INNOVATIONEN MADE IN NRW POWER-TO-X - GOGAS
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Innovationen made in NRW Power-to-X
Inhalt
Vorwort 4
Prof. Dr. Andreas Pinkwart
Vorwort 5
Wolf D. Meier-Scheuven
Maschinen- und Anlagenbau ist Treiber der Energiewende 6
VDMA Arbeitsgemeinschaft P2X4A
Kompressoren für die Verdichtung von Wasserstoff 8
NEUMAN & ESSER GROUP
Mit tkH2steel nachhaltig in die Zukunft 10
thyssenkrupp Steel Europe AG
Mit Wasserstoff, Ammoniak und synthetischem Methan 12
umwelt- und klimafreundlich in die Zukunft
ZBT GmbH – Zentrum für Brennstoffzellen Technik GmbH
Der Startschuss für eine Wasserstoffwirtschaft 14
in Deutschland
Open Grid Europe GmbH
Neue Perspektiven durch Power-to-X 17
Mitsubishi Power Europe GmbH
Nachhaltige Kraftstoffe aus Luft und Wasser 20
Climeworks Deutschland GmbH
Hochtemperaturfest – gasdicht – ultrakompakt 22
Hülsenbusch Apparatebau GmbH & Co. KG
Kann Nordrhein-Westfalen ein Power-to-X-Pionier werden? 24
MAN Energy Solutions SE
Saubere Verbrennung mit Wasserstoffbrenner 26
GoGaS Goch GmbH & Co. KG
Hier.Heute.H2 28
KOMPETENZREGION WASSERSTOFF Düssel.Rhein.Wupper
Impressum 30
Liebe Unternehmerinnen,
liebe Unternehmer,
Power-to-X-Technologien bergen ein enormes Potenzial, das gerade
im Industrie- und Energieland Nordrhein-Westfalen gehoben werden
muss. Sie sind ein wichtiger Baustein auf unserem Weg, für den wir uns
ein ambitioniertes Ziel gesetzt haben: Nordrhein-Westfalen soll zur
©: MWIDE NRW/E. Lichtenscheid
modernsten, klima- und umweltfreundlichsten Industrieregion Euro-
pas werden.
Im Rahmen der großen Transformationsaufgaben, die Energiewende,
Sektorenkopplung und ressourcenschonendere Produktion an Indus-
trie und Energiewirtschaft stellen, kommt Power-to-X eine erhebliche
Prof. Dr. Andreas Pinkwart
Minister für Wirtschaft,
Bedeutung zu. Unter Einsatz von mit erneuerbaren Energien erzeugtem
Innovation, Digitalisierung Strom können stoffliche Energieträger und Basischemikalien effizient
und Energie des Landes
Nordrhein-Westfalen und zeitlich flexibel produziert werden. Diese technologische Kom-
petenz ist zentral für eine weiterhin wettbewerbsfähige Industrie, die
große Energiemengen und zukünftig klimaneutral erzeugte Rohstoffe
für ihre Produktionsprozesse benötigt.
Einen wichtigen Beitrag wird der bereits begonnene Aufbau einer Was-
serstoffwirtschaft leisten, den wir als Landesregierung mit unserer
Wasserstoff-Roadmap und einer Fülle von Initiativen vorantreiben.
Nordrhein-Westfalen soll zur Wasserstoffregion Nummer Eins in
Deutschland werden. Eine Region, in der Anwendungen und Technolo-
gien für den Energieträger der Zukunft, der ein wesentliches Element
von P2X-Anwendungsketten ist, entwickelt werden.
Innovationen in der Industrie unterstützen wir unter anderem mit
der Initiative IN4climate.NRW und dem Spitzencluster Industrielle
Innovation (SPIN). Mit innovativen Technologieentwicklungen kann
Nordrhein-Westfalen Vorreiter werden – als führender Standort von
Power-to-X-Anlagen und -Konzepten und damit auch bei Energiewende
und Klimaschutz. Aufgrund der starken industriellen Strukturen liegen
hier im Bundesvergleich überproportional hohe Marktpotenziale.
Es gilt, diese Chancen zu nutzen und die Innovations- und Transfor-
mationskraft unserer Unternehmen zu stärken.
Herzliche Grüße
Prof. Dr. Andreas Pinkwart
4 INNOVATIONEN MADE IN NRW
Liebe Leserinnen,
liebe Leser,
in allen Industriebranchen werden Anstrengungen zum Klimaschutz
unternommen. So auch im Maschinen- und Anlagenbau. Unsere
Branche ist eine Schlüsselindustrie für den Klimaschutz. Als größter
industrieller Arbeitgeber und Enabler für zahlreiche andere Indus-
trien ist der Maschinen- und Anlagenbau ein branchenübergreifender
Treiber für Innovationen – gerade auch mit Blick auf klimaschonende
Technologien.
©: Boge
Die klimaneutrale Industrie bietet der Branche die Chance, ihre Lösun-
gen weltweit zu exportieren, neue Märkte und Geschäftsmodelle zu
Wolf D. Meier-Scheuven
Sprecher des
erarbeiten und ihre Position als leistungsstarker Partner auch in diesem
Kompetenznetzes Bereich auszubauen. Gleichzeitig ist der Maschinen- und Anlagen-
ProduktionNRW
bau nicht nur Lösungsanbieter für neue, nachhaltige Energiesysteme,
sondern selbst deren Anwender. Begriffe wie „Klimaneutralität“,
„grüner Wasserstoff“, „Sektorenkopplung“, „CCU/CCS“ oder „Dekar-
bonisierung“ sind momentan in aller Munde. So auch „Power-to-X“, das
Thema des vorliegenden Innovationsmagazins.
Power-to-X, also die Produktion von synthetischen Brenn- und Kraft-
stoffen auf der Basis von erneuerbarem Strom, gilt als wichtiger Bau-
stein der Energie- und Verkehrswende. Der Maschinen- und Anlagenbau
ist auch auf diesem Gebiet ein wesentlicher Player. Er liefert viele Kom-
ponenten, die für eine erfolgreiche Nutzung von Power-to-X notwendig
sind: von der Erzeugung erneuerbarer Energien, über Speicherung und
Transport bis hin zu den Abnehmern künstlicher Kraftstoffe.
Das Innovationsmagazin stellt nicht nur Anwendungsbeispiele und
zukunftsweisende Projekte aus Nordrhein-Westfalen vor, sondern auch
die Potenziale entlang der Wertschöpfungskette für die hiesige Branche
bei der Umsetzung von Power-to-X-Lösungen.
Den Klimawandel einzudämmen, ist eine gesamtgesellschaftliche
Herausforderung, die wir nur gemeinsam anpacken können. In diesem
Sinne: Nutzen Sie unser Netzwerk und profitieren Sie von unserem
Netzwerk – für eine positive Klimazukunft!
Ihr
Wolf D. Meier-Scheuven
INNOVATIONEN MADE IN NRW 5
Maschinen- und Anlagenbau ist
Treiber der Energiewende
Der Maschinen- und Anlagenbau als Technologieanbieter spielt
eine herausragende Rolle, wenn es darum geht, die vereinbarten
Klimaziele auch tatsächlich zu erreichen.
