24/7 ZEN für ein emissionsfreies Energiesystem

24_7 ZEN stellt sich der Herausforderung einer 24/7-Energieversorgung mit einer Demo, die die gesamte Wertschöpfungskette abdeckt, von der Werkstofftechnik für optimierte Zellen und Stapel bis hin zum System der reversiblen Festoxidzelle (r-SOC) und den Möglichkeiten ihrer Steuerung bei der Integration in reale Strom- und Gasnetze. Unsere Vision ist eine Anlage mit einer Stromquelle von 33 kW und einer Stromsenke von 100 kW, die skalierbar ist und auf Anlagen im Multi-MW-Bereich übertragen werden kann. Das 24_7 ZEN wird die optimale Integration von rSOC für verschiedene Szenarien ermitteln und Szenarien für den Einsatz als technisch-wirtschaftlich tragfähiges Speichersystem für erneuerbare Energien untersuchen. Das Projekt wird vom katalanischen Institut für Energieforschung (IREC) koordiniert und umfasst 14 Partner aus Griechenland, der Schweiz, Spanien, Italien und Belgien.

Grüner Wasserstoff ist ein wichtiger Energieträger, der eine Lücke im Szenario der erneuerbaren Energien schließen kann, indem er überschüssigen Strom speichert und seine Rückverstromung bei Bedarf ermöglicht. Die Wasserstoffstrategie der EU und der Schweiz enthält ehrgeizige Pläne für den Aufbau einer EU-Wasserstofflandschaft mit mindestens 40 GW an erneuerbaren Elektrolyseuren, die bis 2030 10 Mio. Tonnen H2 produzieren sollen, wobei groß angelegte H2-Speicher ein zentrales Element darstellen. Um die öffentlichen Investitionen in die H2-Wertschöpfungskette zu maximieren, müssen die effizientesten Technologien entwickelt und konsolidiert werden, und es sollten mögliche Wege für ihre Nutzung und Einführung analysiert und vorgeschlagen werden. Power-to-Gas- (PtG) und Gas-to-Power- (GtP) Lösungen, die die bestehenden Märkte für Elektrizität und erneuerbares Gas mit H2 als Energieträger verbinden können, sind im Hinblick auf Flexibilität, Anpassungsfähigkeit, Leistungsfähigkeit und Effizienz am vielversprechendsten. Die Effizienz von PtG- und GtP-Lösungen wird vor allem durch den Elektrolyseschritt bestimmt, der die Hälfte der Energiekosten ausmacht. Die meisten bestehenden Wasserstoff-Brennstoffzellenprojekte verwenden entweder alkalische Elektrolyseure oder Polymerelektrolytmembran-Elektrolyseure, die einen reduzierten Wirkungsgrad aufweisen und die PtG- und GtP-Operationen in verschiedenen externen Komponenten durchführen.

In diesem Zusammenhang wird die Technologie der reversiblen Festoxidzellen als eine der vielversprechendsten Lösungen für die Entwicklung flexibler Power-to-Gas-Prozesse zur Energieumwandlung und -speicherung vorgestellt. Sie eignet sich sowohl für die tägliche als auch für die saisonale Speicherung und kann die beiden großen Energieinfrastrukturen unserer modernen Gesellschaft, d. h. Gas- und Stromnetze, effizient und intelligent miteinander verbinden und gleichzeitig den Bedarf des Verkehrs-, Haushalts- und Industriesektors decken. rSOC-basierte Systeme, die Elektrolyseur- und Brennstoffzellenfunktionen in einer einzigen Einheit vereinen, sind besonders vielversprechend, da sie flexibler und effizienter sind als andere konkurrierende Energiespeicher- und -umwandlungstechnologien. Bevor sie jedoch ihren Platz im H2-Netz einnehmen können, müssen die Festoxidzellen und -stapel verbessert, der Systembetrieb optimiert und die Kostenwettbewerbsfähigkeit verbessert werden, während die Entwürfe skaliert und Szenarien für ihren Anschluss an das Netz ermittelt und ihre technische Machbarkeit nachgewiesen werden müssen.

