Projektbeschreibung
Sieben Professuren der Technischen Universität Chemnitz arbeiten in diesem Projekt "HZwo:StabiGrid" zum Thema Integration von Wasserstoffsystemen in das Stromnetz und zur Netzstabilität im Zuge der Energiewende zusammen. In diesem Kontext soll die notwendige Kapazität von Energiespeichern im Verhältnis zu traditionellen und erneuerbaren Erzeugungsanlagen zur Gewährleistung der Netzstabilität zur Diskussion gestellt werden. Zu diesem Zweck entwickelt die Nachwuchsforschungs-gruppe einen Leitfaden, der das Risiko der Netzinstabilität für verschiedene Kombinationen von Stromerzeugungsanlagen und Energiespeichern beschreibt. Darüber hinaus wird analysiert, inwieweit das Wasserstoffsystem die Herausforderung von Stromsystemen mit mehr als 80% erneuerbarer Energie erfüllen und somit die Rolle eines Energiespeichers übernehmen kann. Das transdisziplinäre Konsortium widmet sich der Frage, welche Belastung diese Herausforderung für das Wasserstoffsystem darstellt und ob diese Belastung für das Wasserstoffsystem ökologisch und technisch vertretbar ist. Als Ergebnis des Projektes ist neben der wissenschaftlichen Qualifizierung der einzelnen Projektteilnehmer ein Technologietransfer durch Aktivitäten im HZwo-Netzwerk mit Kooperationen zu Industriepartnern geplant. Diese Nachwuchsforschergruppe leistet einen aktiven Beitrag zur Einrichtung eines Wasserstoffzentrums an der TU Chemnitz, welches im angepassten Hochschulentwicklungsplan 2025 anvisiert wurde.
Projektziele
Dieses Projekt wird eine umfassende Analyse der Herausforderungen bei der Integration von Wasserstoffsystem zur Stabilisierung des Elektronetzes liefern. Dazu wird die benötigte Kapazität der Wasserstoffsysteme im Elektronetz mit unterschiedlichen Kombination von erneuerbaren Energien und Synchronmaschinen ermittelt.
Aus dem oben beschriebenen, komplexen Wechselspiel von Energieangebot und -nachfrage der beteiligten Teilsysteme (Elektroenergiesystem, Wasserstoffsysteme, Energiemarkt) ergeben sich folgende konkrete wissenschaftliche Herausforderungen:
befasst sich in erster Linie mit dem Aufbau eines Microgrids zur Untersuchung der Stabilität des Stromnetzes. Das Microgrid wird diese Untersuchung in Laborumgebung und mit verschiedenen Szenarien oder Kombinationen von Stromerzeugern aus Synchronmaschinen und umrichterbasierten Anlagen sowie Wasserstoffsystemen ermöglichen. Das Microgrid bietet zum einen die Möglichkeit, Instabilitätsstudien in realer Hardware durchzuführen. Auf der anderen Seite kann das dynamische Verhalten von Komponenten und Geräten des Stromversorgungssystems gemessen und mathematisch modelliert werden. Die Modellierung von umrichterbasierten Systemen (Wind-, PV- und Wasserstoffanlagen) sowie von Lasten für die simulativen Stabilitätsuntersuchungen ist die zweite Aufgabe der EHT im Rahmen des Projekts. Die Modelle der einzelnen Anlagen und Netzkomponenten werden verwendet, um ein äquivalentes Modell für das Verbundsystem zu entwickeln. Dieses wird zur Definition von neuartigen Stabilitätsanforderungen für die Netzkopplung von Wasserstoffanlagen benötigt. Für die Realisierung der geforderten Gesamtträgheit im Stromnetz werden als Lösung sogenannte grid-forming-Umrichter eingesetzt. Die EHT stellt in diesem Projekt notwendigen Anlagen zum Aufbau eines Microgrids bestehend aus fünf Umrichtern zur Verfügung.
engagiert sich bei der Entwicklung des dynamischen Modells der Synchronmaschine für die angestrebten Stabilitätsstudien. Darüber hinaus wird EWA eine besondere Rolle bei der Entwicklung und Implementierung von grid-forming Umrichtern einnehmen, die das Verhalten der Synchronmaschine widerspiegeln. Dabei werden die Anforderungen an den grid-forming Umrichter mit dominierenden umrichterbasierten Anlagen aus der Funktion der Synchronmaschine im heutigen Stromnetz definiert und zusammen mit anderen Professuren in eine Regelstrategie für den Umrichter umgesetzt. Die Stabilitätsuntersuchungen bei EWA richten ihre Aufmerksamkeit auf den Beitrag von Synchronmaschinen und grid-forming Umrichtern im zukünftigen Stromnetz mit neuen Herausforderungen an die Systemstabilität. Damit soll die erforderliche Kapazität von Energiespeichern und deren Anschlussanforderungen definiert werden.
