Einsatz von verschiedenen erneuerbaren Energieerzeugern zur Wasserstoffgewinnung
Eine Verknüpfung von Wasserstoffspeichersystemen erlaubt eine Einbindung von vielen verschiedenen erneuerbare Energieerzeugern mit fluktuierender Einspeisecharakteristik. Besonderes durch die optimale Auslegung von Einspeisern mit zeitunterschiedlicher Energieerzeugung wie z.B. PV –Anlagen mit starker Energieerzeugung am Mittag und Windturbinen mit starken Energieerzeugung in der Nacht. Somit kann eine gleichmäßige elektrische Energieherstellung erreicht werden.
Für die Wasserstofferzeugung können prinzipiell alle Arten der EE-Erzeugung eingesetzt werden. Eine Verwendung von Biogas (durch Reformierung von Gasen, die Wasserstoff enthalten), ist ebenfalls möglich. Wichtig hierbei ist nur die an die jeweilige Region angepasste Kombination von erneuerbaren Energiequellen. In Regionen mit starker Sonnenstrahlung könnten zusätzlich Windkraftanlagen oder Gezeitenkraftwerke eingesetzt werden, da die Sonnenstrahlung nur im Umfang von ca. 8 bis 10 Stunden am Tag wirkungsvoll genutzt werden kann. Um eine stabile Stromversorgung sicherzustellen, müssten beim Einsatz von nur einer EE-Quelle zu große Speichersysteme gebaut werden. Die Kombination von mehreren Energiequellen erlaubt hingegen sowohl kleinere Speicher, als auch Wasserstoffproduktion bei Nacht, als auch eine relativ gleichmäßige Aufladung des Speichersystems.
Wasserstofferzeugungs- und Speicherungssysteme
In der autarken EE-Anlage wird Wasserstoff zur Speicherung der Energie aus der WEA genutzt. Der Wasserstoff wird im Elektrolyseur hergestellt, der von der WEA betrieben wird. Darüber hinaus wird die chemische Energie des Wasserstoffs mit Hilfe der BZ in elektrische und thermische Energie umgewandelt, die bei Bedarf genutzt werden kann. Wasserstoff ist ein perfekter Ersatz für fossile Brennstoffe, weil er eine hohe Energiedichte hat (Vergleich in Tabelle 1) und im Laufe der Reaktion entsteht Wasser als Abfallprodukt (keine Schadstoffemission).
| Brennstoff | Chem. Formel | Ho [kJ/kg] | Hu [kJ/kg] |
| Wasserstoff | H2 | 141,86 | 119,93 |
| Methan | CH4 | 55,53 | 50,02 |
| Kohlenoxide | CO | 10,10 | 10,10 |
| Ethan | C2H4 | 51,88 | 47,49 |
| Propan | C3H8 | 50,35 | 45,60 |
| Methanol | CH3OH | 19,96 | 18,05 |
| Benzin | C8H18 | 46,05 | 42,70 |
Tabelle 1: Brennwerte Ho und Heizwerte Hu für typische Brennstoffe (bei 25˚C und 1.013 bar)
In Verbindung mit regenerativen Energien, wie z.B. Wind-, Solar- und Wasserenergieerzeugern, wird Wasserstoff als Energieträger produziert, der mit Hilfe von Brennstoffzellen direkt in elektrische Energie umgewandelt oder zum Verbraucher transportiert werden kann.
Um ein Kilogramm Wasserstoff zu erzeugen, benötigt man folgende Energiemenge:
Der spezifische Energieverbrauch des Elektrolyseurs kann mit folgender Gleichung berechnet werden: K=26589·(U/ηE)
Um die gesamte, autarke EE-Anlage wirtschaftlich rentabel betreiben zu können, muss der spezifischen Energieverbrauch des Elektrolyseurs so niedrig wie möglich gehalten werden. Dies kann durch die Senkung der Zellenarbeitsspannung U und die Erhöhung des Elektrolyseurwirkungsgrads erreicht werden.
Normalerweise werden die Mengen des erzeugten Wasserstoffs bei der Elektrolyse in Kubikmeter berechnet. Folgende Gleichung ermittelt die benötigte Energiemenge, um 1 Nm3 herzustellen (unter der Annahme, dass 1Nm3H2 44,6 molH2 entspricht):
und bei einer Zellenspannung von 1,9 V bei ca. 4,5 kWh/Nm3
Heutzutage gibt es verschiedene Arten von Elektrolyseuren, von denen sich noch viele im Entwicklungsstadium befinden und daher nicht auf dem Markt verfügbar sind. Folgende drei Elektrolyseurarten können momentan auf dem freien Markt erworben werden:
- Alkalische Elektrolyseure (Kaliumhydroxid (KOH)-Lösung)
- Polymer-Elektrolyt-Membran (PEM)-Elektrolyseur
- Geräte, die auf Hochtemperatur-Wasserdampfelektrolyse basieren