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.

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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.

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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.

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Herzlich Willkommen! In unserem ersten Beitrag wollen wir euch einen Überblick über unser Projekt geben: Was macht das Projekt aus? Wie ist es zu Stande gekommen? Wer ist bisher alles dabei? Und was erwartet euch in zukünftigen Beiträgen? Wir haben uns vorgenommen etwa einmal im Monat einen Blog zu veröffentlichen, jeweils mit einem anderen Schwerpunktthema. Wir freuen uns natürlich immer über Fragen und Hinweise über die Kommentarfunktion. Weitere Infos zum Projekt erhaltet ihr auch unter www.llec.info.

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