Im Rahmen des Projekts Living Lab Energy Campus (LLEC) wird ein neuartiger Wasserstoffspeicher auf Basis der LOHC-Technologie auf dem Gelände des Forschungszentrums geplant und errichtet. Der neuartige Wasserstoffspeicher wurde bereits in einem separaten Blogbeitrag angekündigt (https://blogs.fz-juelich.de/llec/2019/12/03/neuartiger-lohc-wasserstoffspeicher/). In diesem Artikel wird der aktuelle Stand der Planungen und Neuerungen am Reaktor erläutert. Zunächst möchte ich die LOHC-Technologie näher erläutern.

Mittels flüssigen organischen Wasserstoffträgern (engl. liquid organic hydrogen carrier, kurz LOHC) kann Wasserstoff gespeichert werden. Ein LOHC-System besteht immer aus mindestens einer wasserstoffarmen und einer wasserstoffreichen Verbindung. Sowohl die wasserstoffarme (LOHC-) als auch die wasserstoffreiche (LOHC+) Verbindung sollte bei Umgebungs- und Reaktionsbedingungen flüssig sein. In der Hydrierung reagiert der unbeladene LOHC mit Wasserstoff und es bildet sich der beladene Wasserstoffträger. Da die Hydrierung eine exotherme Reaktion ist, wird während der Beladung des LOHCs mit Wasserstoff Wärme freigesetzt, die aus dem Reaktor abgeführt werden muss. Am Forschungszentrum wird die Wärme an das Nahwärmenetz des Forschungszentrums abgegeben, wodurch die Wärmeproduktion im wärmegeführten Blockheizkraftwerk reduziert werden kann. So bleibt die während der Hydrierung produzierte Wärme nicht ungenutzt und der Wirkungsgrad des LOHC-Wasserstoffspeicherzyklus kann erhöht werden. Der beladene Wasserstoffträger kann nun bei Umgebungsbedingungen ohne Wasserstoffverlust während des Lagerzeitraumes gelagert und gegebenenfalls transportiert werden. Bei Wasserstoffbedarf wird der Wasserstoff aus dem beladenen LOHC in der Dehydrierung wieder freigesetzt und es entsteht neben dem Wasserstoff der unbeladene LOHC. Die Dehydrierung ist eine endotherme Reaktion, daher muss zur Wasserstofffreisetzung Wärme zugeführt werden. Der Wärmebedarf für die Wasserstofffreisetzung entspricht dabei annähernd der Wärmefreisetzung während der Hydrierung. Um am Forschungszentrum die Wärme bereitzustellen, wird die Wärme mittels des wärmegeführten Blockheizkraftwerks zusätzlich zum Bedarf am Forschungszentrum produziert. So kann das Blockheizkraftwerk und das Nahwärmenetz des Forschungszentrums als Wärmespeicher für den LOHC-Wasserstoffspeicher dienen. Der unbeladene LOHC steht wieder für einen neuen Wasserstoffspeicherzyklus zur Verfügung. Abbildung 1 erläutert in einer Prinzipskizze die beschriebenen Vorgänge.

Abbildung 1: Prinzipskizze des Zusammenspiels zwischen LOHC-Reaktor, Nahwärmenetz und BHKW am Forschungszentrum

Sowohl die Hydrierung als auch die Dehydrierung werden heterogen katalysiert. Am IEK 11 wurde 2017 ein Katalysator identifiziert, der beide Reaktionen bei einer ähnlichen Temperatur, jedoch einem anderen Reaktionsdruck, katalysiert. So kann in einem Reaktor nur durch Änderung des Wasserstoffdrucks zwischen den beiden Reaktionen gewechselt werden. Diese Entdeckung stellt die Grundlage für das diskutierte LOHC-Reaktorkonzept dar. Da beide Reaktionen in demselben Reaktor durchgeführt werden können, wird nur noch ein Reaktor anstatt jeweils eines Reaktors für die Dehydrierung und die Hydrierung benötigt. So reduzieren sich die Investitionskosten für einen stationären Wasserstoffspeicher auf Basis der LOHC-Technologie. Ebenfalls reduzieren sich die Betriebskosten, da der Reaktor längere Zeit auf Temperatur gehalten werden kann und so lange Aufheiz- und Abkühlzeiten entfallen. Dieser Reaktortyp wird als Hot-Pressure-Swing-Reaktor bezeichnet.

