H2-Mare: “PtX-Wind – Offshore Power-to-X-Prozesse”

Motivation

Die direkte Koppelung von Power-to-X-Prozessen (PtX) an Offshore-Windkraftanlagen könnte als wichtiger Baustein zur Erweiterung einer dezentralen Energielandschaft fungieren. PtX bietet hierbei die Möglichkeit elektrische Energie mittels Wasserelektrolyse in sogenannten „grünen“ Wasserstoff zu überführen, welcher dann als Ausgangsstoff zur Herstellung von Chemikalien bzw. Energieträgern wie Methan, Ammoniak, Methanol und synthetischen Kraftstoffen verwendet werden kann. Die genannten Energieträger sind speicherbar und bieten somit eine Entkopplung von der fluktuierenden Energiebereitstellung aus regenerativen Energiequellen.

Stand der Technik

PtX-Prozesse werden aktuell in vielen Forschungs- und Industrieprojekten untersucht. Die technologische Reife reicht hierbei von Technikumsanlagen (TRL 4) bis hin zu ersten industriellen Anlagen (TRL 8/9). Die Systeme sind überwiegend Pilotanlagen im Container-Maßstab für Demonstrationszwecke und decken in der Regel nicht die vollständigen Prozessketten ab, so dass eine stoffliche und thermische Integration zwischen einzelnen Prozessstufen zur Maximierung des Gesamtwirkungsgrades bislang auf Simulationen beschränkt ist. Der Offshore-Einsatz dieser Technologien ist bisher nicht im Fokus der Forschung in Deutschland gewesen.  Als Beispiel eines ähnlichen technischen Vorhabens kann hier die von Dänemark geplante künstliche Insel genannt werden, die mehrere europäische Staaten mit erneuerbarem Strom versorgen soll^[1].Sie soll als Knotenpunkt für umliegende Offshore-Windparks dienen und den Strom an zahlreiche europäische Staaten verteilen. Zudem sollen nicht nur 10 GW an Windstrom für Europa bereitgestellt, sondern auch PtX-Kraftstoffe für Schiff- und Luftfahrt auf einer weiteren Insel, der Insel Borholm, hergestellt werden^[1].

Projektziele und DFI-Arbeitspakete

Hauptziele des Verbundprojekts „PtX-Wind – Offshore Power-to-X-Prozesse“ mit insgesamt 17 weiteren Partnern im Rahmen von Leitprojekt H2Mare sind der Betrieb einer Versuchsplattform sowie die Auslegung einer Forschungsplattform, die als Grundlagen für den zukünftigen Bau einer offshore Produktionsplattform dienen sollen.

Das ESC-Team am DFI ist für die Auslegung eines Batteriespeichers für die Forschungsplattform im Arbeitspaket 3.2. „Strombezug“ zuständig. Der Speicher soll die fluktuierende Bereitstellung der Windenergie puffern und somit den autarken Betrieb der Plattform und der PtX-Prozesse ermöglichen. Bei Windflauten und im Wartungsfall sollen zudem die vitalen Funktionen der Plattform und der PTX-Prozesse aufrechterhalten werden. Die Auslegung der Batteriekapazität soll hierbei nicht nur ökonomische Rahmenbedingungen einbeziehen, sondern auch die Aspekte Sicherheit, Platzbedarf, sowie Ansprechzeit und Lebensdauer beinhalten. Für die Auslegung des elektrochemischen Speichers werden reale Windenergieprofile verwendet, um die bereitgestellte Energie mit dem Energiebedarf der Plattform und der PtX-Anlagen abzugleichen.

Am DFI werden einige kommerziell erhältliche Speichertechnologien wie z. B. NMC, LFP, LTO, aber auch NiMH, Pb-Säure & Superkondensatoren auf Zell- und Modulebene bis 1kWh anhand von herkömmlichen Belastungsprofilen auf ihre Performance hin untersucht. Im zweiten Schritt werden einige relevante Batterieparameter in die Auslegungssoftware „System Advisor Model (SAM)“ von NREL implementiert und mit einem repräsentativen (über ein ganzes Jahr) Windprofil verknüpft. In Abhängigkeit der unterschiedlichen Auslastungsszenarien sollen erste technische bzw. wirtschaftliche      Informationen zur Dimensionierung des Batteriespeichers ermittelt werden.

Abbildung 1: Aufgabe der elektrochemischen Energiespeicherung: Der Batteriespeicher puffert einen Teil der bereitgestellten Windenergie und deckt den Energiebedarf der vitalen Funktionen der Forschungsplattform bzw. der PtX-Prozesse bei Windflauten & im Störfall ab. Die Auslegung des Speichers erfolgt mittels System Advisor Model (SAM).

Literaturquellen:

[1] https://www.handelszeitung.ch/tech/28-milliarden-euro-danemark-plant-eine-kunstliche-insel-fur-windenergie

BMBF Förderkennzeichen: 03HY302E