Studies on Energy Storage Options Using Water Electrolysis Terrestrial and Space Applications

Due to climate changes and the green house effect, the introduction of safe and environmentally friendly energy systems are of crucial importance. There is an urgent need for a rapid change from conventional energy systems to the energy systems with a
higher share of renewable energies. They are more sustainable than energy systems supplied by carbon-based fuels and can meet current and future global energy needs.
Also, in space applications a continuous and reliable electrical power supply is mandatory, even if primary energy sources are not always available, e.g. during an eclipse phase in orbits or dust storms at Mars base stations.
In this context, hydrogen production is one of the most promising methods to store fluctuating electrical energy from primary sources. In the meanwhile, it is frequently discussed and proposed for terrestrial applications, but this method is quite rare for
space missions. For such applications, hydrogen must either be stored after several compressor stages at a high pressure, or be directly generated by high pressurized electrolyzer stacks.
Hydrogen at a higher pressure can be generated by pressurized water electrolyzers that are operated with primary and preferably renewable energy, for example with electrical energy from photovoltaics or wind turbines.
The driving research question within this thesis is: how does fluctuating electricity from renewable sources and its availability affect the operating parameters of an electrolyzer system? In an electrolyzer, stack temperature, hydrogen pressure and hydrogen flow rate are referred as operating parameters.
In this approach, two types of water electrolyzers have been studied, solid state membrane electrolyzers so called Polymer Electrolyte Membrane (PEM) and Alkaline Electrolyzer (AEL). Both electrolyzers have an operating temperature between 30 °C and 70 °C.
In order to demonstrate the operation of PEM and AEL under fluctuating electric current, a data base consisting of Photovoltaic (PV) arrays and Wind Turbines (WTs) have been prepared. In addition, to realize the simulations with the Hardware-in-the-Loop (HiL) method, a software has been programmed. The programmed software simulates different combinations of PV=WT and PEM=AEL as different scenarios to calculate the input power for each electrolyzer. Furthermore, the simulated energy system can be analyzed either with a PEM or an AEL.
In this research, from a terrestrial perspective, the subject of the investigation has been hydrogen production with pressurized water electrolyzers. Hydrogen at a higher pressure is more suitable for storage of electric current to support the future energy
market with a higher share of renewable energies than conventional systems. For this reason, two type of high pressurized water electrolyzers, PEM and AEL under operation with intermittent electrical current have been investigated, and their benefits and drawbacks are also compared. The stack efficiency and its thermal profile have also been experimentally studied.
Furthermore, the system response of two high pressurized AELs under intermittent electrical current from renewable energies has been investigated. These are a high power and industrial scale as well as a laboratory AEL.
For space applications, a field study regarding the utilization of water electrolyzers with power supply from PV and WT has been conducted. To simulate the load profies for electrolyzers in space and comparing of water Electrolyzer (EL) response to the prompt electric current changing, a possible load profile of the International Space Station (ISS) has been calculated. For this example, the response of the PEM electrolyzer to a step function has been measured experimentally.
Based on these test results, the response of both EL systems to an intermittent load profile is significantly stable. For terrestrial applications, water ELs can be, therefore, installed and operated. By doing so, the surplus electrical energy from renewable sources can be captured and stored as high pressurized hydrogen. Die Wasserstoffherstellung durch Elektrolyse ist eine viel versprechende Methode für die Speicherung vom intermittierenden Strom aus erneuerbaren Quellen. Darüber hinaus sind solche Technologien eine Unterstützung für den zukünftigen Energiemarkt. Hier wird Strom aus umweltfreundlichen Quellen erzeugt und in Form von Wasserstoff mit
höherem Druck gespeichert. Somit spielen die Elektrolyseure eine enorm wichtige Rolle bei der Energiewende, da die modernen Elektrolyseure in der Lage sind, Wasserstoff mit höherem Druck zu erzeugen.
