Die Dekarbonisierung der Stromerzeugung ist von zentraler Bedeutung zum Erreichen der nationalen und europäischen Klimaschutz- und Energieziele. Die G7 verpflichten sich zu dem Ziel einer überwiegend dekarbonisierten Stromversorgung bis 2035 und Sie bekennen sich dazu die Kohleverstromung zu beenden. Im Vorhaben sollen neben qualitativen Analysen auch modellbasierte Analysen für eine treibhausgasneutrale Stromerzeugung Deutschlands bis 2035 im europäischen Binnenmarkt durchgeführt werden. In einem ersten Schritt sollen dafür Szenarien berechnet werden, die eine Entwicklung unter den aktuellen nationalen und europäischen Beschlüsse zum Klimaschutz berücksichtigen. Darauf aufbauend sollen Instrumente entwickelt, modelliert und bewertet werden, die eine nahezu treibhausgasneutrale Stromerzeugung in Deutschland bis zum Jahr 2035 ermöglichen. Dabei sollen sowohl Instrumente untersucht werden, die durch Innovationsförderung und/oder Subventionen Erdgas aus dem Markt drängen und dafür Wasserstoff oder wasserstoffbasierte Brennstoffe anreizen (Innovationsstrategie), als auch solche Instrumente, die durch Pönalisierung zu einem Ausstieg führen (Exnovationsstrategie). Von besonderer Bedeutung für die Transformation der Stromversorgung ist neben dem schnellen Ausbau der erneuerbaren Energien insbesondere die Verzahnung mit dem Aufbau der Wasserstoffinfrastruktur und der Bereitstellung von Wasserstoff. Dies ist für die Dekarbonisierung der brennstoffbasierten Stromerzeugung von zentraler Bedeutung. Vor diesem Hintergrund braucht es weitere Untersuchungen zur Entwicklung der Gasverstromung bis 2035 und darüber hinaus, sowie zu der Verzahnung der Entwicklung im Kraftwerkspark mit dem Aufbau der Wasserstoffinfrastruktur und der Bereitstellung von Wasserstoff.
Für die Transformation zu einer dekarbonisierten Wirtschaft ist Wasserstoff als Energieträger, -speicher und Element der Sektorkopplung ein zentraler Baustein. Normen und Standards bilden, zusammen mit den rechtlichen Rahmenbedingungen, das Grundgerüst für den erfolgreichen nationalen, europäischen und internationalen Markthochlauf dieser Wasserstofftechnologien. Normen und Standards definieren Terminologie, Schnittstellen, Sicherheits-, System- und Qualitätsanforderungen, sowie Prüfungs- und Zertifizierungsgrundlagen. Technische Regelsetzung unterstützt rechtssicheres Handeln und bildet die Grundlage für belastbare wirtschaftliche Investitionen. Das Ziel des Projekts 'Normungsroadmap Wasserstofftechnologien' ist es, die Voraussetzungen für eine vollständige Qualitätsinfrastruktur zu schaffen, die eine elementare Basis für den erfolgreichen Markthochlauf der H2-Technologien darstellt. Konkret planen die Projektparteien die Erarbeitung und sukzessive Fortschreibung einer 'Normungsroadmap Wasserstofftechnologien' und die Umsetzung der darauf basierenden konkreten Normungs- und Standardisierungsempfehlungen. Dazu werden die wichtigsten Akteur*innen identifiziert und eingebunden, damit die Umsetzung auf breitem Konsens basierend ressort- und branchenübergreifend kann. Ziel ist es, sich national abzustimmen hinsichtlich der Priorisierung von Normungsprojekten, sodass gezielt die Federführung auf europäischer und internationaler Ebene übernommen werden kann. Die Roadmap zeigt konkrete Normungs- und Standardisierungsbedarfe und Pilotprojekte auf und dient als Grundlage für projektbegleitende und anschließende Normungs- und Standardisierungsaktivitäten. Durch die enge Verzahnung der Erarbeitung der Normungsroadmap und dem Anstoßen der konkreten Normungsprojekte, wird eine schnelle und gezielte Erweiterung und Anpassung des technischen Regelwerks bewirkt.
Im Verbundvorhaben DigITecT (Digitalisierung und interdisziplinäre Auslegungstechnologien von Turbomaschinen für die Energiewende) werden technologische Fragestellungen adressiert, die im Mittelpunkt der Konzeptionierung und Realisierung neuer Turbomaschinen für den flexiblen Einsatz in Anwendungen für die Energiespeicherung und -Umwandlung stehen. Aus den in den neuen Kreisprozessen herrschenden Betriebsbedingungen (super- oder transkritische Zustände des Arbeitsmedium, Einsatz von dichten Gasen/Fluiden, Einsatz von Wasserstoff), die sich zur effizienten und preisgünstigen Energiespeicherung und -umwandlung eignen, ergeben sich für die Turbomaschinen im Verdichtungs- sowie im Expansionstrakt neue Arbeitsparadigmen und, dadurch, grundsätzlich neue Auslegungs- und Wartungsanforderungen. Diese können nur mit Hilfe einer durchgängigen Virtualisierung des gesamten Herstellungs- und Betriebsprozesses unter Bewahrung einer starken Interdisziplinarität bewältigt werden. In den vorgesehenen vier Hauptarbeitspaketen des Vorhabens DigITecT werden einerseits die technologischen Entwicklungen angestrebt, die zur Realisierung von Maschinen für den Einsatz in CO2- und H2-Kreisprozessen notwendig sind; andererseits, werden die zu diesem Zweck erforderlichen methodologischen Innovationen angegangen. Übergeordnetes Ziel des Hauptarbeitspaket 2.2 ist die Erweiterung der Auslegungssystematik der Verdichter und Turbinen, die in den Kreisprozessen der thermischen Speicherung eingesetzt werden, unter Berücksichtigung der Eigenschaften der Medien (CO2 und H2). Gegenstand dieses Antrages sind insbesondere die Arbeitspakete 2.2b 'Radialexpander in Energiespeicheranwendungen' und 2.3c 'Experimentelle und numerische Untersuchung des Einflusses der fertigungsbedingten Oberflächenqualität von Turbinenschaufeln auf die Turbinenperformance', wobei konkrete konstruktive Aspekte von radialen sowie axialen Expandern zur Nutzung mit super- und transkritischem CO2 und H2 ermittelt werden.