Lebensmittel Stahl
©: VDMA
Wärmepumpen/
Verschiedene Hitze & Kälte
Kältemaschinen
Industrien
Re-Elektrifizierung Wasser-
Gasturbinen, kraft
Grund-
G d Motoren,
chemikalien Wasser- Brennstoffzellen
Ammoniak
stoff
S
Sonnen-
Chemische Fischer-
Grüner Strom energie
Industrie Tropsch/
Methanol-Pfad
Düngemittel
z.B. Elektrolyseure
Wind-
energie
Raffinerie Mobilität
Elektrisch
E-Kraftstoffe Luftfahrt Schifffahrt Straßen- Schienen- Power-to-X:
Chemisch ein Überblick.
transport transport
Auf globaler, auf europäischer wie auf güterverkehr sowie für Baumaschinen werden. Im Energiesektor dienen Was-
nationaler Ebene geht es stets um ei- und in der Landtechnik werden auch serstoff oder Wasserstoffderivate wie
nen Dreiklang: um den weiteren Ausbau langfristig flüssige und gasförmige künstliches Gas dazu, flexible Stromer-
der Nutzung erneuerbarer Energien, Kraftstoffe benötigt. Wasserstoff kann zeuger als Puffer für Wind- und Sonnen-
um die Steigerung der Energieeffizienz dabei direkt eingesetzt oder weiterver- energie ebenfalls zu defossilisieren.
und um effektive Sektorkopplung. arbeitet, etwa als E-Fuel, verwendet
werden. In industriellen Anwendungen, Power-to-X, kurz P2X, das zentrale
In allen drei Bereichen leistet der Ma- wie zum Beispiel in der Stahlindustrie, Verfahren zur Herstellung von Wasser-
schinenbau wichtige Beiträge. Insbe- können Produktionsprozesse mittels stoff und daraus abgeleiteten Folge-
sondere im Flug-, Schiffs- und Straßen- Wasserstoff klimaneutral gestaltet produkten, ist also ein zentraler Bau-
6 INNOVATIONEN MADE IN NRW
Wasserstoff
+N2
Ammoniak
Ammoniaksynthese
+CO2
freundlichen Pendants. Das wäre ein
Methan
Methanisierung durch und durch marktwirtschaftlicher
+H2O +CO(2)
Anreiz, künftig mehr klimafreundli-
Raffinieren
Diesel, Benzin, che Energieträger zu nutzen, weniger
Kerosin
Erneuerbare H2-Produktion Fischer-Tropsch-Prozess fossile Rohstoffe zu verbrauchen und
Energiequellen Ethylen,
Propylen weniger CO2 zu emittieren – über alle
+CO2
©: VDMA
Methanol
Anwendungsfelder hinweg, von der
Methanolsynthese Mobilität über Gebäudenutzung bis
Power-to-X: Produktion und Produkte. hin zur Stahlerzeugung.
Die Arbeitsgemeinschaft (AG)
stein. Ohne ihn ist globaler Klimaschutz Entsprechend sollte durch die Um- Power-to-X for Applications
kaum umsetzbar. Mit dem Schritt in die setzung weiterer P2X-Projekte im in- Die VDMA AG Power-to-X for Applica-
großtechnische Anwendung ergeben dustriellen Maßstab ein Heimatmarkt tions (P2X4A) ist die zentrale, bran-
sich für P2X, die Industrie und den Ma- geschaffen werden, innerhalb dessen chenübergreifende Informations-, Kom-
schinenbau herausragende Chancen. dann die Technologien weiterentwickelt munikations- und Kooperationsplatt-
Insbesondere mittelständische Unter- und neue Wertschöpfungsketten im Be- form für die P2X-Community. Sie
nehmen könnten als Anbieter von P2X- reich Wasserstoff etabliert werden kön- wächst rasant – aktuell zählt sie über
Technologien und -Anlagen von einem nen. Derzeit sind P2X-Produkte noch 110 Mitglieder – und bindet alle wich-
schnellen internationalen Markthoch- zu teuer, um mit fossilen Rohstoffen tigen Stakeholder und Akteure von der
lauf profitieren. Entscheidend ist, ob zu konkurrieren. Das kann sich mit An- Entwicklung der Fertigungsverfahren,
es nun gelingt, die deutsche Techno- lagen im industriellen Maßstab, niedri- über die Herstellung synthetischer
logieführerschaft für P2X-Anlagen zu geren Stromkosten, einem Kapazitäts- Kraft- und Rohstoffe mittels P2X-Tech-
etablieren und in Exporterfolge umzu- ausbau bei den erneuerbaren Energien nologien, bis hin zum Endabnehmer
münzen. Dazu müssen in Deutschland und einem passenden ordnungspoliti- ein. Mit unseren Aktivitäten fördern wir
bzw. Europa schnell die Rahmenbedin- schen Rahmen schnell ändern. einen ganzheitlichen, technologieoffe-
gungen geschaffen, P2X-Projekte im nen Ansatz für die Transformation von
industriellen Maßstab realisiert und ein Damit sich ein echter Markt für P2X Energiesystemen und schärfen das
Abnehmermarkt geschaffen werden. entwickeln kann, brauchen wir faire Bewusstsein in Politik und Öffentlich-
Rahmenbedingungen und marktba- keit für umweltverträgliche Energienut-
Rahmenbedingungen schaffen, sierte Regeln. Hierzu gehört, möglichst zung und Mobilität. Wir sind fest davon
Chancen nutzen viele Sektoren teilhaben zu lassen. Ein überzeugt, dass P2X den vielverspre-
P2X ist reif für den Einsatz in der Pra- teilweiser oder völliger Ausschluss chendsten Ansatz bietet, regenerativ
xis. Das hat die Politik erkannt und mit einzelner Bereiche bei der Nutzung erzeugten Strom in andere Energiefor-
der Nationalen Wasserstoffstrategie von Wasserstoff und P2X-Technologi- men zu überführen und so langfristig
in Deutschland bzw. der Europäischen en wäre kontraproduktiv, denn mit der aus der Nutzung fossiler Energieträger
Wasserstoffstrategie in Brüssel wichti- Zahl der Anwendungsmöglichkeiten wie Kohle, Öl und Gas auszusteigen.
ge Weichen gestellt, damit die klimapo- wächst auch die Nachfrage und sinken,
litische Bedeutung von P2X praktisch dank größerer Produktionsvolumina,
realisiert werden kann. Auch zahlreiche die Herstellungskosten. Wichtig ist zu-
Peter Müller-Baum
andere Länder haben eigene Strate- dem ein relevanter CO2-Preis. Der Ma- Geschäftsführer
gien verabschiedet oder stehen kurz schinenbau spricht sich klar für eine VDMA e.V.
Power-to-X for Applications (P2X4A)
davor. Für Europa gilt: Eine internatio- aufkommensneutrale CO2-Bepreisung Frankfurt
nal wettbewerbsfähige, industrialisierte aus. Energieträger, die CO2-intensiver https://p2x4a.vdma.org
P2X-Produktion ist realisierbar. sind, sollten teurer sein als die klima-
INNOVATIONEN MADE IN NRW 7
Kompressoren für die Verdichtung
von Wasserstoff
Immer wenn Wasserstoff (H2) verdichtet, transportiert oder gespeichert
werden muss, geht es nicht ohne Kompressoren.
2-stufiger hydraulisch angetriebener
©: NEUMAN & ESSER GROUP
Kolbenkompressor (TKH).
Mit zwei einstufigen Membrankom-
pressoren (MKZ) von HOFER, der Pre-
miummarke von NEA für Hochdruck-
technik, ist das Unternehmen an der
ersten Anlage der Schleswig-Holstein
Netz AG beteiligt, die in Brunsbüttel
grünen Wasserstoff in das Erdgasnetz
einspeist. Vor der Einspeisung wird
getestet, ob die Anforderungen an
Reinheit und Feuchtigkeit erfüllt sind.
Derzeit liegen die Grenzwerte für die
Wasserstoffkonzentration bei bis zu
zehn Volumenprozent. Zusätzlich wer-
den diese Messungen verwendet, um
sicherzustellen, dass der Heizwert des
resultierenden Gasgemisches inner-
halb der Pipeline der Gasspezifikation
entspricht. HOFER-Membrankompres-
Bei der Energiewende steht unter dem Kompressoren für die soren gewährleisten in Brunsbüttel die
Schlagwort Power-to-X insbesondere Wasserstoffeinspeisung öl-, leckage- und abriebfreie Verdich-
der Einsatz von grünem Wasserstoff Für die Versorgung mit Wasserstoff tung für höchste Produktreinheit.
im Fokus. Dieser wird hauptsächlich in werden neben speziell für den Was-
Elektrolyseuren im Power-to-Gas-Ver- serstofftransport gebauten Pipelines, Verdichteranlage auf dem größten
fahren für den Transport, für industriel- die sich durch enorme Energietrans- Kavernenfeld Europas
le Prozesse und als Energiespeicher er- portfähigkeit auszeichnen, auch be- Auch die Speicherfähigkeit von Ka-
zeugt. Die NEUMAN & ESSER GROUP stehende Erdgasleitungsnetze genutzt. vernen in Salzstöcken ist enorm. Eine
(NEA) kann zahlreiche Referenzen in Viele große Erdgasleitungen haben durchschnittliche Kaverne mit 60 Me-
den Anwendungsbereichen Mobilität einen Nenndruck von bis zu 100 bar tern Durchmesser, 300 Metern Höhe
(H2-Tankstellen), Industrie und der und werden zumeist bei etwa 70 bis 85 und 175 bar Fülldruck speichert 100
Stromerzeugung mittels Brennstoff- bar betrieben. Kleinere regionale Erd- Millionen Normkubikmeter Arbeitsgas.
