Scaling-Up the Hydrogen Economy

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.


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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


Gesamtbild: Zukünftige Energiewirtschaft

Strom

Gas

Wärme

Versorgung BedarfVerteilung

Erneuerbare Energien

Fernwärme

P2G

P2H

Transportsektor

Bausektor

Industriesektor

Verflüssigung

Stromnetz Gasnetz

FernwärmenetzWärmenetz


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.


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


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


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


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


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


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


▪ 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?


Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit!

Daniel FührenTechnology Manager

[email protected]

+49 (0) 241 51038 636+49 (0) 151 5444 8617

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