Die wirtschaftliche Nutzung der Windenergie ist in Deutschland Realität geworden. Die ständig wachsende Zahl von Windenergieanlagen (WEA) an Land zeigt sowohl den Nutzen als auch erste Probleme auf, die mit der neuen Technologie einhergehen.
Wichtigster Kritikpunkt an WEA ist die eingeschränkte Netzstabilität. Die Energieerzeugung aus Windkraft und deren Einspeisung in das bundesdeutsche Versorgungsnetz erfolgen derzeit in Abhängigkeit von zeitlich veränderlichen Windeverhältnissen. Konventionelle Kraftwerke müssen seitens der Energieerzeuger vorgehalten werden, um Windernteausfälle abdecken zu können und so die Netzwerkstabilität zu gewährleisten. […]Laut Bundesministerium für Umwelt, Naturschutz und Reaktorsicherheit (BMU) wird bis zum Jahre 2030 eine installierte Leistung von 25.000 MW im Offshore-Bereich erreicht sein, und somit etwa 85 Mrd. kWh Strom erzeugt.
[…]
Die folgende Arbeit soll für einen gegebenen Windpark mit einer installierten Leistung von 400 MW verschieden Konzepte darstellen, wie die erzeugte Energie so effizient wie möglich zum Verbraucher transportiert werden kann. […] Der Windpark soll sich innerhalb der „Ausschließlichen Wirtschaftszone Deutschland“ (AWZ) befinden. Die maximale Entfernung zur Küste beträgt somit 310 km. Diese Arbeit zeigt auf, dass eine direkte Einspeisung der Leistung WEA-Parks in das bundesdeutsche Stromversorgungsnetz in absehbarer Zeit nicht realisiert werden kann. […] Die erzeugte Leistung soll dazu verwendet werden, Wasserstoff im WEA-Park auf einer Plattform zu produzieren, um so eine Speicherung von Windenergie zu erreichen. Damit wäre die Abkopplung von Energieerzeugung und –verbrauch erreicht. Im Anschluss daran wird die Energieversorgung in der Zukunft skizziert. Auf einen der wichtigsten Begriffe dieser Energieversorgung, der des „Virtuellen Kraftwerks“ wird in dieser Arbeit näher eingegangen.
Die Speicherung des Wasserstoffes auf der Plattform soll modular erfolgen. […] Bei der Darstellung des modularen Aufbaus wird unterschieden zwischen den beiden Möglichkeiten des Transports der Windenergie in Form gespeicherter Energie als Wasserstoff.
[…]
Ziel dieser Arbeit ist es, Wasserstoff in direkte Konkurrenz zu Erdgas und Erdöl zu stellen mit dem großen Vorteil der Umweltfreundlichkeit und beim Verbrauch. Dabei soll durch den direkten technischen und wirtschaftlichen Vergleich beurteilt werden können, unter welchen ein der beiden Varianten einsetzbar ist.
