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Integration eines Batteriespeichers zur optimierten Wasserstoffproduktion via Power-to-Gas: Technoökonomische Sondierung

Im Projekt „Batterlyser“ soll unter technischen sowie technoökonomischen Gesichtspunkten eine Kombination von Power-to-Gas mit einem Batteriespeichersystem untersucht und der Mehrwert einer Verschaltung mit einem Batteriespeichersystem herausgearbeitet werden. Dabei werden Einflüsse der eingesetzten Elektrolysetechnologie (Protonen-Austausch-Membran (PEMEC) oder alkalische Elektrolyse (AEC)), Größe der Power-to-Gas Anlage sowie Art der Anwendung berücksichtigt. Weiter werden die technischen Anforderungen an Batteriespeichersysteme in Power-to-Gas Anlagen erhoben und verschiedene Batterietechnologien hinsichtlich ihres Einsatzes in Power-to-Gas Systemen bewertet. Ein Vergleich eines Power-to-Gas Systems mit und ohne Einsatz eines zusätzlichen Batteriespeichersystems soll den Einfluss auf die Dimensionierung, die spezifischen Wasserstoffherstellungskosten, die technischen Eigenschaften und den Betrieb der Anlage aufzeigen. Des Weiteren soll die Kombination eines Batteriespeichersystems mit einer Power-to-Gas Anlage in exemplarischen Simulationen mit realen Wind- und PV-Profilen als Input untersucht werden und daraus mögliche Einsatzzwecke abgeleitet werden. Zu Beginn des Projektes sollen mittels einer umfassenden Recherche zu internationalen Power-to-Gas Pilotanlagen Erfahrungen und Erkenntnisse zur Kombination mit Batteriespeichersystemen zusammengefasst und Empfehlungen abgeleitet werden.

Ausgangssituation

Erneuerbare Energiequellen wie Windkraft und Solarenergie weisen ein hohes Potential zur Senkung der Treibhausgasemissionen in der Stromerzeugung auf. Sie unterliegen jedoch starken Schwankungen und so wird bei erhöhter Integration in das Energiesystem die Implementierung von Energiespeichern erforderlich. Die Speichertechnologie Power-to-Gas kann durch Umwandlung von Strom in Wasserstoff bzw. in weiterer Folge auch in synthetisches Methan elektrische Energie speichern. Durch den fluktuierenden Strominput aus erneuerbaren Stromerzeugern wie Photovoltaik- oder Windkraftanlagen ergeben sich allerdings hohe Anforderungen an die Dynamik des Elektrolyseurs. In aktuellen Studien des Energieinstitutes an der JKU Linz (Systemanalyse Power-to-Gas im Auftrag des BMWFJ sowie Roadmap Power-to-Gas im Auftrag des bmvit) wird ein wesentlicher Forschungsbedarf in der Systemintegration und dem optimalen Zusammenspiel der Komponenten eines Power-to-Gas Systems identifiziert. Der Einsatz eines zusätzlichen Batteriespeichersystems kann den Strominput glätten und so zu einer optimierten Betriebsweise des Elektrolyseurs führen: Die Koppelung des Elektrolyseurs mit einem Batteriespeichersystem ermöglicht eine kurzzeitige Pufferung von Erzeugungsspitzen sowie eine Glättung des Strominputs aus erneuerbaren Stromerzeugern wie Photovoltaik- oder Windkraftanlagen. Dadurch kann die Degradation des Elektrolyseurs verringert und die Lebensdauer sowie Effizienz erhöht werden. Der Elektrolyseur kann kleiner dimensioniert werden, wodurch sich die Investitionskosten verringern und die Volllaststunden erhöhen. Die Integration eines Batteriespeichers könnte zur erforderlichen Reduktion der Wasserstoffherstellungskosten beitragen und so eine der wesentlichen Anforderungen zur Markteinführung der Technologie Power-to-Gas erfüllen.

Projektverlauf

Das Projekt Batterlyser soll die Kombination eines Batteriespeichersystems mit Power-to-Gas untersuchen und den Mehrwert aus technischen sowie technoökonomischen Gesichtspunkten herausarbeiten.

In einem ersten Schritt findet eine umfangreiche Literaturanalyse zu bestehenden Power-to-Gas Pilotanlagen statt. In Stakeholder-Workshops sollen durch ExpertInneninterviews mit Anlagenbetreibern Erfahrungen zur Integration eines Batteriespeichersystem in das Power-to-Gas System gesammelt und daraus Empfehlungen sowie bevorzugte Einsatzmöglichkeiten abgeleitet werden. Durch die Integration des Unternehmens Akkutron Handels GmbH fließen wertvolle Erfahrungen und Know-how zu verschiedenen Batteriespeichertechnologien in das Projekt ein. Des Weiteren werden sich österreichische Unternehmen wie die RAG Rohöl-Aufsuchungs AG, die Energie AG Oberösterreich und die EVN AG mit ihrem Expertenwissen sowie Fragestellungen aktiv in das Projekt einbringen.

