Entwicklung eines modularen Gleichstromsystems zur dezentralen Wasserstofferzeugung aus erneuerbaren Energien

Im Projekt »mDC2H2« haben wir ein modulares, effizientes Gleichstromsystem zur Integration von PEM-Elektrolyseuren für die dezentrale Wasserstofferzeugung entwickelt. Schwerpunkt war die Entwicklung eines hocheffizienten DC/DC-Wandlers für die Spannungsanpassung zwischen DC-Bus und Elektrolyseur. Durch den Einsatz einer verlustarmen resonanten Schaltungstopologie und modernster SiC-Halbleiter konnten wir die Systemkosten wesentlich reduzieren.

Ausgangslage

Mit der Änderung des Klimaschutzgesetzes hat die Bundesregierung die Klimaschutzvorgaben verschärft und das Ziel der Treibhausgasneutralität bis 2045 verankert. Bereits bis 2030 sollen die Emissionen um 65 Prozent gegenüber 1990 sinken. Im Juni 2020 wurde die nationale Wasserstoffstrategie der Bundesregierung verabschiedet, nach der bis zum Jahr 2030 in Deutschland Erzeugungsanlagen für grünen Wasserstoff von bis zu 5 GW Gesamtleistung, entstehen sollen. Die wirtschaftliche Erzeugung von Wasserstoff stellt verschiedene technische und ökonomische Anforderungen an den Elektrolyseur einer Power-to-Gas-Anlage.

Gleichstrombasierte Energiesysteme haben Vorteile für die Integration von Photovoltaik-, Batterie- und Elektrolyseursystemen, modulare DC/DC-Wandler, ermöglichen eine effiziente dezentrale Wasserstofferzeugung.

Ziel

Anliegen des Projektes war neben der Entwicklung des DC/DC-Wandlers auch die Erforschung der DC-Netze, die in der Industrie immer mehr an Bedeutung gewinnen. Außerdem konnten wir Erkenntnisse über das Zusammenspiel von Elektrolyseuren und Batterien gewinnen.

Lösungsansatz

Im Rahmen des Vorhabens haben wir in Zusammenarbeit mit dem Industriepartner Handtmann ein effizientes modulares Gleichstromsystem zur Integration von PEM-Elektrolyseuren entwickelt. Wasserstofferzeugung aus erneuerbaren Energien vor Ort wie auch aus dem Netz werden über die hocheffiziente DC-Technologie möglich und wurden mit einem Technologiedemonstrator evaluiert. Die DC-Infrastruktur erlaubt die Integration verschiedener Komponenten, wie PV-Systeme, Batterien und auch eines Elektrolyseurs als hybrides Speichersystem. Ein intelligentes Betriebsführungssystem ermöglicht die optimale Abstimmung der lokalen Einspeicherung.

Ergebnisse

Das entwickelte System besteht aus modular skalierbaren leistungselektronischen Wandlern im Baukastenprinzip mit jeweils einer Nennleistung von 30 kW pro Rack. Die Innovation der Systemarchitektur entsteht durch die reduzierten Systemkosten und die hohe Effizienz des hybriden PEM-Batteriespeichers:

• Modulares Gesamtsystem mit Entkopplung der AC- und DC-Seite (Skalierbarkeit der Wandlerleistung über DC-Bus, Anpassung an Leistungsklasse und Teillastbetrieb der Energieerzeuger, Minimierung der Netzrückwirkungen)Erhöhung der Leistungsdichte und Effizienz durch Einsatz neuer Leistungshalbleiter (SiC), höherer Taktfrequenzen und innovativer Technologien (weichschaltende Topologien)
• Lebensdauererhöhung der PEM-Elektrolyse-Stacks (Modularität in 100-kW-Einheiten und hohe Güte der Leistungszuführung)
• Erhöhung der Nutzlaststunden des Elektrolyseurs durch Einbindung weiterer DC-Bus-Teilnehmer (z. B. rückspeisefähige DC-Industriegeräte) oder Aufnahme von Überkapazitäten aus dem Netz möglich
• Einbindung der Wandler in bestehende DC-Infrastruktur möglich (PV, E-Mobilität, Batteriespeicher, Industrienetze)
• DC-Busmanagement und übergeordnete Betriebsführung mit intelligentem Energiemanagement

Das Forschungsprojekt »mDC2H2« wurde vom Invest BW im Auftrag des Ministeriums für Wirtschaft, Arbeit und Tourismus Baden-Württemberg gefördert und vom VDE/VDI/IT begleitet. Partner im Verbund waren neben dem Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISE die Handtmann e-solutions GmbH & Co. KG als Projektkoordinator.