Wie ist der Wirkungsgrad eines Elektrolyseurs definiert. Worin unterscheiden sich der heizwert- und der brennwertbezogene Wirkungsgrad? Welche Angabe ist wann sinnvoller?
Wie viel elektrische Energie wird für die Herstellung von 1 Nm3 benötigt?
Brennwertbezogene Wirkungsgrade sind höher
Brennwertbezogen: oft sinnvoller, da er die tatsächliche Wärmeenergie mit Kondensationswärme inkludiert, wenn H2 in Anwendungen genutzt wird, bei denen doe Kondensation des Wasserdampfs im Abgas stattfindet, z.B. Brennstoffzellenheizgeräten, dies ist besonders bei Anwendungen mit niedrigen Temperaturen relevant
Heizwertbezogen: üblicher, oft Anwendung in Datenblättern von Elektrolyseuren, kann für Vergleiche mit anderen Technologien besser sein, relevant, wenn H2 direkt verbrannt oder in einer Anwendung ohne Kondensation des Wasserdampfs genutzt wird
Welche Eigenschaften und Kenngrößen eines Elektrolysesystems sind bei einem Betrieb mit fluktuierenden erneuerbaren Energien besonders wichtig? Wie würden Sie diese bewerten und welche Technologie würden Sie auswählen?
Dynamische Lastanpassung:
Elektrolysesystem muss sich schnell an sich verändernde Lasten anpassen können —> schnelle Reaktionszeit ist wichtig, um den produzierten Wasserstoff optimal zu nutzen
Teillastfähigkeit:
In Teillast effizient zu arbeiten —> hoher Teillastwirkungsgrad und Möglichkeit Prozess bei variabler Stromproduktion anzupassen sind wichtig
Betriebsflexibilität und Speicherbarkeit:
EE zu Zeiten niedriger Nachfrage zu nutzen —> Elektrolysesysteme mit integrierten Speichermöglichkeiten und flexiblen Betriebsmodi können zeitliche Diskrepanz zwischen Energieerzeugung und -nachfrage überbrücken
Elektrischer Wirkungsgrad:
Effizienz der Umwandlung —> bei Elektrolysesystemen nicht so wichtig/ausschlaggebend
Integration mit dem Stromnetz:
Auf Marktsignale oder Netzbedarf reagieren —> optimale Nutzung von Überschussstrom
Auswahl Technologien:
Alkalisch:
- Robust
- Schnelle Regelbarkeit (Startzeit 50 Min)
- Cross-over/ Cross-Kontamination bei Teillastbetrieb (Unreinheit Gas) (Cross Over: Sauerstoff diffundiert von einer Elektrode zur anderen. Wenn Sauerstoff in den Wasserstoffstrom gelangt oder umgekehrt, kann dies zu Kontamination führen, was die Reinheit des erzeugten Wasserstoffs beeinträchtigt.)
PEM:
- Schnellste Reaktionszeit/Startzeit (15 Min) gut geeignet für variable Lasten
- Wirkungsgrad in Teillastbetrieb kann höher sein als in Vollastbetrieb
Hochtemperaturelektrolyse (SOE):
- Langsame Startzeit
- Hohe minimale Teillast
- Ungeeignet
Wieso wird für den Betrieb von Elektrolyseuren deionisiertes, aufbereitetes Wasser benötigt?
Möglichst geringe Leitfähigkeit —> bessere Effizienz und Elektroden werden weniger abgenutzt
Verringerung von Verschmutzungen —> sonst auch Reduktion von Verunreinigungen währende der Reaktion —> Ablagerung Metalle und Salze an Elektroden —> Blockade an diesen Stellen von Elektroden
Elektrolyt: hält Reaktion aufrecht, muss nichtleitend sein und gute Ionenleitfähigkeit haben
Aus welchen Hauptkomponenten besteht ein Elektrolysesystem?
Hier wichtig die Bilanzgrenze zu ziehen
Netzanschluss (Umspannwerk oder Trafo) —> Bereitstellung des benötigten Stroms
Wasseraufbereitung —> deionisiertes Wasser
Elektrolyseur(stak) —> Energie + Wasser zu Wasserstoff und Sauerstoff umgewandelt
Gasreinigung —> Abfuhr Verunreinigungen und Wasser aus Wasserstoff
Verdichter ca. 30 bar
Kühlturm —> thermische Energie wird abgeführt
Welche sind die gängigsten Elektrolyse Verfahren und wo bestehen die Unterschiede?
Alkalische und PEM Elektrolyseure sind Stand der Technik. Hier gibt es zahlreiche Hersteller die kommerzielle Produkte anbieten; Für SOE (Sunfire) und AEM (Enapter) bisher nur ein Hersteller. Insbesondere die SOE befindet sich noch auf einem niedrigeren Entwicklungsstand.
Wie sieht der Wasserbedarf für Elektrolyseure aus und reichen die Wasserressourcen aus?
10kg Reinstwasser pro kg H2
ca. 25kg für die 10kg Reinstwasser also pro kg H2
->1 MWel werden ca. 300 l/h aufbereitetes Wasser benötigt
Es sind prinzipiell ausreichend Wasserressourcen für eine Wasserstoffwirtschaft vorhanden.
Aber lokale Versorgungssituation (Wasserstress) und weltweiten Wasserkreislauf sollte beachtet werden.
Wie sieht die Energie- und Stoffbilanz eines 1MW PEM-Elektrolyseurs aus?
H-TEC Beispiel 40 Fuß-Container:
Wirkungsgrad von 75% brennwertbezogen
53 kWh /kg H2
Input: 1MWh EE-Strom plus 260l H2O/h
Output: 450 kg H2/d (20-30bar, H2 5.0)
8kg O2 pro kg H2
Was sind relevante Kenngrößen eines Elektrolyseurs
Wie läuft die Solid-Oxid-Elektrolyse ab? Merkmal von SOE.
Das Wasser wird als überhitzter Dampf dem Stack zugehführt. Das führt dazu, dass der Betrieb reversibel ist und auch als Brennstoffzelle genutzt werden kann.
Des Weiteren ist der Energiebedarf mit 3,3 - 3,6 kWh/Nm³ wesentlich geringer. Koppelt man die SOE mit einer Wärmeanlage können sehr hohe Wirkungsgrade erreicht werden. Die Wasserstoffqualität beträgt lediglich 4.0 (99,99%)
Aktuell nur in kW-Maßstaß erhältlich
Vor- und Nachteile von AEL, PEM und SOE
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