Ein sogenannter Hot-Pressure-Swing-Reaktor der weltweit einmaligen Leistungsklasse von 300 kW wird bei uns am Forschungszentrum aktuell in Zusammenarbeit mit der Hydrogenious LOHC Technologies GmbH und dem Ingenieurbüro BFT Planung GmbH geplant und soll im Juni 2022 in Betrieb gehen. Anfang des Jahres konnte das Basic Engineering des Reaktors abgeschlossen werden. In der aktuellen Phase befinden wir uns im Detailed Engineering für den Reaktor und die Peripherie des Reaktors. Ein aktueller Entwurf des Reaktor-Racks ist in Abbildung 2 dargestellt.

Abbildung 2: Darstellung des aktuellen Planungsstands des Hot-Pressure-Swing Reaktors (Quelle: Hydrogenious LOHC Technologies GmbH)

In den bisherigen kleineren Prototypen am IEK 11 wurde das ursprünglich favorisierte LOHC-System Dibenzyltoluol / Perhydro-Dibenzyltoluol eingesetzt. Aufgrund neuster Forschungsergebnisse am IEK 11 und bei der Hydrogenious LOHC Technologies GmbH konnte das LOHC-System Benzyltoluol / Perhydro-Benzyltoluol als vorteilhafter identifiziert werden (vgl. https://www.kopernikus-projekte.de/aktuelles/news/p2x_wechsel_lohc_von_dbt_zu_bt). Den Wechsel des LOHC-Systems konnten wir ebenfalls vollziehen und können daher mithilfe des neuen Reaktors Forschung auf dem neuesten Stand betreiben. Weiterhin ist durch den Wechsel eine Einbindung in die sich aktuell im Aufbau befindliche LOHC-Infrastruktur im rheinischen Revier möglich (vgl. https://www.fz-juelich.de/SharedDocs/Meldungen/PORTAL/DE/2021/2021-03-11-dreifragenanpw.html, https://effzett.fz-juelich.de/2-21/stadt-land-region/). Bezüglich der Einbindung in die LOHC-Infrastruktur konnten wir den ursprünglichen Forschungsantrag um zusätzliche Lagermöglichkeiten erweitern und können nun auch LOHC-Systeme aus unterschiedlichen Chargen bezüglich ihrer Performance miteinander vergleichen. Dadurch können wir am Forschungszentrum einen wichtigen Beitrag zur kommerziellen Weiterentwicklung der LOHC-Technologie leisten.

In den nächsten Monaten steht die Abstimmung weiterer Detailplanungen an. Ebenso beschäftigen wir uns mit genehmigungstechnischen Fragestellungen rund um den Reaktor. Zusätzlich werden zu Beginn des neuen Jahres die ersten vorbereitenden baulichen Maßnahmen zur Errichtung des LOHC-Wasserstoffspeichers rund um die Wärmevollversorgungszentrale sichtbar.

Mit diesem ersten Beitrag wird das Thema Photovoltaik (PV) als erneuerbare Energie im LLEC-Netz näher beleuchtet. Starten werden wir mit einer Übersicht über die in der Planung bzw. im Aufbau befindlichen PV Systeme. Im weiteren Projektverlauf werden wir einzelne Projekte im Detail vorstellen.

