Wasserstoff & Power to X
Im Zuge der Energiewende werden die Konzepte zur Sektorenkopplung mittels Wasserstoff und anderen Power to X-Ansätzen immer relevanter. Mit energyPRO lassen sich solche komplexen Systeme nicht nur gut abbilden, sondern die dahinterstehenden Geschäftsmodelle auf ihre Wirtschaftlichkeit prüfen und optimieren.
Der typischste Anwendungsfall für Power-to-X ist heutzutage die Bereitstellung von Wasserstoff. In der Wasserstoffwirtschaft spricht man trotz der farblosen Natur von Wasserstoff oft von verschieden farbigen Wasserstoffarten. Dieses unten dargestellte Farbspektrum des Wasserstoffs bezieht sich auf die unterschiedlichen Ausgangsstoffe und Verarbeitungsmöglichkeiten bei der Gewinnung von H2 in industriellem Maßstab. Dabei besitzen die verschiedenen Herstellungsarten große Unterschiede in Bezug auf ihre Auswirkungen auf unsere Umwelt, ihre technische Komplexität, aber auch den verbundenen Kosten. In energyPRO ist es möglich, all diese verschiedenen Prozesse technisch & ökonomisch zu modellieren, zu analysieren und im Betrieb zu optimieren. Bislang macht grüner Wasserstoff aus regenerativen Energien nur einen Bruchteil der weltweiten fossilen Wasserstoffproduktion aus. In Anbetracht der angestrebten Dekarbonisierung und des vielseitigen Einsatzpotenzials wird jedoch erwartet, dass er stark an Bedeutung gewinnen wird.
Für ein elektrisches Energiesystem, welches überwiegend aus erneuerbaren Energien gespeist wird, stellt deren Volatilität eine enorme Herausforderung dar. Zeitweise kann entweder nicht ausreichend elektrische Leistung bereitgestellt werden, oder die mögliche Erzeugung übersteigt die Kapazität der Abnehmer oder des Stromnetzes und EE-Anlagen müssen abgeregelt werden. Batteriesysteme können dieser Problematik zwar mit hohen Ausgleichsleistungen entgegenwirken, sie werden bislang jedoch ab einer bestimmten Größenordnung an gespeicherter Energie unwirtschaftlich. Die Nutzung regenerativer Energie für Power to X zur Erzeugung von Wasserstoff bietet eine Vielzahl an Möglichkeiten zur Speicherung, Rückverstromung oder weiteren Verarbeitung. Das sorgt dafür, dass das Gesamtsystem dadurch erheblich flexibler und robuster gestaltet werden kann.
Die Herstellung von grünem Wasserstoff kann dabei über das Prinzip der Elektrolyse erfolgen, indem typischerweise Wasser in einer Elektrolytlösung mithilfe von erneuerbarem Strom in seine Bestandteile Wasserstoff und Sauerstoff zersetzt wird. Der Wirkungsgrad liegt dabei in der Regel zwischen 60 und 80 Prozent, wobei er im Teillastbetrieb noch darüber liegen kann. Auf diesem Weg hergestellter grüner Wasserstoff kann einen wertvollen Beitrag dazu liefern, in anderen Sektoren wie dem Verkehr oder der Wärmeversorgung die Emissionen und Luftverschmutzung zu reduzieren. Im Gegensatz zu fossilen Energieträgern entsteht bei der Verbrennung von Wasserstoff lediglich Wasser und kein CO2 sowie andere Emissionen als Abfallprodukt. Eine Weiterverarbeitung zu Chemikalien (P2C) oder anderen Energieträgern (Power to X) ist ebenfalls ein möglicher Anwendungsfall. Dabei wird Wasserstoff beispielsweise zu grünem Methan oder Ammoniak weiterverarbeitet, um als Energiespeicher oder zur Düngemittelproduktion genutzt zu werden. Mithilfe von eine Rückverstromung über Brennstoffzellen kann der erzeugte Wasserstoff auch wieder zur Stromerzeugung genutzt werden.
