Mit Wasserstoff heizen - Mercure Hotel MOA Berlin startet in CO2-freie Heizsaison - gwf-gas.de
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WASSERSTOFF
Mit Wasserstoff heizen – Mercure Hotel MOA Berlin
startet in CO2-freie Heizsaison
Heizen und dabei CO2 sparen – was wie eine Utopie klingt, ist schon heute Realität. Wie das gelingt, zeigen das Hotel MOA
Berlin und das Berliner Technologieunternehmen Graforce, ein Spezialist für nachhaltige und wirtschaftliche Wasserstoff-Tech-
nologien. Denn mithilfe des von Graforce entwickelten Methan-Plasmalyse-Verfahrens erzeugt das MOA Berlin seine Wärme
nicht nur emissionsfrei, sondern kann der Luft CO2 entziehen. Als erstes Hotel weltweit schafft das MOA auf diese Weise eine
negative CO2-Bilanz bei der Wärmeerzeugung. Ein Konzept, das 2020 beim Innovationspreis der Deutschen Gaswirtschaft
durchgesetzt hat. In Kürze ist das neue Heizsystem installiert und das MOA Berlin kann in eine CO2-freie Heizsaison starten.
Einführung Dementsprechend hat die Bundesre- muss der Ausstoß von CO2 nicht nur ver-
Um das im Pariser Abkommen vereinbar- gierung 2020 eine Nationalen Wasser- ringert, sondern Energie komplett CO2-
te 1,5-Grad-Ziel zu erreichen, muss die stoffstrategie (NWS) verabschiedet, die frei erzeugt werden.
europäische Wirtschaft bis 2030 55 % die Basis für die künftige Erzeugung, den Wasserstoff aus Erdgas oder Biogas
weniger CO2-Emissionen und bis 2050 Transport, die Nutzung und Weiterver- leistet einen wesentlichen Beitrag zur De-
null Emissionen erreichen. Dies gelingt wendung von Wasserstoff und damit für karbonisierung der Energiewirtschaft
nur mit einer verbesserten Energieeffizi- entsprechende Innovationen und Inves- und ist der Schlüssel zur Wärmewende:
enz, weniger Nachfrage nach CO2-inten- titionen bildet. Sie setzt auf die Verwen- Im Methan-Plasmalyse-Verfahren wird
siven Produkten und Services oder dem dung von grünem Wasserstoff. Doch die aus Solar- oder Windenergie ein hochfre-
Einsatz von Dekarbonisierungstechnolo- Energiewende lässt sich nicht mit grü- quentes Spannungsfeld erzeugt und Me-
gien in allen Industriezweigen. In der Pra- nem Wasserstoff realisieren, der notfalls than in seine molekularen Komponenten
xis ist Deutschland beim Klimaschutz aus Südamerika importiert werden soll. Wasserstoff (H2) und Kohlenstoff (C) auf-
wieder auf Vor‑Corona-Niveau zurückge- Wohl aber indem Erdgas nicht verbrannt, gespalten. Aus 4 kg Methan und 10 kWh
fallen und wird seine CO2-Einsparziele sondern in Wasserstoff umgewandelt Strom entstehen 1 kg Wasserstoff und 3
dieses Jahr deutlich verfehlen. Dies zeigt wird. kg elementarer Kohlenstoff.
die vor kurzem von Agora Energiewende Der Wasserstoff kann dann in Wasser-
veröffentlichte Abschätzung zur Klimabi- stoff-BHKWs oder SOFC-Brennstoffzellen
lanz 2021. Ein schlechtes Ergebnis weisen Emissionsfreie Wasserstoff direkt für die CO2-freie Wärme- und
demnach unter anderem die Industrie, erzeugung aus Gas Stromgewinnung genutzt werden. In-
Gebäude und Verkehr auf. Wasserstoff Erdgas bzw. Methan ist eine der Haupt- dustrieunternehmen, Einkaufzentren,
kann in allen drei Bereichen und insbe- energiequellen in Deutschland. Beim Ver- Stadtquartiere oder eben Hotels können
sondere bei der Verkehrs- und Wärme- brennen von Methan entstehen jedoch dadurch ihre CO2-Minderungsziele errei-
wende eine Schlüsselrolle einnehmen große Mengen klimaschädlicher Treib- chen, den Anforderungen ihrer Stakehol-
(Bild 1). hausgase. Um die Klimaziele zu erreichen, der gerecht werden und Kosten senken.
