Abstract
Grüner Wasserstoff entwickelt sich zu einem wichtigen Energieträger in nachhaltigen Energiesystemen und spielt eine entscheidende Rolle bei der Ausbalancierung von erneuerbaren Energiequellen. Die Protonen-Austausch-Membran-Elektrolyse (PEM), welche eine schnelle dynamische Reaktion ermöglicht, eignet sich besonders gut für Wasserstoffproduktion, obwohl sie erhebliche Abwärme erzeugt. Diese Studie untersucht das techno-ökonomische Potenzial eines großen PEM-Elektrolyseurs, der mit erneuerbarer Energie betrieben wird, der Fokus wird hierbei auf die Produktion von grünem Wasserstoff gelegt. Es werden verschiedene Systemkonfigurationen analysiert, einschließlich Anpassungen der Kapazitäten für Elektrolyseur, Wind- und Photovoltaikanlagen sowie Betriebsstrategien. Zusätzlich wird die Machbarkeit der Abwärmenutzung für ein lokales Wärmenetz zur Effizienzsteigerung untersucht. Ein verifiziertes PEM-Modell wird in eine Simulationssoftware für erneuerbare Energien integriert, um wichtige technische und ökonomische Kennzahlen zu bewerten. Die Ergebnisse zeigen, dass die optimalen Systemkonfigurationen hohe Anteile an installierter erneuerbarer Energie im Vergleich zur Elektrolyseurkapazität aufweisen. Darüber hinaus hat Abwärmerückgewinnung das Potenzial, die Effizienz des Elektrolyseurs um fast 20% Punkte zu steigern. Die berechneten Kosten für die Wasserstoffproduktion liegen unter idealen Bedingungen bei 4.2-4.8 €/kg, wobei die kostengünstigste Variante fluktuierende Stromkäufe aus dem Netz berücksichtigt. Diese Ergebnisse verdeutlichen, dass grüner Wasserstoff auf globaler Ebene noch Schwierigkeiten hat, mit fossilem Wasserstoff zu konkurrieren, selbst unter optimistischen Annahmen zu den Investitionskosten. In dieser Studie führt die Nutzung von Abwärme für Fernwärme nur zu geringen Reduzierungen der Wasserstoffproduktionskosten, während die vollständige Nutzung der überschüssigen Abwärme größere Einsparungen ermöglichen könnte. Darüber hinaus ist die Rentabilität der Abwärmenutzung von der erforderlichen Temperatur abhängig, wobei Wärmepumpen eine entscheidende Rolle spielen. Abschließend zeigt die Studie, dass PEM-Elektrolyse ein erhebliches Potenzial für die Produktion von grünem Wasserstoff aufweist, jedoch weitere Kostenreduktionen erforderlich sind, um auf globaler Ebene mit grauem Wasserstoff konkurrenzfähig werden zu können. Die Erreichung der Wettbewerbsfähigkeit hängt von Fortschritten in der PEM-Technologie und der Senkung der Investitionskosten ab. Forschungen zur Abwärmenutzung und zur Optimierung des Strombezugs könnten ebenfalls dazu beitragen, die Produktionskosten weiter zu verringern und grünen Wasserstoff zu einer nachhaltigen Alternative zu fossilem Wasserstoff zu machen.
Originalsprache | Englisch |
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Qualifikation | Master of Science |
Gradverleihende Hochschule |
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Betreuer/-in / Berater/-in |
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Datum der Bewilligung | 21 Jan. 2025 |
Publikationsstatus | Veröffentlicht - Jan. 2025 |
Research Field
- Hybrid Power Plants