zelle, die über diese Infrastruktur ver- gasleitungen arbeiten häufig mit 20 Handelt es sich dabei um Wasserstoff,
sorgt werden, aufweisen. bis 30 bar. entspricht dies einer Energiemenge
8 INNOVATIONEN MADE IN NRW
von 300 Gigawattstunden, die zum Für Anwendungen mit 250 bar Befüll- stofftankstellen werden Brennstoffzel-
Heizen, zur Stahlproduktion, für Mobi- druck werden zumeist zwei- bis drei- lenfahrzeuge mit gasförmigem Was-
lität und/oder zur Rückumwandlung stufige Trockenlauf-Kolbenverdichter serstoff betankt. Für diese Betankung
in Elektrizität verwendet werden kann. (TKH) verwendet; bei Druckspeichern sind Drücke von bis zu 1.000 bar not-
Ein Kavernenspeicher besteht aus und Trailern mit über 300 bar Befüll- wendig, die Verdichtung muss ohne
mehreren Kavernen. druck häufig Membrankompressoren, Gasunreinheiten und Abrasion erfol-
die eine komplett gasdichte Kompri- gen. Zudem muss der Kompressor öl-
Bereits seit 2008 tragen NEA-Kolben- mierung der Qualität 5.0 ermöglichen. frei und leckagefrei arbeiten. Abhän-
verdichter erfolgreich zur Ein- und gig vom geförderten Volumenstrom
Ausspeicherung von Erdgas auf dem Für die Electricity Generating Authori- und der Betriebsweise ist entweder
Kavernenfeld von Epe im westfälischen ty of Thailand (EGAT) ist in Lamtakong der 2-stufige hydraulisch angetriebene
Gronau bei. Zusammen mit dem deut- ein zweistufiger Membrankompressor Kolbenkompressor oder der Membran-
schen Gasspeicherbetreiber Trianel im Einsatz. Dort hat EGAT ein Pump- verdichter die ideale Lösung.
erarbeitete NEA ein innovatives Anla- speicherkraftwerk mit einer Spitzen-
genkonzept für Kompressoren für die last von 1.000 Megawatt modernisiert. Mit der „Hydrogen Economy Roadmap
zweite Ausbaustufe der Gasspeiche- Zur Stromerzeugung wird Wasser in of Korea“ strebt Südkorea bis 2040
rung. Das gesamte Arbeitsgasvolumen Turbinen geleitet, die sich 350 Meter die Produktion von 6,2 Millionen Brenn-
der Kavernen umfasst 240 Millionen unter dem Wasserspiegel eines Reser- stoffzellen-Elektrofahrzeugen und den
Kubikmeter. Für das Kavernenfeld in voirs befinden. Teil der Modernisierung Ersatz von 40.000 Bussen und 80.000
Epe wurde ein sechskurbeliger Ver- ist ein PEM*-Elektrolyseur, in dem der Taxen durch H2-betriebene Fahrzeuge
dichter der Baugröße 320 mit 700 Kilo- erzeugte Strom in Wasserstoff und sowie den Betrieb von 30.000 Brenn-
newton Stangenkraft für ein zuverläs- Sauerstoff umgewandelt werden kann. stoffzellen-Lkw an. Damit nimmt Süd-
siges und ökonomisches Gesamtkon- Dieser grüne Wasserstoff, der dann in korea mit Deutschland eine Spitzenrei-
zept maßgeschneidert. Flaschenbatterien gespeichert wird, terposition in der H2-Mobilität ein.
dient als Energieträger für ein Brenn-
Abfüllung von Wasserstoff stoffzellensystem, das ein öffentliches Seit mehr als 80 Jahren bedient NEA
Eine weitere Methode zur Speicherung Lernzentrum für Stromerzeugungs- mit API-618-konformen Kompressor-
und zum Transport von Wasserstoff ist und Speichertechnologien versorgt. anlagen Prozesse bei der Verdichtung
die Abfüllung in Druckbehälter, die teil- von technischen Gasen, insbesonde-
weise als Flaschenbatterien oder Tube Role Model Südkorea re bei H2 und H2-Mischgasen. Mit der
Trailer auch für den Transport genutzt Auch in der Mobilität ist Wasserstoff Erweiterung des Portfolios wird die
werden können. ein großes Zukunftsthema. An Wasser- gegenwärtige Transformation des auf
fossilen Brennstoffen basierenden Öl-
und Gassektors zu einer nachhaltigen
Wasserstoffwirtschaft mit grünem
Wasserstoff aus erneuerbaren Ener-
gien unterstützt.
Stefanie Peters
Geschäftsführende Gesellschafterin
Thorsten Vierbuchen
Technischer Redakteur
©: Studio-Arnolds, Aachen
NEUMAN & ESSER GROUP
Übach-Palenberg
www.neuman-esser.de
6-kurbeliger Kolbenkompressor, liegend. * Polymerelektrolytmembran
INNOVATIONEN MADE IN NRW 9
Mit tkH2steel nachhaltig in die Zukunft
Innovatives Konzept zur Integration einer wasserstoffbasierten Direktreduktionsanlage für
1,2 Millionen Tonnen Elektro-Roheisen in ein bestehendes Hüttenwerk – Wie kann effizienter
Kapitaleinsatz durch innovativen Anlagenbau zu effektivem Klimaschutz führen?
thyssenkrupp Steel Europe (tkSE) ist jährlich. thyssenkrupp Steel zeichnet zeitig den Kunden signifikante Mengen
ein typisches integriertes Hüttenwerk, sich dabei durch besonders hochwer- an grünem Stahl zur Verfügung stehen.
auf dem in Duisburg rund 10 Millionen tige Stahlgüten aus und ist damit ein Damit sichert thyssenkrupp Steel den
Tonnen Stahl aus Eisenerz pro Jahr er- wichtiger Eckpfeiler hochwertiger Wert- Industriestandort Nordrhein-Westfa-
zeugt werden – damit verbunden auch schöpfungsketten in Nordrhein-West- len und die damit verbundenen Wert-
rund 20 Millionen Tonnen CO2. Um das falen, Deutschland und Europa. schöpfungsketten samt ihrer hochwer-
Eisenerz (Eisenoxid) zu reduzieren, wird tigen Industriearbeitsplätze.
Kohlenstoff eingesetzt, der den Sauer- Diese Position will thyssenkrupp Steel
stoff vom Eisenerz abspaltet. Hieraus auch in Zukunft beibehalten, dabei aller- Wie sieht der Transformationspfad
entsteht letztendlich Kohlendioxid und dings die Klimabelastung deutlich redu- tkH2steel aus?
damit eine erhebliche Treibhausgasbe- zieren. Auf dem Weg zur Treibhausgas- Die klassische Route basiert auf einem
lastung. Dieses Verfahren steht für fast neutralität im Jahr 2050 sollen bereits Hochofen, in dem im Gegenstromprin-
80 Prozent der Weltstahlproduktion 2030 30 Prozent der heutigen Emis- zip oben Eisenerz und Koks sowie un-
von insgesamt 1,8 Milliarden Tonnen sionen eingespart sein und dabei gleich- ten Luft und Einblaskohle zugeführt
©: thyssenkrupp Steel Europe AG
Vergleich Hochofen und Direktreduktionsanlage mit Einschmelzer.
10 INNOVATIONEN MADE IN NRW
©: thyssenkrupp Steel Europe AG
werden kann. So können die bisheri-
gen Güten weiter hergestellt und die
Wertschöpfungsketten unbeeinträch-
Das tkH2steel-Konzept
tigt versorgt werden.
wurde am 28. September
2020 in Duisburg
vorgestellt (von links) Wo liegen die Hürden?
