This thesis concerns the design, implementation and operation of a hydrogen energy storage facility that has been added to an existing renewable energy system at West Beacon Farm, Leicestershire, UK. The hydrogen system consists of an electrolyser, a pressurised gas store and fuel cells. At times of surplus electrical supply, the electrolyser converts electrical energy into chemical energy in the form of hydrogen. This hydrogen is stored until there is a shortage of electrical energy to power the loads on the system, at which point it is reconverted back to electricity by the process of reverse-electrolysis that takes place within a fuel cell. The renewable energy sources, supplying electrical power to domestic and office loads at the site, are photovoltaic, wind and micro-hydroelectric. This work is being carried out through a project, conceived and overseen by the author, known as the Hydrogen and Renewables Integration (HARI) project. The purpose of this study is to demonstrate and gain experience in the integration of hydrogen energy storage with renewable energy systems and, most importantly, to develop software models that could be used for the design of future systems of this type in a range of applications. Effective models have been created and verified against the real-world operation of the system. These models have been largely completed, although some minor details remain unfinished as the are dependant upon studies linked to this one which are yet to be concluded. Subject to some fine tuning that this would entail, then, the models can be used to design a stand-alone, integrated hydrogen and renewable energy system, where only the load profile and weather conditions of a site are known. Significant practical experience has been gained through the design, installation and two years' of operation of the system. Many important insights have been obtained in relation to the integration of the system and the design and operation of its components.

Die Energiepolitik der Bundesregierung strebt an, den Anteil erneuerbarer Energien in Deutschland zu erhöhen, bis 2050 80 % des Stromverbrauchs durch erneuerbare Energien abzudecken. Um die Fluktuationen von Energieangebot und -nachfrage auszugleichen, ist die Integration von Flexibilisierungsmaßnahmen in das Energiesystem von entscheidender Bedeutung, insbesondere bei der Nutzung fluktuierender erneuerbarer Energien. Diese Arbeit zielt darauf ab, mittels eines Modells zu bewerten, ob Energiespeichern die Netzsicherheit und -stabilität insgesamt verbessern können. Es wird der Bedarf und die Machbarkeit von Energiespeichersystemen diskutiert und es wird eine Regelstrategie für Netze mit Energiespeichersystemen entworfen. Zunächst werden verschiedene Energiespeichertechnologien und ihre Anwendungen beschrieben. Anschließend erfolgt eine Analyse des deutschen Stromsektors im Jahr 2021 sowie eine Beschreibung des Wetters in Deutschland und der Technologie für Wind- und Solarenergie. Das deutsche Stromsystem wird mit Python modelliert. Dabei werden Daten aus dem Jahr 2021 verwendet und das Stromsystem unter verschiedenen Energiespeicher-szenarien simuliert. Ein Schwerpunkt liegt auf der Weiterentwicklung von Regelstrategie für die Modellierung und Bewertung von Energiespeichern und Flexibilitätsoptionen im Allgemeinen. Eine Szenarioanalyse bewertet die Einführung von Energiespeicher, wobei Entwicklungspfade für den Ausbau erneuerbarer Energien im Stromsektor und den Kohleausstieg beschrieben werden. Dabei werden die Auswirkungen von Energiespeichern und Ausbau von Wind- und Solarenergie auf Stromüberschuss und CO_2-Emissionensfaktor untersucht. Die Ergebnisse der Szenarioanalyse zeigen, dass die Nachfrage nach Energiespeichern im deutschen Energiesystem durch den Ausbau erneuerbarer Energien steigt. Die Reduzierung von Treibhausgasen kann durch den Ausbau der Nutzung erneuerbarer Energien im Stromsystem erreicht werden. Stationäre Batterien im Netz dienen als Flexibilitäts-maßnahme zur kurzfristigen Anpassung von Stromangebot und -nachfrage, während Power-to-Gas für die langfristige Stromangebot und -nachfrage genutzt wird. Die Studie zeigt, dass Energiespeicher einen wesentlichen Beitrag zur Flexibilität und Netzstabilität des deutschen Energiesystems leisten können.Erneuerbare Energien:Abbildungsverzeichnis VII Tabellenverzeichnis IX Symbolverzeichnis XI Abkürzungsverzeichnis XV Kapitel 1 Einleitung 1 1.1 Hintergrund 1 1.2 Aufbau der Arbeit 2 Kapitel 2 Der Energiespeicher 4 2.1 Der Energiespeicher 4 2.2 Mechanische Speicher 5 2.2.1 Pumpenergiespeicher 6 2.2.2 Druckluftspeicher 8 2.2.3 Schwungradspeicher 10 2.3 Elektrischespeicher 12 2.3.1 Kondensatoren/Supercaps 12 2.3.2 Supraleitender magnetischer Spulen 14 2.4 Elektrochemische Speicher 15 2.4.1 Blei-Säure-Batterien 15 2.4.2 Lithium-Ionen-Batterien 17 2.4.3 Redox-Flow-Batterien 18 2.5 Chemischer Speicher 20 2.5.1 Power-to-Gas 21 2.5.2 Power-to-Liquid 23 2.6 Thermische Speicher 24 2.7 Energiespeicherstrukturen in Deutschland 25 Kapitel 3 Stromangebot und -nachfrage 28 3.1 Energiesystem 28 3.2 Analyse von Stromangebot und -nachfrage in Deutschland 29 3.3 Das Wetter in Deutschland 33 3.4 Windenergietechnik 35 3.5 Solarenergietechnik 36 Kapitel 4 Das Forschungsprojekt 38 4.1 Einleitung 38 4.2 Stromnetzmodell 38 4.2.1 Datenaufbereitung 39 4.2.2 Modellierung der Wind- und Photovoltaikanlage 40 4.2.3 Modellierung des Speichersystems 44 4.2.4 Modell des Stromnetzes 47 4.3 Simulation 49 4.3.1 Stromnetzmod ohne Energiespeicher 49 4.3.2 Stromnetz mit Batteriespeicher 51 4.3.3 Stromnetz mit hybriden Energiespeichern 53 4.4 Regelstrategie 55 4.4.1 Extraktion typischer Regelstrategie 55 4.4.2 Stromnetze mit Regelstrategie 57 Kapitel 5 Szenarien und Ergebnisse 60 5.1 Zukunftsprojektionen 60 5.1.1 Stromversorgung der letzten 25 Jahre 61 5.1.2 Zukunftsprojektionen 1 62 5.1.3 Zukunftsprojektionen 2 64 5.2 Zeitreihenanalyse 66 5.3 CO_2 - Emissionsfaktor 69 5.4 Bewertung des Modells 71 5.4.1 Bewertung des Netzmodells 72 5.4.2 Bewertung der Regelstrategie 73 5.5 Diskussion der Ergebnisse 74 5.5.1 Ergebnisse der erneuerbaren Energien auf das Netz 74 5.5.2 Ergebnisse der Energiespeicher auf das Netz 75 Kapitel 6 Fazit und Ausblick 78 6.1 Fazit 78 6.2 Ausblick 80 Quellenverzeichnis XVII Anhang XXIV