.

Projektinfos  – Energieforschung konkret

Kurzcharakteristik lesen

Die Power-to-Gas-Anlage wurde neben dem Mainzer Messegelände errichtet. Sie ist direkt an das Mittelspannungsnetz der Stadtwerke Mainz angebunden sowie an vier benachbarten Windenergie-Anlagen, die den Großteil des Stroms liefern.
© Siemens AG, Erich Malter
Sektorkopplung
Projektinfo 05/2018

In der Elektrolysehalle arbeiten drei PEM-Elektrolyseure, die bei einer Maximalleistung von 6 MW 1.000 Normkubikmeter Wasserstoff pro Stunde erzeugen können.
© Siemens AG, Erich Malter

Drei Gleichstromstationen versorgen jeweils einen PEM-Elektrolyseur.
© Siemens AG, Erich Malter
1 / 3

Energiepark Mainz mit Power-to-Gas-Anlage

An einer Forschungsanlage im Gewerbepark Mainz-Hechtsheim erproben Unternehmen und Wissenschaftler die Speicherung fluktuierender Windenergie in Form von Wasserstoff. Sie untersuchen alle wesentlichen Bausteine, von der Erzeugung über die Speicherung bis zur Nutzung im industriellen Maßstab und koppeln diese mit neuartigen Technologiekomponenten. Die PtG-Anlage (Power-to-Gas) im Megawatt-Maßstab erlaubt nicht nur chemische Langzeitspeicherung von Energie. Sie verknüpft zudem die Sektoren Strom, Wärme und Mobilität.

Die Energiewende sieht einen massiven Ausbau der Stromerzeugung aus Windkraft und Photovoltaik vor. Gleichzeitig steigt der Anteil der elektrischen Energie bei Wärmeversorgung und Mobilität. Wenn die erneuerbaren Energiequellen zunehmend fossile Brennstoffe verdrängen, sind Stromspeicher ein Element, das Energiesystem auf die geänderten Anforderungen anzupassen. Insbesondere für eine langfristige Speicherung von elektrischer Energie ist bisher jedoch noch keine großtechnische Lösung ausreichend erprobt und zu vertretbaren Kosten einsatzbereit. Wasserstoff ist ein vielversprechender chemischer Energieträger und -speicher. Im Umgang mit dem wichtigen Grundstoff der Industrie besteht viel Erfahrung und die technischen Komponenten sind kommerziell verfügbar. Mit dem Projekt wollen die Forscher zeigen, wie die Verbesserung des lokalen Lastmanagements zur Netzstabilität beiträgt und die Windkrafteinspeisung flexibler auf Bedarf und lokale Netzengpässe reagieren kann.

Die Power-to-Gas-Anlage wurde neben dem Mainzer Messegelände errichtet. Sie ist direkt an das Mittelspannungsnetz der Stadtwerke Mainz angebunden sowie an vier benachbarte Windenergie-Anlagen, die den Großteil des Stroms liefern. Der im Energiepark produzierte Wasserstoff kann in das Erdgasnetz der Stadtwerke Mainz eingespeist werden. Das Gasgemisch versorgt den Stadtteil Mainz-Ebersheim. Bis zu 10 Prozent Wasserstoff werden dem Erdgas beigemischt, ohne jede Beeinträchtigung für die Kunden. Auch Wasserstoff-Tankstellen und Industriebetriebe können beliefert werden. Hierzu dient eine Abfüllstation, an der Trailer vollautomatisiert befüllt werden können. Mit einer Maximalleistung von 6 MW und einer Erzeugungsmenge von 1.000 Normkubikmetern Wasserstoff pro Stunde stellt die Anlage zudem ein Bindeglied zwischen heutigen kleinen (100 kW) und zukünftigen großen (100 MW) Elektrolyse-Anlagen dar. Damit ist sie derzeit die Größte ihrer Art. Nach der Forschungsphase schloss sich ab 2017 der kommerzielle Probebetrieb der Anlage an. Inzwischen ist der Energiepark in den Regelbetrieb gegangen.

