// Begleitende F&E

Technologie-Roadmap Power-to-Gas

Ziel des Arbeitspaketes ist die gemeinsame Entwicklung einer technologischen Roadmap für FuE und Industrie zur Erreichung der erforderlichen Kosten- und Effizienzziele. Insbesondere soll eine Basis geschaffen werden, mit der im weiteren Projektverlauf die gezielte Ansprache von Unternehmen aus Maschinen-, Anlagen- und Komponentenbau erfolgen kann, um eine effektive und zielgerichtete Entwicklung von Power-to-Gas-Produkten zu initiieren.
Die Ausarbeitungen sollen technologieoffen (für AEL und PEM-Elektrolyse) durchgeführt werden, wobei die vier FuE-Partner ihr spezifisches Kern-Knowhow (AEL, PEM, mögliche Synergie-Effekte, relevante Regelwerke etc.) in die Arbeiten einbringen werden. Nach einer eingehenden Kostenanalyse sollen vor allem auch Maßnahmen zur Kostendegression und notwendiger Entwicklungsbedarf identifiziert werden. Unterstützt werden die Arbeiten durch die Abbildung der Power-to-Gas-Anlage in einer stationären und einer instationären Simulationsumgebung. Darin fließen sukzessive reale Messdaten aus dem Betrieb der Power-to-Gas-Anlage in Wyhlen ein.

Weiterentwicklung AEL-Technologie

Ziel des Arbeitspaketes ist die Weiterentwicklung der Elektrolyse und damit des auch unter Kostengesichtspunkten zentralen Bauteils von Power-to-Gas. Hinsichtlich Effizienz sowie Material- und Herstellkosten verbesserte Elektroden-Beschichtungstechnologien sind ein wesentlicher Hebel, um die angestrebten Power-to-Gas-Technologieziele erreichen zu können. Im Rahmen der Begleit-F&E soll erstmals im technischen Maßstab der Spagat versucht werden, die Kapitalkosten und die Betriebskosten des Elektrolyseblocks gleichzeitig zu optimieren.

Kommerzielle Elektrolyseure auf AEL-Basis werden heute mit Stromdichten < 0,4 A/cm² betrieben und weisen spezifische Energieverbräuche von etwa 4,5 – 5,0 kWh/Nm³ eH₂ auf. Die Projektpartner DLR und ZSW wollen die Technologie so weiter entwickeln, dass spezifische Energieverbräuche < 4,2 kWh/Nm³ bei gleichzeitiger Erhöhung der Stromdichten auf > 0,6 A/cm² realisierbar werden.

Das DLR entwickelt und optimiert hierzu im Rahmen des Projekts Fertigungs- und Beschichtungstechnologien für die alkalische Elektrolyse und wird mit dem weiter entwickelten atmosphärischen Plasma-Spritzverfahren (APS) leistungsfähige, für eine intermittierende Betriebsweise geeignete Elektroden beschichten. Mit dem Verfahren, mit dem die Beschichtungskosten um etwa 60 % gesenkt werden können, wurden bereits vielversprechende Ergebnisse erzielt (siehe Abbildung). Im Projektrahmen sollen die mit dem optimierten Beschichtungsverfahren im industriellen Maßstab beschichteten Elektroden (Elektrodenfläche ca. 0,3 m²) in der F&E-Anlage unter praxisnahen Bedingungen erprobt werden.

Konzeptentwicklung elektrochemischer Kompressor

Die Komprimierung von Wasserstoff für nachgelagerte Anwendungen ist ein wichtiger Bestandteil von Power-to-Gas-Anlagen. Industrieller Standard sind mechanische Verdichter, mit dem Nachteil einer vergleichsweise geringen Effizienz, hoher Lärmentwicklung und Wartungsintensität. Eine innovative Alternative zur mechanischen Verdichtung ist die elektrochemische Kompression. Dabei wird Wasserstoff in einer elektrochemischen Zelle mit ähnlichem Aufbau wie eine PEM-Elektrolysezelle auf der Anodenseite durch Anlegen einer Gleichspannung oxidiert. Die Protonen wandern über die Membran zur Kathode, wo sie mit den Elektronen vom externen Stromkreis wieder reduziert werden. Dieses Prinzip einer Protonenpumpe bietet gegenüber der mechanischen Kompression Verbesserungspotenziale vor allem hinsichtlich Effizienz und Wartungsintensität.Ziel ist der Funktionsnachweis eines elektrochemischen Kompressors durch Aufbau und Erprobung einer Labor-Testzelle im Leistungsbereich unter 100 Watt. Dabei sollen vor allem grundlegende, wissenschaftlich orientierte Fragestellungen zu den Material-, Design- und Betriebsanforderungen beantwortet werden. Diese umfassen eine passende Materialauswahl (Screening-Versuche), die Entwicklung eines effizienten Wassermanagementsystems, Untersuchungen zum Einfluss von Verunreinigungen aus dem Elektrolyseprozess und die Ermittlung wichtiger Kennzahlen wie Effizienz, Leistungsverhalten, Dynamik und Gasreinheit.

Weiterentwicklung Smart-Gaseinspeisung

Unter gewissen Randbedingungen kann es gesamtwirtschaftlich sinnvoll sein, den in einer Power-to-Gas-Anlage erzeugten Wasserstoff in das Erdgasnetz einzuspeisen und diesen beispielsweise in der Erdgas-Mobilität (bilanziell als eCH₄) zu nutzen. Die sogenannte "Smart-Gaseinspeisung" ist der technologische Baustein, um aus fluktuierendem EE-Strom oder einem regionalen Stromüberangebot erzeugten eH₂ im Gasnetz speichern und transportieren zu können. Die Einspeisung von eH₂ unterliegt technischen und regulatorischen Restriktionen. Ein wesentlicher Aspekt ist die eichrechtlich zeitliche Erfassung des Energieinhalts. Grundsätzlich  sehen die Konzepte für diesen und vergleichbare Anwendungsfälle eine vereinfachte Einspeisung bzgl. der Messung vor und es sollen nur die Volumenströme gemessen werden, da zum einen der Brennwert des Erdgases bekannt ist und zum anderen der Brennwert des eH₂ vernachlässigbar schwankt. Dabei ist es für die Netzintegrität wichtig, dass die eH₂-Einspeisung durch den Erdgasfluss geregelt wird. Die erforderliche Investition für das Einspeisemanagement kann für Elektrolyseure mit einer vergleichsweise geringen Leistungsaufnahme durchaus ins Gewicht fallen. Die Realisierung einer Wasserstoffeinspeisung und somit eine Erfassung realer Betriebsdaten ist an diesem Standort im Rahmen dieses Projektes nicht durchführbar.

Weiterführend werden im Projekt Simulationen mit der Software STANET® durchgeführt, die die eH₂-Einspeisung in ein Verteilnetz auf Kriterien wie z.B. Brennwertschwankungen an sensiblen Orten, Möglichkeit der Einstellung unterschiedlicher eH₂-Konzentrationen in Gasnetzabschnitten und Vergleichmäßigung der eH₂-Einspeisung durch eH₂-Speicher untersucht. Bei STANET® handelt es sich um ein bei Versorgungsnetzbetreibern weit verbreitetes Programmsystem zur stationären und dynamischen Berechnung von Versorgungsnetzen. Die Simulationsergebnisse sollen mit vergleichenden Messungen in einem Gasverteilnetz verglichen werden, um so das Einspeisekonzept aber auch die Modellgüte bewerten zu können.