Wasserelektrolyse plus Batterie verbessert Effizienz

Veröffentlicht amAutorgh

Entwicklung von Jülicher Forschern

Die aktuelle Untersuchung schlägt die Integration von Batteriespeichern in Systeme zur Wasserstoffproduktion vor, die eine PV- mit einer elektrochemischen (EC)-Zelle kombinieren. Den Forschern zufolge könnte die direkte Integration von Batterien in diese Systeme ohne zusätzliche Leistungsmanagement-Elektronik dazu beitragen, PV-Leistungsschwankungen zu glätten und gleichzeitig die Leistung der EC-Komponenten zu stabilisieren. „Diese Kombination kann als Grundeinheit einer PV-gesteuerten Stromquelle mit Kurzzeit- und Langzeit-Energiespeicherfunktionen betrachtet werden“, so die Forscher.

Elektrolyseur (Detail) – Foto © Gerhard Hofmann für Solarify

Highlights des Artikels

  • Batteriezelle in photovoltaisch unterstützter Wasserspaltanlage.
  • Durchführbarkeit einer kontinuierlichen Wasserspaltung ohne Leistungselektronik.
  • Die Verteilung der Lichtenergie über den Tageszyklus reduziert das Überpotenzial bei der Wasserspaltung.
  • Verbesserte Solar-Wasserstoff-Effizienz trotz Batterieverlusten.

Zusammenfassung

„Durch Wasserelektrolyse erzeugter Wasserstoff und elektrochemische Batterien werden weithin als primäre Wege für die lang- und kurzfristige Speicherung von photovoltaischer Energie (PV) angesehen. Gleichzeitig können schnelle Leistungssteigerungen und Leerlaufzeiten bei der PV-Energieerzeugung zu einer Degradation der elektrochemischen Wasserspaltungszellen (EC) führen. Der Einsatz von Batterien in PV-EC-Systemen ist eine praktikable Option, um die Schwankungen der PV-Energie zu glätten. Durch die Verteilung der PV-Energie über den Tageszyklus wird die Leistung der EC-Zelle und damit ihr Überspannungsverlust reduziert. Wir untersuchen diese potenziellen Vorteile theoretisch und experimentell für eine einfache parallel geschaltete Kombination aus PV-, EC- und Batteriezellen (PV-EC-B), die ohne Leistungsmanagement-Elektronik betrieben wird. Wir zeigen, dass der Betrieb des PV-EC-B-Geräts in einem relevanten Arbeitszyklus möglich ist, und untersuchen, wie das PV-EC-B-System trotz der durch die Batterie verursachten Verluste mit einem höheren Solar-Wasserstoff-Wirkungsgrad als das entsprechende PV-EC-Referenzsystem arbeiten kann.“

Schlussfolgerungen

„In dieser Arbeit haben wir einen Akkumulator in ein direkt verbundenes photovoltaisch-elektrochemisches Wasserspaltungssystem integriert. Wir untersuchten den alleinigen Betrieb des PV-EC-B-Systems mit der parallel zur EC-Zelle angeschlossenen Batterie und analysierten die Solar-Wasserstoff-Effizienz (STH) im Vergleich zum PV-EC-Referenzgerät. Das PV-EC-B-Gerät wurde theoretisch und experimentell mit einem einfachen Testbetriebszyklus mit einer Lichtperiode gefolgt von einer Dunkelperiode untersucht. Im Experiment wurde eine Dünnschicht-PV-Multifunktionszelle mit einer EC-Zelle mit Ni/Ni-Katalysatorsystem und Li-Ionen-Batterie verbunden.

Theoretische und experimentelle Ergebnisse zeigen, dass eine parallel zur EC-Zelle geschaltete Batterie eine Reihe von Vorteilen mit sich bringt: Sie glättet die PV-Leistungsschwankungen, erleichtert die Energiekopplung und verbessert sogar den Wirkungsgrad der Solar-Wasserstoff-Technologie.

Eine einfache Parallelschaltung von PV, EC und Batterie in einem PV-EC-B-System reicht aus, um die PV-Energie teilweise zu speichern und für die Wasserspaltung weiter zu nutzen, wenn die PV nachts inaktiv ist. Dies ermöglicht einen reibungslosen, unterbrechungsfreien Betrieb der EC-Zelle, was sich günstig auf die Stabilität des Elektrolyseurs auswirkt.

Insbesondere die Verteilung der PV-Energie über den gesamten Betriebszyklus reduziert den Überspannungsverlust in der EC-Zelle. Der gesamte Überspannungsverlust im PV-EC-B-System kann geringer sein als der Verlust im PV-EC-Referenzsystem. Daher kann der Solar-Wasserstoff-Wirkungsgrad im PV-EC-B-System im Vergleich zum PV-EC-Referenzsystem höher sein. Folglich kann der Wirkungsgrad jeder PV-EC-Kombination, die bei periodischer Einstrahlung eingesetzt wird, mit einer Batterie mit geeigneter Kapazität und Leerlaufspannung verbessert werden.

Der effiziente Betrieb des PV-EC-B-Systems hängt in erster Linie von der richtigen Wahl der Batteriespannung und -kapazität ab, die die Dauer der dunklen und hellen Perioden des Betriebszyklus berücksichtigt. Die Batterie-Leerlaufspannung ist ein Schlüsselparameter für die Maximierung des Wirkungsgrads der Solar-Wasserstoff-Anlage bei einem bestimmten Arbeitszyklus. Hohe Batteriekapazitäten und Arbeitszyklen mit kurzen Lichtperioden gefolgt von langen Dunkelperioden sind für die STH in PV-EC-B-Systemen vorteilhaft und ermöglichen die Nutzung der Batterieladung bei geringerem Strom und somit eine geringere Überspannung in der EC-Zelle. Für realistische Arbeitszyklen im PV-EC-B-System wird ein relativer STH-Gewinn von 5-10 % im Vergleich zu einem entsprechenden PV-EC-Referenzgerät erwartet.

->Quellen: