Wasserelektrolyse im nicht-stationären Betrieb

Methanolproduktion
© Fraunhofer UMSICHT/Mindpeppers

Eine Quelle für den erforderlichen Wasserstoff ist die Elektrolyse mittels Erneuerbarer Energien. Das Teilprojekt L1 untersucht in Labor und Technikum verschiedene Verfahren, Konzepte und Optimierungsmöglichkeiten.

Wasserstoff nimmt bei der Kopplung der Sektoren Energie, Stahl und Chemie sowohl unter energetischen als auch stofflichen Aspekten eine Sonderrolle ein. Die Erforschung einer dynamischen Wasserelektrolyse unter Berücksichtigung des variierenden Angebots an Hüttengasen sowie fluktuierendem, erneuerbarem Strom stellt damit den Kern dieses Teilprojekts dar.

Aufgaben

In Zusammenarbeit mit dem Zentrum für BrennstoffzellenTechnik (ZBT) forscht thyssenkrupp an den Auswirkungen fluktuierender Lastprofile auf verschiedene Elektrolysesysteme. Dazu werden die Systeme am ZBT dynamisch betrieben und untersucht. Basierend auf diesen experimentellen Ergebnissen wird dann das Langzeitverhalten mithilfe eines Simulationsmodells prognostiziert. Die Errichtung eines Wasserelektrolyseurs im Technikum (MW-Leistungsaufnahme) sowie mehrerer Teststände im Labormaßstab (kW-Leistungsaufnahme) ist ebenfalls fester Bestandteil des Teilprojektes. Durch die Kombination der Forschungsergebnisse aus den Anlagen wird die Performance für eine industriell relevante Anlagengröße prognostiziert.

Bedingt durch die komplexen, dynamischen Anforderungen des gesamten Carbon2Chem®-Produktionsnetzwerks wird ein Modell für die Wasserelektrolyse erstellt und in die Gesamtsimulation von Carbon2Chem® eingebracht.

Ziele

Ziel des Gesamtprojektes Carbon2Chem® ist ein Zusammenführen der Branchen Energie, Stahl und Chemie zu einem cross-industriellen Produktionsnetzwerk. Dabei nimmt der Prozess der Wasserelektrolyse eine Schlüsselrolle ein, da für nahezu alle nachfolgenden Syntheserouten Wasserstoff erforderlich ist. Die Verfügbarkeit dieses Gases ist trotz des Einsatzes von fluktuierenden Erneuerbaren Energien sowie dem schwankenden Wasserstoffanteil in den Hüttengasen zu gewährleisten. Diese Anforderungen führen unweigerlich zum Umdenken der bisher bekannten Betriebsweise von Elektrolyseuren. Stofflich bedingt fallen in der Hütte große Mengen an kohlenstoffhaltigen Prozessgasen an, welche teilweise auch heute schon im integrierten Hüttenwerk intern genutzt werden. Um die weiteren zur Verfügung stehenden Gase, insbesondere das klimarelevante CO2, nutzbar zu machen, muss neben der Reinheit des erzeugten Wasserstoffs die Verfügbarkeit passend zum Hüttengasangebot gewährleistet werden. Ziel dieses Teilprojektes ist zum einen die simulationsunterstützte Evaluierung unterschiedlicher Elektrolysetechniken bezüglich der Anforderungen im nicht stationären Betrieb und zum anderen die Errichtung eines kommerziellen Elektrolyseurs, welcher sowohl die bei Carbon2Chem® geforderte Flexibilität als auch die benötigte Anlagenkapazität aufweist.