Planung und Netzintegration einer thermochemischen Anlage zur Erzeugung von grünem Wasserstoff aus Biomasse und Elektrolyse in Kombination mit Photovoltaik

Abstract

Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der Planung einer Wasserstoffproduktionsanlage, gekoppelt mit dem Mittelspannungsnetz zur Teilnahme am Regelenergiemarkt. In erster Linie werden wesentliche elektrische und verfahrenstechnische Betriebsmittel ermittelt. Das Industrienetz und das Schutzkonzept wird mit Hilfe elektrotechnischer Überlegungen auf Basis von in Österreich geltenden Richtlinien, Normen und Regelwerken für den Netzbetrieb entwickelt. Mit NEPLAN werden wesentliche Betriebsweisen simuliert und analysiert. Die Wasserstofferzeugung geschieht durch zwei unterschiedliche Verfahren: Erstens, durch den thermochemischen Prozess bestehend aus Biomassevergasung und Wasserdampfreformierung; zweitens, durch elektrische Elektrolyse von Strom aus der integrierten Photovoltaikanlage und negativer sekundärer Regelenergie aus dem Netz. Die gesamte Anlage ist auf eine Wasserstoffproduktion von 200 kg/h bemessen. Die elektrische Elektrolyse stellt ein Viertel davon und das thermochemische Verfahren den Rest. Herzstück der Anlage für die thermochemische Umwandlung ist der Wirbelschichtvergaser, welcher auf dem an der TU Wien entwickelten Fast Internal Circulating Fluidised Bed (FICFB) Vergasungsverfahren basiert. Die Elektrolyse wird durch die Photovoltaikanlage, die Überschussleistung aus dem Netz und dem Blockheizkraftwerk versorgt. Die Erzeugungsspitzen der Photovoltaikanlage und der zugewiesene Leistungsüberschuss am vorgelagerten Mittelspannungsnetz werden in einer Batterieanlage zwischengespeichert und bei niedriger Erzeugung in der Elektrolyseanlage zu Wasserstoff umgewandelt. Die Netzintegration der Anlage ins Mittelspannungsnetz geschieht durch das LINK-Modell, welches die Einbindung komplexer netzgekoppelter Betriebsfahrweisen einfacher gestaltet als derzeit angewendete Lösungen. Mit Hilfe von Lastflussberechnungen werden Betriebszustände analysiert und die Planung überprüft. Auf Basis der anschließenden Kurzschlussberechnung werden Lösungen für die Umsetzung der Schutztechnik vorgeschlagen. Als Abschluss werden wesentliche Fahrweisen der Gesamtanlage untersucht, welche in der Praxis je nach Einsatzzweck und den Rahmenbedingungen des Betreibers angewendet werden können. Der Autor wünscht sich, durch die erarbeiteten Planungs- und Analyseergebnisse einen hilfreichen Beitrag zum weiteren Ausbau der Wasserstofftechnologien und Abbau der fossilen Energieabhängigkeiten Österreichs sowie Europas geschaffen zu haben.

This thesis deals with planning of a hydrogen production plant coupled to the medium-voltage grid to participate in the control energymarket. First and fore most, essential electrical and process engineering equipment is determined.The industrial network and the protection concept are developed with the help of electrical engineering considerations based on the guidelines, standards and regulations for network operation valid in Austria. NEPLAN is used to simulate the basic operating modes of the facility. Hydrogen is produced using two procedures: firstly, by the thermochemical process of biomass gasification and steam reforming;secondly, by the electrical electrolysis of electricity from the integrated photovoltaic system and negative secondary control energy from the grid.The electrical electrolysis process is designed to produce a quarter of the maximal hydrogen production of 200kg/h. The thermochemical process provides the rest. The centerpiece of the plant for the thermochemical conversion is the fluidized bed gasifier, which is based on the FICFB gasification process developed at the TU Vienna. The electrolysis draws the power from the photovoltaic system,the electricity surplus from the grid and the combined heat and powerplant. The generation peaks of the photovoltaic system and the allocated excess power on the upstream medium-voltage grid are temporarily stored in a battery system and converted to hydrogen at lower generation in the electrolysis plant.The grid integration of the system into the medium-voltage grid is carried out by the LINK model, which is much simpler compared to the current integration solutions. With the help of load flow calculations, operating states are analyzed and the planning checked. Based on the short-circuit calculations, suggestions for implementing the discussed protection technology are given.In conclusion, essential driving styles of the entire system are examined, which in practice depends on the intended use and the general conditions of the operator can be applied. Through the developed planning and analysis of the hydrogen production plant, the author wishes results to be helpful for the further expansion of hydrogen technologies and reduce created fossil energy dependencies in Austria and Europe.