Das multidisziplinäre Konsortium, das hinter diesem Projekt steht, hat Innovationen im Energiemanagement vorangetrieben und ist Vorreiter bei der Entwicklung von rSOC-Systemen. Gemeinsam deckt das Konsortium jeden Schritt der Wertschöpfungskette ab, von verbesserten Materialien auf Zellebene (Politecnico di Torino, Foundation for Research and Technology Hellas, IREC) über ein voll funktionsfähiges rSOC-System (SolydEra SA, SolydEra SPA, Ostschweizer Fachhochschule) bis hin zu einem voll integrierten Plug-and-Play-Ökosystem für den Netzverbund (Inerco Corporación Empresarial S.L., Bosal Emission Control Systems NV, Centre for Research & Technology Hellas), erneuerbare Energieerzeugung (Eunice Laboratories), Übertragungsnetzbetreiber (Hellenic Gas System Operator) und internationale Qualitätssicherung (KIWA Cermet Italia Spa, KIWA Creiven S.R.L.). Die Fähigkeit des Ökosystems, effiziente Routen von Strom zu Gas zu Strom zu optimieren, indem H₂ oder Erdgas als Brennstoff verwendet und H₂ in das Netz eingespeist wird. Darüber hinaus soll die Umstellung in < 30 Minuten und eine Gesamteffizienz von 45% nachgewiesen werden, wobei die Einhaltung von Normen und Sicherheitsvorschriften gewährleistet wird. Schliesslich zählt das Konsortium auf gut vernetzte Organisationen im europäischen Wasserstoff-, Elektrizitäts- und Netzdienstleistungssektor (OST Fachhochschule, Zentralschweiz - Hochschule Luzern, Cluster of Bioeconomy and Environmental of Western Macedonia), die die Verbreitung der entwickelten neuen Geschäftsmodelle und Praktiken für die Speicherung erneuerbarer Energien, einschliesslich neuer Konzepte für die Bereitstellung von grünem Wasserstoff, sicherstellen.

OST hat ein innovatives Design entwickelt, bei dem konventionelle Komponenten eingesetzt werden, die es ermöglichen, eine Methanisierung mit einer SOE durch Thermoöl zu verbinden. Bei dieser Neuheit wurden Sicherheitsvorkehrungen und effiziente Kontrollstrategien angewandt, die es dem Thermoöl ermöglichen, als flexibles Wärmemanagement-Backbone zu dienen und gleichzeitig die Sicherheit zu gewährleisten, indem Abwärme aus verschiedenen Quellen gesammelt und für die Dampferzeugung genutzt wird. OST hat eine neue Vorrichtung zur Dampferzeugung aus Thermoöl entwickelt und getestet, um die kritischen Anforderungen hinsichtlich der Druckschwankungen des SOE zu erfüllen. Darüber hinaus ist die kleine Anlage von OST die Einzige, die an das Gasnetz angeschlossen ist, so dass das Unternehmen über wertvolles Know-how in Bezug auf Sicherheit, Regulierung und Zertifizierung verfügt.

Aktuell befindet sich das OST-Projektteam im Aufbau eines Dampf-Teststandes. Dieser soll es ermöglichen, die Ursprünge für die Pulsationen im Dampf zu ergründen und mit welchen Mittel für die Reduzierung oder Entfernung dieser Pulsationen am geeignetsten sind. Aus den Erkenntnissen soll ein CFD-Modell gefüttert werden, mit welchem schlussendlich ein neuer Dampferzeuger für die Aufgabe innerhalb des ZEN-Projektes erbaut werden soll. Dieser rund 30kW starker Dampferzeuger wird von Projekt-Unterlieferanten AlphaSynt geplant und wird nach gängigen Regeln der Ingenieurskunst gebaut. Dabei wird auch die Möglichkeit mit eingeplant, eine fiktive Abwärmenutzung aus einer Methanisierung zu emulieren. Dies bedeutet, dass die Energiezuführung für den Dampferzeuger mit einem Thermoöl erfolgt, welches auf bis zu 250°C heisse Temperaturen annehmen kann. Nach erfolgter Abnahme und Betriebsbewilligung wird das Verdampfersystem am Standort der OST auf seine Einsatztauglichkeit hinsichtlich der pulsationsarmen, zuverlässigen Dampfproduktion geprüft. Im Anschluss wird es zum Systemintegrator INERCO nach Sevilla (ESP) transportiert, wo die Kopplung mit der reversiblen SOE erfolgt. Zuletzt wird die Gesamtanlage nach Griechenland an das CERTH-Institut verschifft, wo es für Dauertests unter anderem an das örtliche Gasnetzt angeschlossen werden soll.

24_7 ZEN wir unterstützt von der Clean Hydrogen Partnership und seiner Mitglieder Hydrogen Europe und Hydrogen Europe Research gemäss Fördervertrag 101101418. Finanziert durch die Europäische Union und das Schweizerische Staatssekretariat für Bildung, Forschung und Innovation (SBFI).