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nPro: Software-Tool zur Auslegung und Dimensionierung von Wasserstoff-Systemen

Die Planung von Wasserstoff-Systemen ist komplex, da meist auch der Stromsektor und in einigen Fällen auch der Wärmesektor mitbetrachtet werden muss. Bei der Auslegung können daher geeignete Software-Tools helfen, ein Energiesystem zu bestimmen, welches die oft hohen Anforderungen an Wirtschaftlichkeit und Systemeffizienz erfüllt.

Planung von Wasserstoff-Systemen

Die typischen Technologien innerhalb eines Wasserstoff-basierten Systems sind

  • Elektrolyseure,
  • Brennstoffzellen und
  • Wasserstoff-Speicher.

Zum anderen spielen häufig erneuerbare Energien eine wichtige Rolle. Die Einspeisung von Wasserstoff in ein vorhandenes Gasnetz kann ebenso bei der Planung mitberücksichtigt werden wie die Nutzung von Wasserstoff in der unmittelbaren Umgebung des Energiesystems, wie zum Beispiel in Wasserstoff-Bussen. Die Kombination von erneuerbaren Energiequellen, wie Photovoltaik- oder Windkraft-Anlagen, mit Wasserstofftechnologien ist typisch, da Wasserstoff es ermöglicht, die schwankende Stromerzeugung über längere Zeit zwischenzuspeichern. Für lange Zeiträume und hohe Energiemengen sind Wasserstoff-Speicher konventionellen Stromspeichern wie Batterien wirtschaftlich überlegen.

Nachteile von Wasserstoffsystemen

Nicht immer sind Wasserstoffsysteme eine gute Wahl. Dies liegt vor allem an den Umwandlungswirkungsgraden von Elektrolyseuren und Brennstoffzellen. Nur rund 65 % des eingesetzten Stroms können in einer Elektrolyse-Anlage in Wasserstoff umgewandelt werden. Da die Speicherung von Wasserstoff unter hohem Druck erfolgt und daher viel Energie für die Komprimierung des Wasserstoffs aufgewendet werden muss, ist der Wirkungsgrad der Speicherung nur rund 88 %. Im letzten Schritt muss der Wasserstoff in der Brennstoffzelle wieder zurück in Strom gewandelt werden. Auch hierbei entstehen erhebliche Energieverluste. Typischerweise können nur rund 35 % des eingesetzten Wasserstoffs in Strom umgewandelt werden. Die restliche Energie wird häufig in Form von Abwärme an die Umgebung abgegeben. In einigen Fällen kann die Abwärme aus dem Elektrolyse- und Brennstoffzellen-Prozess thermisch weiter genutzt werden. Bevor ein Wasserstoffsystem geplant wird, sollte aufgrund der langen Verlustketten immer geprüft werden, ob es keine alternative Systemlösung gibt, um beispielsweise überschüssigen Strom anderweitig zu nutzen. Die Kopplung von erneuerbaren Energien mit dem Wärmesektor (Wärmespeicher, Wärmepumpe oder Wärmenetz) ist häufig eine weitere sinnvolle Lösung.

Wasserstoff-System mit saisonalem Speicher
Abbildung 1: Wasserstoff-System mit saisonalem Speicher

Tool zur Dimensionierung von Speichern in Wasserstoffsystemen

Bei der Vielzahl von unterschiedlichen Systemkonfigurationen ist es schwierig, die optimale Anlagenkonfiguration und die optimale Anlagenauslegung zu ermitteln. Aus diesem Grund sollte vor einer detaillierten Planung immer ein Vergleich unterschiedlicher Energiekonzepte durchgeführt werden. Ein häufig verwendeter Ansatz sind sogenannte mathematische Optimierungsmodelle. Diese erlauben es, aus einer Vielzahl unterschiedlicher Systemkonfigurationen diejenige auszuwählen, welche aus wirtschaftlichen Gesichtspunkten optimal ist. Bei der Systemauswahl können auch ökologische Faktoren (CO2-Emissionen) miteinbezogen werden. Derartige Optimierungsmodelle sind einfachen Excel-Berechnungen überlegen, weil sie zum einen ein gesamtes Auslegungsjahr mit einer stündlichen Auflösung betrachten und zum anderen das gesamte Spektrum an möglichen Energiesystemen in einer einzigen Rechnung abdecken.

Im nPro-Tool kann eine wirtschaftlich optimale Auslegung von Wasserstoff-Speichern ermittelt werden.

Dimensionierung von saisonalen Wasserstoff-Speichern

Eine besondere Herausforderung spielt die Dimensionierung und Auslegung von Wasserstoff-Speichern, insbesondere, wenn diese zur saisonalen Speicherung von Wasserstoff genutzt werden sollen. Vorteil der Wasserstoff-Speicherung ist, dass auch über längere Zeiträume Energie verlustarm zwischengespeichert werden kann. Für die richtige Auslegung von Wasserstoff-Speichern müssen jedoch eine Vielzahl von Einflussgrößen berücksichtigt werden: Wie sehen die Energiebedarfsprofile für Strom, Wasserstoff und ggfs. Wärme über das Jahr verteilt aus? Welches Angebot an erneuerbaren Energiequellen besteht und mit welchen typischen Erzeugungsprofilen kann für das Auslegungsjahr gerechnet werden? Kann die Abwärme aus dem Elektrolyse- und Brennstoffzellen-Prozess wieder verwendet werden? Alle diese Fragen beeinflussen die Auslegung von Wasserstoff-Speichern. Werden die Speicher zu klein dimensioniert, sind sie nicht in der Lage, lange Zeiträume mit einem geringen Angebot an erneuerbarem Strom zu decken. Werden die Speicher zu groß dimensioniert und ihre Speicherkapazität nur selten ausgenutzt, verringert dies die Wirtschaftlichkeit des Energiesystems und führt zu unnötig hohen Investitionskosten. Für eine Vorplanung können Speicherkapazitäten mit Hilfe einer Auslegungsrechnung im nPro-Tool ermittelt werden. Das nPro-Tool ermittelt hierbei die optimale Speicherkapazität unter technischen und ökonomischen Gesichtspunkten auf Basis eines typischen Auslegungsjahres. Um die Belastbarkeit der Auslegungsrechnung zu steigern, kann nicht nur ein einzelnes Auslegungsjahr betrachtet werden, sondern mehrere typische Auslegungsjahre mit unterschiedlichen Sätzen von Wetter- und Bedarfsprofilen herangezogen werden. Auf diese Weise kann eine gegenüber jährlichen Schwankungen robuste Auslegung des Energiesystems ermittelt werden. Zur Dimensionierungsrechnung nutzt das nPro-Tool einen techno-ökonomischen Optimierungsansatz, welcher auf mathematischen Optimierungsmodellen basiert.

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