HyDi.KWK
Wasserstoffbasierte und digitalisierte KWK-Konzepte für eine emissionsarme und belastbare Energieversorgung
Wasserstoff und Digitalisierung für die Energie der Zukunft
Transformation der Kraft-Wärme-Kopplung
Die Kraft-Wärme-Kopplung (KWK) spielt eine zentrale Rolle für eine effiziente und zuverlässige Energieversorgung. Um ihre Vorteile in einem klimaneutralen Energiesystem optimal nutzen zu können, muss sie sich jedoch technologisch und regulatorisch weiterentwickeln.
H2-Readyness als Schlüssel für die KWK
Ein entscheidender Schritt ist der Übergang von fossilen Brennstoffen zu grünem Wasserstoff. Dieser ermöglicht eine CO₂-neutrale Energieversorgung, insbesondere in Wärmenetzen mit zentraler Erzeugung, ohne dass umfangreiche bauliche Maßnahmen erforderlich sind.
Digitale Potenziale wasserstoffbasierter KWK-Systeme
Parallel dazu gewinnt die Digitalisierung von KWK-Systemen an Bedeutung. Digitale Technologien eröffnen neue Möglichkeiten, um Effizienz, Wirtschaftlichkeit und Betriebssicherheit zu steigern – von intelligenten Steuerungen bis hin zur datenbasierten Betriebsoptimierung.
Interdisziplinär forschen für die KWK der Zukunft
In HyDi.KWK entwickeln fünf Partner neue Konzepte für wasserstoffbasierte und digital vernetzte KWK-Systeme. Ziel ist es, zukunftsfähige Technologien zu testen und zu bewerten, die den Weg in eine klimaneutrale Energieversorgung ebnen.
Theorie trifft Praxis
Ein zentrales Element ist die Hardware-in-the-Loop (HiL)-Plattform – eine cyberphysische Simulationsumgebung. Hier werden reale Anlagen mit digitalen Modellen verknüpft, um verschiedene Systemkomponenten, Betriebsstrategien und digitale Zwillinge realitätsnah zu untersuchen. So lassen sich Konzepte unter echten Bedingungen testen – noch bevor sie in der Praxis umgesetzt werden.
Impulsgeber über NRW hinaus
Die Kombination aus Wasserstoffnutzung, Digitalisierung und praxisnaher Demonstration ermöglicht es, skalierbare Strategien für eine klimaneutrale Wärmeversorgung zu entwickeln. Ergebnisse für die Etablierung klimaneutraler KWK-Systeme in Nordrhein-Westfalen stärken somit über die Landesgrenze hinaus eine emissionsarme, flexible und resiliente Energiezukunft.
Forschungsfragen und Lösungen
Gas- und Wärme-Institut Essen e.V.
Am GWI wird für das Projekt HyDi.KWK eine reale Betriebsumgebung und eine modellierte Simulationsumgebung in einer Hardware-in-the-Loop-Plattform zusammengeführt, um energietechnische als auch energiewirtschaftliche Szenarien zu untersuchen. Mithilfe GIS-basierter Analysemethoden werden zudem Transformationspfade der Fernwärme in NRW bewertet. Gleichzeitig liegt die Gesamtprojektleitung beim GWI.
Lehrstuhl Energietechnik, LET
Im Rahmen von HyDi.KWK modelliert der LET ein wasserstoffbasiertes KWK-Energiesystem zur klimaneutralen Quartiersversorgung. Eine zentrale Aufgabe ist dabei die detaillierte verfahrenstechnische Modellierung eines mit Wasserstoff betriebenen motorischen BHKW sowie die Herleitung kennlinienbasierter Ansätze der relevanten Komponenten (z. B. BHKW und Elektrolyseur) für die Systemintegration. Die durch experimentelle Daten und Literaturvergleiche validierte Modelle werden auf realitätsnahe Versorgungsszenarien unter Einbindung von Wetter- und Infrastrukturdaten angewendet.
