Verbundvorhaben H2Giga_QT6.1_HyLeiT: Kostenoptimierte Systemtechnik und Netzintegration von Systemen für die Erzeugung von grünem Wasserstoff; Teilvorhaben: Elektrolyse-Stromrichter mit innovativen Halbleitern und Systemintegration

Abstract

Im Projekt HyLeiT wurden unterschiedliche Forschungsfragen im gesamten Systemkontext der Elektrolyseanlage vom Netzanschluss bis zu den Elektrolysezellen adressiert: - Netzintegration und Netzdienlichkeit von Elektrolyseanlagen, - Innovative Gleichtrichtertechnik mit optimierten Leistungshalbleitern, - DC-Hochstromverbindungen, Kühlkonzepte und Anlagenschutz sowie - Modellierung von Elektrolysezellen und Stacks. Zentrales Thema des Projekts war die Entwicklung einer neuen Generation von Stromrichtern für Elektrolyseanlagen, um eine kosteneffiziente, zuverlässige und netzdienliche Produktion von grünem Wasserstoff zu ermöglichen. Mit modularen, hocheffizienten Stromrichtern können Elektrolyseure flexibel auf fluktuierende erneuerbare Energien reagieren. Damit liefert HyLeiT einen wichtigen Beitrag zur Energiewende und senkt gleichzeitig die Systemkosten deutlich. Die Stromversorgungslösungen basieren auf Transistortechnologien. In den Gleichrichtern kommen speziell für den Anwendungsfall optimierte Siliziumkarbid (SiC)-Leistungshalbleiter zum Einsatz. Im Vergleich zu herkömmlichen Lösungen können da-mit die Anforderungen hinsichtlich Netzintegration mit deutlich geringerem Aufwand erfüllt werden. In zwei parallelen Entwicklungspfaden sind Labormuster für modulare Stromrichter mit 200 Kilowatt und 2 Megawatt entstanden. Wobei u.a. auch die die Kostenvorteile und die Netzdienlichkeit der Großserien-PV/Batterie-Wechselrichter-Plattformen auch für Elektrolysestromrichter erschlossen wurden. Die Einbindung der Elektrolyseure in das Stromnetz war eine weitere zentrale Aufgabe des Projekts. Bei einem Ziel von 10 GW Elektrolyse-Kapazität in Deutschland bis 2030 erhalten Elektrolyseanlagen eine systemrelevante Bedeutung und müssen Anforderungen an die Netzdienlichkeit und den flexiblen Be-trieb erfüllen. Die elektrischen Eigenschaften der Anlage im Netz werden in der Regel mit Hilfe von Simulationen nachgewiesen. Hierfür wurden im Projekt HyLeiT echtzeitfähige dynamische Modelle für Elektrolyseanlagen entwickelt und eine Hardware-in-the-Loop Prüfumgebung aufgebaut. Diese Werk-zeuge ermöglichen es, die Interaktion zwischen Elektrolyseuren und dem Stromnetz realitätsnah zu untersuchen und Stromrichter und deren Regelung zu optimieren. Um die Digitalisierung in der Produktion und Anlagenplanung voranzutreiben werden zusätzlich präzise digitale Modelle benötigt. Im Projekt HyLeiT wurden entsprechende elektrochemische Modelle von Elektrolysezellen entwickelt. Diese Modelle simulieren alle relevanten dynamischen Prozesse und er-möglichen dadurch Elektrolyseure zuverlässiger, robuster und leistungsfähiger zu betreiben. Die Parameter für das elektrochemische Modell der Zelle können mit Hilfe der im Projekt beschafften Messtechnik im Laborverbund des Fraunhofer IEE ermittelt werden. Alterungseffekte in Elektrolysezellen aufgrund nicht-idealer DC-Ströme können auf einem Prüfstand an der H-BRS untersucht werden. Für die Entwicklung von Anlagenschutzkonzepten wurde das Systemverhalten bei kurzschlussartigen Fehlern analysiert. Dabei stand die Beherrschung von DC-Lichtbögen im Vordergrund. Mit Hilfe von Fehlermodellen und Störlichtbogenexperimenten konnte ein Selektivschutzkonzept entwickelt werden, mit dem die Zuverlässigkeit und Versorgungssicherheit von Elektrolyseanlagen erhöht werden kann. Weiterhin haben die Untersuchungen in einem Laborversuchsstand zu Hochstromverbindungen und Kühlkonzepten gezeigt, dass die Stromtragfähigkeit von DC-Verbindungen zwischen Gleichrichter und Stacks deutlich erhöht werden kann, was zu Material- und Kosteneinsparungen führt. Die Ergebnisse aus HyLeiT stellen einen bedeutenden Schritt in Richtung einer kosteneffizienten und netzdienlichen Wasserstoffproduktion dar. Auf Basis der Projektergebnisse folgen weitere Entwicklungen zur Serienreife der Stromrichterlösungen. Ziel ist die breite Anwendung in industriellen Elektrolyse-anlagen und die Integration in bestehende Netze mit hohem Anteil erneuerbarer Energien.