eschäftigt sich mit dem Einfluss von grid-forming und grid-following Stromrichtern auf die Stabilität des Energiesystems. Hierbei wird zunächst die vom ACSD entwickelte Methode zur Stabilitätsanalyse der Polradwinkel auf die Frequenzstabilität für einzelne Generatoren erweitert. Mit Hilfe dieser Methode wird die Wechselwirkung von Frequenzabweichungen zwischen verschiedenen Generatoren (insb. zwischen Synchronmaschinen und Umrichterbasierten Generatoren) sowie deren Auswirkungen auf die Netzstabilität untersucht. Mit Hilfe der daraus gewonnenen Erkenntnisse über das Netzverhalten werden Anforderungen an die Umrichter abgeleitet. Nach der Analyse des Verhaltens und der Anforderungen kleinerer Testsysteme wird die Möglichkeit der Erweiterung der Methodik auf Netzebene demonstriert. Als zweiten Schwerpunkt befasst sich die Professur ACSD mit dem Entwurf einer robusten Regelung der Umrichter mit dem Fokus auf eine Integration der Wasserstoffspeichertechnologie in das Energienetz. Dazu wird zunächst ein vereinfachtes Modell der Wasserstofftechnologien in das Energienetz integriert und deren Schnittstellen definiert. Basierend auf den Ergebnissen der Stabilitätsanalyse wird dann die Regelung durch eine Vorgabe von konsistenten (Last-) Profilen realisiert, welche die Sicherstellung der Stabilität des Gesamtnetzes als Ziel hat und zum Ende des Projektes simulativ getestet wird.
erfolgt das Ziel Messverfahren weiter zu entwickeln, die den Zustand von Brennstoffzellen allgemein, aber auch von weiteren elektrischen Betriebsmitteln im Betrieb bewerten. Ziel der Untersuchungen ist es, neben der allgemeinen Lebensdauer auch die funktionale Sicherheit zu erhöhen, um letztendlich die Akzeptanz der Technologie in der Bevölkerung weiter zu steigern. Des Weiteren soll im Rahmen dieses Vorhabens geprüft werden, inwieweit das Verfahren der Impedanzspektroskopie genutzt werden kann, den inneren Zustand der Brennstoffzelle im Betrieb zu erfassen. Hierbei soll auf bereits bestehende Methoden aus dem Bereich Batteriediagnose zurückgegriffen werden, mit dem sich die Professur seit vielen Jahren auseinandersetzt. Diese Untersuchung soll mit den Daten aus weiteren Zustands- und Umgebungssensoren (Temperatur, Druck) kombiniert werden. Die Herausforderung besteht darin eine angepasste Modellierung für die physikalischen Effekte in den Brennstoffzellen zu entwickeln, die unterschiedlichen Effekte zu trennen und verschiedenen Ursachen zuzuordnen. Außerdem bestehen zusätzliche Herausforderungen durch die Dynamik innerer Prozesse im Zusammenhang mit betriebsbedingten Belastungen und Belastungswechseln, welche Anpassungen der Methode erfordern. Für die Umsetzung der erforderlichen Untersuchungen bestehen im Rahmen dieser Forschergruppe hervorragende Ausgangsbedingungen. Durch den bereits zur Verfügung stehenden Open-Source-Stack (OSS) können umfangreiche Untersuchungen durchgeführt werden, um beispielsweise ein physikalisches Modell anzupassen und zu evaluieren. Dadurch soll die Diagnostik zu einem Life-Cycle-Assessment hin weiterentwickelt werden.