Im LLEC Projekt wollen wir eine installierte Gesamtleistung von 1,5 Megawatt (Peak Leistung) auf dem Forschungs-Campus installieren. Dafür benötigt man heutzutage, je nach Anlagendesign, eine Fläche von ca. ein bis zwei Hektar. Für gesplittete Systeme (viele kleine Systeme, anstelle eines Gesamtsystems) auch deutlich mehr. Auf unserem Campus kommen dafür Gebäudedächer (Bestands- wie auch Neubauten), Gebäudehüllen (Building Integrated PV (BIPV)) und nicht genutzte Freiflächen in Betracht. Zunächst wurde das Potential von PV Installationen auf Dächern von Bestandgebäuden auf dem Campus untersucht, mit dem Resultat, dass nur einige wenige Bestandsgebäude für eine PV Installation geeignet sind. Insgesamt ist das PV Potential für die Bestandsgebäude in der Größenordnung von ca. 130 Kilowatt Peak Leistung. Zusätzlich soll PV auf den Dächern von Neubauten entstehen. Einfacher ist es, PV bei Neubauten zu berücksichtigen. Hier liegt das Potential bei den derzeit in der Planung befindlichen Bauvorhaben bei 340 Kilowatt Peak-Leistung. Insgesamt sind wir da noch deutlich weg von dem Ausbauziel von 1,5 Megawatt Gesamtleistung PV.

Darüber hinaus wurden neben der Potentialabschätzung von Gebäuden auch nutzbare Grünflächen untersucht. Es konnten auf dem ehemaligen Reaktorgelände auf dem JEN Gelände zwei Flächen für Freiflächenanlagen identifiziert werden, mit einer gesamten Peak-Leistung von ca. 1,1 Megawatt (siehe Abbildung 1).

Abbildung 1: Übersicht Gesamtplanung LLEC. Darin enthalten die PV-Projekte in gelb

Da das JEN Gelände unter besonderer Kontrolle des NRW Energieministeriums steht, musste zunächst eine Nutzung der Flächen für eine PV Freiflächenanlage beantragt werden. Diese liegt mittlerweile vor, der Bauantrag wurde parallel gestellt und die Ausschreibung für den Bau der Anlage ist gestartet. Wir rechnen damit, dass die beiden Freiflächenanlagen noch in 2021 gebaut und möglicherweise auch fertiggestellt werden.

Mit Hilfe der Freiflächenanlagen erreichen wir das Ausbauziel von 1,5 Megawatt PV Leistung. Neben größeren PV Anlagen entstehen zusätzlich kleinere PV Forschungssysteme wie die PV Fassadenanlage im Neubau 02.6, in dem auch PV Oberlichter eingesetzt wurden (siehe Abbildung 2). Weitere bestehende bzw. geplante Systeme sind eine PV Pergola auf der JuLab Dach-Terrasse (siehe Abbildung 3), ein kleiner PV Gehweg von 2,4 m Länge vor dem Trafogebäude 2.8 und eine Einzelmodul Monitoring-Anlage zur detaillierten Untersuchung von PV Modulen auf Gebäude 02.6.

Abbildung 2: Beispiel – Building Integrated PV (BIPV) in den Oberlichtern des Büroneubaus 2.6
Abbildung 3: Beispiel: PV Pergola auf der JuLab Dachterasse

Das Energiesystem der Zukunft, das im LLEC schon jetzt aufgebaut wird, basiert auf erneuerbaren und damit fluktuierenden Energiequellen. Dies macht neben der intelligenten Kopplung der Systeme auch die dezentrale Energiespeicherung für eine sichere und klimafreundliche Energieversorgung erforderlich. Um Wasserstoff als Energieträger für die Speicherung erfolgreich einsetzen zu können, ist ein hoher Wirkungsgrad bei der Umwandlung und Speicherung von zentraler Bedeutung. Mit Hochtemperatur-Festoxidwandlern ist es sowohl möglich mit elektrischer Energie per Elektrolyse Wasserstoff zu erzeugen, als auch umgekehrt, als Brennstoffzelle betrieben, Wasserstoff bei Bedarf zu verstromen. Dabei kann derselbe Zellenstapel für beide Betriebsmodi mit sehr hoher Effizienz eingesetzt werden. In diesem Fall wird in der Fachsprache von einer reversiblen Festoxidzelle bzw. rSOC (reversible Solid Oxide Cell) gesprochen. Die eingesetzten Zellen bestehen im Wesentlichen aus einem festen Elektrolyten, der bei hohen Temperaturen durchlässig für Sauerstoffionen ist, und zwei porösen Elektroden über die der elektrische Strom zu- bzw. abgeführt wird.