Mit der angestrebten schrittweisen Kraftstofftransformation ('Fuel-Switch') von fossilem Erdgas zu klimaneutralen Gasen wie z.B. grünem Wasserstoff werden in Zukunft unterschiedliche Gasgemische im Gasnetz vorliegen. Im Rahmen des Projekts 'HydroFit' sollen Gasmotoren in KWK-Anlagen für diesen 'Fuel-Switch' ertüchtigt werden. Dabei werden neben zukünftigen Motoren, auch insbesondere Bestandsanlagen adressiert, die durch HydroFit leistungstechnisch optimiert werden. Um die Motoren in Zukunft nachhaltig, effizient und emissionsarm betreiben zu können, bedarf es geeigneter Anpassungen in Hard- und Software. Hierfür wird ein adaptives System entwickelt, das es ermöglicht, Gasmotoren unabhängig von der aktuellen Kraftstoffzusammensetzung im Versorgungsnetz zu betreiben. Das System kann dabei auf zeitlich sich ändernde Gaszusammensetzung reagieren, ohne dass Umbauten am Motor durchgeführt werden müssen. Dies ist insbesondere für die Übergangsphase der schrittweisen Einführung von der Wasserstoffbeimengung bis zur reinen Wasserstoffbereitstellung von Bedeutung. Zusätzlich wird HydroFit konstruktiv so gestaltet, dass bereits im Betrieb befindende Anlagen wirtschaftlich ohne Änderungen am Grundmotor nachgerüstet werden können. Um die Funktionalität des Konzepts sicherzustellen, soll nach der Entwicklung eines Prototypsystems, dieses zunächst im Labor getestet werden. In einer weiteren Ausbaustufe erfolgt die Erprobung an einem Versuchsmotor im Feld. Mit dem vollständigen Umstieg auf Wasserstoff und andere klimaneutrale Kraftstoffe können Gasmotoren-BHKW nicht nur als Brückentechnologie in der Energiewende dienen, sondern auch langfristig für die Dekarbonisierung der Wärme- und Stromerzeugung sorgen. Mit dem in diesem Vorhaben geplanten adaptiven System bleiben sie dabei sehr flexibel und können im Gegensatz zu alternativen Technologien (wie z.B. der Brennstoffzelle) unabhängig von der Kraftstoffzusammensetzung, insbesondere der Reinheit des Wasserstoffs, betrieben werden.
Ziele Die Zielstellung des Projekts im Rahmen der Technologieoffensive Wasserstoff ist es, die bestehende alkalische Elektrolyse (AEL) in die nächste Generation zu überführen. Die nächste Generation der AEL - AWEC++ - lässt sich durch 4 Punkte definieren. I. Stabilität bei erhöhten Temperatur- und Druckbedingungen (180 Grad C, 35 bar), um höhere Stromdichten zu erreichen ( größer als 1000 mA cm 2). Dies führt zur Halbierung des CAPEX durch Steigerung der H2-Produktion bei konstanten Installationskosten. II. Ein Modernes Stack-Design, welches für hohe Leistungsklassen ( größer als 500 kW) skalierbar ist. Dessen Herzstück ist ein keramisches, plasmagespritztes MEA, sowie laminierte 3D-Gewebe-Elektroden und Laser- oder ECM-prozessierte Bipolarplatten. III. Dynamik in der Wasserstoff-Produktionsleistung, um den volatilen Erneuerbaren Energien ohne kostspielige Zwischenspeicher gerecht zu werden (500 ms). IV. Nachhaltige, automatisierungsfähige und skalierbare Herstellungs- und Prozessschritte, um größer als 150 GW an installierter Leistung langfristig umsetzen zu können. Stand der Wissenschaft und Technik In der alkalischen Elektrolyse wird Wasserstoff H2 an der Kathode und Sauerstoff O2 an der Anode aus Wasser erzeugt. Hydroxid-Ionen OH- wandern zwischen beiden durch ein Diaphragma in wässrigem Elektrolyt (35 % KOH). In der ursprünglichen Variante der alkalischen Elektrolyse (AEL) wurden an Metallplatten als Elektroden genutzt. In moderneren Verfahren sind sogenannte Zero-Gap-Anordnungen üblich, welche durch einen geringeren Elektrodenabstand ohmische Verluste verringern. Als Elektrodenmaterial werden aktuell überwiegend Nickellegierungen verwendet. Langjährige Erfahrung besitzt PACO im Bereich von Hoch- und Niedrigtemperatur-Brennstoffzellen. So entstanden abgestimmte Gewebe auf Nickel-Basis oder kostenoptimierte Spezialgewebe bei gleichbleibenden Eigenschaften in der Anwendung als 3D-Elektroden.