Dimensionierung eines Energiespeichersystems im MWh-Maßstab für den Stand-by-Betrieb einer Off-Shore- und netzfernen Power-to-X-Anlage

Die Produktion von E-Fuels und Chemikalien über Power-to-X (PtX)-Prozesse bietet einen vielversprechenden Ansatz zur langfristigen Energiespeicherung. „Grüner“ Wasserstoff, der durch Elektrolyse gewonnen wird, dient als Grundstoff für die Synthese von Chemikalien und Kraftstoffen wie Methan, Ammoniak, Methanol und synthetischen Kohlenwasserstoffen. Offshore- und netzunabhängige PtX-Anlagen nutzen Gebiete auf hoher See, wo bisher Windparks aufgrund fehlender wirtschaftlich tragbarer Kabel- oder Pipelineverbindungen nicht errichtet werden konnten. Ein Vorteil von PtX ist die Nutzung bestehender Speicherinfrastrukturen sowie die Verknüpfung aller Energiesektoren, z.B. Transport, Industrie, Heizung, mit Wind- und Solarenergie.

Im Rahmen des deutschen Vorzeigeprojekts H2Mare zielt das Konsortium PtX-Wind darauf ab, experimentelle, forschungsbasierte und produktive Offshore-PtX-Plattformen zu entwickeln, die direkt mit Windenergie in der Nordsee verbunden sind.

Die Herausforderung besteht darin, dass bei Windstille, Sturm, Wartung oder Systemausfällen eine CO2-freie Energiespeichereinheit genügend Energie für den Betrieb der Elektrolyse- und PtX-Anlagen sowie für wichtige Plattforminstrumente bereitstellen muss.

Unsere Aufgabe, zusammen mit Industrie- und akademischen Partnern, besteht darin, ein Batteriespeichersystem für eine Forschungs-PtX-Plattform zu dimensionieren, die eine 5 MW-Elektrolyseeinheit und eine 1,7 MW-PtX-Plattform umfasst.

Schritt 1: Geeignete Batterietechnologien wie PbAc, PbGel, LFP, NMC und Superkondensatoren werden getestet, um die vom Hersteller angegebenen Batterieeigenschaften zu überprüfen. Die Ergebnisse der Vorauswahl auf Modulebene (0,5 kWh) werden präsentiert.

Schritt 2: Die Batterieeigenschaften wurden in die Software „System Advisor Model (SAM)“ implementiert, kombiniert mit einem ganzjährigen Windstromerzeugungsprofil.

Ergebnisse: Eine minimale Batteriekapazität (0,52 MWh) für den Standby-Betrieb (0,47 MW) wurde auf Basis der 1C-Rate von modernen LFP-Batterien bestimmt. Erste wirtschaftliche Überlegungen werden ebenfalls vorgestellt.

Lebenslauf

Willi Peters erhielt sein Diplom in Chemieingenieurwesen von der Universität Erlangen-Nürnberg und trug von 2011 bis 2105 zur Forschung über Wasserstoffspeicherung in flüssigen organischen Wasserstoffträgern (LOHCs) bei, die Wasserstoff durch reversible & chemische Bindung speichern. Als Forscher und Projektkoordinator erweiterte er seinen Aufgabenbereich auf dem Gebiet der Energiespeicherung durch die Untersuchung neuer Batterietechnologien wie der Aluminium-Ionen-Batterie (2015) und der Zink-Ionen-Batterie (2018). Derzeit ist er als wissenschaftlicher Mitarbeiter am DECHEMA-Forschungsinstitut in Frankfurt am Main tätig.

Sein Forschungsschwerpunkt liegt auf der Entwicklung neuartiger, kostengünstiger und ungiftiger Zellkomponenten und -prozesse, insbesondere auf der Synthese von Kathodenmaterialien und Elektrolyten für Nicht-Lithium-Ionen-Batterien für den Einsatz in stationären Energiespeichern.