Inhaltsverzeichnis
1 Einleitung
2 Offshore-Windenergie
3 Netzanbindung und Inselbetrieb
4 Dezentrale Energieversorgung
5 Speichermedien
5.1 Arten von Speichermedien
5.2 Flüssigwasserstoff
5.3 Druckwasserstoff
5.4 Metallhydridspeicher
5.5 Carbon-Nanofaserspeicher (CNF)
6 Plattform zur Wasserstofferzeugung
6.1 Allgemeiner Aufbau
6.1.1 Modulare Bauweise
6.1.2 Sammelschienen
6.1.3 Transformatoren
6.1.4 Gleichrichter
6.1.5 Wasserbedarf und Speisewasseraufbereitung
6.1.6 Elektrolyseur
6.2 Aufbau bei Pipeline-Anbindung
6.2.1 Wasserstofftransport in Rohrleitungssystemen
6.2.2 Verdichter und Pipelinetransport
6.2.3 Weiterverarbeitung an Land
6.2.4 Kosten und Effizienz
6.2.5 Transportkostendegression am Beispiel von fünf WEA-Parks und Pipelineanbindung
6.3 Aufbau bei Schiffstransport
6.3.1 Wasserstofftransport in Transportbehältern
6.3.2 Verdichter und Verflüssiger
6.3.3 Speicher des flüssigen Wasserstoffes
6.3.4 Transport per Schiff
6.3.5 Kosten und Effizienz
6.3.6 Transportkostendegression am Beispiel von fünf WEA-Parks und Schiffstransport
7 Kosten des Wasserstoffes, Effizienzanalyse
8 Finanzplanung von WEA-Parks mit Wasserstoffproduktion
9 Möglichkeiten staatlicher Förderung
10 Zusammenfassung
11 Ausblick
Zielsetzung & Themen
Das Hauptziel dieser Arbeit besteht darin, für einen Offshore-Windpark mit einer installierten Leistung von 400 MW verschiedene Konzepte zu erarbeiten, um die erzeugte Energie möglichst effizient als Wasserstoff zum Verbraucher zu transportieren. Die Forschungsfrage untersucht dabei sowohl die technische Machbarkeit als auch die wirtschaftliche Tragfähigkeit verschiedener Speicher- und Transportlösungen.
- Technische und wirtschaftliche Bewertung der Wasserstofferzeugung im Offshore-Bereich
- Vergleich verschiedener Speichermedien für Wasserstoff
- Analyse von Transportkonzepten mittels Pipeline und Schiffstransport
- Effizienzanalyse und Finanzplanung für WEA-Parks
- Untersuchung staatlicher Fördermöglichkeiten für Wasserstofftechnologien
Auszug aus dem Buch
6.1.5 Wasserbedarf und Speisewasseraufbereitung
Für die Elektrolyse von Wasserstoff ist reines Wasser erforderlich. Die Versorgung mit reinem Wasser von Land erfordert zusätzliche Transportmodule auf einem Versorgungsschiff. Im Falle der Pipelineanbindung müsste eine Wasserpipeline vorgesehen werden. Unter den gegebenen Bedingungen erscheint der Aufwand in technischer und finanzieller Hinsicht für die Produktion des benötigten Speisewassers auf der Plattform am geringsten. Wie in Abb. 7 ersichtlich, besteht im Falle der Nutzung von Meerwasser als Speisewasser erheblicher Aufbereitungsbedarf. Heutige Meerwasserentsalzungsanlagen folgen drei unterschiedlichen physikalischen Prinzipien:
• Thermische Verfahren
– Multi-Effect-Destillation (MED)
– Multi-Stage-Flash-Destillation (MSF)
– Mechanical-Vapor-Compression (MVC)
• Solare Entsalzungsanlagen
– Klassische solare Entsalzungsanlagen
– Moderne solare Entsalzungsanlagen
• Membrane Verfahren
Zusammenfassung der Kapitel
1 Einleitung: Diese Einleitung führt in die Notwendigkeit einer nachhaltigen Energieversorgung und die Rolle der Offshore-Windenergie in Deutschland ein.
2 Offshore-Windenergie: Das Kapitel behandelt die Herausforderungen und Chancen der Erschließung von Windenergie auf dem Wasser.
3 Netzanbindung und Inselbetrieb: Hier wird die technische Herausforderung der Anbindung großer Windparks an das bestehende Stromnetz diskutiert.
4 Dezentrale Energieversorgung: Dieses Kapitel erläutert das Konzept des „Virtuellen Kraftwerks“ und die Einbindung dezentraler Erzeuger.
5 Speichermedien: Es werden verschiedene technische Möglichkeiten zur Speicherung von Wasserstoff bewertet.
6 Plattform zur Wasserstofferzeugung: Der Hauptteil beschreibt detailliert den modularen Aufbau einer Erzeugungsplattform sowie Transportkonzepte.
7 Kosten des Wasserstoffes, Effizienzanalyse: Dieses Kapitel liefert eine ökonomische Betrachtung der Investitionskosten und Effizienzfaktoren.
