Energie: Forschung

Starke Werkzeuge für die Energiewende

Neues ISE-Labor in Freiburg
Teststand für Wasserelektrolyseure in Freiburg. © Fraunhofer ISE

Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISE eröffnet neues Labor für Megawatt-Wasserelektrolyseure in Freiburg

Das Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISE weiht sein neues Labor für Wasserelektrolyseure in Freiburg ein. Damit wird es möglich, Anlagen im Megawatt-Leistungsbereich zu untersuchen und zu charakterisieren. Die auch am Institut entwickelten Polymerelektrolytmembran-(PEM-)Elektrolyseure lassen sich extrem schnell regeln, so dass fluktuierende Stromerzeugung aus regenerativen Energien netzdienlich zur Wasserstofferzeugung für die Mobilität, aber auch für die Energiespeicherung genutzt werden können. Anlagen dieses Typs könnten die Problematik des geplanten Netzausbaus zeitlich entschärfen.

„Derzeit wird pro Jahr fast ein Prozent der Stromerzeugung in Deutschland durch Abregeln von Windkraftanlagen verschenkt, weil das Stromnetz den Strom zu der jeweiligen Zeit der Erzeugung nicht aufnehmen kann“, beschreibt Dr. Christopher Hebling, Bereichsleiter Wasserstofftechnologien. „Hinzu kommt, dass die abgeregelte Energie dennoch den Anlagenbetreibern erstattet und auf die Stromkosten umgelegt wird. Mit PEM-Elektrolyseuren könnten die Netzbetreiber an den so überlasteten Netzknoten von einer Sekunde auf die andere aus überschüssigem Wind- oder Solarstrom Wasserstoff herstellen. Der kann als Kraftstoff direkt für Brennstoffzellenfahrzeuge verwendet, oder zusammen mit CO2 in Flüssigkraftstoffe oder Basischemikalien umgewandelt werden (Power-to-Liquid).“

Das Fraunhofer ISE hat in 25 Jahren viel Erfahrung mit Entwicklung und Betrieb von PEM-Elektrolyseuren aufgebaut. Der Grundbaustein eines Elektrolyseurs ist eine Membran-Zelle mit zwei Elektroden, Anode und Kathode, die bei Anlegen einer Spannung aus Wasser Sauerstoff und Wasserstoff produzieren. Die Fläche der Zelle bestimmt den benötigten Gesamtstrom. Der wichtigste Vorteil gegenüber den bisher verwendeten alkalischen Elektrolyseuren ist neben einer vielfach höheren Leistungsdichte die schnelle Modulierbarkeit. Innerhalb von Sekunden kann ein Elektrolyseur vom Standby zur Nennleistung und bei Bedarf sogar bis zu 15 Minuten mit der doppelten Nennleistung betrieben werden. Bei einem Megawatt Nennleistung beispielsweise kann die Netzleitstelle in einer Sekunde bis zu zwei Megawatt Überschussleistung sinnvoll in Wasserstoff umwandeln – und das mit etwa 75 Prozent Wirkungsgrad.

Derzeit arbeiten die Forscher mit bis zu 1.500 Quadratzentimeter großen Zellen für einen Nennstrom von bis zu 4.000 Ampere. Durch Hintereinanderschalten der Zellen wird die gewünschte Spannung erzielt. 250 Zellen mit 4.000 Ampere erreichen so ein Megawatt Leistung. Derartige Größenordnungen sind für einen Einsatz zur Frequenz- und Spannungsstabilisierung im Netz zunehmend sinnvoll. Modellierungen zeigen, dass bis 2050 über 30 GW installierte Elektrolyseleistung im Verteilnetz notwendig werden, um die CO2-Reduktionsziele (mindestens minus 80% gegenüber 1990) der Bundesregierung erreichen zu können.

Wasserstoff als Energieträger

Wasserstoff ist ein gut speicherbares Gas, das in einem zukünftigen Energiesystem sogar saisonale Langzeitspeicherung von Energie in Salzkavernen übernehmen kann. Mit ihm könnte je nach politischem Regelwerk schon bald wirtschaftlich nachhaltiges Methanol und daraus wiederum entweder nachhaltige Basischemikalien oder Dieselersatzkraftstoffe wie OME (Oxymethylenether) hergestellt werden.

In einem regenerativen Energiesystem könnte eine zunehmende Segmentierung des Mobilitätssektors stattfinden, in der die batterieelektrischen Fahrzeuge den urbanen Raum erobern, Wasserstoff als Universalkraftstoff den Langstrecken-, Flotten- und öffentlichen Busverkehr und erneuerbare Flüssigtreibstoffe den Schiffs-, Schwerlast- und Flugverkehr.

„Wasserelektrolyseure sind die guten Geister im Hintergrund eines nachhaltigen Energiesystems“, fasst Hebling zusammen. „Sie können aus dem reichlich vorhandenen aber fluktuierenden Stromangebot eine wirtschaftliche und auch für industrielle Zwecke sichere Energieversorgung machen. Die größte Bremse für ihre schnelle Verbreitung ist nicht technischer Natur, sondern die Belastung von Elektrolyseuren im Netz mit EEG- und Netzabgaben. Das verhindert interessante Geschäftsmodelle für private Investoren. Zumindest für die netzdienliche Kopplung mit erneuerbarem Strom sollten sie davon entlastet werden.“

Weitere Informationen:
www.ise.fraunhofer.de


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