Renewable district energy systems with formic acid based hydrogen storage

Abstract

In zukünftigen Energiesystemen mit einem hohen Anteil fluktuierender Energieerzeugung durch Windkraft und Photovoltaik, wird Wasserstoff aus einer Elektrolyse eine zunehmend wichtige Rolle einnehmen. Die lokale Speicherung und der Transport von Wasserstoff sind jedoch technologisch herausfordernd. Eine vielversprechende Möglichkeit zur Wasserstoffspeicherung ist das Laden und Entladen eines Trägermoleküls, was oftmals eine drucklose Speicherung und die Verwendung bestehender Transportinfrastruktur erlaubt. Ameisensäure enthält 4.4 Gew.-% Wasserstoff, ist unter Umgebungsbedingungen flüssig und damit ein potentiell geeignetes Wasserstoffträgermolekül. Die zugrunde liegende Forschungsfrage dieser Arbeit ist, ob und unter welchen Voraussetzungen ameisensäurebasierte Wasserstoffspeicher für eine Anwendung als saisonaler Energiespeicher im Gebäudesektor geeignet sind. Ein Ziel dieser Arbeit ist die Modellierung ameisensäurebasierter Wasserstoffspeichersysteme. Es werden drei Systeme beschrieben mit jeweils den folgenden Hauptkomponenten: eine reversible Wasserstoffbatterie, Flussreaktoren für die Hin- und Rückreaktion von Wasserstoff zu Ameisensäure und ein CO2-Elektrolyseur für die direkte elektrochemische Reduktion von gasförmigem CO2 mit Wasser zu Ameisensäure. Die entwickelten Modelle wurden mit experimentellen Daten oder Literaturwerten validiert. Weiterhin werden Verfahren zur Dimensionierung dieser Systeme, zur Betriebsführung und zur Integration in bestehende Energiesysteme gezeigt. In einer Fallstudie werden verschiedene Leistungsparameter der drei Systeme, wie Wirkungsgrad, Platzbedarf und Systemkomplexität, bewertet und einem Referenzsystem gegenübergestellt. Es hat sich gezeigt, dass eine übertragbare, regelbasierte Dimensionierung der Systeme aufgrund der hohen Systemkomplexität unzureichend ist. Optimierungsverfahren, z.B. mit genetischen Algorithmen, könnten zu besseren Ergebnissen führen, setzen jedoch das Vorhandensein von Systemmodellen voraus. Die Fallstudie für ein Gebäudecluster hat ergeben, dass der CO2-Elektrolyseur insgesamt das am besten geeignete System für eine Anwendung als Energiespeicher ist. Die Zugänglichkeit flüssiger Ameisensäure ermöglicht einen einfachen Energietransport und die Reaktion läuft unter moderaten Bedingungen ab. Der CO2-Elektrolyseur wurde daraufhin detaillierter betrachtet und wesentliche Parameter für die Fallstudie optimiert. Durch hohe Überspannungen der Elektrolysezellen weist der CO2-Elektrolyseur jedoch einen geringen Gesamtwirkungsgrad auf, wodurch in der betrachteten Fallstudie kein wirtschaftlicher Betrieb möglich ist. Auch die Erhöhung der Eingangsleistung durch die Hinzunahme von Kleinwindkraftanlagen hat nur einen geringen Einfluss auf die Gesamtperformance des Systems. Weiterer Forschungsbedarf zur hardwareseitigen Verbesserung des CO2-Elektrolyseurs und zur Steuerung und Betriebsführung mit fluktuierender elektrischer Last ist demnach notwendig um den Wirkungsgrad zu erhöhen und einen wirtschaftlichen Einsatz des Systems als saisonaler Energiespeicher zu ermöglichen.

In future energy systems with a high proportion of fluctuating energy generation from wind power and photovoltaics, hydrogen from electrolysis will play an increasingly important role. However, local storage and transport of hydrogen are technologically challenging. One promising option for hydrogen storage is charging and discharging a carrier molecule, which often allows pressureless storage and the use of existing transportation infrastructure. Formic acid contains 4.4 wt-% hydrogen and is liquid under ambient conditions, making it a potentially suitable hydrogen carrier molecule. The underlying research question of this work is whether and under what conditions formic acid-based hydrogen storage systems are suitable for application as seasonal energy storage in the building sector. One objective of this work is to model formic acid-based hydrogen storage systems. Three systems are described, each with the following main components: a reversible hydrogen battery, flow reactors for the back-and-forth reaction of hydrogen to formic acid, and a CO2 electrolyzer for the direct electrochemical reduction of gaseous CO2 with water to formic acid. The developed models were validated with experimental data or literature values. Furthermore, procedures for sizing these systems, operation management and integration into existing energy systems are shown. In a case study, various performance parameters of the three systems, such as efficiency, space requirements and system complexity, are evaluated and compared to a reference system. It has been shown that a transferable, rule-based dimensioning of the systems is insufficient due to the high system complexity. Optimization methods, e.g. with genetic algorithms, could lead to better results, but require the existence of system models. The case study for a building cluster showed that the CO2 electrolyzer is overall the most suitable system for an energy storage application. The accessibility of liquid formic acid allows for easy energy transport and the reaction occurs under moderate conditions. The CO2 electrolyzer was then considered in more detail and key parameters were optimized for the case study. However, due to high overvoltages of the electrolysis cells, the CO2-electrolyzer has a low overall efficiency, which does not allow economical operation in the considered case study. Also, increasing the input power by adding small wind turbines has only a minor impact on the overall performance of the system. Further research is therefore needed to improve the hardware of the CO2-electrolyzer and to control and operate it with a fluctuating electrical load in order to increase the efficiency and enable the system to be used economically as a seasonal energy storage system.