SI/502684

Publikationen / Ergebnisse

Das H2-districts Projekt untersucht, wie stationäre Wasserstoff-Brennstoffzellen (FC) in Quartiersenergiesysteme integriert werden können, um Lastspitzen zu glätten, das Stromnetz zu unterstützen und gleichzeitig thermische Leistungen zu erbringen sowie CO2-Emissionen zu reduzieren. Das Vorhaben motiviert aus steigender Winterstromnachfrage – bedingt durch die Verbreitung von Wärmepumpen und das Laden von Elektrofahrzeugen – und begrenzter dezentraler Erzeugung, wodurch teure Lastspitzen entstehen, und das Verteilungsnetz belastet wird. Durch die Kopplung einer 60 kWel Brennstoffzelle (Prototyp „kvyreen“) mit dem elektrischen- und wärmenetz am NEST+move-Demonstrator der Empa wird die technische Machbarkeit, geeignete Betriebsstrategien und die ökonomische Tragfähigkeit von wasserstoffbetriebenen Kraft-Wärme-Kopplungsanlagen als flexible Ressourcen geprüft. Der Ansatz kombiniert einen im Feld getesteten Piloten, detaillierte Datenerfassung und modellbasierte Optimierung. Ein modellprädiktiver Regler (MPC) erhält Lastprognosen (mittels XGBoost) sowie Kostensignale (Stromtarife, Spitzenlastgebühren, Wasserstoffpreis) und bestimmt optimale Sollwerte für die Brennstoffzelle, die Wärmepumpe und den thermischen Speicher. Experimente über einen Zeitraum von zwei Monaten (Februar-April 2025) quantifizieren Systemwirkungsgrade und Ansprechzeiten. Sensitivitätsanalysen (mittels Morris-Methode) zeigen, dass Spitzenlastgebühren, Kapitalkosten der FC und deren Lebensdauer die entscheidenden Treiber für die optimale Dimensionierung sind. Die wichtigsten Ergebnisse zeigen, dass die FC unter drei Minuten den Leistungssollwert verfolgt und dabei System-elektrische Wirkungsgrade von 40-48% sowie thermische Wirkungsgrade von 30-50% je nach Last erreicht. Im lokalen Anwendungsfall (NEST-Gebäude) führt das Lastspitzen-Shaving zu Kosteneinsparungen von etwa 3%, da das verhältnismässig kleine Lastspitzen verursacht; erst die Ausweitung des Betriebs auf das gesamte Empa-Campus-Gebiet (globaler Fall) verbessert die Gesamtkosten um mehr als 10%, da dort grössere Winterlastspitzen auftreten. Die technoökonomische Analyse zeigt, dass Second-Life-FCs erst ab Spitzenlastgebühren von rund 18 CHF/kW und einem Jahresäquivalenzbedarf von über 500 MWh wirtschaftlich werden; unter diesen Bedingungen können sie Investitionen in die Netzverstärkung (≈ 1,4kCHF pro 22 kW Spitzenreduktion) verzögern und die jährlichen Betriebskosten um etwa 1,5% senken. Die Verwendung von Alterungsmodellen aus der Literatur zeigt, dass die Degradation in erster Linie durch den Betrieb mit hoher Leistung beeinflusst wird. Wenn Alterungseffekte bei der Designoptimierung berücksichtigt werden, bei der die Brennstoffzelle als Grundlastanlage betrieben wird, reduziert sich die optimale Brennstoffzellengröße für langfristige Planungshorizonte um bis zu 28 %, während der KWK-Betrieb Effizienzverluste leicht ausgleicht. Die Projektresultate zeigen, dass Wasserstoff-Brennstoffzellen technisch geeignet sind, um in Quartieren Lastspitzen zu glätten, insbesondere in Sektoren mit stark saisonaler Nachfrage (z. B. Schulen, Restaurants) und dort, wo Luft-Wärmepumpen dominieren. Der wirtschaftliche Nutzen hängt von zukünftigen Stromtarifen, Spitzenlastgebühren und CO2-Preisen sowie von der Verfügbarkeit kostengünstiger Second-Life-FCs ab. Weiterführende Arbeiten sollten Langzeit-Degradationsmodelle verfeinern, Prognosehorizonte erweitern und zusätzliche Erlösquellen aus Netzdienstleistungen prüfen, um das Geschäftsmodell für eine breitere Einführung zu stärken.

Schlussbericht