Derzeit werden zwei Technologien für den Bau von Wasserelektrolyseuren in den industriellen Anwendungen zum Einsatz verfolgt, alkalische und Polymer-Elektrolyte-Membran Elektrolyseure. Im Rahmen dieser Doktorarbeit werden die beiden Elektrolyseure untersucht und verglichen. Die Experimente wurden im Rahmen einer intermittierenden Lastbeaufschlagung definiert und durchgeführt.
Polymer-Elektrolyte-Membran Elektrolyseure arbeiten im Leistungsbereich von 0 bis 150 %. Hingegen sind alkalische Elektrolyseure in einem Leistungsbereich von 10 bis 100 % zu betreiben. Diese Charakteristik führt dazu, dass man alkalische Elektrolyseure nicht bei einem stark intermittierenden Betrieb mit Strom aus erneuerbaren Quellen einsetzen könnte, da der Elektrolyseur in den Phasen ohne elektrischen Strom herunterfahren werden muss. Dies kann zu einer Verkürzung der Lebensdauer führen.
Elektrische Energie aus erneuerbaren Quellen hat typischerweise Unterbrechungen in ihren charakteristischen Kurven. Speichermethoden sind deshalb in elektrischen Energienetzen mit groÿem Anteil an Wind und Photovoltaik von enormer Bedeutung.
Solche Speichermethoden, bestehend unter anderem aus Elektrolyseuren, können die Netzstabilität erhöhen, indem sie den überschüssigen Strom aus erneuerbaren Quellen aufnehmen. Hochdruckelektrolyseure zählen derzeit zu den effizientesten Methoden für die Wasserstoffherstellung, bei denen außerdem am wenigsten CO2 freigesetzt wird.
Stand der Technik ist ein wasserstoffseitiger Arbeitsdruck von 10 bis 50 bar. Hierdurch kann die erste Verdichterstufe entfallen, und der Elektrolyseur liefert den Wasserstoff zum Speicher mit einem hohen Druck zu der nächsten Stufe.
Auf Basis der Ergebnisse, die von der Simulation bzw. durch die Systemstudien erreicht wurden, wurde im Rahmen dieser Arbeit ein Teststand bestehend aus einem Polymer- Elektrolyte-Membran Elektrolyseur installiert und betrieben. Dabei wurde das Hardware-in-the-Loop Konzept angewendet.
Um die Betriebsszenarien zu simulieren, wurde deshalb eine Datenbank bestehend aus Stromdaten von Photovoltaik- bzw. Windkraftanlagen in einem Zeitraum von zwei Jahren gesammelt.
Darüber hinaus wurde eine Software zur Durchführung der Hardware-in-the-Loop Simulation programmiert, um die Elektrolyseure unter intermittierender Lastbeaufschlagung betreiben zu können. Dadurch ist man in der Lage, die
verschiedenen Szenarien zu simulieren, um eine optimierte Kombination von Photovoltaik zu Windkraft oder eine bestmögliche Kombination eines alkalischen zu einem Polymer-Elektrolyte-Membran Elektrolyseures zu definieren. Ziel ist es, eine
maximale Produktionsrate vom Wasserstoff zu erreichen, und gleichzeitig die Betriebszeiten zu verbessern.
Diese Arbeit betrachtet ebenfalls die Anwendung von Elektrolyseuren für Raumfahrtmissionen. Voraussetzung dafür ist, dass der Elektrolyseur mit Strom aus Primärquellen betrieben wird. Die elektrische Energieversorgung ist einer der wichtigsten Bestandteile vieler Raumfahrtmissionen. Die Masse von elektrischen Energiesystemen eines Raumfahrzuges oder einer Raumstation beträgt üblicherweise bis 20% der Gesamtmasse und sie machen 20 bis 30% der gesamten Kosten aus.
Elektrische Energiesysteme spielen daher bei einer Raumfahrtmission eine wichtige Rolle, und jede Optimierung in dem Bereich kann zur Einsparung in der Masse und Kosten führen.
Basierend auf den Ergebnissen dieser Arbeit kann eine Kombination von PV und WT als ein elektrisches Energiesystem für Marsmissionen in der Äquatorialebene oder in der Polarregion betrachtet werden. Daher wurde im Rahmen dieser Arbeit die Grundlagen für solche Kombinationen untersucht.