arrow
arrow

PEM-Elektrolyse der Megawattklasse

Die zentralen Komponenten der Energiewandlung sind drei Elektrolyseeinheiten, die in einer Halle von der Größe eines Lebensmittelmarktes untergebracht sind. Da der überschüssige Strom aus Wind und Sonne höchst volatil anfällt, müssen sich die Elektrolyseure dynamisch an die schwankende Stromzufuhr anpassen. Die in der großtechnischen Wasserstoffherstellung bewährten alkalischen Elektrolyseure sind vergleichsweise träge und arbeiten bei Teillast- und Spitzenlastbetrieb nicht optimal. Daher entschieden sich die Planer für Systeme auf Basis von Polymerelektrolytmembranen (PEM). Diese Druckelektrolyseure eignen sich für hohe Stromdichten und können innerhalb von Sekunden auf große Schwankungen bei der Stromproduktion reagieren. Sie sind wartungsärmer, zuverlässig und benötigen keine Chemikalien und Fremdstoffe. Der produzierte Wasserstoff ist auch ohne aufwendige Nachreinigung schon sehr rein und beinhaltet außer Feuchtigkeit und Spuren des Komplementärgases Sauerstoff keine weiteren Verunreinigungen. Bei Projektbeginn lagen typische Anlagenleistungen von PEM-Elektrolyseuren meist unter 100 kW. Sie werden daher eingesetzt, wenn kleine Wasserstoffmengen benötigt werden oder höchste Reinheit eine Rolle spielt. In dem Forschungsprojekt sollten jedoch große und skalierbare PEM-Elektrolysesysteme der Megawattklasse in der Praxis erproben werden. Im Projekt konnten hierfür die ersten drei Exemplare einer neu entwickelten Produktreihe des Projektpartners Siemens eingesetzt werden. Jede Einheit leistet 1,3 MW im Dauerbetrieb und kann Lastspitzen bis zu 2 MW bewältigen. Der hohe Abgabedruck des Gases von 35 bar verringert den Aufwand der Nachverdichtung erheblich.

Wasser und Gleichstrom

Die PEM-Elektrolyse stellt hohe Anforderungen an die Wasserreinheit. Deshalb durchläuft das hier genutzte Leitungswasser in der Wasseraufbereitungsanlage einen vierstufigen Reinigungsprozess. Im ersten Schritt entfernt eine Enthärtungsstufe die Calcium- und Magnesium-Kationen. Anschließend filtert Umkehrosmose weitere gelöste Salze aus. Kohlensäure und Sauerstoff entweichen bei der nachfolgenden Membranentgasung. Nachdem im letzten Schritt ein Elektro-Deionisierer verbliebene Restsalze entfernt hat, steht hochreines Wasser mit einer Leitfähigkeit von unter 1 µS/cm zur Verfügung. Ein Puffertank sorgt für die stetige Wasserversorgung der Elektrolyse.

Als zweiten „Rohstoff“ benötigt der Elektrolyseprozess Gleichstrom hoher Stromstärke. Drei an das Mittelspannungsnetz angeschlossene Transformatorenstationen liefern mit nachgeschaltetem Gleichrichter jeweils bis zu 3.500 A. Dabei verhindert ein mehrstufiges Filterkreissystem negative Rückwirkungen auf das Netz. Mit der verfügbaren Leistung können auch Überlastsituationen der Elektrolyseeinheiten getestet werden.

Projektinfo 05/2018:
1 / 3

Merkzettel

Adressen

Projektleitung
Stadtwerke Mainz AG

Errichtung und Betrieb der Anlage
Linde AG

Elektrolyseeinheiten
Siemens AG, Energy

Wissenschaftliche Begleitung
Hochschule RheinMain

Links

Energiepark Mainz
Projekt-Website der Mainzer Stadtwerke

Energiespeicher
Portal der Förderinitiative Energiespeicher mit aktuellen Meldungen aus Forschung, Entwicklung und Demonstration von Energiespeichern

Forschungsförderung

Das Informationssystem EnArgus bietet Angaben zur Forschungsförderung, so auch zu diesem Projekt.