Verbundvorhaben: Aufbau eines Wasserstoff-Kompetenzzentrums am Campus der Technischen Universität Braunschweig

Abstract

Am Hydrogen Terminal Braunschweig bündeln Forschende interdisziplinäres Know-how entlang der gesamten Wasserstoff-Wirkungskette und integrieren elektrochemische Energiespeicher- und Umwandlungskomponenten auf den Technologiereifegraden 7–9. Ziel ist es, den dynamischen Betrieb von Elektrolyseuren, die Glättung fluktuierender Einspeisungen durch Batteriespeicher, die klimaneutrale und energiewirtschaftliche Systemintegration sowie eine ganzheitliche Bewertung zu untersuchen und daraus Planungssicherheit für eine künftige Wasserstoffwirtschaft abzuleiten. Für die Standortwahl wurden verschiedene Gelände anhand städtebaulicher, funktionaler und genehmigungsrechtlicher Kriterien in einer Bewertungsmatrix vergleichend analysiert. Im Bereich Netz- und Systemintegration zeigte sich, dass hybride Systeme aus Photovoltaik, Batteriespeicher und Elektrolyseur nur dann wirtschaftlich vorteilhaft sind, wenn Zusatzgewinne höhere Zyklenzahlen und Zellalterung deutlich rechtfertigen. Batteriespeichersysteme bieten sich aufgrund ihrer hohen Dynamik zur Bereitstellung von Momentanreserve an. Im Rahmen dieses Projekts wurde ein gekoppeltes Wärme-, Stofftransport- und elektrochemisches Modell zur Untersuchung des dynamischen Verhaltens eines Anionenaustauschmembran-Wasserelektrolyseurs (AEMWE) während der Start-up-Phase unter variierenden Stromdichten und Heizleistungen entwickelt. Der Schwerpunkt lag auf der Analyse der Aufheizzeit, des Wasserstoff-Crossovers sowie des spezifischen Energieverbrauchs (SEC). Niedrige Stromdichten verlängern die Aufheizzeit und bergen Sicherheitsrisiken durch kritische Wasserstoffkonzentrationen, während höhere Temperaturen Effizienz und Wasserstoff-Crossover steigern. Ein lokales Minimum des spezifischen Energieverbrauchs erfordert die Optimierung von Stromdichte und Heizleistung. Künftige Materialverbesserungen dürften das Optimum in Richtung höherer Stromdichten verschieben. Die Modellierung deutscher Wohngebäude mit Top-Down- und Bottom-Up-Ansätzen belegt, dass Wasserstoff in zentralen oder dezentralen Wärmeversorgungskonzepten eine Rolle spielen kann, jedoch meist nur in Nischen gegenüber elektrisch betriebenen Wärmepumpen wirtschaftlich ist. Regulatorische Hürden und hohe Preise erschweren den Hochlauf. Ein eigens entwickeltes Simulationsmodell mit ca. 250 Szenarien zu Wind-, PV-Erzeugungsprofilen, Autarkie- und netzgebundenem Betrieb sowie ein Auswertungstool ermöglichen eine ganzheitliche Bewertung von Betriebsstrategien für AEM-Elektrolyseure. Wesentliche Differenzierungen wurden in Bezug auf die Energieversorgungsszenarien gesetzt, sodass auf Basis der Erzeugungsprofile von Windkraftanalgen und PV-Anlagen, sowie Mischprofilen entsprechende Selbstversorgungsgrade bzw. Volllaststunden bewertet werden können. Mit der Kombination aus Simulationsmodell und Auswertungswerkzeug wurde ein ganzheitlicher und effizienter Ansatz zur Bewertung von Betriebsszenarien von AEM-Elektrolyseuren im Gesamtsystemkontext geschaffen. Im Rahmen des Projekts wurden Lehr-Lern-Konzepte entwickelt, die in die neuen Studiengänge Batterie- und Wasserstofftechnologie (B.Sc.) sowie Battery and Hydrogen Technology (M.Sc.) der TU Braunschweig einfließen. Weiterhin implementierten die beteiligten Institute Forschungsinhalte und -ergebnisse in verschiedenen Formen in die der Lehre (Vorlesungen, Übungen, Seminare sowie Laborveranstaltungen). Insgesamt haben sich bereits 30 Studierende in Projektarbeiten mit Themen rund um das Hydrogen Terminal auseinandergesetzt.