- Simultaneous design and part-load optimization of an industrial ammonia synthesis reactor. Chemical Engineering Journal 480, 2024, 148302 mehr…
- Design and thermodynamic analysis of a large-scale ammonia reactor for increased load flexibility. Chemical Engineering Journal 471, 2023, 144612 mehr…
- Ammoniakanlagen für den flexiblen Betrieb – Design und Betriebsstrategien. Jahrestreffen "Prozess-, Apparate- und Anlagentechnik", 2023 mehr…
- Conceptual Design of a Multi-Physics Digital Twin for Dynamic Real-Time Simulation of a PEM Electrolysis Plant. AIChE Annual Meeting, 2023 mehr…
H2Giga - SINEWAVE
Beschreibung
Als Teil ihrer Bestrebungen zur Energiewende hat die Bundesregierung im Jahr 2020 ihre Wasserstoffstrategie veröffentlicht, die den Ausbau der Elektrolysekapazität in Deutschland auf 5 GW elektrische Leistung bis 2030 vorsieht. Zum Vergleich: Die derzeitige globale Kapazität liegt bei ca. 20 GW. Zur Erreichung des 5 GW-Ziels kommen im Wesentlichen drei Technologien in Frage: Alkalische Elektrolyse (AEL), Proton Exchange Membrane (PEM) Elektrolyse und Hochtemperaturelektrolyse (HTEL). Die PEM Elektrolyse ist derzeit mit Anlagengrößen bis in den zweistelligen Megawatt-Bereich realisiert und somit marktreif, aber weniger verbreitet als die AEL. Die HTEL ist die effizienteste Alternative, hat aber derzeit noch keine Marktreife erlangt. Wichtige Vorteile der PEM Elektrolyse gegenüber beiden Alternativen bestehen im hohen möglichen Betriebsdruck und der Möglichkeit sie dynamisch zu betreiben, also innerhalb von Minuten hoch- und herunterzufahren. Letztere ist für die gezielte Nutzung erneuerbarer Energien unerlässlich, insbesondere die von Überschussenergie zu Zeiten hoher Produktion durch Sonne und Wind.
Der Netzausgleich durch dynamischen Betrieb und die Bereitstellung von Regelleistungen gehen mit einer Reduktion der jährlichen Betriebsstunden einher. Ist Strom gerade knapp und teuer, werden die Anlagen abgeschaltet. Dementsprechend wird für dasselbe jährliche Produktionsvolumen eine größere installierte Kapazität benötigt. Ein sinkender Anteil der Stromkosten an den Wasserstoffgestehungskosten und ein steigender Anteil der Investitionskosten sind eine direkte Folge eines zunehmend dynamischen Betriebs. Um die Investitionskosten für Elektrolyseure und die dazugehörige Peripherie zu senken, hat die Bundesregierung das Leitprojekt H2Giga ins Leben gerufen, in dem die Massenproduktion von Elektrolyseuren angestrebt wird. Eine Reduktion der Elektrolyseurkosten soll die PEM Elektrolyse über Nischen heraus für immer mehr Anwendungen attraktiv machen. Die Erschließung weiterer Märkte wiederum soll den Absatz weiter steigern, was die spezifischen Kosten pro Einheit weiter senkt.
Additive Fertigung
Die additive Fertigung erobert immer größere Teile der Industrie und öffnet dieser ganz neue Möglichkeiten. Die Nutzung dieser Technologie revolutioniert die Fertigung komplizierter Komponenten und führt auch in der Verfahrenstechnik zu neuartigen Konstruktionsansätzen. Im Teilprojekt SINEWAVE werden die Möglichkeiten additiver Fertigung bei der Produktion von Elektrolysestacks und deren Peripherie betrachtet. Dabei steht die Erforschung der wirtschaftlichen Nutzung von additiv gefertigten Komponenten bei der Serienfertigung von Elektrolyseuren im Fokus.
Prozessintegration
Im Teilprojekt SINEWAVE beschäftigen wir uns mit dem Finden und Bewerten neuer Anwendungen für die PEM Elektrolyse und die daraus resultierenden Anforderungen an die Elektrolyseure. Dazu zählt die Einbindung in großskalige „Power-to-X“ Prozesse wie die Ammoniak- und Methanolsynthese, wo grüner Wasserstoff fossile Brennstoffe als Einsatzstoffe ablösen soll. Je nach Verwendung des Wasserstoffs ergeben sich verschiedene Anforderungen an Druck und Reinheit, sowie Möglichkeiten zur Integration von Abwärme und des bei der Elektrolyse anfallenden Sauerstoffs. Diese Anforderungen und Möglichkeiten sollen im Rahmen des SINEWAVE Projekts untersucht und in Designparameter für Elektrolyseur und Downstream Prozess überführt werden. Dazu ist eine gleichzeitige Betrachtung der inneren Vorgänge der Elektrolyse sowie der äußeren Vorgänge im Downstreamprozess dringend notwendig. Für die erfolgreiche Integration von erneuerbarer Energie in großtechnische Prozesse ist zudem die Fähigkeit zum dynamischen Betrieb entscheidend. Im Rahmen von SINEWAVE entwickeln wir flexiblere Prozesse, welche ohne die exzessive Installation von Wasserstoffspeichern auskommen.
Förderung
Der Lehrstuhl bedankt sich für die Förderung durch das Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF).