Mario Meier

• Diese Masterarbeit untersucht, wie Wasserstoff zur Lösung eines der letzten verbleibenden Probleme der Energiewende beitragen kann. Die verstärkte Nutzung von volatilen erneuerbaren Energiequellen stellt für die konventionelle Energieversorgungsstruktur eine große Herausforderung dar. Eine Versorgung mit ausschließlich erneuerbaren Energien wird nur möglich sein, wenn man eine geeignete und wirtschaftlich vertretbare Methode findet, die unstetig erzeugte Energie sowohl kurz- als auch langfristig speichern kann. Um Eigenheime mit der eigenen Photovoltaikanlage auch nachts ohne Sonneneinstrahlung versorgen zu können, benötigt es geeignete Speicherlösungen. Derzeit am Markt erhältliche Batteriesysteme sind aufgrund ihrer hohen spezifischen Kosten nicht für die Langzeitspeicherung geeignet. Beim energiewirtschaftlichen Konzept Power-to-gas wird aus überschüssigem Solarstrom mittels Elektrolyse Wasserstoff hergestellt. Dieser kann unter hohem Druck über lange Zeiträume gespeichert werden. Bei Bedarf wird die im Gas gespeicherte chemische Energie wieder in elektrische Energie umgewandelt. Mit den dafür notwendigen Technologien setzt sich diese Masterarbeit auseinander. Im ersten Schritt werden die Grundlagen der konventionellen Energieversorgung und der erneuerbaren Energien, sowie die physikalischen und physiologischen Eigenschaften von Wasserstoff erläutert. Neben unterschiedlichen Wasserstoffherstellungsverfahren und Möglichkeiten für dessen Speicherung, werden Technologien zur Rückverstromung auf deren Tauglichkeit für den Einsatz in einem Speichersystem untersucht. Basierend auf den gewonnenen Erkenntnissen, wird schließlich ein Konzept eines Speichersystems auf Wasserstoffbasis vorgestellt. Des Weiteren werden anhand einer Simulation mit realen Solarstrahlungsdaten, sowie typischer Haushaltslastverläufen, das Verhalten und die Auswirkungen unterschiedlicher Systemkonfigurationen auf Kenngrößen wie Autarkiegrad und Eigenverbrauchsanteil näher untersucht. Abschließend geben Kalkulationen Aufschluss darüber, ob ein wirtschaftlicher Betrieb zu erwarten ist.
• This master's thesis investigates how hydrogen, the smallest of all atoms, could solve the major problem of the energy transition. The increased usage of volatile renewable energies leads to major challenges for the existing power supply structure. Renewable energies only have a real chance if one finds a suitable and economically acceptable method to store the energy short and also long term. To be able to supply private households with their own photovoltaic system without solar radiation at night, it requires suitable energy storage systems. Currently available storage solutions based on lithium-ion are insufficient when it comes to long term storage due to too high specific costs. The usage of hydrogen could even make seasonal energy storing possible. The idea behind is that the excess energy in the summer half-year is converted to hydrogen to be easier storable and to be transformed back into electricity by demand in winter. This master’s thesis deals intensively with the necessary technologies and examines not only the state of the art of the needed technologies, but also the general feasibility as well as profitability and should clarify under which conditions such a system makes sense. The investigated topics are the basics of renewable energy, different hydrogen production processes and methods of storing the gas, conversion back to electricity, and finally a concept development of a full hydrogen storage system. Furthermore, a simulation based on both the solar radiation over a period of three years as well as typical household power consumption profiles, is executed to investigate the effects of various parameters such as the site of operation, maximum storage capacity and different efficiencies, on profitability of the overall system.