßnahmen käme es ständig zu Über- oder Unterversorgungssituationen mit der Folge dauerhafter Blackouts.
Während eine Überversorgung im einfachsten Fall mit dem rechtzeitigen, wenn auch unwirtschaftlichen Abschalten der entsprechenden Energieversorger sehr gut beherrschbar ist – andere Maßnahmen sind die Speicherung der überschüssigen Energie oder deren Export, sofern es das Ausland zulässt –, ist die Darstellung der Versorgungssicherheit im Falle einer Unterversorgung, also die Vermeidung ewiger Blackouts, nur mit Hilfe zusätzlicher aktiv steuerbarer Energiequellen darstellbar. In Frage kommen hierfür nach heutiger Diskussionslage Gas- bzw. H2-Kraftwerke, virtuelle und reale Batterie-Kraftwerke, sowie Pumpspeicher-Kraftwerke und Stromimporte. Für den Import muss das Ausland für Deutschland regelbare Kraftwerke vorhalten, die stets dann mit erster Priorität bereitstehen müssen, wenn Deutschland in eine Unterversorgungslage gerät. Diese Möglichkeit erscheint dem Berichter eher spekulativ als gesichert. Die Verwendung deutscher Kernkraftwerke wird heutzutage aus politischen Gründen negiert, während gleichzeitig und widersinnigerweise der Import ausländischen Kernkraftstroms billigend in Kauf genommen wird.
Anlass der Studie ist das im Juli 2024 vom Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz BMWK herausgegebene „Strommarktdesign der Zukunft : Optionen für ein sicheres, bezahlbares und nachhaltiges Stromsystem“ [BMWK 2024]. Das Strommarktdesign solle einen Paradigmenwechsel im Strommarkt herbeiführen. Eingeführt werden soll ein Kapazitätsmarkt, eine Art systemische Grundgebühr, zur Finanzierung unwirtschaftlicher Investitionen in künftig nur wenig auslastbare Kraftwerke. Zudem sollen die Stromverbraucher als Regelkomponente in einer zukünftig volatilen Stromversorgung eingesetzt werden. Die Motivation hierzu soll mit Hilfe dynamischer Stromtarife gelingen. Vorliegende Studie befasst sich insbesondere mit der potentiellen Wirkung dynamischer Strom-preise auf den Stromverbrauch. Hierzu wird das Einsparpotenzial bei Nutzung dieser Stromtarife untersucht. Empirische Befunde aus Deutschland und Schweden unterfüttern und erweitern diese Untersuchung mit Blick auf die erhoffte Beeinflussbarkeit des künftigen, den politischen Energiewende-Planungen unterworfenen Stromversorgungssystems.
Die Untersuchungsergebnisse werden wie folgt interpretiert:
• In „Smart-Grids“ können dynamische Stromtarife das Verbraucherverhalten bei einem Einsparpotential von 10 bis 15% begrenzt beeinflussen.
• Der Einfluss beschränkt sich auf lokale Stromversorgungsnetze.
• Der Stromverbrauch wird in dem Sinne vergleichmäßigt, dass tageweise auftretende Lastspitzen und Lasttäler sich durch Lastverschiebungen ausgeglichener darstellen. Die Differenz der beiden Tagesextremwerte könnte um bis zu 20% sinken.
• Der jährliche Stromverbrauch wird hierdurch nicht wahrnehmbar beeinflusst. Der qualitative Verlauf des Lastgangs ebenso wenig.
• Die Vergleichmäßigung ist in dem Sinne netzdienlich, dass nur unzureichend ausgebaute Ortsnetze durch die künftige zunehmende Beanspruchung durch Elektromobilität und Wärmepumpen nicht überbeansprucht werden bzw. dass deren sowieso notwendiger Ausbau in etwas reduzierter Weise ausgeführt werden kann.
• Die grundlegenden Probleme bzw. Herausforderungen des geplant volatilen Gesamtstromversorgungssystems lassen sich durch Einsatz der Stromverbraucher als system-dienliches Regelglied nicht lösen. Dazu ist ihre Wirkung im Vergleich zur über das Jahr gemittelten Last zu gering. Der gewünschte Ausgleich sollte besser mit Hilfe geeigneter Speicher statt mit humanen Ressourcen als Regelglied gelöst werden.
Prinzipiell kann die geplante Flexibilisierung des Strommarktes als eine gut vermittelbare und von den Stromkunden nur schlecht zu erkennende Form der Energierationierung durch Preismechanismen gesehen werden. Energierationierungen signalisieren oft strukturelle Probleme im Energiesektor eines Landes. Die Frage, ob der vom BMWK vorgeschlagene Paradigmenwechsel bereits in diese Richtung zielt, darf zusammen mit den derzeit immer offener und häufiger zutage tretenden, bisher noch verkraftbaren Dysfunktionalitäten der derzeitigen Stromversorgung durchaus in Betracht gezogen werden.

