Das Verbundprojekt „HyLeiT – Kostenoptimierte Systemtechnik und Netzintegration von Systemen für die Erzeugung von grünem Wasserstoff“ wurde vom Fraunhofer IEE koordiniert und im Rahmen des Leitprojekts H2Giga durchgeführt. Ziel war die Entwicklung innovativer Stromrichter und elektrischer Systemtechnik, die Elektrolyseanlagen im Multi-Megawatt-Bereich effizient, wirtschaftlich und netzdienlich betreiben. Dabei standen insbesondere die Reduzierung der Systemkosten, die Verbesserung der DC-Stromqualität für die Elektrolyseure sowie die Stabilität und Flexibilität im Netz im Fokus.

Innovationen für die Wasserstoffproduktion

In Zusammenarbeit mit den Projektpartnern SMA Solar Technology AG, Infineon Technologies AG, der Technischen Universität Dresden und der Hochschule Bonn-Rhein-Sieg wurden neuartige Technologien entwickelt, darunter die Verwendung von Siliziumkarbid (SiC)-Leistungshalbleitern, die für die Anwendung in Elektrolysestromrichtern optimiert wurden. Diese Innovationen ermöglichen eine deutliche Verbesserung der DC-Stromqualität und erfüllen die neuen Netzanschlussrichtlinien für Elektrolyseure.

Philipp Strauß, Bereichsleiter für Netzstabilität und Stromrichtertechnik am Fraunhofer IEE, betont: „Die Einbindung der Elektrolyseure in das Stromnetz ist eine sehr wichtige Aufgabe. Hierfür wurden im Projekt HyLeiT echtzeitfähige dynamische Modelle für Elektrolyseanlagen entwickelt und eine Hardware-in-the-Loop Prüfumgebung aufgebaut. Diese Werkzeuge ermöglichen es uns, die Interaktion zwischen Elektrolyseuren und dem Stromnetz realitätsnah zu untersuchen und unsere neu entwickelten Gleichrichter zu optimieren, was entscheidend für die systemgerechte Integration und die Stabilität des Netzes ist.“

HyLeiT entwickelte modulare Stromrichterlösungen, die durch hohen Wirkungsgrad, Langlebigkeit und reduzierte Kosten überzeugen. Optimierte Halbleiterbauelemente erlauben eine bessere Performance und kompaktere Bauformen, während echtzeitfähige Simulationsmodelle von Elektrolyse-Stacks und Netzsystemen eine praxisnahe Qualifizierung in Power-Hardware-in-the-Loop-Umgebungen ermöglichen.  

Die Modelle simulieren alle relevanten dynamischen Prozesse und ermöglichen dadurch Elektrolyseure zuverlässiger, robuster und leistungsfähiger zu betreiben. Die Parameter für das elektrochemische Modell der Zelle können mit Hilfe der im Projekt beschafften Messtechnik im Laborverbund des Fraunhofer IEE ermittelt werden. Dies ermöglicht die Simulation mikroskopischer Zustandsgrößen und ihrer Dynamik und so die präzise Vorhersage makroskopischer Größen wie Spannung, Strom sowie Massen- und Wärmeflüsse über einen weiten Betriebsbereich.

Dr. Norbert Henze, Projektkoordinator am Fraunhofer IEE ergänzt: „Die im Projekt HyLeiT entwickelten Stromversorgungslösungen basieren auf Transistortechnologien. Im Vergleich zu herkömmlichen Lösungen können durch die hier entwickelten Siliziumkarbid-Gleichrichter die Anforderungen hinsichtlich Netzintegration mit deutlich geringerem Aufwand erfüllt werden. In zwei parallelen Entwicklungspfaden sind Labormuster für modulare Stromrichter mit ca. 200 Kilowatt und 2 Megawatt entstanden. Diese Gleichrichter haben nicht nur eine höhere Leistungsdichte, sondern auch verbesserte Flexibilität und Effizienz, was entscheidend für die zuverlässige und kosteneffiziente Erzeugung von grünem Wasserstoff ist.“ 

Die Netzintegration der Anlagen wurde gezielt adressiert: Die Systeme sorgen nicht nur für stabile Gleich- und Wechselstromqualität, sondern bieten auch Optionen für Systemdienstleistungen zur Stabilisierung des Stromnetzes. So können Elektrolyseure als flexible Netzkomponenten die Energiewende aktiv unterstützen.

„In unserem Teilvorhaben bei SMA konnten Dank des HyLeiT-Verbundes und der BMFTR-Förderung vielfältige neue Technologielösungen und grundlegende Erkenntnisse erarbeitet werden, die es uns zukünftig erlauben, Elektrolyse-Stromversorgungslösungen auf Basis der kostengünstigen und robusten Großserienplattformen der PV- und Batterie-Wechselrichter-Technik noch besser an den Elektrolyseeinsatz anzupassen. Damit wird es möglich sein, die Kostenvorteile und die Netzdienlichkeit der Großserien-PV/Batterie-Wechselrichter-Plattformen sehr viel umfassender als bisher auch für Elektrolysestromrichter zu erschließen. Darüber hinaus wurden aber auch deutliche funktionale Fortschritte hinsichtlich Systemintegration, Anlagenbetrieb und Sicherheit der Stromversorgungstechnik für Elektrolyseanlagen erzielt“, sagt Dr. Ralf Juchem, im SMA Innovation Center der Projektleiter für HyLeiT. „Diese Entwicklungen sind entscheidend, um die Effizienz und Zuverlässigkeit der Wasserstofferzeugung weiter zu steigern und somit einen wesentlichen Beitrag zur Umsetzung der nationalen Wasserstoffstrategie zu leisten.“

Zukunftsperspektiven der Stromrichterlösungen 

Die Bedeutung des Projekts erstreckt sich über die industrielle Nutzung hinaus. Die entwickelten Technologien sind entscheidend für die Dekarbonisierung energieintensiver Prozesse in der Industrie sowie für die Anwendung in Mobilität und Verkehr, insbesondere im Schwerlastverkehr und in der Luftfahrt.

Auf Basis der Projektergebnisse folgen weitere Entwicklungen zur Serienreife der Stromrichterlösungen. Ziel ist die breite Anwendung in industriellen Elektrolyseanlagen und die Integration in bestehende Netze mit hohem Anteil erneuerbarer Energien.