Das Fraunhofer-Institut für Energiewirtschaft und Energiesystemtechnik (IEE) hat erfolgreich das Projekt HyLeiT abgeschlossen, das sich auf die Entwicklung innovativer Stromrichter für Elektrolyseanlagen konzentrierte. Diese neuen Systeme ermöglichen eine effiziente, kostengünstige und netzdienliche Erzeugung von grünem Wasserstoff, einem Schlüsselbestandteil der Energiewende. Die Einführung modularer und hocheffizienter Stromrichter sowie zeitnaher Simulationsmodelle ermöglicht es den Elektrolyseuren, flexibel auf die Schwankungen erneuerbarer Energien zu reagieren. Dies ist nicht nur entscheidend für die Senkung der Systemkosten, sondern auch für die Stabilität der Stromversorgung.
Das HyLeiT-Projekt, das unter dem Dach des Leitprojekts H2Giga durchgeführt wurde, zielt darauf ab, eine fortschrittliche Stromrichter- und Systemtechnik zu entwickeln, die für den Betrieb von Elektrolyseanlagen im Multi-Megawatt-Bereich geeignet ist. Ein zentrales Anliegen war die Reduktion der Systemkosten, die Verbesserung der Gleichstromqualität für die Elektrolyseure sowie die Gewährleistung von Stabilität und Flexibilität im Stromnetz.
Im Rahmen der Zusammenarbeit mit Partnern wie SMA Solar Technology AG, Infineon Technologies AG, der Technischen Universität Dresden und der Hochschule Bonn-Rhein-Sieg wurden neuartige Technologien entwickelt. Dazu gehört insbesondere die Verwendung von Siliziumkarbid (SiC)-Leistungshalbleitern, die speziell für den Einsatz in Elektrolyseanlagen optimiert wurden. Diese Fortschritte führen zu einer signifikanten Verbesserung der Gleichstromqualität und erfüllen die neuesten Anforderungen für den Netzanschluss von Elektrolyseuren.
Philipp Strauß, der für Netzwerkstabilität und Stromrichtertechnik am Fraunhofer IEE verantwortlich ist, hebt hervor, wie wichtig es ist, Elektrolyseure in das Stromnetz zu integrieren. Im Rahmen des Projekts wurden dynamische Modelle für Elektrolyseanlagen entwickelt und eine Hardware-in-the-Loop-Testumgebung eingerichtet. Diese Technologien ermöglichen es, die Interaktion zwischen Elektrolyseuren und Stromnetz realitätsnah zu analysieren und die neu entwickelten Stromrichter zu optimieren, was für die Integration in das Netz und dessen Stabilität entscheidend ist.
Die modularen Stromrichterlösungen, die im Projekt HyLeiT entwickelt wurden, zeichnen sich durch einen hohen Wirkungsgrad, Langlebigkeit und reduzierte Kosten aus. Die optimierten Halbleiterbauelemente tragen zu einer besseren Leistung und kompakteren Bauformen bei. Echtzeitfähige Simulationsmodelle der Elektrolyse-Stacks und Netzsysteme unterstützen eine praxisnahe Qualifizierung in Testumgebungen. Diese Modelle simulieren alle relevanten dynamischen Prozesse und ermöglichen eine zuverlässigere und leistungsfähigere Betriebsweise der Elektrolyseure.
Durch die im Projekt gesammelten Daten können die Parameter für das elektrochemische Modell der Zelle im Labor des Fraunhofer IEE präzise ermittelt werden. Dies ermöglicht die Simulation mikroskopischer Zustandsgrößen und deren Dynamik, was eine genaue Vorhersage makroskopischer Größen wie Spannung, Strom sowie Massen- und Wärmeflüsse über eine breite Palette von Betriebsbedingungen erlaubt.
Dr. Norbert Henze, der Projektkoordinator, erläutert, dass die entwickelten Stromversorgungslösungen auf fortschrittlichen Transistortechnologien basieren. Im Vergleich zu herkömmlichen Lösungen ermöglichen die Siliziumkarbid-Gleichrichter, die im Rahmen des Projekts entwickelt wurden, eine viel einfachere Erfüllung der Anforderungen an die Netzintegration. In zwei parallelen Entwicklungspfaden entstanden Prototypen für modulare Stromrichter mit einer Leistung von etwa 200 Kilowatt und 2 Megawatt. Diese Gleichrichter bieten eine höhere Leistungsdichte sowie verbesserte Flexibilität und Effizienz, was für die zuverlässige und kosteneffiziente Erzeugung von grünem Wasserstoff entscheidend ist.
Die Netzintegration der Anlagen wurde gezielt angegangen. Die Systeme gewährleisten nicht nur eine stabile Gleich- und Wechselstromqualität, sondern bieten auch Optionen für Systemdienstleistungen zur Stabilisierung des Stromnetzes. Damit können Elektrolyseure als flexible Komponenten des Netzes aktiv zur Energiewende beitragen.
Dr. Ralf Juchem, Projektleiter bei SMA, hebt hervor, dass die im Rahmen des HyLeiT-Projekts gewonnenen Erkenntnisse es ermöglichen, Elektrolyse-Stromversorgungslösungen besser an die Anforderungen des Elektrolyseeinsatzes anzupassen. Dies wird es ermöglichen, die Kostenvorteile der bestehenden Plattformen der PV- und Batterie-Wechselrichter-Technik auch für Elektrolyseanlagen zu