NRW-Ministerpräsident
Armin Laschet, Bundes- Diese dargestellte Transformation ist
wirtschaftsminister Peter eine enorme Herausforderung. Weder
Altmaier, Vorstandsvorsit-
zende der thyssenkrupp ist bisher im großtechnischen Dauer-
AG Martina Merz und einsatz Wasserstoff genutzt worden,
Vorstandssprecher der
thyssenkrupp Steel Europe
noch ist ein solcher Einschmelzer bis-
AG Bernhard Osburg. her in der Stahlindustrie betrieben wor-
den. Kleinere Varianten sind allerdings
in der Nichteisenmetallurgie Standard.
werden. Heißluft bildet zusammen mit im festen Zustand reduziert und nicht
dem Kohlenstoff aus Koks und Kohle aufgeschmolzen. Traditionell wird das Auch die technologisch und betriebs-
Reaktionsgase, die aufsteigen und im erzeugte DRI (Direct Reduced Iron – di- wirtschaftlich sinnvolle Integration
Oberofen das Eisenerz zu Eisen redu- rekt reduziertes Eisen) in Elektrolicht- der neuen Anlage in eine bestehende
zieren. Dieses reduzierte Eisen wird im bogenöfen (EAF) aufgeschmolzen, wo Werkinfrastruktur ist eine Herausforde-
Unterofen zu Roheisen aufgeschmol- metallurgisch bedingt nur ein Teil des rung, zugleich aber eine große Chance
zen. Aus dem flüssigen Roheisen kön- heutigen Gütenspektrums erzeugt wird. für den Anlagenbau. Dieser kann so die
nen alle Reinheitsgrade und Qualitäten So sind zum Beispiel die für die Ener- Transformation der Stahlindustrie mit
durch metallurgische Behandlung im giewende und den Klimaschutz ent- innovativen Konzepten begleiten.
Stahlwerk erzeugt werden. scheidenden Produkte wie Elektroble-
che als Grundlage der Elektrifizierung Der Kapitalbedarf ist erheblich. Neben
Um das Entstehen von Treibhausgasen bisher der Hochofenroute vorbehalten. milliardenschweren Investitionen sind
zu vermeiden, muss der Kohlenstoff es vor allem die laufenden Betriebs-
durch andere Reduktionsmittel ersetzt Hieraus ergeben sich zwei Herausfor- kosten, die noch auf Jahre höher als
werden. Perspektivisch soll dies grüner derungen für den Prozess: Zum einen bei der klassischen Hochofenroute
Wasserstoff werden, während in der braucht man DR-Anlagen, die nicht nur liegen werden. Entsprechende För-
Übergangsphase gegebenenfalls Erd- mit Erdgas, sondern auch mit 100 Pro- derprogramme und regulatorische
gas verwendet wird. Kohlenstoff voll- zent H2 arbeiten, um Kohlenstoff völlig Rahmenbedingungen können aber
ständig durch Wasserstoff (H2) als Re- zu eliminieren. Gleichzeitig bildet die diese Zukunft bereits heute in Nord-
duktionsmittel zu ersetzen ist in einem DR-Anlage nur den Oberofen des Hoch- rhein-Westfalen Wirklichkeit werden
Hochofen nicht möglich, da Koks ent- ofens ab; es fehlt der Unterofen und lassen. Das war auch die Botschaft
scheidend zur mechanischen Stabilität das flüssige Roheisen zur Erzeugung von Bundeswirtschaftsminister Peter
der sogenannten Möllersäule (Eisenerz aller Güten. Altmaier und NRW-Ministerpräsident
und Zuschlagstoffe) im Ofen beiträgt. Armin Laschet bei ihrem Besuch am
Der innovative Weg von thyssenkrupp 28. September 2020 in Duisburg, bei
Es gibt Direktreduktionsanlagen (DR- Steel ist die Koppelung der DR-Anlage dem dieses zukunftsweisende Konzept
Anlagen), in denen das Eisenerz mit mit einem nachgeschalteten neuarti- tkH2steel vorgestellt wurde.
Erdgas statt mit Kohle und Koks nach gen Einschmelzer. Dieser übernimmt
demselben Wirkmechanismus redu- die Funktion des Unterofens, sodass
ziert wird: aufsteigendes Erdgas (CH4) ein technologisch völlig gleichwerti- Dr.-Ing. Hans-Jörn Weddige
spaltet sich in H2 und CO und reduziert ges flüssiges „Elektro-Roheisen“ – Head of Climate Funds Strategy
thyssenkrupp Steel Europe AG
das Eisenerz. Damit ist Erdgas ein wich- allerdings mit deutlich geringeren
Duisburg
tiger Schritt zur Wasserstoffmetallur- CO2-Emissionen – entsteht, das wie www.thyssenkrupp-steel.com
gie. Das Eisenerz wird in der DR-Anlage gewohnt in Stahlwerken eingesetzt
INNOVATIONEN MADE IN NRW 11Mit Wasserstoff, Ammoniak und
synthetischem Methan umwelt- und
klimafreundlich in die Zukunft
Unsere Mobilität und unsere Energieversorgung stehen vor einem
tiefgreifenden Wandel: Saubere, am besten C-freie, mindestens aber
CO2-neutrale Energieträger sind notwendig für eine umwelt- und
klimafreundliche Energiewelt. Das Zentrum für Brennstoffzellen-Technik
GmbH, ZBT, stellt sich den technologischen Herausforderungen bei der
Herstellung und Nutzung dieser Energieträger.
©: Nadine van der Schoot, ZBT GmbH
Auf dem Wasserstofftestfeld am ZBT werden Elektrolysesysteme und Komponenten für Wasserstofftankstellen erprobt.
Unsere Energiewelt wird sich verän- se Stoffe lassen sich in der Mobilität als Herausforderungen. In den aktuell dis-
dern. Von fossilen Energieträgern wer- Kraftstoffe, in der Industrie als Rohstof- kutierten Anwendungsszenarien sind
den wir zu künstlichen, aus erneuerba- fe sowie als Brennstoffe zur Strom- und Investitionskosten, Effizienz, Stabilität
ren Quellen produzierten Brenn- und Wärmeerzeugung verwenden. und Wartungsaufwand wichtige Bewer-
Kraftstoffen wechseln. Unter dem Be- tungskriterien, auf deren Basis die Aus-
griff „Power to X“ lassen sich verschie- Elektrolyse im großen Maßstab wahl geeigneter Technologien erfolgt.
dene Prozessrouten mit vielen mögli- Die Elektrolyse von Wasser zu Sauer- Im Projekt Carbon2Chem® wurde am
chen Produkten zusammenfassen: Das stoff (O2) und Wasserstoff (H2) ist ein ZBT mit Förderung des BMBF ein Ver-
ZBT entwickelt hierfür die Technologien seit Jahrzehnten bekannter Prozess. suchsfeld für unterschiedliche Elektro-
zur Wasserstofferzeugung, zur Herstel- Der Betrieb mit fluktuierender, rege- lysetechnologien aufgebaut. Ein alka-
lung von Methan sowie zur Synthese nerativ erzeugter elektrischer Energie lisches, ein PEM- und ein SOEC-System
und Umwandlung von Ammoniak. Die- stellt die Technologie jedoch vor neue wurden dort mit dem Ziel installiert,
12 INNOVATIONEN MADE IN NRWBewertungsparameter im dynami-
©: Nadine van der Schoot, ZBT GmbH
schen Betrieb zu ermitteln. Die Elek-
trolysesysteme stellen reinen Was-
serstoff (5.0) in einem Druckbereich
zwischen 10 und 35 bar zur Verfügung.
Infrastruktur der Tankstellen testen
Wasserstoff als Kraftstoff für die Mo-
bilität erfordert den Aufbau eines flä-
chendeckenden Tankstellennetzes. In
Deutschland sind derzeit 85 Tankstel-
len in Betrieb. Die Wasserstoffabgabe
an diesen Tankstellen ist jedoch noch
energieintensiv und der apparative
Testung von
Aufbau komplex. Mit dem Ziel der Ent- Elektrolysestapeln
wicklung und Erprobung optimierter im ZBT-Labor.
Prozesse und Komponenten sowie in-
novativer Tankstellenkonzepte wurde
in dem vom BMWi geförderten Projekt titut – Strom zu Gas und Wärme – die gung eines wasserstoffreichen Gas-
„H2TestOpt“ eine Testplattform für Herstellung von Methan aus Wasser- gemischs für den Einsatz in stationären
Wasserstofftankstellen ausgelegt und stoff und Kohlendioxid in einer eigens Brennstoffzellensystemen weiterent-
aufgebaut. entwickelten Demonstrationsanlage. wickelt.
