Fraunhofer-Gesellschaft
Auf See herrschen beste Bedingungen zur Erzeugung erneuerbaren Stroms. Die Herstellung von grünem Wasserstoff in Offshore-Anlagen aus Windenergie ohne Netzanbindung kann die Kosten gegenüber der Erzeugung auf Land deutlich senken. Die direkte Kopplung von Windenergieanlage und Elektrolyseur in einem neuartigen Anlagentyp macht es möglich, ohne Anbindung ans Stromnetz auszukommen. Das BMBF-geförderte Leitprojekt H2Mare erforscht die Erzeugung von grünem Wasserstoff und anderen Power-to- X-Produkten Offshore für die geplante großskalige Produktion von Offshore-Wasserstoff. Das Fraunhofer IWES wird neben weiteren Projektpartnern auch durch die Zusammenarbeit mit dem Fraunhofer IWU, IMWS, IGB und ICT unterstützt.
Untersuchung, Analyse und Modellierung von Stack- Komponenten und deren Degradationsverhalten
Im Bereich der Analyse von Stack-Komponenten werden vom Fraunhofer IWES chemische, elektrochemische und mechanische Versuchsreihen zu spezifischen Materialeigenschaften, zur Performance und zu deren Degradationsverhalten unter simulierten Offshore-Bedingungen an Laborzellen und -stacks (25 cm2) sowie mit dem im Projekt gemeinsam mit dem Fraunhofer IWU entwickelten Forschungsstack durchgeführt. Die Änderungen der Materialeigenschaften werden mikrostrukturell bewertet, mit den makroskopischen Messgrößen sowie Betriebs- und Umgebungsbedingungen korreliert, um kausale Zusammenhänge mit Hilfe von Modellen aufzuzeigen und daraus Handlungsempfehlungen zur Membran- und Materialoptimierung abzuleiten. Letztlich soll eine geeignete Testinfrastruktur aufgebaut werden.
100 m³ Meerwasserbecken als Prüfstand zur Wasseraufbereitung
Innerhalb des Projektes baut das Fraunhofer IWES außerdem einen Prüfstand zur Testung von Meerwasserentsalzungsanlagen bei direkter Kopplung an einen PEM-Elektrolyseur. Die Idee ist es, die bei der Elektrolyse entstehende Abwärme zu nutzen, um die benötigte Prozesswärme für eine Entsalzungsanlage bereit zu stellen. Hierdurch könnte sich der Gesamtwirkungsgrad der Wasserstofferzeugung deutlich erhöhen. Die Abstimmung der Komponenten, sowie die Untersuchung des Anlagenverhaltens bei einer hoch dynamischen elektrischen Leistung durch eine Windenergieanlage ist derzeit Gegenstand der Forschung. Der elektrische Anschluss des PEM-Elektrolyseurs ist zunächst für einfache elektrische Tests vorgesehen, jedoch soll noch innerhalb der Projektlaufzeit die Möglichkeit bestehen, reale Windenergieanlagen an das Testfeld zu koppeln, oder auch dynamische elektrische Tests mittels einer Hardware in the Loop (HIL) Simulation durchzuführen.
Techno-ökonomische Simulationen zur optimalen Anlagendimensionierung
Die Co-Simulation im Projekt H2Mare ist ein zentrales Werkzeug für die Entwicklung von modularen Energiesystemen. Die Austauschbarkeit von Modellen durch ein einheitliches Verschaltungskonzept bietet kürzere Entwicklungszeiten und erhöht die Wiederverwendbarkeit von Simulationsmodellen. Am Fraunhofer IWES werden Modelle für die Abbildung der gesamten Wertschöpfungskette aufgestellt, welche durch Functional Mockup Units (FMU) in Co-Simulation miteinander verbunden werden. Dazu wurde eine Simulationsplattform mit integriertem Verschaltungskonzept für Modelle und Optimierung mit Co-Simulation entwickelt. Co-Simulation nimmt eine zentrale Rolle im Projekt ein. Dadurch wird es ermöglicht Modelle wiederzuverwenden und in einem neuen Kontext miteinander zu verbinden, ohne dass ein großer Mehraufwand entsteht. Insgesamt bilden Betrieb und Wartung, die Wake- Berechnung (Foxes), Betriebsführung und WEA-ELY System die zentralen Bestandteile der Untersuchung. Das Leitprojekt H2Mare mit seinen Unterprojekten startete im April 2021 und endet 2025. Das avisierte Ziel sind wesentliche Erkenntnisse und Demonstratoren für die direkt-gekoppelte Wasserstoffelektrolyse als Vorbereitung für einen Demonstrator im MW-Bereich und erste Projekte in der Nordsee in der zweiten Hälfte dieser Dekade.