Untersuchung der Einsatzmöglichkeiten von Hochleistungselektrolyseuren für Netzdienstleistungen

Abstract

Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit dem Einsatz von Wasserstoff-Elektrolyseuren zur Erbringung von Netzdienstleistungen in elektrischen Energienetzen. Im Fokus steht dabei die Erbringung von Regelleistung. Die Option, dabei auch Blindleistung zu erbringen, wird allerdings berücksichtigt. Konkret wird ein Computersimulationsmodell eines PEM-Elektrolyseursystems in der Softwareumgebung MATLAB/Simulink aus Literaturdaten erstellt. Das Modell wird in verschiedenen Varianten als Regelleistungserbringer nach Daten für die Regelzone Österreichs im Jahr 2017 eingesetzt. Im Rahmen der Primärregelung nach den Regeln für speicherbegrenzte Systeme kann dabei ein vorteilhafter Einsatz der Überlastfähigkeit von PEM-Elektrolyseuren gezeigt werden. Ein Überlastbetrieb lässt je nach in Zukunft gültiger gesetzlicher Regelung eine Verringerung der notwendigen Geräteleistung von 11,36% bis 20,43% zu, ohne die angebotene Primärregelleistung zu beeinflussen. Alternativ kann die Jahresproduktion an Wasserstoff um 41,19% bis 28,90% gesteigert werden. Im Fall der negativen Sekundärregeleistung wird ein sich schnell erschöpfendes Potential der Betriebsauslastung erkennbar, das im Fall der Tertiärregelleistung noch geringer ausfällt. Ein wirtschaftlich sinnvoller Einsatz der Elektrolyse zu Regelleistungszwecken ist schwierig zu realisieren, ohne dies innerhalb einer auf einen alternativen Produktionszweck ausgerichteten Wasserstoffproduktion zu tun. Abschließend wird ein Einsatz innerhalb eines lokalen Mittelspannungsnetzes simuliert, um die Auswirkung der Erbringung von bis zu 3,5 MVA an Kompensationsblindleistung auf die Wasserstoffproduktion eines 7,7 MW PEM-Elektrolyseurs zu ermitteln. Dabei gehen pro Monat 0,71% an Wasserstoffproduktion verloren.

The scope of this paper is to scrutinize water-electrolysis in the domain of electric grid services. The focus is set on frequency control but the possibility of voltage-var control as an optional feature is considered as well. A computermodel of a PEM-electrolysis system within the MATLAB/Simulink software environment is implemented based on data available in literature. The resulting model is utilized in various frequency control simulation settings based on 2017 data provided by the Austrian transmission system operator. On the realm of frequency containment reserve (FCR), the overload capabilities of the PEM-electrolysis system provide beneficial operating modes if the rules for providers with limited energy reservoirs are applied. A reduction of the necessary rated power of the electrolysis system between 11,36% and 20,43% is viable without curtailing the FCR service. Another option is to increase the amount of produced hydrogen by 41,19% to 28,90%. Negative FRR shows fast depleting reservoirs of workload which are even more limited for mFRR operation. A sound economic utilization of water electrolysis for frequency control services is difficult to achieve without a hosting electrolysis infrastructure which follows an independent operation target. As concluding simulation scenario, a 7,7 MW PEM-electrolysis system is operated while providing reactive power to a rural grid. The loss in hydrogen production reached 0,71% in total for the month in observation.