Dabei wird die Anlage, die den Prozess
Das Testfeld umfasst unter anderem der katalytischen Methanisierung nutzt Die vorgestellten Projekte geben einen
480, 500 und 900 bar Speichertanks und ein einspeisefähiges Erdgassub- kleinen Einblick in die Vielfältigkeit der
unterschiedlicher Tanktypen, einen stitut (SNG) produziert, unter realisti- Technologien, die in Zukunft für die
Kompressor zur Verdichtung auf die schen Lastprofilen betrieben, um Op- Wandlung unseres Energie- und Roh-
Druckniveaus bzw. zur Boosterbetan- timierungsansätze zur Steigerung der stoffsystems zum Einsatz kommen
kung sowie verschiedene Vorkühlver- Anlagenflexibilität, Robustheit und Le- müssen. Die Bandbreite, mit der der
fahren. Darüber hinaus gibt es zwei bensdauer zu erarbeiten und technisch Maschinen- und Anlagenbau daran par-
Dispenser, jeweils mit Abgabe von Was- umzusetzen. tizipieren kann, erstreckt sich von der
serstoff bei 350 und 700 bar, eine Leit- Zulieferung spezieller Fertigungsma-
warte und einen Prüfraum zur Qualifi- Ammoniak als C-freier Energieträger schinen bis zum Aufbau komplexer Er-
zierung von Komponenten wie Ventile, Ammoniak wird als kohlenstofffreier zeugungs- und Umwandlungsanlagen
Sensoren etc. Träger großer Wasserstoffmengen dis- für Wasserstoff, Methan, Ammoniak
kutiert und besitzt großes Potenzial als oder andere Energieträger und Pro-
Synthetisches Methan Brenn- und Kraftstoff für Anwendun- dukte. Als unabhängiges Forschungs-
Auch regenerativ hergestelltes Methan gen mit hohem Energiebedarf. Dabei institut unterstützt das ZBT als Know-
wird neben dem Einsatz von reinem rücken sowohl mobile Anwendungen how-Träger in diesem Themenfeld die
Wasserstoff im zukünftigen Energie- wie die Schiff- und Luftfahrt als auch Industrie bei der Entwicklung neuer
system eine große Rolle spielen. stationäre Anwendungen zur Strom- Produkte, Verfahren oder Dienstleis-
Gründe dafür sind die Weiternutzung und Wärmeversorgung in den Fokus. tungen kompetent.
bestehender Infrastrukturen und End- Für den Betrieb von Brennstoffzellen,
anwendertechnologien sowie die Flexi- Motoren und Gasturbinen nimmt die
bilisierung des zunehmend regenera- Wasserstofferzeugung aus Ammoniak Michael Steffen
tiven Energiesystems. eine Schlüsselposition ein. Im Projekt Abteilungsleiter Energieträger und Prozesse
Zentrum für Brennstoffzellen-Technik GmbH
„NH3toH2“ wird mit Förderung des
Duisburg
ZBT erforscht im Auftrag des Landes Landes Nordrhein-Westfalen und der www.zbt.de
Nordrhein-Westfalen im Virtuellen Ins- EU ein Ammoniak-Cracker zur Erzeu-
INNOVATIONEN MADE IN NRW 13Der Startschuss für eine
Wasserstoffwirtschaft in Deutschland
Der Fernleitungsnetzbetreiber für Erdgas, Open Grid Europe GmbH (OGE) mit Sitz in Essen,
hat bereits begonnen, mit innovativen Wasserstofflösungen und -projekten zum Gelingen der
Energiewende beizutragen.
©: FNB Gas E.V.
Skizze der deutschlandweiten H2-Infrastruktur mit dem Get H2 Nukleus als erstem Baustein.
Wasserstoff ist der Schlüssel für das nötigt dazu den entsprechenden Wind- stunden vor. Dafür sollen bis zum Jahr
Gelingen der Energiewende. Spätes- und Sonnenstrom. Hierzu müsste also 2030 in Deutschland Erzeugungsanla-
tens mit der verabschiedeten Natio- der heimische Ausbau der erneuerba- gen von bis zu 5 Gigawattstunden Ge-
nalen Wasserstoffstrategie (NWS) der ren Energien wieder Fahrt aufnehmen. samtleistung, einschließlich der dafür
Bundesregierung ist das offensicht- erforderlichen Offshore- und Onshore-
lich. Wer (grünen) Wasserstoff jedoch Dafür sieht die Bundesregierung im Energiegewinnung, entstehen. Für den
zuverlässig und in den geforderten Detail bis 2030 einen Wasserstoffbe- Zeitraum bis 2035 werden nach Mög-
(Industrie-) Mengen herstellen will, be- darf von circa 90 bis 110 Terrawatt- lichkeit weitere 5 Gigawattstunden
14 INNOVATIONEN MADE IN NRWzugebaut, spätestens jedoch bis 2040.
Um den Importbedarf zu decken,
sollen zudem europäische und inter-
nationale Partnerschaften für eine
Wasserstoffwertschöpfungskette ge-
schlossen werden.
Leistungsfähige Infrastruktur für
Wasserstoff
Ein Projektbeispiel dafür ist das Pro-
jekt GET H2 Nukleus. Die Projektpart-
ner BP, Evonik, Nowega, OGE und RWE
Generation wollen gemeinsam die erste
öffentlich zugängliche Wasserstoffin-
frastruktur aufbauen. Das Projekt GET
H2 Nukleus verbindet die Erzeugung
von grünem Wasserstoff mit indust-
riellen Abnehmern in Niedersachsen
und Nordrhein-Westfalen. Ein rund 130
Kilometer langes Netz von Lingen bis
Gelsenkirchen soll das erste H2-Netz
im regulierten Bereich mit diskriminie-
rungsfreiem Zugang und transparenten
Preisen werden. Diskriminierungsfrei
bedeutet, dass jeder Marktteilnehmer
gleich behandelt wird. Der grüne Was-
serstoff soll im niedersächsischen Lin-
gen aus Windstrom erzeugt werden.
©: Initiative GET H2 Nukleus
Hierzu soll an dem RWE Kraftwerks-
standort Lingen eine Elektrolyseanlage
mit einer Leistung von mehr als 100
Megawatt errichtet werden.
Entscheidend ist hier, dass die Ele-
mente der Wertschöpfungskette nicht Status Quo und Zukunft der Energiesysteme in Deutschland.
einzeln betrachtet werden, sondern
als Ganzes. Produktion, Transport und
Verbrauch werden als Einheit gese- 1. G
rüner Wasserstoff wird aus 2. B estehende Gasleitungen von
hen sowie entsprechend geplant und Windstrom am Kraftwerksstandort Evonik, Nowega und OGE werden
umgesetzt. des RWE im niedersächsischen auf den Transport von 100 Prozent
Lingen über einen Elektrolyseur Wasserstoff umgestellt. Zusätzlich
Transport und Speicherung in mit einer Leistung von mehr als wird es einen Teilneubau von
bestehenden Infrastrukturen 100 Megawatt erzeugt. Es besteht Evonik geben.
Das Prinzip der Wertschöpfungskette ein Ausbaupotenzial je nach 3. Der Wasserstoff wird über diese
besteht aus vier Schritten: Abnahmebedarf. Infrastruktur mit insgesamt 130
INNOVATIONEN MADE IN NRW 15Kilometern Länge zu den Chemie- zung der dafür notwendigen regulatori- Der Einsatz eines mobilen Pipeline
parks und Raffinerien in Lingen, Marl schen Änderungen unterstützen. Verdichters ermöglicht es, den Gas-
und Gelsenkirchen transportiert. inhalt aus dem betroffenen Sperrab-
4. Der grüne Wasserstoff wird in Elenor und Optimus schnitt in einen angrenzenden Ab-
Produktionsprozessen eingesetzt. Der Einsatz eines mobilen Verdichters schnitt umzupumpen. Somit werden
Als Folge reduzieren sich die ist eine innovative Technologie inner- der Verlust des ungenutzten Erdgases
CO2-Emissionen erheblich. halb der Erdgastransportbranche, die und die Freisetzung des Klimagases
nachhaltig zum Umweltschutz und vermieden. Die Druckabsenkung er-
GET H2 Nukleus als erster zum verantwortungsbewussten Um- folgt bis auf minimale Restdrücke.
