Max-Planck-Institut Magdeburg begleitet die Verwirklichung eines realen Power-to-X Systems

In dem Modellprojekt „Energieregion Staßfurt“ soll Wasserstoff aus grünem Strom vor Ort erzeugt und gleich vor Ort genutzt werden. Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler der Abteilung Prozesstechnik (Leitung: Prof. Dr.-Ing. Kai Sundmacher) und der Forschungsgruppe Elektrochemische Energieumwandlung (Leitung: Dr.-Ing. Tanja Vidakovi?-Koch) am Max-Planck-Institut für Dynamik komplexer technischer Systeme Magdeburg begleiten das Projekt, in Kooperation mit Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern des Fraunhofer IFF Magdeburg. Sie werden unter wissenschaftlichen Gesichtspunkten eine geeignete Elektrolysetechnologie auswählen und ihr Verhalten im zukünftigen realen Betrieb mathematisch modellieren sowie Alterungserscheinungen in Elektrolyseuren analysieren.

Die „Energieregion Staßfurt“, gelegen im Salzlandkreis in Sachsen-Anhalt, ist ein klimafreundliches Leuchtturmprojekt. Für das Wasserstoff-Projekt haben sich die Stadt Staßfurt, die Stadtwerke Staßfurt, der Energielieferant Erdgas Mittelsachsen und das Energieunternehmen MVV in der „Wasserstoff-Region“ Salzlandkreis zusammengeschlossen. Ziel ist es, die gesamte Wertschöpfungskette regional abzubilden: von der Stromerzeugung aus erneuerbaren Energien in lokalen Wind- und Photovoltaikparks bis hin zur Nutzung des klimafreundlich hergestellten Wasserstoffs. Ein bestehender nahegelegener Windpark soll um Windenergieanlagen erweitert und ggf. durch Photovoltaikanlagen bei steigendem Wasserstoffbedarf ergänzt werden.

Der grüne Wasserstoff soll durch ein Wasser-Elektrolyse-System mit 1 Megawatt Leistung am Standort in Staßfurt gewonnen werden. Der Strom aus den eigenen Wind- und Solarparks wird dabei in reinen Wasserstoff umgewandelt (Power-to-X). Der Elektrolyseur wird in diesem Projekt ausschließlich und kontinuierlich durch den Windpark mit grünem Strom betrieben. Mit dem grünen Wasserstoff aus der Region sollen zukünftig Linienbusse und Abfallsammelfahrzeuge angetrieben werden. Darüber hinaus sind eine oder mehrere Wasserstoff-Tankstellen für die öffentliche Nutzung vorgesehen.

Geeignete Elektrolysetechnologie betrachten und auswählen

Bei der Planung und technischen Auslegung der Elektrolyseanlage kommt die wissenschaftliche Expertise des Max-Planck-Instituts Magdeburg ins Spiel. Die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler der Abteilung Prozesstechnik (PSE) werden unter wissenschaftlichen Gesichtspunkten eine geeignete Elektrolysetechnologie auswählen. In enger Abstimmung mit dem Energieunternehmen MVV werden die Einsatzszenarien und Betriebsbedingungen der Elektrolyseanlage definiert. Zwei unterschiedliche Technologien für die Niedrigtemperaturelektrolyse sollen systematisch betrachtet werden und schließlich in eine Auswahlempfehlung münden.

Die Betriebsdynamik des gesamten Elektrolysesystems soll mit Hilfe von Simulationen genauer untersucht werden. Dafür wird ein mathematisches Modell der Elektrolyseanlage in einer geeigneten Softwareumgebung entwickelt.

Sicheren und stabilen Betrieb bei optimalem Wirkungsgrad gewähren

Während ihrer gesamten Lebensdauer soll eine Elektrolysezelle sicher und stabil betrieben werden können - bei einem optimalen Wirkungsgrad. Dennoch wird die Zelle, abhängig von den Betriebsbedingungen, zu einem gewissen Grad altern. Die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler aus der Forschungsgruppe Elektrochemische Energieumwandlung (EEC) konzentrieren sich daher darauf, die Rolle von Alterungsphänomenen in Elektrolyseuren während des Betriebs besser zu verstehen. Dafür setzt die Gruppe innovative nichtlineare dynamische Diagnose-Methoden ein, die zusätzliche Einblicke in die Mikroprozesse, die in der Zelle ablaufen, ermöglichen.

Grundlagen für ein reales Power-to-X-Projekt schaffen

Die wissenschaftliche Vorauswahl der Elektrolysetechnologie durch die PSE Forschungsgruppe des Max-Planck-Instituts Magdeburg legt die Grundlage für die später zu installierende Anlage in Staßfurt. Die Forschungsergebnisse aus der dynamischen Simulation der Elektrolyseanlage werden verwendet, um das Verhalten der Anlage im realen Betrieb schon in der technischen Planungs- und Auslegungsphase zu berücksichtigen.

In einer nachfolgenden zweiten Förderperiode sollen die gewonnenen Erkenntnisse am Praxisbeispiel der „Energieregion Staßfurt“ angewendet und erprobt und somit in ein reales Power-to-X-System überführt werden.

Zudem wird das Modell für den Entwurf von optimalen Betriebsführungsstrategien der realen Elektrolyseanlage eingesetzt. Weiterhin könnten die von der EEC-Gruppe entwickelten dynamischen Methoden in der zukünftigen Elektrolyseanlage vor Ort angewendet werden, um Alterungsprozesse im realen Betrieb zu untersuchen.

Darüber hinaus unterstützen die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler der Gruppe Prozesstechnik die Erdgas Mittelsachsen GmbH bei der Entwicklung und Realisierung eines Regelungssystems zur sicheren und netzverträglichen Beimischung von Wasserstoff in das Erdgasnetz.

Das Forschungsprojekt wird von der Landesinvestitionsbank Sachsen-Anhalt mit 1 Million Euro bis Ende 2022 gefördert.