Monnerie, Nathalie

Roeb, Martin

Rosenstiel, Andreas

Sattler, Christian

Institute of Transport Research:Publications

Knowledge for TomorrowElektrochemische Wasserstoffproduktion mit solarthermischen Hybridkraftwerken Andreas Rosenstiel*, Nathalie Monnerie, Martin Roeb, Christian SattlerDeutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR), Institut für Future Fuels, Linder Höhe, 51147 Köln*andreas.rosenstiel@dlr.deQuellen(1) Brandes, J., et al., Die deutsche Energiewende im Kontext gesellschaftlicher Verhaltensweisen. 2021, Fraunhofer-Institut für solare Energiesysteme ISE.(2) Peterssen, F., et al., Hydrogen Supply Scenarios for a Climate Neutral Energy System in Germany. International Journal of Hydrogen Energy (Accepted for Publication), 2022.(3) Roeb, M., et al., Wasserstoff als ein Fundament der Energiewende Teil 1: Technologien und Perspektiven für eine nachhaltige und ökonomische Wasserstoffversorgung. 2020, DeutschesZentrum für Luft- und Raumfahrt e. V. (DLR): Köln, Germany.(4) Rosenstiel, A., et al., Electrochemical Hydrogen Production Powered by PV/CSP Hybrid Power Plants: A Modelling Approach for Cost Optimal System Design. Energies, 2021. 14(12).(5) Benitez, D., et al., Solarthermische Kraftwerke. Wärme, Strom und Brennstoffe aus konzentrierterSonnenenergie. 2021, Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.V. (DLR), Institut fürSolarforschung: Köln (D).• Wasserstoffproduktion mit alkalischer Elektrolyse (AEL) mit Option Stand-by-Betrieb (1% Strombedarf)• Kostenoptimale Auslegung der Systemkomponenten (PV/CSP+AEL) durch Minimierung der Wasserstoffgestehungskosten (LCOH):min(𝐿𝐶𝑂𝐻) = 𝑓(𝑃 𝐶𝑆𝑃,𝑅𝑒𝑐 , 𝑃𝑃𝑉,𝑃𝑒𝑎𝑘 , 𝑃𝐴𝐸𝐿 , 𝑃𝑇𝑢𝑟𝑏 , C𝑇𝐸𝑆, P𝐻𝑒𝑎𝑡𝑒𝑟,𝑒𝑙)• Globale Optimierung mit Pattern Search Algorithmus von MathWorks®• Der Sonnengürtel der Erde verfügt über ein enormes Potenzial an erneuerbarer Energie und kann sich dadurch zum Exporteur CO2-neutraler Energieträger entwickeln. Die elektrochemische Wasserstoffproduktion ist dafür die zentrale Technologie, derzeit Fokus auf die Niedertemperaturelektrolyse (AEL oder PEMEL).• Niedrige Wasserstoffgestehungskosten (engl: LCOH = Levelized Cost Of Hydrogen) erfordern neben niedrigen Stromkosten auch hohe Elektrolyseurvolllaststunden.• Die Photovoltaik (PV) weist an guten Standorten sehr niedrige Stromgestehungskosten auf, erreicht aber ohne Speicheroption nur etwa 2000 Volllaststunden.• Die Hybridisierung mit solarthermischen Kraftwerken (engl: CSP plants = Concentrating Solar Power plants) kann diesen Nachteil ausgleichen.• CSP Kraftwerke verfügen über effiziente und kostengünstige Flüssigsalz-Wärmespeicher. An guten Standorten kann dadurch fast kontinuierlich Strom produziert bzw. die Stromproduktion an den Bedarf angepasst werden.• Zukünftig: Vielversprechende Erweiterung des Konzepts auf die Hochtemperaturelektrolyse (HTEL) mit kosteneffizienter Wärmebereitstellung durch CSP.Abb. 1: Prozessschema und Optimierungsvariablen des PV/CSP-Hybridkraftwerks zur elektrochemischen Wasserstoffproduktion.Abb. 3: Vergleich verschiedener Betriebsstrategien: a) reines PV-System, b) fluktuierendes PV/CSP System mit hohem PV-Anteil. c) kontinuierliches PV/CSP System mit hohem CSP-AnteilDanksagung: Die Autoren danken dem Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz für die Förderung des Projektes SolareKraftstoffe (Förderkennzeichen: 03EIV221, gefördert aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages). Die Verantwortung für den Inhalt dieser Veröffentlichung liegt beim Autor. Ergebnisse• PV/CSP-Hybridkraftwerke mit thermischem Speicher erhöhen die Wirtschaftlichkeit der elektrochemischen Wasserstoffproduktion im Vergleich zu reinem PV oder CSP-System.• Vorteile kontinuierliche Wasserstoffproduktion bei Kopplung an Kraftstoffsyntheseprozesse oder H2-Verflüssigung.• Niedrige PV-Stromgestehungskosten begünstigen generell eine Überskalierung der Photovoltaik (Erhöhung der spezifischen Strombereitstellungskosten)• CSP-Wärmebereitstellung günstiger als rein elektrisches Heizsystem. • Konzept der CSP-Hybridisierung mit thermischem Speicher erweiterbar auf weitere fluktuierende Stromquellen (z. B. Windkraft).• Kostenoptimale Anpassung der regelbaren Stromproduktion in solarem Dampfkraftprozess an die Elektrolyseeinheit.• Implementierung einer Betriebsstrategie mit prioritärer Nutzung des fluktuierenden PV-Stromanteils.• Nutzung von Synergieeffekten zwischen CSP-Eigenbedarf und PV-Stromproduktion.• Option thermische Speicherung von PV-Überschüssen über elektrischen Flüssigsalzheizer.PV/CSP HybridkonzeptFazit und AusblickAbb. 2: Wasserstoffgestehungskosten (LCOH) in Abhängigkeit der Elektrolyseurvolllaststunden und den Strombereitstellungskosten (LCOE) für verschiedene Systemkonfigurationen.EinleitungTechno-ökonomische SystemoptimierungVergleich von BetriebsstrategienProzesskonzept  und Optimierungsvariablen