Bild 1: CO2-Redukti-
onsziele und H2-Potenzial
Sektoren
14 gwf Gas + Energie 10/2021
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Der elementare Kohlenstoff – auch
Carbon Black genannt – ist ein wertvoller
Rohstoff, der in Farben und Keramiken,
der Elektroindustrie oder, wie im Fall des
MOA Berlin, zur Herstellung von Asphalt
verwendet wird. Somit wird das CO2 nicht
mehr frei, sondern dauerhaft in Produk-
ten gebunden (Bild 2). Damit bietet Gra-
force erstmals eine marktreife Technolo-
gie zur CO2-Reduktion und eine echte Al-
ternative zum umstrittenen Carbon
Capture Storage (CCS). Die Methan-Plas-
malyse ist mit Strom aus erneuerbaren
Energien ebenso klimafreundlich wie die
Elektrolyse – aber zu deutlich niedrigeren
Kosten. Sie spart dabei 75 % mehr elektri-
sche Energie als das herkömmliche Elekt- Bild 2: Dr. Jens Hanke, Gründer und CTO der Graforce, zeigt den elementaren Kohlenstoff
rolyse-Verfahren ein. Verwendet man den „Carbon Black“ - die Menge entspricht dem CO2, das bei einer Sekunde Duschen entsteht.
Eigenstrom vom Wasserstoff-BHKW oder
einer SOFC-Brennstoffzelle für die Me-
than-Plasmalyse, dann kann das externe des Innovationspreises der Deutschen Konferenzhotel der Mercure-Gruppe mit
Stromnetz komplett entlastet werden. Gaswirtschaft: MOAH2eat – vor allem 336 Zimmern und über 40 Konferenzräu-
weil der Wärmebedarf eines Hotels nicht me auf deri Etagen, das neue Energiekon-
nur emissionsfrei, sondern sogar mit zept (Bild 3 und 4). Bisher verwendete
Mercure Hotel MOA Berlin negativer CO2-Bilanz erzeugt werden das MOA Berlin fünf Erdgas-Heizkessel
startet in CO2-freie Heizsaison kann. mit einer Wärmeleistung von je 314 kW.
Bereits im November 2020 überzeugte Mit Beginn der neuen Heizsaison Sie haben jährlich für einen CO2-Ausstoß
dieses effiziente Energiekonzept die Jury nutzt das MOA Berlin, ein Design- und von bis zu 800 t gesorgt.
EFFIZIENT SCHON HEUTE.
KLIMANEUTRAL MORGEN.
Jedes heute von 2G installierte Erdgas-
BHKW kann morgen für den Betrieb
© brand.punkt. | Adobe Stock
mit Wasserstoff umgerüstet werden.
Warten lohnt sich nicht.
2G Energy
gwf Gas + Energie AG | 2-g.de
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Bild 3 und 4: Das neue Energiekonzept des Mercure Hotel MOA Berlin
sen seine Wärme mittels Methan-Plasma-
lyse und Wasserstoff-BHKW CO2-frei hei-
zen und Strom erzeugen.
