Forscher der Universität Paderborn haben ein Modell für den Einsatz von Photovoltaik-Anlagen auf Hausdächern in Kombination mit Batterien für die kurzfristige Speicherung und Wasserstoff für die langfristige Speicherung entwickelt. „Das System wurde für ein Wohngebäude entwickelt, kann aber auch für andere Gebäude verwendet werden, wenn die Lastkurven für Strom und Heizung bekannt sind“, erklärte der Forscher Stefan Krauter auf Anfrage von pv magazine. „Es kann eine autonome Stromversorgung über das ganze Jahr hinweg bieten.“

Das dezentrale Energiesystem ist so konzipiert, dass es auch im Winter den Hauptstrombedarf eines Haushalts über Photovoltaik deckt, indem es mit ausreichend Speicherkapazität kombiniert wird. „Ziel ist es, die Netzbelastung zu minimieren, indem eine geringe oder gar keine Netzinteraktion erreicht wird, was durch den Einsatz von dezentralen Langzeit-Energiespeichern realisiert wird“, erklären die Paderborner Wissenschaftler.

Das System beinhaltet eine 6,8 Kilowatt Photovoltaik-Anlage und einen 5 Kilowatt-Elektrolyseur, der mit überschüssigem Solarstrom betrieben wird, um Wasserstoff zu erzeugen, der dann über einen Kompressor in einem Wasserstofftank gespeichert wird. In Zeiten hohen Strombedarfs, wenn die Photovoltaik-Erzeugung nicht ausreicht, übernimmt dies ein 1,24 Kilowatt-Brennstoffzellensystem. Lithium-Ionen-Batterien sind Teil der vorgeschlagenen Systemkonfiguration, um auf zu schnelle Lastwechsel zu reagieren, die das Wasserstoffsystem nicht bewältigen könnte.

Die von der Brennstoffzelle und dem Elektrolyseur erzeugte Abwärme wird über Wärmetauscher an einen Warmwasserspeicher übertragen, der den Haushalt mit Warmwasser versorgt. Der restliche Bedarf wird durch eine Wärmepumpe gedeckt.

Die Wissenschaftler versuchten, die Art und Größe der in den verschiedenen Szenarien benötigten Komponenten zu ermitteln. Außerdem untersuchten sie, unter welchen Bedingungen das System in Bezug auf Preis und Kosten mit herkömmlichen Stromsystemen konkurrieren kann. Das Modell wurde dafür in Simulink (MATLAB) simuliert, um zu analysieren, wann und wie das Photovoltaik-System den Energiebedarf eines Haushalts vollständig decken kann.

Zur Überprüfung der Ergebnisse verwendeten die Paderborner Wissenschaftler auch die Software HOMER, die vom National Renewable Energy Laboratory (NREL) in den USA entwickelt wurde. Die Messungen wurden mit einer Zeitauflösung von 15 Minuten und einem Gesamtzeitraum von einem Jahr durchgeführt.

Die deutsche Forschergruppe schätzt, dass der Elektrolyseur 4283,55 Kilowattstunden überschüssigen Solarstrom verbrauchte, um 80,50 Kilogramm Wasserstoff in einem Jahr zu erzeugen, während die Brennstoffzelle durch die Verbrennung von 73,52 Kilogramm Wasserstoff 1009,86 Kilowattstunden Energie zurückgeben konnte.

„Die Verdichtung des Wasserstoffs erforderte einen jährlichen Energiebedarf von 268,14 Kilowattstunden, während der Heizbedarf 1208,66 Kilowattstunden betrug“, erklären die Wissenschaftler. „Durch die Nutzung der Abwärme, die im Elektrolyseur und in der Brennstoffzelle entsteht, konnte der Heizbedarf um 643,69 Kilowattstunden gesenkt werden.“ Ihre Simulation mit Simulink habe gezeigt, dass der Heizbedarf eines Haushalts die erforderliche Menge an dezentral gespeichertem Wasserstoff vergrößert, wenn ein energieautarker Betrieb angestrebt wird.

„Zukünftige Forschungen müssen sich darauf konzentrieren, die Steuerung zu optimieren und zu analysieren, welche Komponentendimensionierung unter welchen Szenarien im Hinblick auf Energie- und Ressourceneffizienz sowie Lebensdauerverlängerung vorteilhaft ist“, so die Wissenschaftler der Uni Paderborn weiter. Sie haben ihr entwickeltes Systemdesign im Artikel „Hybrid Energy System Model in Matlab/Simulink Based on Solar Energy, Lithium-Ion Battery and Hydrogen“ beschrieben, der kürzlich im Magazin „Energies“ veröffentlicht wurde.