Systemebene (INW-4)

Prozess- und Anlagentechnik für chemische Wasserstoffspeicherung

Die wissenschaftlichen Arbeiten im Bereich 4 „Systemskala“ des INW befassen sich mit der Verknüpfung der Wasserstoff-Konversionseinheiten mit den umliegenden anwendungsspezifischen Aggregaten zur Bildung eines optimierten Systems. Je nach Anwendung kann es sich bei dem betrachteten System zum Beispiel um ein Speichersystem (Kombination aus Elektrolyse, Konditionierung Wasserstoff/Speicherstoff, Hydrierreaktion) oder um ein Wasserstoffbereitstellungssystem (Kombination aus Dehydrierreaktion, Wasserstoffreinigung und Wasserstoffkompression) handeln. In beiden Fällen muss eine Optimierung des Gesamtsystems erfolgen, die sich nicht automatisch aus der Optimierung der einzelnen Komponenten ergibt. Ein besonders erfolgsversprechender Bereich für zukünftige Entwicklungsarbeiten, der bisher noch kaum betrachtet wurde aber für den wirtschaftlichen Erfolg aller Wasserstoffspeichertechnologien erfolgskritisch ist, tut sich hierzu auf dem Gebiet der Steuerungs- und Regelungstechnik sowie der Automatisierungstechnik für die betrachteten Gesamtsysteme auf. Dies kann einfach am Beispiel Wärmenutzung und Wärmeintegration verdeutlicht werden: Während einige Schritte im System Wärme erzeugen (Hydrierung, Kompression, Verstromung), verbrauchen andere Schritte im System Wärme (Dehydrierung, Reinigung, Konditionierung). Eine optimale Wärmeintegration erfordert allerdings nicht nur Apparate zur effizienten Wärmeübertragung, sondern eine Gesamtsystemoptimierung. Nur so gelingt es, Wärmeerzeugung und Wärmeverbrauch bestmöglich in der Waage zu halten und die Effizienz des Systems zu maximieren.

Viele der entwickelten Systeme werden dezentral und ohne Betriebsmannschaften betrieben. Durch diesen Umstand ergeben sich wichtige sicherheitstechnische Fragestellungen, die durch ein möglichst eigensicheres Systemdesign und geeignete Sicherheitseinrichtungen und Sicherheitsroutinen beherrscht werden müssen. Auch wenn die Kerntechnologien des HC-H2 durch die chemische Bindung des Wasserstoffs an Trägermoleküle bei der Sicherheit der Wasserstofflagerung gegenüber der Wasserstoffspeicherung in elementarer Form (Druckwasserstoff, kryogener Wasserstoff) klare Vorteile aufweisen, kommt diesen sicherheitstechnischen Aspekten beim Bau und Betrieb der Konversionsapparate hohe Bedeutung zu. Zusätzliche Aspekte ergeben sich durch die akute Toxizität (Methanol, Ammoniak) und/oder Entflammbarkeit (Alkohole, organische Dämpfe) einzelner Komponenten.

Im Betrieb unterliegen die Einspeicher- und Freisetzungsanlagen in der Regel dynamischen Leistungsanforderungen, die sich aus externen Faktoren (z. B. Windangebot und Sonneneinstrahlung als variabler Input-Parameter der regenerativen Wasserstofferzeugung) und den Leistungsanforderungen des Betreibers ergeben. Für jede Leistungsanforderung ist modellgestützt der optimale Betrieb aller Komponenten im System zu bestimmen und das System entsprechend zu steuern und zu regeln. Geeignete Systemmodelle sowie Hard- und Software-Lösungen erschließen hier die Potentiale einer effektiven, modellgestützten Systemsteuerung und ermöglichen so den Optimalbetrieb der entwickelten Systeme in jedem Betriebspunkt. Es ist daher zu erwarten, dass die Arbeiten dieses Bereichs eine sehr enge Verbindung zu den Demonstrationsprojekten aufweisen werden und deren Ausgestaltung unmittelbar prägen werden.