Mit der „Nationalen Wasserstoffstrategie 2020“ verfolgt die Bundesregierung das Ziel, Technologien, die sich mit Wasserstoff befassen, zu einem aktiven Teil der Energiewende zu machen. Dies soll Deutschland ermöglichen, bei der Entwicklung und Erforschung von Wasserstofftechnologien eine Vorreiterrolle in der internationalen Wasserstoffbranche einzunehmen. Des Weiteren soll dies dem Industriestandort Vorteile im internationalen Wettbewerb sichern. Durch geeignete regulative Voraussetzungen soll die eigene Versorgung mit emissionsfreiem Wasserstoff gesichert und gestaltet werden. In diesem Zusammenhang setzen sich immer mehr Akteure mit Power to X, Wasserstoff und den damit verbundenen Technologien auseinander und prüfen eine Integration in das eigene Gesamtsystem. energyPRO ist das perfekte Werkzeug für diese Untersuchungen – sowohl einfache Konzeptstudien als auch detaillierte Projekte können damit bearbeitet werden.
Einbindung von Wasserstoff und Power to X in energyPRO
In energyPRO lassen sich nicht nur alle erdenklichen Wasserstoff-Systeme, sondern auch damit verbundene Prozessketten und andere Power-To-X Systeme modellieren.
Im Mittelpunkt der Implementierung in energyPRO stehen dabei die benutzerdefinierten „Brennstoffe“ in Kombination mit den benutzerdefinierten Anlagen. Die Option, Energieträger mit ihren Eigenschaften, ihrer Speicherung und Verfügbarkeit in energyPRO frei zu definieren, eröffnet spannende Möglichkeiten. Die „Brennstoffe“ können mittlerweile stellvertretend auch für den Einsatz von nicht brennbaren Stoffen oder anderen Ressourcen wie Arbeitsaufwand, Zeit oder CO2-Budget verwendet werden. Die zweite entscheidende Komponente ist die benutzerdefinierte Anlage, womit Sie sowohl Inputs als auch Outputs ihres Verarbeitungsschrittes frei definieren können. Neben einer Vielzahl an Randbedingungen zum Betrieb können Sie hier auch beliebig viele Arbeitspunkte der Anlage hinterlegen. Bei der Berechnung wird energyPRO dann in der Kennlinie zwischen diesen linear interpolieren.
Wie kann dies für die Abbildung einer Wasserstoff-Elektrolyse verwendet werden? Beispielsweise können die Inputgrößen elektrische Energie (aus volatiler EE-Erzeugung) und Wasser in einer benutzerdefinierten Anlage zu den Stoffen Wasserstoff und Sauerstoff sowie einen Überschuss an Wärme umgewandelt werden. Die Verhältnisse und der Zusammenhang der einzelnen Größen erfolgen dabei entsprechend über das Datenblatt eines Elektrolyseurs sowie chemische Gesetzmäßigkeiten. Analog kann dabei eine benutzerdefinierte Anlage mit Wasserstoff auf niedrigem Druckniveau und Strom als Eingang und Wasserstoff auf hohem Druckniveau als Ausgang zur Abbildung eines Verdichters genutzt werden. Im Ergebnis ist man dazu in der Lage, die gesamten Stoffströme einer grünen Wasserstoffproduktion und ggf. deren Infrastruktur und Weiterverarbeitung umfassend zu bewerten. Technisch kann damit nicht nur die Gesamteffizienz des Systems bewertet werden, sondern auch durch Analyse der Effizienzen der einzelnen Prozessschritte Optimierungspotenziale ermittelt werden. Beispielsweise kann geprüft werden, welche Zusatzgewinne bei der Abwärmenutzung erschlossen werden können. So können alle Vorgänge der Prozesskette zusammen technisch und ökonomisch betrachtet und Produktion Ihres Systems allumfassend bewertet werden.
Die Herstellung von grünem Wasserstoff aus erneuerbaren Energien liefert dabei nur den Ausgangspunkt für beliebige Prozessketten, die in einem Gesamtsystem abgebildet werden können. Die Vielseitigkeit an Möglichkeiten zur Verwendung von benutzerdefinierten Anlagen macht energyPRO zum idealen Tool für Power to X-Prozesse. Eine Weiterverarbeitung von Wasserstoff zu Produkten wie Ammoniak oder Methanol, die Herstellung von synthetischen Kraftstoffen für den Verkehrssektor oder die Betrachtung einer vorherigen Entsalzungsanlage für Standorte ohne entsprechenden Wasserzugang sind dabei denkbare Anwendungsbereiche.
Wie kann ein Projekt zur Wasserstoff-Elektrolyse mit einem Verdichter, verschiedenen Druckniveaus, einem Wasserstoffpufferspeicher, verschiedenen Wasserstoffbedarfen, Sauerstoffproduktion und Nutzung von Abwärme in energyPRO genau umgesetzt werden? Die Antwort ist in unseren Beispielprojekten oder auch dem dazugehörigen Video zu diesem Thema zu sehen.