Aus den erhobenen Einsatzmöglichkeiten werden interessante Anwendungsfälle ausgewählt die ein hohes Potential einer zukünftigen Umsetzung darstellen. Diese werden in Folge detailliert untersucht und repräsentativ für die Bewertung der Kombination von Batteriespeichern mit Power-to-Gas Anlagen herangezogen.

Unter Berücksichtigung der unterschiedlichen Anwendungsmöglichkeiten und Elektrolysetechnologien (PEM und alkalische Elektrolyse) werden die Anforderungen von Power-to-Gas an das Batteriespeichersystem ermittelt. Dies erfolgt anhand umfangreicher Daten- und Literaturrecherchen sowie ExpertInneninterviews mit Anlagenbetreibern und Batterieherstellern.

Die Bewertung unterschiedlicher Batteriespeichersysteme auf deren Eignung für die Kombination mit Power-to-Gas soll nach verschiedenen Parametern erfolgen. Dazu zählen neben den technischen Anforderungen an das Batteriespeichersystem auch die spezifischen Kosten, der Stand der Entwicklung des Batteriespeichersystems oder die Gesamtenergieeffizienz.

Mit einer Zeitreihenanalyse werden für ausgewählte Anwendungsfälle Batteriespeicher dimensioniert. Dabei werden reale Wind- und PV-Profile als Input für eine Power-to-Gas Anlage genommen. Es soll der Einfluss eines Batteriesystems auf den Betrieb der Anlage, die Gesamteffizienz und die Wasserstoffherstellungskosten exemplarisch dargestellt werden. Die Ergebnisse der makrobasierten Simulation (Zeitreihenanalyse) werden als Grundlage für die anschließende techno-ökonomische Bewertung herangezogen.

Um die Auswirkungen des Batteriespeichersystems auf eine Power-to-Gas Anlage darzustellen, sollen die spezifischen Wasserstoffherstellungskosten sowie die technischen Parameter (Lebensdauer, Degradation, Wasserstoffqualität, Effizienz, Strombedarf etc.) einer Power-to-Gas Anlage mit und ohne Batterie verglichen werden. Die Berechnung der Wasserstoffherstellungskosten erfolgt anhand von spezifischen Gestehungskosten welche mit der Annuitätsmethode in Anlehnung an die VDI 2067 berechnet werden. Ziel der Simulation ist es iterativ durch Variation der Speicherleistung und -kapazität den Gesamtwirkungsgrad zu erhöhen und folglich die Wasserstoffgestehungskosten zu senken.

Ergebnisse

Die techno-ökonomische Bewertung hat ergeben, dass nur in zwei der 44 untersuchten Varianten ein zusätzliches Batteriespeichersystem zu einer Reduktion der Wasserstoff-Gestehungskosten führt. In allen anderen Varianten werden die Gestehungskosten erhöht. Die Auswertung der Ergebnisse hat ergeben, dass diese sehr stark von den für die Simulation gewählten Rahmenbedingungen abhängig sind.

Um die durchgeführten Simulationen weiter zu detaillieren und dadurch noch realitätsnähere Ergebnisse zu erhalten, wären sowohl fundierte Angaben bezüglich einiger technischer Eigenschaften von Elektrolyseuren, wie beispielsweise die maximale Anzahl an Start/Stopp-Zyklen und die Auswirkung dieser auf die Lebensdauer, die Energieverbräuche in den verschiedenen Betriebszuständen sowie die Anfahrzeiten aus diesen Zuständen bis zur Wasserstoffproduktion als auch eine detailliertere Regelstrategie nötig. Dazu müssten Forschungsprojekte durchgeführt werden, die besonders auf die Untersuchung der Lebensdauer (sowohl kalendarische als auch zyklische Lebensdauer) der Elektrolyseure in Kombination mit erneuerbaren Energiequellen abzielen. Weiterer Forschungsbedarf besteht in der Entwicklung einer geeigneten Regelstrategie für die Kombination eines Batteriespeichers mit einem Elektrolyseur, da diese einen sehr hohen Einfluss auf die Steigerung der Wasserstoffproduktion, die Anzahl der Start/Stopp-Zyklen des Elektrolyseurs und die Lebensdauer der Batterie hat.

Grundsätzlich gilt, um die Wasserstoff-Gestehungskosten durch die Kombination eines Batteriespeichers mit einem Elektrolyseur zu senken, müssen die Kosten für den zusätzlichen Batteriespeicher deutlich reduziert werden. Ebenfalls muss durch den Batteriespeicher die Wasserstoffproduktion deutlich erhöht und die Anzahl der Start/Stopp-Zyklen signifikant verringert werden.