Stackmodul für rSOC-System am IEK-14 vor der Anbringung der thermischen Isolation (Forschungszentrum Jülich, R. Limbach )

Im Rahmen des Living Lab Projektes wurde am Forschungszentrum Jülich vom IEK-14 eine solche Anlage aufgebaut. Der eingesetzte Zellenstapel wurde vom ZEA-1 gefertigt. Er hat in Summe eine aktive Zellfläche von 2,6 m².  Für den Elektrolysebetrieb beträgt die elektrische Nennleistung 40 kW. Im Brennstoffzellenbetrieb liegt die elektrische Nennleistung bei rund einem Viertel der Elektrolyseleistung.

Teststand mit rSOC-System bei der Inbetriebnahme (Forschungszentrum Jülich, W. Tiedemann)

Während des kürzlich im IEK-14 begonnenen Dauerversuches wurde der Zellenstapel auf seine Betriebstemperatur von 800 °C aufgeheizt. Im Brennstoffzellen Betrieb wurde die Nennleistung bereits erreicht und mit einer erzielten Bruttoleistung von 14,5 kW sogar deutlich übertroffen. Während der nächsten Monate soll eine Reihe wichtiger Betriebsanforderungen an diesem System experimentell unter Beweis gestellt werden. Neben der Demonstration eines hohen Wirkungsgrades steht die Untersuchung des Einflusses einer realitätsnahen Betriebsweise auf die Alterung der Zellen sowie die Reaktionen auf sich dynamisch verändernden Betriebsbedingungen im Mittelpunkt. Mit diesem dynamischen Betrieb könnten rSOC-Systeme in einem Energienetz der Zukunft insbesondere die Charakteristik der Erneuerbaren Energien ausgleichen.

Der praktisch abgas- und geräuschfreie Betrieb prädestiniert die Technik auch für einen dezentralen Einsatz, z.B. in Verbindung mit Abwärmenutzung als BHKW+ (Block-Heiz-und-Speicher-Kraftwerk). Wärmetechnisch erfolgt die Einbindung solcher Anlagen an industrielle Prozesse oder Heizungssysteme, elektrisch an das Stromnetz und gasseitig an ein Speichersystem und/oder Gasnetz. Neben Wasserstoff kann auch Methan verstromt werden. Daher lässt sich nicht nur der Betrieb an einem zukünftigen, auf Wasserstoff umgestellten Gasnetz realisieren, sondern auch der Übergangsbetrieb mit Mischungen aus regenerativem Wasserstoff und fossilem Methan.

Ein Schlüsselelement eines zukünftigen Energiesystems ist Wasserstoff, der aus erneuerbar erzeugter elektrischer Energie hergestellt wird. Dieser Wasserstoff kann gasförmig gespeichert oder aber noch weiter umgewandelt werden, ehe er als Rohstoff oder Energieträger genutzt wird.

Eine wichtige Forschungsfrage liegt darin, wie man möglichst viel Wasserstoff mit der via Photovoltaik oder Wind produzierten elektrischen Energie erzeugen kann. Hier konnten in den letzten Jahren deutliche Fortschritte, gegenüber kommerziell erhältlichen System erzielt werden, diese wurden aber fast ausschließlich im Labormaßstab nachgewiesen. Im Rahmen des Living Lab Projektes wird nun vom IEK-14 ein Zellstapel (Stack) mit einer Leistung von 400 kW aufgebaut, der besonders leistungsstark und effizient ist. Dazu wurden neue Herstellungsverfahren am Forschungszentrum erarbeitet und in den technischen Maßstab skaliert und derzeit erfolgen die Tests der so hergestellten Komponenten der nächsten Generation.

Weiterlesen

Der Jülicher Supercomputer JUWELS wurde im vergangenen Jahr in Betrieb genommen und ermöglicht das Lösen rechenintensiver Problemstellungen. Für den Betrieb wird JUWELS über einen Wasserkreislauf gekühlt, der die entstehende Abwärme an die Umwelt abführt.

