Methan-Speicher – Speicherung elektrischer Energie aus regenerativen Quellen im Erdgasnetz: H2O-Elektrolyse und Synthese von Gaskomponenten

Im Power-to-Gas (PtG)-Konzept wird elektrische Energie aus regenerativen Quellen chemisch in Form eines energiereichen Gases gespeichert. In diesem Verbundprojekt wird der mittels Elektrolyse hergestellte Wasserstoff mit Kohlendioxid in Methan umgewandelt, das problemlos im Erdgasnetz gespeichert und transportiert werden kann. Für die Wasserstofferzeugung ist die PEM-Elektrolyse ein besonders geeignetes Verfahren: Der Einsatz einer Membran als Festelektrolyt resultiert in hohen Leistungsdichten. Aufgrund der hervorragenden Über- und Teillastfähigkeit kann sie sehr dynamisch betrieben werden. Durch den Zellaufbau ist der Betrieb bei hohen Drücken möglich, so dass auf die für die Methanisierung notwendigen Kompressoren verzichtet werden kann.

Um das Subsystem »Elektrolyse« innerhalb des Gesamtsystems »Power-to-Gas« besser zu verstehen, haben wir eine Testfeldumgebung aufgebaut, mit der unterschiedliche Lastprofile abgebildet und die Langzeitstabilität auf Systemebene unter realen Bedingungen getestet werden kann. Zudem wurde über mehrere tausend Stunden bei stationären Bedingungen das Degradationsverhalten auf Stack-Ebene untersucht.

Zur Optimierung der dynamischen Betriebsführung haben wir ein 6 kW PEM-Elektrolysesystem unseres Partners H-TEC Systems charakterisiert und eine detaillierte Analyse einzelner Komponenten vorgenommen. Der komplette Elektrolyseur wurde in verschiedenen Lastpunkten und während der Aufprägung fluktuierender Leistungsprofile energetisch bilanziert. Die Ergebnisse dienten neben der Aufdeckung von Verlusten der iterativen Weiterentwicklung von Hardware und Betriebsführung in typischen Anwendungsfällen.

Die Experimente haben gezeigt, dass die Dynamik eines PEMDruckelektrolyseurs, sowohl Wind- als auch PV-gekoppelt, den Anforderungen in PtG-Systemen vollumfänglich genügt. Es ergaben sich gute Wirkungsgrade, die im unteren Teillastbereich noch weiter optimiert werden können. Die erzielten Nutzungsgrade hingen wesentlich vom Verhältnis der Nennleistung des Elektrolyseurs zur nominellen Leistung der Erzeugungsanlage ab. Die Gasqualität des produzierten Wasserstoffs erreichte über den gesamten Messzeitraum ausgezeichnete Werte. Mit den gewählten Randbedingungen lassen sich im simulierten Geschäftsmodell bis zu 4700 Volllaststunden jährlich erzielen.