8 Finanzplanung von WEA-Parks mit Wasserstoffproduktion: Hier werden die finanziellen Rahmenbedingungen und Annahmen für ein Investitionsmodell dargelegt.
9 Möglichkeiten staatlicher Förderung: Es wird analysiert, wie politische Rahmenbedingungen und Förderprogramme die Wasserstoffwirtschaft unterstützen können.
10 Zusammenfassung: Dieses Kapitel fasst die Ergebnisse der Arbeit zur technischen und wirtschaftlichen Umsetzbarkeit zusammen.
11 Ausblick: Der Ausblick identifiziert weiteren Forschungsbedarf und zukünftige Entwicklungspotenziale der Wasserstofftechnologie.
Schlüsselwörter
Offshore-Windenergie, Wasserstofferzeugung, Elektrolyseur, Pipeline, Schiffstransport, Speichermedien, Investitionskosten, Finanzplanung, Virtuelles Kraftwerk, Nachhaltigkeit, Erneuerbare Energien, Meerwasserentsalzung, Wirtschaftlichkeit.
Häufig gestellte Fragen
Worum geht es in dieser Arbeit grundsätzlich?
Die Arbeit beschäftigt sich mit der technischen und wirtschaftlichen Konzeption von Offshore-Windparks, die ihre erzeugte Energie direkt vor Ort zur Wasserstoffproduktion nutzen, anstatt sie in das Stromnetz einzuspeisen.
Was sind die zentralen Themenfelder der Arbeit?
Zentrale Felder sind die Offshore-Windenergietechnik, die Wasserstoffspeicherung, verschiedene Transporttechnologien (Pipeline und Schiff) sowie die Finanzplanung und staatliche Förderung.
Was ist das primäre Ziel der Arbeit?
Das primäre Ziel ist es, effiziente Konzepte für einen 400 MW Offshore-Windpark zu entwickeln, um den erzeugten Wasserstoff technisch realisierbar und wirtschaftlich zum Verbraucher zu bringen.
Welche wissenschaftlichen Methoden werden verwendet?
Es wird eine Kombination aus technischer Systemanalyse, ökonomischer Investitionsrechnung und der Auswertung bestehender Forschungsdaten und Studien durchgeführt.
Was wird im Hauptteil der Arbeit behandelt?
Der Hauptteil gliedert sich in die technische Auslegung der Erzeugungsplattform, den Vergleich der Transportmöglichkeiten sowie die detaillierte Kosten- und Effizienzanalyse.
Welche Schlüsselwörter charakterisieren die Arbeit?
Wichtige Begriffe sind Offshore-Windenergie, Wasserstofferzeugung, Pipelinetransport, Schiffstransport, Elektrolyse und Wirtschaftlichkeitsanalyse.
Welche Rolle spielt die Meerwasserentsalzung für die Plattform?
Da für die Elektrolyse hochreines Wasser benötigt wird, ist die Meerwasseraufbereitung auf der Plattform eine essentielle technische Voraussetzung für den Offshore-Betrieb.
Welche Vor- und Nachteile ergeben sich beim Transport per Pipeline im Vergleich zum Schiff?
Pipelines bieten eine kontinuierliche Transportmöglichkeit, erfordern jedoch hohe Investitionen. Der Schiffstransport ist flexibler, erfordert aber eine aufwändige Logistikkette und Zwischenspeicherung.
Was sind die Hauptergebnisse der Finanzplanung?
Die Finanzplanung zeigt, dass das Projekt unter bestimmten worst-case-Annahmen zwar anspruchsvoll, aber bei entsprechender Skalierung und technischer Reife grundsätzlich als zukunftsfähiges Modell durchführbar ist.
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- Diplom-Wirtschaftsingenieur Thomas Valerius (Author), 2004, Wasserstofftechnologie in großen Offshore-Windkraftanlagenparks, Munich, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/117931