Baustein eines deutschlandweiten
Wasserstoffnetzes
Mit der Kopplung aus kontinuierlicher
©: OGE
Erzeugung von grünem Wasserstoff
im industriellen Maßstab, Transport
und Speicherung in vorhandener Infra-
struktur sowie kontinuierlicher Abnah-
me durch die Industrie legt der GET H2
Nukleus den Grundstein für eine ver-
lässliche, nachhaltige Wasserstoffwirt-
schaft in Deutschland. Bereits 2023
sollen die Produktion des grünen Was-
serstoffs und die Belieferung der Kun-
den starten.
Erste Schritte wurden bereits umge- Die mobilen
Verdichter „Elenor“
setzt, zum Beispiel die Baufeldvorbe- und „Optimus“ im
reitung und die technische Planung Einsatz.
der 100 Megawatt Elektrolyseanlage in
Lingen, die Machbarkeitsstudie für die
Errichtung einer Wasserstoffeinspei- gang mit Primärenergie beiträgt. Ihr Dadurch werden bis zu 95 Prozent des
sestation, die Vorbereitung von ersten Einsatz vermeidet Erdgasverluste und Erdgases zur Weiternutzung gesichert
Maßnahmen zur Umstellung beste- klimaschädliche Methanemissionen. und das Klima geschont. Ein mobiler
hender Erdgasleitungen auf Wasser- Pipelineverdichter kann einzeln oder in
stoff oder das Vorlegen einer TÜV-Stu- Bei Wartungs- und Instandsetzungsar- einem hocheffizienten Parallelbetrieb
die für die erste der umzustellenden beiten von Erdgastransportleitungen, verwendet werden.
Leitungen. Als nächster Schritt sind wie auch bei der Erstellung von Neuan-
die Anbindung bestehender Kavernen- schlüssen und Netzausbau-Maßnah-
speicher sowie weiterer H2-Erzeugun- men, müssen die betreffenden Pipe- Carolin Kielhorn
Pressesprecherin
gen und -Abnehmer bereits angedacht. lineabschnitte häufig außer Betrieb
Open Grid Europe GmbH
genommen werden. Dies geschieht Essen
Erfreulich ist auch, dass das Projekt in der Regel mittels Absperren eines www.oge.net
Bestandteil einer deutschlandweiten Pipelineabschnittes durch Schließen
Initiative namens GET H2 ist. Diese In- der Hauptabsperrarmaturen. Der be-
itiative sieht sich als Plattform von Un- troffene Sperrabschnitt wird anschlie-
ternehmen, Institutionen, Verbänden ßend druckentspannt und vollständig
und Verwaltungen. Das Ziel der mittler- entgast. Dabei kommt es zur Freiset-
weile 40 Partner ist der Aufbau einer zung großer Mengen an Erdgas (Me-
deutschlandweiten H2-Infrastruktur. than) in die Atmosphäre.
Darüber hinaus wollen alle die Umset-
16 INNOVATIONEN MADE IN NRWNeue Perspektiven durch Power-to-X
Wie strombasierte synthetische Brennstoffe (E-Fuels) als Energiespeicher zu klimafreundlichen
Brückenbauern werden und gleichzeitig erlauben, bewährte Technologien und bestehende
Infrastrukturen für ein kosteneffizientes Gesamtsystem zu nutzen.
Obwohl der Anteil der erneuerbaren Wasserstoff (H2) gespalten. Entweder Ruhrgebiet und in der Region Leuna-
Energien am Gesamtbruttostromver- wird H2 als Brennstoff eingesetzt oder Bitterfeld-Wolfen existieren zur Ver-
brauch in Deutschland im Jahr 2019 aber er wird in einem weiteren Schritt sorgung der dortigen Chemiestandor-
auf ca. 42,6 Prozent (243 TWhel) ange- mit Kohlendioxid (CO2), der aus ande- te Transportnetze für Wasserstoff. In
stiegen ist und zukünftig weiterwach- ren industriellen, biogenen Prozessen den Niederlanden will die Gasunie NV
sen wird, wird der Speicherung von oder der Umgebungsluft kommt, zu stillgelegte Erdgasleitungen für Was-
erneuerbarer Energie insbesondere in synthetischen Brennstoffen wie Me- serstoff kosteneffizient und schnell re-
Form von Langzeitenergiespeichern than, Methanol, Benzin oder Kerosin alisierbar als Beitrag zur großskaligen
eine bedeutende Rolle zukommen, um umgewandelt. Wasserstoffwirtschaft nutzen. Beson-
temporäre Versorgungslücken ange-
sichts der hohen Volatilität von elek-
trischer Energie aus Wind und Sonne
entgegenzuwirken und zur Netzdienst-
leistung beizutragen.
25 t 200.000 t 4.400 t
Es stellt sich die Frage, wie 85,3 Prozent
des Gesamtprimärenergiebedarfs bis
2050 klimafreundlich, gesichert und
bezahlbar bereitgestellt werden, wenn Transportkapazität: 40 t 52.500 t Deadweight Tonnage 233 t
heute erst circa 14,7 Prozent (2019)
durch erneuerbare Energien gedeckt Warum eine Elektrifizierung von Lang- tainer, Reichweite 48.000 km) oder ein
werden. Eine umfassende, schnelle strecken- und Schwerlasttransport Langstreckenflugzeug (310 Passagiere,
schwierig ist: Die Abbildung zeigt, Startgewicht 233 Tonnen) Batterien mit
Elektrifizierung setzt einen umfassen-
dass ein 40 Tonnen LKW (Reichweite Gewichten zwischen 25 und 200.000
den Ausbau der erneuerbaren Energien 3.000 km), ein Frachtschiff (Deadweight Tonnen benötigen würden.
und der Stromnetze sowie ausschließ- Tonnage 52.500 Tonnen, 5.000 Con-
lich rein elektrische Anwendungen in
allen Sektoren voraus. Allerdings wird
dies kaum möglich sein wird. Allein
der erforderliche Stromnetzausbau Momentan erfolgt die Herstellung in ders für reinen Wasserstoff ist die Nut-
würde am Beispiel von Nord-Süd-Ver- Deutschland nur in geringen Mengen zung solcher Leitungen vorteilhaft. Eine
bindungen wahrscheinlich mindestens von rund 1.000 Tonnen pro Jahr, etwa Zumischung zu Erdgas ist möglich, kann
15 Jahre benötigen, ganz abgesehen in Pilotprojekten wie im norddeutschen aber infolge schwankender Heizwerte
von der dafür notwendigen gesell- Werlte. Benötigt werden großindustri- zu Problemen zum Beispiel in indust-
schaftliche Akzeptanz. elle Anlagen. riellen Fertigungsprozessen führen.
Mit dem aus erneuerbaren Energien, Nutzung bestehender Infrastruktur Wo Erdgasleitungen fehlen und Um-
die aus Wind, Sonne oder Biomasse be- Für Wasserstoff oder Methan können rüstmöglichkeiten nicht möglich sind,
stehen, erzeugten Strom wird Wasser bestehende unterirdische Kavernen ist für eine flächendeckende Wasser-
per Elektrolyse in Sauerstoff (O2) und und Erdgasnetze genutzt werden. Im stoffversorgung ein umfangreicher
INNOVATIONEN MADE IN NRW 17Neubau von entsprechenden Wasser- dass Wasserstoff andere Verbren- klimafreundliche Energieversorgung
stoffleitungen erforderlich. Wenn heu- nungseigenschaften als Erdgas hat. mit elektrischer Leistung von bis zu
te Erdgasleitungen neu gebaut oder Dies erfordert angepasste Verbren- 840 Megawatt um.
bestehende Erdgasleitungen in Stand nungssysteme, die in der Lage sind,
gesetzt werden, werden diese Erd- flexibel Gemische aus Erdgas und Mittelfristig wird für eine flächende-
gasleitungen oftmals bereits für einen Wasserstoff möglichst vollständig, oh- ckende Versorgung in Europa blauer
zukünftigen Einsatz mit Wasserstoff ne Flashback und bei sehr niedrigen Wasserstoff aufgrund seiner um bis
vorbereitet. Stickoxid-Emissionen zu verbrennen. 40 Prozent niedrigeren Herstellungs-
Ein hoher Gasturbinen- und Kraft- kosten (AURORA Studie 2020) und
Potenziale von Abfall nutzen werksgesamtwirkungsgrad, lange seiner Verfügbarkeit grünen Wasser-
Die Kombination von vorhandener Lebensdauer der Bauteile, Wartungs- stoff ergänzen. Das schafft Anreize
thermischer Abfallbehandlung im Rah- freundlichkeit und minimale Umrüs- zur Errichtung einer Wasserstoffinfra-
men von Power-to-X (P2X) ist eine tungskosten sind weitere wichtige struktur, die später von grünem Was-
weitere Option mit großem Investiti- Voraussetzungen, um einen wirtschaft- serstoff schrittweise bis 100 Prozent
onspotenzial, zumal circa 50 Prozent lichen Erfolg zu ermöglichen. genutzt werden kann.
des Abfalls als biogen gelten.