Bild 5: Funktionsschema des neuen Heizsystems Quelle: Viessmann
Im MOA werden zunächst zwei der systems zukünftig jeder Gast durch sei-
fünf Viessmann-Heizkessel mit einem nen Aufenthalt der Atmosphäre CO2 ent-
Gemisch aus Erdgas und bis zu 20 % des ziehen. Somit hinterlassen die Gäste nach
selbst erzeugten Wasserstoffs betrieben. jeder Übernachtung die Welt etwas
Auf diese Weise sinkt der CO2-Ausstoß grüner.
mit reinem Erdgas um etwa 7 %. Künftig
sollen alle Kessel allein mit Wasserstoff
laufen – und damit den CO2-Ausstoß auf Zusammenfassung
null senken. Möglich ist dieser Betrieb Biogas oder nachhaltig verarbeitetes Erd-
neben dem Methan-Plasmalyse-Verfah- gas leisten einen wichtigen Beitrag zur
ren mit einem Gasgemisch durch die Wärmewende: So tragen innovative Ne-
Verbrennungsregelung „Lambda Pro gativ-Emissions-Technologien wie die
Control“ von Viessmann. Sie misst den Plasmalyse dazu bei, die definierten Kli-
Ionisationsstrom direkt in der Flamme. maziele zu erreichen.
Dieser gibt Auskunft über die Das Projekt zeigt, dass auch Klima-
Verbrennungsgüte und erlaubt eine op- schutz, der im Kleinen beginnt, Großes
timale Adaption des Brennerbetriebs mit bewirken kann: Die Gäste im MOA Hotel
einer effizienten und emissionsarmen entscheiden zukünftig beim Check-in, ob
Verbrennung. Die Regelung passt den ihr Zimmer mit Wasserstoff aus Erdgas
Kessel laut Hersteller automatisch an un- oder Biogas geheizt wird – und ob sie
terschiedliche Gasarten ohne Einbußen damit aktiv dazu beitragen, der Atmo-
an (Bild 5). sphäre bis zu 800 t CO2 pro Jahr zu entzie-
Laut Johannes Rohde, Geschäftsführer hen. Autor:
des Mercure Hotels MOA Berlin, kann Und das Konzept skaliert: So wird Mit- Dr. Jens Hanke
durch die Neugestaltung des Heizungs- te 2022 ein ganzes Stadtquartier in Sach- Gründer und CTO der Graforce GmbH
16 gwf Gas + Energie 10/2021
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Wasserstofflösungen entlang der gesamten
Wertschöpfungskette
U m den Herausforderungen der Ener-
giewende begegnen zu können,
wird die Nutzung von (grünem) Wasser-
Landwirten und Kommunen individuelle
Geschäftsmodelle und Lösungen im Be-
reich Erneuerbare Energien wie Biogas,
geplant und auf Basis einer Gesamtbe-
trachtung ausgelegt werden. Dies gilt z.
B. für Wasserstofftankstellen (HRS) oder
stoff von großer Bedeutung sein. Dieser Biomethan und Power-to-X, insbesonde- die Speicherung, den Transport und die
wird in Elektrolyseuren erzeugt und an- re Wasserstoff, an. Zum Repertoire des Veredelung des Grünen Gases zu nach-
schließend transportiert sowie in indust- Unternehmens, mit Sitz in Unna, gehören haltigen Kraftstoffen. Es muss sicherge-
riellen Prozessen oder als Energiespeicher unter anderem die Standortsuche und stellt werden, dass solche Zukunftstech-
verwendet. Damit dies jedoch möglich die Technologieberatung. Zudem über- nologien nicht nur zuverlässig funktionie-
ist, muss der Wasserstoff mittels Kom- nimmt Arcanum die Genehmigung, Um- ren, sondern auch ihre Kosten
pressoren verdichtet werden. setzung, Inbetriebnahme und den ge- überschaubar und planbar bleiben. Des-
Die Neuman & Esser Group bietet ne- samten Service von Anlagen zur Erzeu- halb ist es wichtig, Kunden in allen Pha-
ben den Kompressoranlagen zur Verdich- gung von Biomethan zum Einspeisen ins sen eines Projekts zu begleiten. Mit ei-
tung von Wasserstoff auch weitere Pro- Gasnetz bzw. zur Einspeisung des er- nem integrierten Lösungsportfolio bietet
dukte und Dienstleistungen an, die ihren zeugten Stromes ins Netz an. Das Unter- NEA Green Unterstützung während des
Kunden Komplettlösungen für Wasser- nehmen managt weiterhin Biogas-Pools, gesamten Projektlebenszyklus: Von der
stoff aufzeigen. So entwickelt Alternative einen Zusammenschluss von Stadtwer- Konzeption und Beratung, über die Pla-
Energy Driven Solutions (AEDS), an der ken und Betreibern von Biogasanlagen, nung, bis hin zum Bau und Betrieb von
NEA zu 50 % beteiligt ist, nachhaltige um Biomethan umweltschonend in z. B. H2-Erzeugungsanlagen, HRS oder
Mobilitäts- und Logistikkonzepte auf Ba- Blockheizkraftwerken für die Strom- und Biogasanlagen und der anschließenden
sis des Energieträgers Wasserstoff. Dabei Wärmeproduktion zu verwerten. Vermarktung der produzierten Gase.
