Analyse des dynamischen Systemverhaltens von AEL für die direkte Nutzung erneuerbarer Energien

Die Schnelligkeit alkalischer Elektrolysen (AEL) ist eine zentrale Komponente zur effizienten Nutzbarmachung erneuerbarer Energien. Im Projekt »AEL-DynamikOptimierung« haben wir das dynamische Systemverhalten von AEL-Anlagen bei direkter Kopplung mit Wind- und PV-Strom untersucht. Ziel war es, technische Optimierungspotenziale zu identifizieren und die Wasserstoffproduktionskosten zu senken. Das FraunhoferISE lieferte praxisnahe Erkenntnisse für Hersteller und Betreibende von H₂-Anlagen.

Ausgangslage 

Alkalische Elektrolyseure reagieren langsamer auf Schwankungen im Stromangebot als PEM-Systeme, was zu Wasserstoffverlusten und höheren Kosten führen kann. Bisher war unklar, welche Systemparameter für die wirtschaftliche Nutzung von direkt eingespeistem PV- und Windstrom entscheidend sind. Zudem fehlen belastbare Analysen zu Start-up-Zeiten, Ramp-Rates und Spülvorgängen, die die Effizienz und Kosten einer AEL maßgeblich beeinflussen.

Ziel

Ziel des Projekts war die Analyse des dynamischen Verhaltens von AEL-Systemen unter realen erneuerbaren Energieeinspeisungen. Es sollte geklärt werden, in welchem Rahmen die AEL den fluktuierenden Stromquellen folgen muss, welche Parameter die Hauptkostentreiber darstellen und ob hohe Reaktionsgeschwindigkeiten, wie bei der PEM-Elektrolyse, tatsächlich nötig sind.

Lösungansatz

Das Fraunhofer ISE modellierte die AEL-Anlage inklusive aller Betriebsmodi gemäß Herstellerangaben. Optimierte Kapazitäten für PV- und Windparks wurden anhand ortsabhängiger Erzeugungs-Zeitreihen abgeleitet. Sensitivitätsanalysen untersuchten Ramp-Rates up/down, N₂ (Stickstoff)-Spülvorgänge und Start-up-Zeiten, um Auswirkungen auf die Wasserstoffproduktion und die Kosten zu quantifizieren.

Ergebnisse

Die Darstellung zeigt das exemplarische Ergebnis der Systemauslegung für einen spezifischen Standort. Im Fokus steht die Identifikation des Kostenoptimums für den Auslegungspunkt in Abhängigkeit von der installierten Kapazität erneuerbarer Energien.

Zentrale Aspekte der Auswertung:

• Zusammensetzung der LCOH: Die Wasserstoffgestehungskosten werden detailliert nach ihren Haupttreibern aufgeschlüsselt:
  • Elektrolysesystem
  • Kompressions- und Kühlsysteme
  • Sonstige Systemkomponenten
  • Anteil der bereitgestellten erneuerbaren Energien

• Szenarienanalyse: Um die Sensitivität der Kosten zu verdeutlichen, wurden drei unterschiedliche Kostenszenarien untersucht. Diese veranschaulichen, wie externe Parameter die Wirtschaftlichkeit des Gesamtsystems beeinflussen.

• Optimierungspunkt: Das Diagramm verdeutlicht die Korrelation zwischen der Skalierung erneuerbarer Energien und den resultierenden Gestehungskosten, wodurch der Punkt mit der höchsten Kosteneffizienz (LCOH-Minimum) für die Systemauslegung präzise ablesbar wird.

Detaillierte Ergebnisse der Sensitivitätsanalysen bezüglich der Start-up-Zeiten, Ramp-Rates und Spülvorgänge können aus Vertraulichkeitsgründen nicht veröffentlicht werden.