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E N E R G I E F O R U M

E N E R G I E F O R U M E n e r g i e v e r s o r g u n g Entwicklung flexibler KWK-Konzepte Brennstoffzellen-Technologien im Virtuellen Institut Auch Brennstoffzellen können im zukünftigen Energiesystem eine zentrale Rolle spielen. Nicht nur durch die hohe Effizienz der gekoppelten Strom- und Wärmebereitstellung unterstützen sie die Reduktion des Primärenergiebedarfs und der energiebedingten CO 2 -Emissionen. Vor allem die Nutzung von Erdgas und synthetischen Gasen, die mit erneuerbarem Strom in Power-to-Gas-Anlagen erzeugt werden, ermöglicht heute und in Zukunft eine emissionsarme Energieversorgung. Bild 1 Schematische Darstellung der Energieversorgung eines Einfamilienhauses mit einer Brennstoffzelle als Mikro-KWK (links) und Versuchsschema des Teststandes am Gas- und Wärme-Institut Essen e. V. (GWI) zur labortechnischen Untersuchung von Brennstoffzellen zur Gebäudeenergieversorgung (rechts). Bild: GWI Die Energiewende setzt auf zwei zentrale Elemente: die Steigerung der Energieeffizienz und den Ausbau erneuerbarer Energien (EE). Um die erneuerbaren Energien in allen Sektoren optimal zu integrieren, sind zunehmend Flexibilitäten und Redundanzen im Energiesystem nötig. Grund dafür sind die tages- und jahreszeitlich bedingten Fluktuationen der Energiebereitstellung aus den Erneuerbaren, wie zum Beispiel Wind- oder Solarenergie. Diese werden mittelfristig dazu führen, dass die zeitliche und örtliche Energieerzeugung – besonders Strom, aber auch Wärme – nicht dem Bedarf entspricht. Um die kontinuierliche Versorgung zu sichern, muss das Energiesystem flexibilisiert werden. Die Residuallast, die bei steigendem EE- Anteil größeren Schwankungen unterliegt, ist zukünftig möglichst emissionsarm durch alternative Erzeugungsanlagen zu decken. Hier bieten sich besonders gasbasierte Systeme der Kraft-Wärme-Kopplung (KWK) wie die Brennstoffzelle (BZ) an. Systemkombinationen mit Energiespeichern oder Power-to-Heat (PtH) können hocheffizient und klimaneutral einen wesentlichen Beitrag zur Systemstabilität leisten und eine Schlüsselkomponente zur Sektorenkopplung sein [1]. Die BZ-Systeme garantieren dabei als steuerbare Komponente die Redundanz der Energieversorgung. Sektorenkopplung und Energieversorgung Der Begriff der Sektorenkopplung steht primär für die energetische Sektorenkopplung. Dabei wird zukünftig verstärkt EE-Strom zur Bereitstellung von Brenn- und Kraftstoffen, Wärme, Kälte 34 BWK BD. 71 (2019) NR. 12

Wir kümmern uns drum. Innovative Technik. Hohe Standards. Regionale Servicestützpunkte. Das ist die Netze BW GmbH, das größte Netzunter nehmen für Strom, Gas und Wasser in Baden-Württemberg. Wir schaffen sichere und effiziente Ver bindungen zwischen Kraftwerken und über drei Millionen Haushalten, Gewerbe- und Industriebetrieben. Jeden Tag. Auch in Zukunft. Dabei setzen wir auf engagierte Inge nieure, Techniker und Meister (w/m/d), die gemeinsam mit uns die Netzlandschaft von morgen ent wickeln: vom intelligenten Ausbau über den effizienten Betrieb bis hin zur Inte gration der erneuerbaren Energien. In einem Arbeits umfeld, in dem Wertschätzung und Entwicklung groß geschrieben werden. Seien Sie dabei. Und entdecken Sie spannende Zukunftsperspektiven bei der Netze BW. www.netze-bw.de/karriere Ein Unternehmen der EnBW oder Mobilität eingesetzt. Durch die Verknüpfung der Strom-, Wärme- und Gas - infrastruktur können die Flexibilitätsund Speicherpotenziale erschlossen und die Energieversorgung systemdienlich und gesamtökologisch transformiert werden. Die strukturelle Sektorenkopplung ermöglicht dazu den Transfer von Energie zwischen unterschiedlichen Verbrauchern. Verbrauchssektoren sind die Bereiche Wohnen, Gewerbe, Handel und Dienstleistung (GHD) und Industrie. Durch Kopplungstechnologien und die Nutzung der Energieinfrastruktur können die Verbraucher und Erzeugungssysteme netzdienlich interagieren und die gesamtsystemische Effizienz wird gesteigert. Kopplungstechnologien wie Kraft- Wärme-Kälte-Kopplung (KWKK), PtH und Power-to-Gas (PtG) ermöglichen die Interaktion der energetischen Sektoren. Durch ihren Einsatz und die Ergänzung von Energiespeichern können die volatilen erneuerbaren Energien optimal in alle Sektoren integriert werden. Zusätzlich wird den zunehmenden Residuallastschwankungen entgegengewirkt und die Versorgungssicherheit der Endverbraucher gewährleistet. Vor allem im Wärmemarkt wird der Brennstoffzelle ein großes Potenzial zugesprochen. Im Wärmemarkt wird vor allem der Brennstoffzelle ein großes Potenzial bei der gekoppelten Energieversorgung zugesprochen [2; 3]. Als Blockheizkraftwerke (BHKW) gehören sie zusammen mit motorischen KWK-Anlagen und Gasturbinen zu den effizientesten Erzeugungssystemen [4]. Brennstoffzellen, die stationär zur Versorgung von Gebäuden, gewerblichen und industriellen Anwendungen oder Quartieren eingesetzt werden können, zeichnen sich durch hohe Brennstoffnutzungsgrade aus. Je nach Technologie und Leistungsklasse liegen diese (im Nennlastbetrieb) bei bis zu 98 % [5]. Mit Blick auf die zunehmende Elektrifizierung der Endkunden und die steigende Bedeutung von regenerativ erzeugten Gasen aus PtG weisen Brennstoffzellen weitere Vorteile auf: Im Vergleich zu konventionellen KWK-Systemen, wie Ottomotoren oder Gasturbinen, haben sie höhere Stromkennzahlen bei hohen elektrischen Wirkungsgraden von bis zu 60 % [5]. Neben dem kurzfristigen Wechsel von Kohle und Öl hin zu Erdgas, das aufgrund des geringeren Kohlenstoffanteils schadstoffärmer verbrennt, sind Brennstoffzellen außerdem mittel- bis langfristig besonders für die Integration von erneuerbaren und synthetischen Gasen prädestiniert. Durch die direkte Nutzung von Wasserstoff sind sie von besonderem Wert für das zukünftige Energiesystem. Die hocheffiziente Rückverstromung der erneuerbaren Gase mit Brennstoffzellen generiert einen zusätzlichen Nutzen für die nachhaltige, emissionsarme Energieversorgung. Ergänzend bieten Brennstoffzellen in Kombination mit PtH die Basis für eine systemisch optimierte Wärmebereitstellung. Diese Konfiguration ist zukunftsorientiert und ermöglicht den flexiblen Einsatz der BZ-BHKW [1]. Darüber hinaus verursachen Brennstoffzellen nicht nur wenig Schadstoffemissionen, sondern weisen infolge der elektrochemischen Energiebereitstellung auch eine geringere Lärmentwicklung im Vergleich zu konventionellen KWK-Systemen auf. BWK BD. 71 (2019) NR. 12 35

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