Verbundvorhaben H2Mare_VB1: H2Wind - Autarke Offshore-H2-Elektrolyse - Teilvorhaben: Entwicklung der Grundlagen der Elektrolysetechnologie für den Offshore-Betrieb; optimale Abstimmung der Teilsysteme zur Erhöhung der Effizienz des Gesamtsystems

Abstract

Die vorliegende Arbeit untersucht die wissenschaftlichen und technologischen Grundlagen eines neuartigen, offshore-tauglichen PEM‑Elektrolysesystems. Ziel des Projekts ist die Entwicklung eines kompakten, containerisierten Elektrolyse-Designs mit einer elektrischen Leistung von bis zu 5MWe bei einem Betriebsdruck von bis zu 40bar(g), ausgelegt für die direkte Kopplung mit einer Windturbine im autarken Einsatz unter Offshore-Bedingungen. Im Fokus stehen grundlegende Untersuchungen und Optimierungen auf Zell‑, Stack‑ und Systemebene. Dies umfasst insbesondere die Entwicklung eines druckgerechten Stack-Designs, die Integration einer chemikalienarmen Meerwasseraufbereitung unter Nutzung der im Elektrolyseprozess anfallenden Abwärme sowie Konzepte zur temporären Wasserstoffspeicherung für Offshore-Anwendungen. Im Verlauf der zweiten Projekthälfte wird eine teilweise inhaltliche Neuausrichtung des Vorhabens beantragt. Zentrale Ergebnisse der durchgeführten Arbeiten zeigen, dass die Umsetzung eines Elektrolyseurs in einem einzelnen Offshore Container nur mit Einschränkungen realisierbar ist. Vor diesem Hintergrund wird der Projektfokus auf die Untersuchung eines Konzepts für eine autarke, dezentrale Offshore‑Wasserstoffplattform ausgeweitet, bei der Windenergieanlagen und Elektrolysesystem räumlich voneinander getrennt sind, jedoch weiterhin über eine direkte elektrische Kopplung verbunden bleiben. Spezifische Betriebsstrategien sowie ein angepasstes Lastmanagement zielen darauf ab, Start‑Stopp‑Zyklen zu reduzieren und damit die Degradation der Anlagen zu minimieren. Simulationsergebnisse zeigen, dass eine vollständig autarke Plattform mit eigenem Windpark durch hohe Stillstandszeiten und häufige Abschaltungen gekennzeichnet ist. Eine robuste Netzbildung in einem autarken Netzwerk aus Wasserstoff Plattform und Windpark ist Analysen und Simulationen nach technologisch aufwendig. Aus diesem Grund werden hybride Anschlusskonzepte mit Netzinterlink empfohlen, um die Systemstabilität zu erhöhen und die Wasserstoff Produktivität zu steigern. Die Arbeit liefert eine umfassende Grundlage für weiterführende Forschungsarbeiten sowie das technologische Fundament für eine wirtschaftliche und sichere Offshore-Wasserstoffproduktion und adressiert zentrale Herausforderungen der PEM-Elektrolyse unter volatilen Lastbedingungen, der Systemintegration, Materialentwicklung und Betriebsführung. This report investigates the scientific and technological fundamentals of a novel offshore‑capable PEM electrolysis system. The objective of the project is the development of a compact, containerised electrolysis design with an electrical capacity of up to 5 MWe at an operating pressure of up to 40 bar(g), intended for direct coupling with a wind turbine and autonomous operation under offshore conditions. The focus lies on fundamental investigations and optimisations at cell, stack, and system level. This includes, in particular, the development of a pressure‑compliant stack design, the integration of a low‑chemical seawater treatment concept utilising waste heat generated during the electrolysis process, as well as concepts for temporary hydrogen storage for offshore applications. During the second half of the project, a partial reorientation of the project scope was proposed. Key results from the work conducted indicate that the implementation of an electrolysis system within a single offshore container is feasible only with significant constraints. Against this background, the project focus is expanded towards the investigation of a concept for an autonomous, decentralised offshore hydrogen platform, in which wind turbines and the electrolysis system are spatially separated while remaining directly electrically coupled. Specific operational strategies and an adapted load management aim to reduce start‑stop cycles and thereby minimise system degradation. Simulation results show that a fully autonomous platform with its own wind farm is characterised by long standstill periods and frequent shutdowns. Analyses and simulations further indicate that robust grid‑forming operation within an autonomous network consisting of a hydrogen platform and a wind farm is technologically complex. For this reason, hybrid connection concepts incorporating grid interlinks are recommended to enhance system stability and increase hydrogen productivity. This report provides a comprehensive basis for further research activities as well as the technological foundation for economically viable and safe offshore hydrogen production, addressing key challenges related to PEM electrolysis under volatile load conditions, system integration, materials development, and operational management.