Durch die Regional Greenhouse Gas Komplexe Energiesysteme erfordern
In Deutschland sind circa 267.000 Initiative sind in den USA Projekte wie Digitalisierung: Gesammelte Daten
Menschen in der Abfallwirtschaft be- das Advanced Clean Energy Storage in werden mit künstlicher Intelligenz ana-
schäftigt. Das dortige Umsatzvolumen
liegt bei circa 70 Milliarden Euro. Mit
einem Anteil von mehr als 30 Prozent
©: ALIGN CCUS
an der gesamten deutschen Kreislauf-
wirtschaft und einem Umsatzvolumen
von circa 24,5 Milliarden Euro 2016 ist
Nordrhein-Westfalen die bedeutends-
te Region für Kreislaufwirtschaft in
Deutschland und hält ein riesiges Po-
tenzial für Investitionen in eine nach-
haltige Kreislaufwirtschaft bereit.
Blick über die Grenzen
Bestandsgaskraftwerke, die für eine
nachhaltige und verlässliche Energie- CCU-Demoanlage im Projekt ALIGN CCUS in Niederaußem.
versorgung weiterhin wichtig bleiben,
können schon heute mit minimalen
Investitionen von Erdgas auf Wasser- Utah entstanden: Grün erzeugter Was- lysiert, um das Zusammenspiel zwi-
stoff umgerüstet werden. Im nieder- serstoff soll in bis zu 70 Salzkavernen schen Erzeugung, Speicherung und
ländischen Projekt H2M beschäftigt gespeichert werden. Eine Kaverne spei- Verbrauch zu optimieren. TomoniTM,
sich beispielsweise Mitsubishi Power chert Wasserstoff zur Stromerzeugung als eine solche digitale Lösung, ist ein
mit der Umrüstung der Gasturbinen von bis zu 100 Gigawattstunden. Lang- Bestandteil des HydaptiveTM Standard
des 1.300 Megawatt Gaskraftwerks zeitenergiepeicherung ist über Monate Flexibility Package von Mitsubishi
Magnum auf 30 Prozent Wasserstoff hinweg möglich. Power. Es soll beispielsweise in Groß-
bis zum Jahr 2025 und anschließend projekten der Kraftwerke Danskammer
auf eine Umrüstung auf 100 Prozent Ab 2025 rüstet Mitsubishi Power – Energy (New York) oder EmberClear
Wasserstoff. ebenfalls in Utah – auch das Kohle- (Ohio) eingesetzt werden.
kraftwerk der Intermountain Power
Bei der Umstellung von Erdgas- auf Agency auf Erdgas und schrittweise Zur Bereitstellung von CO2 steht heu-
Wasserstoffbetrieb ist zu beachten, auf 100 Prozent Wasserstoff für eine te Abscheidetechnologie, wie die von
18 INNOVATIONEN MADE IN NRW©: Mitsubishi Power
HydaptiveTM Standard Flexibility Package von Mitsubishi Power.
Mitsubishi Heavy Industries in Petra Weltenenergierat Deutschland 2018 zeitig Regelwerke angepasst werden.
Nova (Texas) mit fast 5.000 Tonnen kann ein Elektrolysebedarf von bis zu Life-Cycle-Analysen sind erforderlich,
pro Tag bereit: Es ist die weltweit größ- 6.000 Gigawatt entstehen. Allein der da monetäre Bewertungsvorgaben von
te kommerzielle Anlage. US-Markt für Wasserstoff wird vom CO2-Emissionen Wirtschaftlichkeit und
Wirtschaftsmagazin Forbes bis zum Wettbewerbsfähigkeit beeinflussen.
Energie- und Jahr 2050 auf bis zu 170 Milliarden
klimafreundliches Europa US-Dollar jährlich geschätzt. P2X braucht Planungs- und Investiti-
An der stofflichen Nutzung von Kohlen- onssicherheit, verlässliche regulatori-
dioxid wird international intensiv ge- Lernen aus „first-of-its-kind“-Anlagen sche Rahmenbedingungen, langfristige
arbeitet, so zum Beispiel im Projekt Power-to-X eröffnet Chancen für den Wirtschaftlichkeit, niedrige Energie-
ALIGN-CCUS (Accelerating Low-Car- Maschinen- und Anlagenbau: Es werden kosten (zum Beispiel niedrige Strom-
bon Industrial Growth through Carbon Elektrolyseure, Rohrleitungen, Arma- bezugskosten für Elektrolyseure), ge-
Capture Use and Storage), das bis turen, neue Werkstoffe, Verdichter, Ex- eignete Finanzierungsrahmen und
November 2020 lief und an dem sich pander, Reaktoren, Gas- und Dampf- gesellschaftliche Akzeptanz. Großpro-
30 Industrieunternehmen und For- turbinen, Wärmeübertrager, Brenn- jekte wie in den USA oder Niederlanden
schungsinstitute aus fünf Ländern stoffzellen, Pumpen, Wärmepumpen, können für Deutschland zur Blaupause
beteiligt hatten. Am Standort Nieder- Elektrik, Elektronik, Steuerungen, Be- für einen erfolgreichen, nachhaltigen
außem wurde beispielsweise eine voll- hälter und noch viel mehr benötigt. Wirtschaftsstandort werden.
ständige CCU-Kette unter anderem Schlüsseltechnologien wie CO2-Ab-
mit dem Ziel aufgebaut, Dimethylether scheidung, Elektrolyse, Aufreinigungs- Gerade eine Region wie Nordrhein-
herzustellen. Es kann Diesel und LPG und Syntheseverfahren, Lager- und Westfalen kann mit P2X für die Zukunft
ersetzen und als Vorstufe zur Olefin- Transportmöglichkeiten sind oft schon fit gemacht werden. Regionale Unter-
und Kerosinsynthese dienen. verfügbar. nehmen erhalten die Chance, sich an
globalen Wertschöpfungsketten zu be-
Europa wird wahrscheinlich seinen Pri- Aber im Zusammenwirken entstehen teiligen.
märenergiebedarf klimafreundlich und oft „First-of-its-Kind“-P2X-Anlagen
ohne den Import erneuerbarer Ener- mit erhöhten technisch-kommerziellen
gien in Form von E-Fuels – transportiert Risiken, die zum „Lessons Learned“- Dr. Arthur Heberle
in Pipelines und mit Schiffen – kaum Prozess beitragen. Vor Anwendung Vice President and Head of Innovation
Mitsubishi Power Europe GmbH
decken können. Mit einem globalen eines E-Fuels muss geprüft werden, Duisburg
Marktvolumen für E-Fuels von bis zu ob gültige Zulassungsspezifikationen https://emea.power.mhi.com
41.000 Terrawattstunden gemäß dem erfüllt werden. Andernfalls sollten früh-
INNOVATIONEN MADE IN NRW 19Nachhaltige Kraftstoffe aus Luft und Wasser
Es klingt in der heutigen Zeit, mit den zunehmenden Diskussionen um die Energiewende
und den weltweit nach wie vor steigenden CO2-Emissionen, zu schön, um wahr zu sein:
synthetische, nachhaltige Kraftstoffe nur mithilfe von Luft und Wasser herzustellen. Diesel,
Benzin, Kerosin – direkt aus der Umgebungsluft. Dahinter steckt als Ausgangsprozess die
Direct Air Capture (DAC) Technologie, also die direkte Entnahme des CO2 aus der Luft.
In dem Schema ist der
DAC-Prozess vereinfacht
dargestellt. Dieser besteht
immer aus einer Adsorp-
tions- und Desorptionsphase,
die sich zyklisch abwechseln.
