BURN4H2 - Entwicklung von Gasturbinen-Verbrennungstechnologie und Betriebskonzepten für wasserstoffbetriebene Kraftwerke im Energieverbundsystem; Teilvorhaben: Systemmodellierung und Regelungskonzeptentwicklung

Abstract

Zur sicheren und CO2-freien Deckung des weltweit wachsenden Energiebedarfs werden wasserstoffbefeuerte Kraftwerke benötigt, für die im Leistungsbereich über 60 MW bislang keine ausgereiften Technologien im Prototypenstatus (TRL 7) existieren. Das Projekt BURN4H2 schafft die Grundlage für die Demonstration eines solchen Kraftwerks durch die Entwicklung von Wasserstoff-Verbrennungstechnologien sowie die Modellierung und Analyse des Kraftwerksbetriebs. Im Arbeitspaket 3 der HTWK Leipzig wurde ein softwarebasiertes Optimierungsmodell zur Abbildung und Analyse des Energiesystems am Standort HKW Leipzig Süd entwickelt und auf verschiedene Betriebsszenarien angewendet. Der Fokus lag auf der Integration von Wasserstoff als Energieträger und dessen Auswirkungen auf den Kraftwerksbetrieb sowie auf weitere Komponenten des Energieverbunds. Das Optimierungsframework basiert auf Python und Pyomo und formuliert ein gemischt-ganzzahliges lineares Optimierungsproblem. Ziel ist die Minimierung der Betriebskosten des Gesamtsystems. Die Ergebnisse zeigen, dass der Einsatz von Wasserstoff das Betriebsverhalten und die Wirtschaftlichkeit des Kraftwerks maßgeblich beeinflusst. Die Integration einer Großwärmepumpe erhöht die Laufzeit des Elektrolyseurs und reduziert die Laufzeiten der Gasturbinen. Mit zunehmender Wasserstoffbeimischung steigen die Betriebskosten in allen betrachteten Prognosejahren deutlich an. Bei vollständiger Substitution von Erdgas erfolgt der KWK-Betrieb überwiegend wärmegeführt im Teillastbereich, während im Erdgasbetrieb strompreisgetriebene Volllastfahrten wirtschaftlich vorteilhaft sind. Unter den getroffenen Annahmen ist Wasserstoff ökonomisch nicht konkurrenzfähig zu Erdgas; erst im Jahr 2050 führt eine Verdopplung der CO#-Kosten zu höheren Gesamtkosten des reinen Erdgasbetriebs. Im Projektverlauf wurde ein funktionsfähiges, standortspezifisch angepasstes Optimierungsframework entwickelt, das eine belastbare Grundlage für weiterführende Projekte darstellt.