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Scaling-Up the Hydrogen Economy
Daniel Führen, Technology Manager, INC Invention Center
17. August 2021
Invention Center | RWTH Aachen Campus Seite 2
Campus, Cluster, INC: Eine lebendige Gemeinschaft von Industrie und F&E-Partnern
Cluster Production Engineering
Ein Cluster ist ein Gebäude, in dem Mieter untergebracht sind, die in einem bestimmten Bereich arbeiten und forschen.
INC Invention Center
Technology and Innovation
Management
Center stehen für den thematischen Deep Dive.
RWTH Aachen Campus
Das Campus-Projekt ist die strategische Initiative der RWTH Aachen, die Zusammenarbeit zwischen Wissenschaft und Wirtschaft weiter zu intensivieren.
Invention Center | RWTH Aachen Campus Seite 3
Campus, Cluster, INC: Eine lebendige Gemeinschaft von Industrie und F&E-Partnern
INC Invention Center
Technology and Innovation
Management
Center stehen für den thematischen Deep Dive.
Das Center FCI will den Übergang zur Wasserstoffwirtschaft erleichtern ➢ Eine zukünftige industrielle
Nutzung von Wasserstoff als Energieträger mit kontinuierlichem Technologiemanagement, gemeinsamen Forschungs- und Entwicklungsaktivitäten sowie Standardisierungsaktivitätenzur Entwicklung von Pilotanlagen und Prototypen
Invention Center | RWTH Aachen Campus Seite 4
Gesamtbild: Zukünftige Energiewirtschaft
Strom
Gas
Wärme
Versorgung BedarfVerteilung
Erneuerbare Energien
Fernwärme
P2G
P2H
Transportsektor
Bausektor
Industriesektor
Verflüssigung
Stromnetz Gasnetz
FernwärmenetzWärmenetz
Invention Center | RWTH Aachen Campus Seite 5
Gesamtbild: Zukünftige Energiewirtschaft – Balancing
Strom
Gas
WärmeP2G
P2H
Kraftstoff-speicher
Wärme-speicher
Gasspeicher
Strom-speicher
CHP
Smart Grid
Verflüssigung
Stromnetz Gasnetz
Wärmenetz
Die vier Säulen des zukünftigen Energie-Balancings:1. Smart Grids verbinden Energieangebot
und –nachfrage in einem intelligenten Netz.
2. Batterien unterstützen Smart Grids beim Spitzenlastmanagement und gleichen den Tag-Nacht Rhythmus aus.
3. Effizientes Wärmemanagement benötigt Wärmespeicher, P2H- & kombinierte Wärme- & Stromsysteme (CHP).
4. Wasserstoff wird der entscheidende Schritt in Richtung einer CO2-freien Gesellschaft sein. Überschüssiger Strom muss chemisch gespeichert werden, was in Form von H2 geschehen wird.
Invention Center | RWTH Aachen Campus Seite 6
Gesamtbild: Zukünftige Energiewirtschaft – Wasserstoffwirtschaft
Strom
Gas
WärmeP2G
P2H
Kraftstoff-speicher
Wärme-speicher
Gasspeicher
Strom-speicher
CHP
Wasserstoffwirtschaft
Verflüssigung
Stromnetz Gasnetz
Wärmenetz
▪ Jegliche Energie, die wir nutzen, ist gespeichert in Form von− Elektrizität− Wärme− und Chemikalien
▪ Konzept Power to X (‘Energie zu X’), wobei X folgende Energieträger repräsentiert:− P2G: G für Gas (Wasserstoff,
Methan, Ammoniak etc.)− P2L: L für Liquid (Flüssig) (durch
Verflüssigung von Gasen) − P2H: H für Heat (Wärme)
▪ Alle Energieträger benötigen geeignete Speichertechnologien!