Lehrstuhl für Energieverfahrenstechnik und Energiesysteme, LEE
Am LEE wird eine reversible Hochtemperatur-Brennstoffzelle modelliert. Der Fokus liegt dabei auf der Erweiterung von stationären und dynamischen Simulationsmodellen einer Hochtemperatur-Brennstoffzelle (SOFC) auf den reversiblen Betrieb als sog. rSOC. Die rSOC wird bei hohen Temperaturen (>800 °C) betrieben und kann somit Wärme auskoppeln. Als KWK-Energiesystem führt die gleichzeitige Erzeugung von Strom und Wärme zu einer sehr hohen Gesamteffizienz. Der verwendete Kraftstoff kann grüner Wasserstoff sein – aber auch Erdgas und andere Kohlenwasserstoffe können von der rSOC umgewandelt werden.
Für das Projekt HyDi.KWK wird eine rSOC im Labormaßstab erworben – am GWI ist eine Hybrid-SOFC in industriellem Maßstab bereits vorhanden. Eine rSOC im Labormaßstab generiert umfangreiche Daten über die reaktionstechnisch und stofftransportrelevanten Vorgänge der Zellen im reversiblen Betrieb. In der Hybrid-SOFC werden die Auswirkungen und Grenzen der Wasserstoffbeimischung untersucht. Die durch experimentelle Daten validierten Modelle erweitern das Virtuelle Institut des KWK.NRW. Anschließend können in Szenarioanalysen die Einsatzpotenziale von SOFC-basierten KWK-Konzepten bewertet werden.
Lehrstuhl für Energiewirtschaft, EWL
Im Zusammenhang mit HyDi.KWK fokussiert sich der EWL auf die marktseitige Einbindung der zu untersuchenden Energiesysteme. Ein Schwerpunkt liegt auf der Entwicklung von Schnittstellen zur Anbindung von Marktmodellen an die Hardware-in-the-Loop-Plattform sowie der Erstellung von Modulen zum operativen Energieportfoliomanagement. Zudem entwickelt der EWL einen übergreifenden Szenario-Rahmen, der mögliche Zukünfte der Energiemärkte mit Fokus auf Strom- und Wasserstoffpreise abbildet und als Grundlage der Wirtschaftlichkeitsbewertungen dient.
WTZ Roßlau gGmbH
Anlässlich des Projektes HyDi.KWK wird im WTZ Roßlau ein Erdgas-Blockheizkraftwerk (BHKW) kostengünstig und seriennah für den Betrieb mit Wasserstoff umgerüstet. Unter Einhaltung der Abgasvorschriften TA-Luft soll eine maximale Effizienz und eine Motorleistung von 12 kW erreicht werden, die Spitzenleistung des BHKWs soll circa 17 kW betragen.
Als Basis dient eine gBox 20 der 2G Energy AG, welche mit einer MPI-Wasserstoffeinblasung, einem modifizierten Kabelbaum und einem selbst entwickelten Motorsteuergerät, inklusive eigener und anpassbarer Software, ausgerüstet wird. Für die Festlegung der Betriebsgrenzen, die Optimierung der Betriebspunkte und die Entwicklung des Automatikbetriebes des BHKWs werden unterschiedliche Prüfstandsversuche durchgeführt. Im weiteren Verlauf des Projektes soll das BHKW auf dem Prüfstand des GWI in Essen aufgebaut und für weitere Forschungs- und Versuchszwecke genutzt werden.
Das LivingLab als Forschungsplattform
Im Rahmen von HyDi.KWK wird das LivingLab des GWI Essen um zahlreiche innovative Technologien erweitert, darunter:
- eine H₂-Gasmischanlage für das bestehende Hybrid-SOFC-System
- ein neues Wasserstoff-Blockheizkraftwerk (H₂-BHKW)
- eine Redox-Flow-Batterie
- eine Elektro-Wärmepumpe
- ein Power-to-Heat-Wärmespeicher
Alle Komponenten werden über eine gemeinsame moderne Leittechnik miteinander vernetzt und in das Energie- und Datenmanagementsystem des GWI integriert. So entsteht eine komplexe Forschungsumgebung, in der reale und virtuelle Systeme zusammenarbeiten.
Luftaufnahme des LivingLab auf dem Campus des GWI