Wissenschaftliche Forschung zu Windwasserstoff-Energiespeichern - WESpe

Das Forschungsvorhaben „WESpe“ dient der Erarbeitung langfristiger Konzepte und Strategien zur Sicherstellung einer umweltschonenden, zuverlässigen und bezahlbaren Energieversorgung unter Erreichung der von der Bundesregierung vorgegebenen Ziele für die Verringerung der Treibhausgasemissionen mittels massivem Ausbau der erneuerbaren Energien und dabei besonders der Windenergie - aufgrund des hohen Potentials und der vergleichsweise günstigen Erzeugungskosten.

Eine der zentralen Herausforderungen bei der Nutzung der Windenergie ist dabei die Integration von fluktuierender Energie in die bestehenden Übertragungsnetze (Systemstabilität) zur Sicherung einer zuverlässigen und wirtschaftlichen Energieversorgung. Neben dem Ausbau der Erzeugungskapazitäten bei den erneuerbaren Energien sowie einen Ausbau der Stromnetze bedarf es insbesondere auch großmaßstäblicher Energiespeicher, sowohl für den kurzfristigen Ausgleich der Fluktuationen, als auch für die Langzeitspeicherung und damit verbunden auch die Einbindung anderer Netzstrukturen wie z.B. das Gasnetz.

Die Forschungsziele der DBI- Gastechnologisches Institut gGmbH Freiberg (DBI) im Verbundvorhaben WESpe sind die Integration der Wind-Wasserstoffsysteme in die Netzregelung und in die Gasmärkte sowie den Aufbau der erforderlichen Produktionskapazitäten für unterschiedliche Anwendungen inkl. Verteilungs- und Bereitstellungspfaden. Insbesondere werde dabei die Einspeisung in das Gasnetz als ein zum Stromnetz komplementäres Energieverteilungssystem sowie die Weiterentwicklung von Großspeichern für die mittel- und langfristige Speicherung der nicht sofort nutzbaren Energie aus der EE-Stromproduktion betrachtet.
Die Arbeitsziele der DBI-Arbeiten fokussieren auf die Technologieoptimierung und Weiterentwicklung der Gaseinspeisung und der Speicherung in geologischen Formationen sowie der hierzu erforderlichen Ausrüstung. Sie lassen sich wie folgt darstellen:

• Identifizierung von Optimierungspotenzial von Anlagen zur Einspeisung von Erneuerbaren Gasen speziell Wasserstoffeinspeiseanlagen.
• Ermittlung von Methoden und Auslegungsgrundlagen, welche die Errichtung von technisch-wirtschaftlich optimalen Einspeiseanlagen ermöglicht. Weiterhin werden Ansätze zur Bewer-tung und Verbesserung der Zuverlässigkeit der Einspeiseanlagen und ihrer Hauptkomponen-ten geschaffen.
• Evaluation der Komponenten der üblichen Einspeisesysteme wie Gasdruckregelsysteme und insbesondere der Messsysteme für den Einsatz von Wasserstoff
• Evaluation und Einsatzoptimierung neuer Materialien für den Transport/die Verteilung von Wasserstoff und wasserstoffhaltigen Gasen, dazu gehören insbesondere Kunststoffmateria-lien sowie Verbundwerkstoffe als Pipelinematerial welche auch im Druckbereich bis 25 bar eingesetzt werden können sowie effizente und kostengünstige Verlegetechnologien erlauben
• Entwicklung von Methoden, die eine Verfolgung der Ausbreitung des eingespeisten Wasser-stoffs im Gasnetz erlauben, um insbesondere Problematiken des Verbraucherschutzes bei der Energieabrechnung zu berücksichtigen Entwicklung von Standardisierungsstrategien und damit auch die Bestimmung der Kostensenkungspotenziale für die spätere Einführung der Technologie in den Markt
• Bewertung des Einflusses von Wasserstoff auf die Treibhausgasemissionsbilanzen des Gas-netzes und Erstellung einer Klimatechnischen Bewertung auch auf Grundlage von Wirkungs-gradketten.

Für das Teilgebiet Untergrundgasspeicherung:

• Erweiterung der Wissensbasis für die Speicherung von Wasserstoff in Untergrundgasspeichern (UGS) hinsichtlich der Wechselwirkungen zwischen Wasserstoff und Speichergesteinen, der Integrität der Bohrungen und obertägigen Ausrüstungen
• Evaluation der Eignung verschiedener geologischer Speichertypen für die Speicherung von Wasserstoff und wasserstoffhaltigen Gasgemischen; Schwerpunkt sind insbesondere die Fragen
• der Systemsicherheit (Speicherintegrität - Stabilität und Dichtheit) sowohl bei Po-renspeichern als auch bei Kavernenspeichern
• der Speicherperformance (Ein- und Ausspeiseraten, dauerhafte Verluste durch Kissengas, bio- und geochemische Prozesse u.a.)

In die Evaluation der Speichertypen wird eine fundierte Risikoanalyse integriert.

• Evaluation und Weiterentwicklung der Untertageausrüstung von Speichern, insbesondere die Bohrungsausrüstungen (Tubing, Casing, Sicherheitsausrüstungen am Bohrkopf) unter dem Gesichtspunkt der veränderten Korrosionsmechanismen, der Dichtheit gegenüber Wasserstoff und den geänderten Betriebsanforderungen (maximale Spitzenlastversorgung mit hohe Ein- und Ausspeiseraten).
• Evaluation, Weiterentwicklung und Standardisierung der Obertageanlagen für die Speicherung von Wasserstoff. Anders als bei Methan/Erdgas hat Wasserstoff deutlich andere thermodynamische Eigenschaften (Joule-Thompson-Effekt, Gaskonstante, Wärmeleitfähigkeit und -kapazität etc.), welche eine andere Gestaltung der Systeme erfordern, insbesondere Vorwärm- und Kühlsysteme sowie Gastrocknungssysteme.
• Entwicklung von Erkundungs- und Monitoringprogrammen:
• für die verschiedenen geologischen Speichertypen und Speichergesteinen sind aufbauend auf einer modernen Erkundungsmethodik die Erkundungsprogramme zu entwickeln und dazugehörend die Parameterbereiche der Speichergesteine zu definieren, welche eine wirtschaftlichen Betrieb und die erforderliche Sicherheit der Speicherung erlauben;
• analog sind Monitoringprogramme zur Kontrolle der Bohrungs- und der Deckgebirgs-Integrität zu entwickeln, welche den Betrieb der Speicher überwachen, früh-zeitig kritische Situationen erkennen lassen und entsprechende Gegenmaßnahmen ermöglichen.
• Ermittlung von Klima-, Umweltschutz- und Effizienzvorteilen der Speicherung von Wasserstoff und Ableitung geeigneter Maßnahmen zur Stärkung der Akzeptanz von Wasserstoff als Speichermedium in der Öffentlichkeit.

Darüber hinaus hat das DBI-Teilvorhaben das Ziel eine Bewertung heute und zukünftig (Abschätzung) erreichbarer Umwandlungskosten vorzunehmen vor dem Hintergrund der Ableitung von Handlungsempfehlung. Die beschriebenen Ziele fließen weiterhin in die Ableitung der Handlungsempfehlungen des Gesamt-Verbundvorhabens ein, für die Bereiche Politik, Wirtschaft, Wissenschaft und Anwender.