Smart Grid
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Wasserstoffwirtschaft - Infrastruktur
Speicherung Distribution Übergreifende Themen
Sicherheit
Normen & Standards
Sensoren & Steuerungen
(Type V) Druck-Tank
LOHC
Metall-hydride
Liner-Boss Konzepte
Pipeline-Materialien
Wasserstoff-Versprödung
Retrofitting Infrastruktur
Fitting & KonnektorH
ot
Top
ics
Wasserstoff-Infrastruktur
Invention Center | RWTH Aachen Campus Seite 8
Wasserstoffwirtschaft – Produktion & Nutzung
Wasserstoff-Nutzung
Wasserstoff-Produktion
Balance of Plant
Elektrolyseur-Stack
Balance of Plant
Brennstoffzellen-Stack
H2 TankDC/DC
Converter
Batterie
H2 LeitungenKühlsystem
Luft-kompressor
Druckventile Sensoren
Gehäuse
Membran-Elektrode
Endplatte Bipolarplatte
DichtungGDLStromkollektor
Mögliche BoP Komponenten
Mögliche PEMFC Stack Komponenten
PEM-Brennstoffzelleim Fokus
Invention Center | RWTH Aachen Campus Seite 9
PEM-Brennstoffzelle – Balance of Plant
BatteryDC/DC
Converter -High VoltageOn-board
Charger
DC/AC Inverter
DC/DC Converter –On-board Motor
Filter
Injector
p/T Sensor
Hydrogen Recirculation
System
Cut-Off Valve
Demister
Drain Purge Valve
Humidifier
Expander
Demister
Mixer Filter
Air Mass Flow Sensor
Compressor
Charge Air Cooler
Temperature Sensor
Coolant Pump
Heat Exchanger
Coolant Reservoir
Deionizing Filter
Coolant Pump
Heat Exchanger
Coolant Reservoir
Fuel Cell Stack
Tank
Pressure Regulator
Receptable
p/T Sensor
Fuel Processing System
Air Processing SystemThermal Management System (High T)
Thermal Management System (Low T)
Power Electronical System External energy supply not mandatory
Es gibt verschiedene Ansätze für das Wasserstoffrückführungssystem: recirculation blower and/or ejector
Invention Center | RWTH Aachen Campus Seite 10
PEM-Brennstoffzelle – Balance of Plant - Kostenstruktur
Bei beiden Produktionsraten ist der größte Kostentreiber das Luftaufbereitungssystem. 40 % der Kostensenkung bei den höheren Raten sind allein auf die Kostensenkung des Befeuchters zurückzuführen.
Produktionsrate: 1.000 pro Jahr
Gesamtkosten: 4.564 € pro 80 kW Stack
57 €/kW
Produktionsrate: 10.000 pro Jahr
Gesamtkosten: 2.930 € pro 80 kW Stack
37 €/kW
22
59
9
28
23
51
13
2 11
Fuel Processing System
Air Processing System
Thermal Management System (High Temp.)
Thermal Management System (Low Temp.)
Sonstiges
Invention Center | RWTH Aachen Campus Seite 11
PEM-Brennstoffzelle – Balance of Plant - KomponentenbewertungLe
ben
sdau
erkr
itis
ch
Kosten
DC/DCWandler
Wasserstoff-Rückführ-Gebläse
Injector
▪ Der Luftkompressor ist das anspruchsvollste Bauteil, da er in Bezug auf Lebensdauer, Preis & parasitäre Belastung einen Engpassdarstellt.
▪ Da das Wasserstoff-Rückführgebläse aus rotierenden Teilen besteht, neigt es zu Verschleiß und kann daher nicht die geforderten Betriebsstunden in Schwerlastanwendungen leisten.
▪ Der Befeuchter hat einen einfachen Aufbau, dennoch hat dieses Bauteil eine begrenzte Lebensdauer und aufgrund des teuren Membranmaterials einen nicht zu vernachlässigenden Preis.
▪ Der Kühlmittelfilter, der das Kühlmittel deionisiert, bietet nicht die für schwere Nutzfahrzeuge erforderliche Lebensdauer. Aufgrund seines niedrigen Preises sollte er als Serviceteil betrachtet werden.
▪ Der DC/DC-Wandler ist komplex, da er auf die Leistungselektronik einschließlich der Brennstoffzelle abgestimmt sein muss, was zu einem hohen Preis führt.
▪ Der Wärmetauscher muss im Vergleich zu einer entsprechenden Anlage mit Verbrennungsmotor etwas größer ausgelegt werden.
Ejector
Befeuchter
Wärme-tauscher
Kühlmittel-Filter
Luft-Kompressor
Geringe Komplexität Mittlere Komplexität Hohe Komplexität
Invention Center | RWTH Aachen Campus Seite 12
▪ Aufbau eines übergreifenden Markt- und Technologieverständnis:Den Unternehmen muss klar sein, wo konkrete Business Cases in der Wasserstoffwirtschaft sind & welche technologischen Anforderungen in verschiedenen Anwendungen gefragt sind.
▪ Identifizierung von Innovations-White-Spots:Unternehmen müssen sich fragen: Was sind die noch nicht gelösten (technologischen) Herausforderungen, welche ich mit meinem Know-How beantworten kann?
▪ Nur gemeinsam ist man stark:Durch Netzwerke oder auch branchenübergreifende Konsortialprojekte lassen sich neue und innovative Ideen entwickeln, welche letztendlich für eine Industrialisierung der Wasserstoffwirtschaft notwendig sind.
▪ Machen, machen, machen:Nur durch Umsetzungsprojekte werden die Leute vom Energieträger „Wasserstoff“ überzeugt!
Lessons Learned – Wie gelingt die Hochskalierung der Wasserstoffwirtschaft?
Invention Center | RWTH Aachen Campus Seite 13
Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit!
Daniel FührenTechnology Manager
daniel.fuehren@kex-ag.com
+49 (0) 241 51038 636+49 (0) 151 5444 8617
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