wird im Rahmen dieses Projektes die Systembausteine Brennstoffzellen, Elektrolyseure und Batterien in den Fokus nehmen. Ziel ist die Entwicklung dynamischer Simulationsmodelle mit besonderem Fokus auf der Abbildung und Berücksichtigung von Degradationseffekten unter den gegebenen umwelt- und netzbedingten Randbedingungen. Hierbei sollen auch gezielt Wechselwirkungseffekte zwischen den Netzkomponenten in die Simulationsmodelle implementiert werden, sodass Einflüsse aus dynamischen Laständerungen auf die Lebensdauer von Wasserstoffkomponenten in einer gesamtheitlichen Betrachtung mitberücksichtigt werden können. Bisher vorhandene Modelle von Polymerelektrolytmembran-Brennstoffzellen (PEM-BZ) sind aufgrund ihrer teils stark detaillierten chemisch-physikalischen Modellierungsstruktur für globale Netzsimulationsbetrachtungen nicht geeignet, analoges trifft auf Modelle für Elektrolyseure und Batterien zu. Es müssen daher neue Modellansätze entwickelt und erforscht werden, welche eine hinreichende Detailtiefe bei gleichzeitig hoher Simulationsdynamik gewährleisten. Daher ist die Zielstellung insbesondere kennfeldbasierte, empirische Modellstrukturen zu erzeugen und für Gesamtsimulationsbetrachtungen zu berücksichtigen. Um derartige Modelle ableiten und bedaten zu können, sind experimentelle Versuche an Brennstoffzellen, Elektrolyseuren und Batterien notwendig. Mittels des bereits vorhandenen Brennstoffzellenprüfstandes bei ALF können die empirischen Daten und Kennlinien bzw. Kennfelder für dynamische BZ-Simulationsmodelle ermittelt werden. Die neu beschaffte Elektrolyseureinheit kann analog im Betrieb unter definierten Szenarienbelastungen vermessen und hierdurch die Datenmodelle abgeleitet werden. Seitens der Batterien können mittels des neuen Batterietesters und -kalorimeters Zellen vermessen sowie empirische Zellmodelle abgeleitet und entwickelt werden. Die jeweils so erzeugten Einzelmodellansätze können dann über definierte Modellschnittstellen in ein übergeordnetes Netzsimulationsmodell implementiert werden.
führt grundlegende Untersuchungen zum Transport und zur Speicherung von Wasserstoff z.B. in Erdgas (HENG – Hydrogen Enriched Natural Gas) und in Adsorbentien durch. In diesem Kontext erfolgt ein Screening vielfältiger, u.a. neu entwickelter Adsorbentien über große Druck- und Temperaturbereiche mithilfe eines volumetrischen Hochdruck-Gassorptionsmessgerätes. Die erfolgversprechendsten Materialien werden über die Hochdruck-Gravimetrie und die Raman-Spektroskopie detaillierter charakterisiert, um schließlich genaue Aussagen bzgl. der Kinetik des Adsorptions- und Desorptionsverhaltens und damit zur Speicher- und Trennperformance zu erhalten. Darauf aufbauend und unter Berücksichtigung weiterer Speichertechnologien (z.B. Verflüssigung, Druckspeicher, Metallhydride) soll das dynamische Verhalten der H2-Speicherung zur Netzstabilisierung bewertet werden. Des Weiteren können mithilfe der Hochdruck-Gravimetrie die thermischen Zustandseigenschaften der untersuchten Gasgemische (wie z.B. HENG) mit geringer Messunsicherheit gemessen werden, um existierende thermodynamische Stoffdatenmodelle für Gasgemische mit Wasserstoff im Hinblick auf die Modellgenauigkeit zu untersuchen. Bei Bedarf können ausgewählte Stoffdatenmodelle weiterentwickelt werden. Dies ist insbesondere bzgl. des Betriebs eines schrittweise umzuwidmenden Erdgasnetzes zum Speichern und Transportieren des Wasserstoffs von hoher Bedeutung, da in diesem Kontext genaue thermodynamische Berechnungen wie z.B. für die thermische Gasabrechnung erforderlich sind. Darüber hinaus erfolgt eine TEA (Techno-Economic-Analysis) der Speicher-, Transport- und Gastrenntechnologien unter Berücksichtigung genauer thermodynamischer Modelle.
stellt sich den zentralen Herausforderungen, den steigenden Ressourcenverbrauch und dadurch induzierten Emissionen konsequent zu begegnen sowie die aktuell aufgestellten ambitionierten Ziele des Klimas- und Ressourcenschutzes zu erreichen. Das Erneuerbare-Energie-Gesetz (EEG) kann dazu einen entscheidenden Beitrag liefern. Im vorliegenden Projektantrag hat die Professur BUÖN erstens zur Aufgabe, verschiedenartige Indikatoren zur Bewertung der ökologischen und ökonomischen Nachhaltigkeit des Wasserstoffsystems zu ermitteln. Darauf aufbauend folgt zweitens eine Nachhaltigkeitsbewertung (z.B. mittels Life Cycle Analysis, Analyse von Rebound-Effekten und Instrumenten des Controllings) ebendieses Systems mit dem Ziel, kritische Faktoren und Kennzahlen zu bestimmen und zu interpretieren. Abschließend leitet die Professur BUÖN entsprechende Handlungsempfehlungen hinsichtlich der Vorteilhaftigkeit des Einsatzes von Wasserstoffsystemen zur Stabilisierung des Elektronetzes ab.