Die DAC-Anlagen sehen von außen be- wendigen Prozessschritte an einem CO2 weltweit nahezu gleichmäßig in
trachtet wie große Lüftungsanlagen Ort und in einer kompakten Anlage der Atmosphäre verteilt ist, kann der
aus und doch steckt mehr dahinter. zusammengeschlossen. DAC-Prozess theoretisch an jedem be-
Hinter den großen Ventilatoren be- liebigen Standort eingesetzt werden.
findet sich unter anderem ein beson- Mithilfe der DAC-Anlage wird das CO2
deres Filtermaterial (Sorbent), das in zunächst aus der Luft herausgefiltert: Im zweiten Schritt findet eine Hoch-
der Lage ist, selbst geringste Mengen Während der sogenannten Adsorpti- temperatur-Co-Elektrolyse der Firma
an CO2 aus der Luft herauszufiltern. onsphase, also der ersten Phase, wird Sunfire GmbH statt, die das CO2 in
Auch wenn das Treibhausgas CO2 den Umgebungsluft durch den Filter an- Kohlenstoffmonoxid und gleichzeitig
größten Einfluss auf den Klimawandel gesaugt. Das CO2 lagert sich an der das Wasser in Wasserstoff aufspaltet.
besitzt, so kommt es mit circa 0,04 Oberfläche an. Sobald der Filter mit So entsteht ein Synthesegas, das die
Volumenprozent nur zu einem geringen CO2 gesättigt ist, beginnt die zweite Grundlage für vielfältigste Verfahren in
Teil in der Umgebungsluft vor. Phase, die sogenannte Desorptions- der chemischen Industrie ist. Im drit-
phase. Hierbei wird die Kammer ge- ten Schritt wird das Synthesegas in
Wie in vier Schritten aus Luft und schlossen und ein Unterdruck erzeugt. einem mikrostrukturierten Reaktor in
Wasser Kraftstoff entsteht Gleichzeitig wird die Kammer auf circa langkettige Kohlenwasserstoffe um-
Im Rahmen des Kopernikus-Projektes 100 Grad Celsius erwärmt, so dass sich gewandelt. Die aus dem sogenannten
„Power-to-X (P2X)“ wurden zu Beginn das CO2 wieder vom Filtermaterial löst. Fischer-Tropsch-Verfahren gebildeten
des Jahres 2019 erstmals weltweit im Nun kann es gesammelt, gespeichert langkettigen Kohlenwasserstoffe bil-
Verbund mehrerer Firmen alle not- und weiterverwendet werden. Da das den die Rohprodukte für Kraftstoffe. Im
20 INNOVATIONEN MADE IN NRWvierten Schritt wird mittels Hydrocra- lichen auf zwei Bereiche. Die 100-pro- entfernt. Bilanziell betrachtet wird
cken die Qualität des Kraftstoffes hin zentige Tochter Climeworks Deutsch- der Atmosphäre CO2 entzogen, da
zu den Zielprodukten Kerosin, Diesel land GmbH mit Sitz in Köln betreut zu es aus der Atmosphäre zurück unter
und Benzin optimiert und dabei auch einem großen Teil die CO2-neutralen die Erdoberfläche gebracht wird
die Ausbeute erhöht. Anwendungen. (Direct Air Capture and Storage,
DACS). Hiermit könnten der
In der ersten Phase des Kopernikus- C
O2-neutrale Anwendungen: Atmosphäre in Zukunft erhebliche
Projektes wurden mit der durch Pro- Durch die oben beschriebene Mengen an CO2 entzogen werden
jektpartner entwickelten Anlage zwar Entnahme des CO2 direkt aus der und der Klimawandel langfristig
nur zehn Liter pro Tag hergestellt, je- Atmosphäre und der anschlie- gestoppt und sogar rückgängig
doch soll in der nun laufenden zweiten ßenden Nutzung, wird dieses CO2 gemacht werden. Im Unterschied
Phase des Kopernikus-Projektes der wieder frei und kann von der Atmo- dazu kann das häufig diskutierte
Prozess auf 200 Liter pro Tag skaliert sphäre erneut eingefangen werden. fossile CCS (Carbon Capture Sto-
werden. Danach sollen vorindustrielle Ein Anwendungsbeispiel hierfür rage) maximal eine CO2-Neutralität
Demonstrationsanlagen im Megawatt- wäre der Luftfahrtsektor, da es hier, erreichen, weil neues, aus der Erde
bereich signifikante Mengen an Kraft- zumindest für den Langstrecken- stammendes CO2 zwar aufgefangen
stoff liefern. Hiermit könnten Wirkungs- luftverkehr, keine echten Alternati- wird, jedoch kein CO2 der Atmo-
grade von um die 60 Prozent erzielt ven zu nachhaltigen, synthetischen sphäre entzogen wird.
werden. Damit würden 60 Prozent des Kraftstoffen gibt.
eingesetzten Ökostroms als chemische
Energie im Kraftstoff speicherbar. C
O2-negative Anwendungen: André Bechem
Der zweite Bereich nennt sich Senior Product Engineer
CO2-neutrale und CO2-negative Carbon Dioxid Removal (CDR). Hier Dr. Dirk Nuber
Anwendungen wird das CO2 beispielsweise auf Head of Climeworks Deutschland
Die Climeworks AG, die 2009 als Spin- Island zusammen mit Wasser in
Climeworks Deutschland GmbH
off der ETH Zürich gegründet worden Basaltgesteinsschichten unter die Köln
ist, konzentriert sich mit ihren nun- Erde gepumpt und so permanent www.climeworks.com
mehr über 120 Mitarbeitern im Wesent- und sicher aus der Atmosphäre
©: Climeworks
©: kit
Die DAC-18 Anlage im schweizerischen Hinwil war In dem Container sind alle vier Prozessschritte der Partner Climeworks, Sunfire, Ineratec und Kit in einer
die erste kommerzielle Anlage weltweit. Anlage gekoppelt.
INNOVATIONEN MADE IN NRW 21Hochtemperaturfest – gasdicht – ultrakompakt
Die Energiewende erfordert viele neue Prozesse für energetische Umwandlungen und Nutzungen wie
Power-to-X (P2X). Damit sind die Entwicklung und die Umsetzung von innovativen Lösungen für den
Apparate- und Anlagenbau verbunden.
Die Nutzung von Überschussstrom und Die geplanten P2X-Anwendungen er- Temperaturen und Drucken garantiert
EE in industriellen Prozessen und mo- fordern vielfach die Entwicklung und werden. Darüber hinaus werden bei
bilen Anwendungen als P2X erfordert Fertigung neuer Anlagen und Apparate. mobilen Anwendungen hohe Anforde-
neue Anlagenkonzepte mit zum Teil Wie bei konventionellen Anlagen sind rungen an die Kompaktheit der Appa-
sehr hohen Anforderungen an die Ap- auch bei P2X die definierte Erwärmung rate gestellt. Die verfügbaren Räume
parate in Bezug auf Baugröße, Hoch- und Abkühlung von gasförmigen und sind klein und das Gewicht der Anlage
temperaturfestigkeit und Betriebssi- flüssigen Medien an vielen Stellen not- soll möglichst gering sein. Demzufolge
cherheit. Die definierte Erwärmung und wendig. Durch den verstärkten Einsatz müssen die Rekuperatoren sehr hohe
Abkühlung von Medien in Rekuperato- von Wasserstoff werden sehr hohe An- Leistungsdichten aufweisen, um große
ren ist bei vielen Prozessen ein weit ver- forderungen an die Betriebssicherheit Wärmeströme bei einer geringen Bau-
breiteter und wichtiger Prozessschritt. gestellt. Leckagen und Undichtigkeiten größe und einem geringen Gewicht zu
Für besonders anspruchsvolle Anwen- müssen vermieden werden, um Brän- übertragen.
dungen der Wärmeübertragung hat de, Explosionen oder sonstige Gefähr-
die Hülsenbusch Apparatebau GmbH dungen auszuschließen. Des Weiteren Die Rolle der Rekuperatoren
& Co. KG einen kompakten, hochtem- wird durch Leckagen der Wirkungsgrad Rekuperatoren werden seit langer Zeit
peraturfesten und gasdichten Hoch- der Anlagen gesenkt und die eingesetz- zur Wärmeübertragung in zahlreichen
leistungs-Rekuperator entwickelt. te Energie nicht optimal genutzt. Die Anlagen und Prozessen eingesetzt.
Gasdichtheit muss auch bei sehr hohen Für die unterschiedlichen Einsatzbe-
©: Hülsenbusch
Neuer Hochleistungs-Rekuperator: gleiche Leistung bei 25-fach geringerer Baugröße.
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