Power-to-Gas: Grüner Wasserstoff als Baustein der Energiewende

Viele erneuerbare Energien speisen abhängig von Wind und Wetter Strom in das Netz ein. Ist die so erzeugte Energiemenge höher als der Bedarf, kommt es zu einem Überangebot. Wenn die Stromnetze das Überangebot nicht aufnehmen können, müssen immer wieder Wind- und Solarkraftwerke abgeschaltet werden. Die Power-to-Gas-Technologie bietet eine Möglichkeit, mittels Elektrolyse überschüssigen Strom in Wasserstoff umzuwandeln.

Dieser sogenannte „grüne“ Wasserstoff lässt sich speichern, weiter transportieren oder für andere Anwendungen nutzen. Auf diesem Wege lassen sich klimafreundliche Folgeprodukte wie Methanol, Ammoniak und synthetische Kraftstoffe herstellen. Wasserstoff trägt somit nicht nur dazu bei, im Energiebereich das Überangebot der Erneuerbaren Energien zwischenzuspeichern und zu einem späteren Zeitpunkt und ggf. anderen Ort nutzbar zu machen. Es liefert außerdem einen Beitrag in anderen CO2-intensiven Bereichen wie der Mobilität oder in verschiedenen Industriezweigen.

Die Anzahl der Elektrolyse-Anlagen und ihre Leistungsfähigkeit ist in den letzten Jahren stetig gestiegen. Gleichzeitig rücken Fragen nach der Sicherheit dieser Anlagen mehr und mehr in den Fokus.

Unsere Aufgaben

Wasserstoff beschäftigt die Fachleute der GRS seit vielen Jahren. Lange konzentrierten sich die Arbeiten auf den nuklearen Bereich: Wasserstoff entsteht in Kernkraftwerken sowohl während des normalen Betriebs als auch bei Störfällen. Seit einigen Jahren ist auch der grüne Wasserstoff aus erneuerbaren Energien in unseren Fokus geraten. Unsere Kompetenzen umfassen folgende Themen:

Genehmigungsrechtliche Anforderungen. Wir erarbeiten zusammen mit allen Beteiligten anwendungsbezogene Lösungen – beispielsweise in Form von Leitfäden – für aktuelle technische und genehmigungsrechtliche Anforderungen. Dabei gehörten analytische Arbeiten genauso dazu wie die interaktive Zusammenarbeit in Form von Workshops.
Sicherheitsanalysen. Als Forschungsinstitution verfügen wir über ein interdisziplinäres Team aus Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern, die mit diversen Methoden Risiken und Gefährdungen von technischen Anlagen in Bezug auf unterschiedliche Ereignisse (z.B. Rohrleitungsbruch, Brand, Hochwasser) untersuchen können. Dabei können insbesondere Fragestellungen zur Integrität von technischen Komponenten wie Rohrleitungen oder Druckbehältern, IT-Sicherheit, zum gemeinsamen Ausfall gleicher Komponenten sowie zu menschlichen Einflussfaktoren beantwortet werden.
Wasserstoff-Unfälle. Es bestehen langjährige Erfahrungen bei der Simulation der Wasserstofffreisetzung und -verteilung in komplexen technischen Anlagen sowie bei der Simulation von Wasserstoffverbrennungsprozessen. Hierzu wurden GRS-eigene Simulationsprogramme entwickelt und anhand von Experimenten validiert.
Rissbildung. Mit dem GRS-eigenen Programm PROST kann die Entwicklung von Rissen unter zu erwartender zyklischer Belastung in Rohrleitungen untersucht werden.
Leckraten. Um abschätzen zu können, wie schwerwiegend Schäden durch eine Leckage aufgrund eines Risses sind, können mit WinLeck Leckflächen und Ausströmraten anhand von Geometrie, Werkstoff und Medium (Wasser, Dampf) rechnerisch ermittelt werden.
Brand- und Explosionsschutz. Die hierzu bestehenden Erfahrungen im nuklearen Bereich können auch auf andere Industriezweige oder Anwendungen übertragen werden. Insbesondere können zufällige Ereignisse mit MCDET in die Simulation von Bränden und Wasserstofffreisetzungen eingebunden werden. Diese haben einen großen Einfluss auf die Auswirkung von Bränden und Explosionen. Durch die frei wählbaren Simulationsprogramme für Brände oder Explosionen können auch komplexe Phänomene neben den zufälligen Einflüssen in die Untersuchungen einfließen.
Unsicherheits- und Sensitivitätsanalysen. Um den Einfluss von Unsicherheiten aufgrund unzureichender Datenlage auf Simulationsergebnisse zu untersuchen, nutzt die GRS das numerische Verfahren SUSA. Mit SUSA können eine große Anzahl an Stichproben aus Zufallsvariablen erstellt werden. Die Parameter der Stichproben können dann automatisiert als Eingabe für Simulationsprogramme genutzt werden. SUSA ermöglicht die Bestimmung von Sensitivitätsmaßen während bzw. nach der Simulation. Damit kann bewertet werden, welche Variablen maßgeblichen Einfluss auf ein Simulationsergebnis haben.
Mitwirkung in Gremienarbeit. Um die Erkenntnisse aus unseren Forschungsprojekten in die Praxis zu überführen, bringen wir uns in diverse Gremien ein (z.B. Mitarbeit am DVGW-Arbeitsblatt G 220 „Power-to-Gas Energieanlagen“, in der Richtlinienreihe VDI 4635 „Power-to-X“ und in der DECHEMA-Fachgruppe „Sicherheitsgerechtes Auslegen und Betreiben von Anlagen“).