Überwindung der Grenzen des Wirkungsgrads von Solar-Wasserstoff durch Synergie mit Batterien

Die Kopplung von Photovoltaik (PV) mit elektrochemischer (EC) Wasserspaltung ist ein etabliertes Konzept zur Speicherung überschüssiger PV-Energie durch die Erzeugung von grünem Wasserstoff. Die intermittierende PV-Leistung stellt jedoch eine Herausforderung für die Stabilität und Lebensdauer von EC-Geräten sowohl in direkt gekoppelten als auch in leistungselektronisch unterstützten Systemen dar. Die Verwendung von Batterien ist eine praktikable Möglichkeit, Schwankungen der PV-Leistung auszugleichen, was sich positiv auf die Stabilität und letztlich die Lebensdauer der EC-Systeme auswirkt. In unseren Studien zu direkt gekoppelten PV-EC-Batterie-Systemen (PV-EC-B) haben wir den autarken Betrieb des Geräts ohne Steuerelektronik nachgewiesen. Zusätzlich zur erwarteten Speicherfunktion stabilisieren die Batterien die Leistungskopplung und verbessern die Solar-zu-Wasserstoff-Effizienz (STH) des Systems trotz ihrer eigenen Leistungsverluste. Wir zeigen, dass ein optimal gekoppeltes PV-EC-System mit einem STH-Wirkungsgrad von 23,0 % in einem grundlegenden Tag-Nacht-Betriebszyklus einen STH-Wirkungsgrad von 25,4 % erreichen kann, sobald die Batterie einbezogen wird. Die im PV-EC-B-System erzielte Steigerung des STH-Wirkungsgrads ist 2,4 % absolut höher als der STH-Wirkungsgrad im PV-EC-Referenzsystem und 1,9 % absolut höher als der theoretische STH-Grenzwert des Referenzsystems, der durch die EC-Polarisationskurve bestimmt wird. Der zweite Aspekt bezieht sich auf die Verkleinerung eines Elektrolyseurs, die durch die reduzierte EC-Leistung im System mit Batterie ermöglicht wird. Wir zeigen, dass die Batterie eine Verringerung der Elektrolyseurkapazität im PV-EC-B-System um etwa den Faktor zwei ermöglicht, während sie mit der gleichen Effizienz wie das Referenz-PV-EC-System arbeitet. Diese Ergebnisse sind für die zukünftige Gestaltung, die technisch-wirtschaftliche und die Lebenszyklusanalyse der fortschrittlichen PV-Wasserspaltung von entscheidender Bedeutung.

Highlights

• Ein optimal gekoppeltes PV-EC-System mit einem STH-Wirkungsgrad von 23,0 % kann mit Batterien einen STH-Wirkungsgrad von 25,4 % erreichen.
• Ein PV-EC-B-System übertrifft die STH-Effizienzgrenzen eines PV-EC-Systems allein um 1,9 % absolut.
• Batterien reduzieren die Spitzenleistung des Elektrolyseurs und ermöglichen so eine relative Verkleinerung des Elektrolyseurs um den Faktor zwei.
• EC-Zellstapel und Batterien arbeiten synergetisch und verbessern die STH-Effizienz unabhängig von den Batterieverlusten.
  

Weitere Informationen finden Sie hier:
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0360319925018075