Bislang wurden technische Prozesse meistens einzeln optimiert, ohne Betrachtung von benachbarten Prozessen. So wird aktuell die Abwärme der Supercomputer aktiv „weggekühlt“ obwohl gleichzeitig umliegende Gebäude in der Heizperiode Heizwärme benötigen. Das geht sicherlich effizienter. Ein solche innovative Möglichkeit wird bald im Reallabor Living Lab Energy Campus (LLEC) demonstriert.

Weiterlesen

As part of the LLEC energy demonstrators, two battery energy storage systems will be installed on the FZJ campus. These battery systems are quite different from each other in terms of storage capacity and power because this makes them more interesting for the LLEC science case. The first battery is a high-energy battery system with a capacity of 2600 kWh and a power of 595 kW. The second battery is a high-power system with a capacity of 500 kWh and a total power of 1500 kW. Note that kWh is actually a unit to express (electrical) energy consumption for which e.g. the energy company charges you every month some money. However, in this context, it is more common to speak about capacity. The difference between a high-energy and high-power battery is that a high-energy battery has a high number of kWh’s per unit of weight. High-energy batteries are, for example, typically found in battery electric vehicles and laptops to allow long-range driving and user time, whereas high-power batteries are often used in hybrid electric vehicles and mobile power tools to (shortly) boost an electric device with high power.

Weiterlesen

Unser Umgang mit Energie ist im Wandel. Dies betrifft nicht nur die alltäglichen Situationen, in denen wir uns selbst daran erinnern, das Licht auszuschalten oder einmal auf das Auto zu verzichten, sondern auch die gesamte Infrastruktur von Erzeugung über die Speicherung bis hin zur Nutzung von Energie – kurzum unser gesamtes „Energiesystem“. Um diesen Wandel zu vollziehen, benötigen wir intelligente, dezentrale und vor allem vernetzte Technologien, die im Rahmen des Projektes „LLEC::JuPilot“ entwickelt und am Schülerlabor des Forschungszentrums Jülich erlebbar gemacht werden sollen.

Weiterlesen

Das Energiesystem des Forschungszentrums Jülich (FZJ) wird sich im Laufe des Projekts „Living Lab Energy Campus“ (LLEC) fundamental verändern. Wir sind davon überzeugt, dass die erfolgreiche Umgestaltung des Energiesystems maßgeblich von der Mitwirkung der Nutzerinnen und Nutzer abhängt. Deshalb ist die Nutzereinbindung ein zentrales Element des LLEC-Projekts, für das wir ein eigenes Projektteam „Engagement und Dissemination“ eingerichtet haben. Hier berichten wir über die Arbeit unseres Teams.

Weiterlesen

Unser Energiesystem basiert bis heute überwiegend auf Großkraftwerken. In Zukunft wird die Energieversorgung aber immer häufiger auch durch kleinere und dezentrale Energiequellen geprägt sein – z.B. Windenergie-Parks, Photovoltaik-Anlagen oder Wasserkraftwerke. Solche Energiequellen liefern nicht zu jeder Tages- und Jahreszeit gleichmäßige Energieströme, sondern ihre Leistung hängt etwa von Lichteinfall, Wetter und anderen veränderbaren Parametern ab.

Weiterlesen

Eine der zentralen Fragestellungen im Rahmen der Energiewende ist die saisonale Speicherung großer Mengen von Energie. Im Juni 2019 wurde das LLEC-Projekt daher um eine weitere, zentrale Komponente erweitert. Dabei handelt es sich um eine neuartige Technologie auf Basis von LOHC (Liquid Organic Hydrogen Carrier), welche die chemische Speicherung großer Mengen von Energie in füssiger Form erlaubt. Die Energiedichte des beladenen Fluids beträgt dabei ca. 1,86 MWh/m3 und entspricht damit Druckwasserstoff bei etwa 700 bar. Die weltweit einzigartige Demontrationsanlage arbeitet im Verbund mit der neuen Wärmevollversorgungszentrale (WVVZ) und wird durch die Sektorkopplung von Strom, Wärme und chemischer Energie Speicherwirkungsgrade von über 90% erreichen.

Weiterlesen