bringt das Start-Up seine Kompetenzen Mit der Gründung von Nea Green hat
in den Bereichen H2-Infrastrukturent- die NEA ein Unternehmen mit einem kla-
wicklung, Entwicklung von Brennstoffzel- ren Fokus auf Produkte und Dienstleistun- Produktion von Wasserstoff
len-Systemen und strategische Beratung gen für den aufstrebenden Wasserstoff Mit der Übernahme von Hytron Energy &
ein. Kunden von AEDS sind daher Ener- und Grüne Gase Markt etabliert. Das Ziel Gas Ende 2020 ist es der Nea Group ge-
gieversorger, Logistikunternehmen, Flot- des Unternehmens ist es, Kunden bei der lungen, ihr Portfolio im Bereich der Was-
tenbetreiber, Tankstellen, Städte und Ge- Dekarbonisierung ihrer Energie- oder In- serstofflösungen um einen wichtigen
meinden sowie Verkehrsbetriebe, die un- dustriesysteme und dezentralen Anwen- Baustein zu erweitern. Das brasilianische
ter anderem an der Integration von dungen zu unterstützen. Ein wichtiger Teil Unternehmen mit Sitz in Sumaré, São
Brennstoffzellentechnologie in ihren des Produktportfolios konzentriert sich auf Paulo, zählt zu einem der führenden Lö-
kommunalen Fuhrpark interessiert sind. die intelligente, sichere sowie effiziente Er- sungsanbieter in den Bereichen Enginee-
Durch die Firma Arcanum Energy Sys- zeugung und Nutzung von Wasserstoff. ring und Systemintegration unter ande-
tems GmbH & Co. KG bietet die NEA Bei der H2-Erzeugung und -Nutzung rem für PEM und alkalische Elektrolyseu-
Group Energieversorgungsunternehmen, müssen viele Komponenten optimal mit- re, Erdgas und Ethanol Reformer.
Bild 1: Hytron Elektrolyseur von Außen Bild 2: Hytron Elektrolyseur von Innen
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Bild 3: Sechskurbeliger NEA Kolbenkompressor liegend Bild 4: Trocken laufender, hydraulisch angetriebener Kolbenkompressor
(TKH)
Die PEM-Elektrolyseure (HyPEM) er- speicherbetreiber Trianel entwickelte speicherte grüne Wasserstoff dient ei-
möglichen es, dass zwei 40 Fuß hohe ISO NEA ein innovatives Anlagenkonzept für nem Brennstoffzellensystem als Energie-
Container 1.000 Nm3 Wasserstoff pro Verdichter für die zweite Ausbaustufe der träger, um ein öffentliches Lernzentrum
Stunde (5-MW-Anlage) bei mehr als Gasspeicherung. In der Kaverne befindet für Stromerzeugungs- und Speichertech-
40 bar liefern. Sie bieten eine Komplettlö- sich insgesamt ein Arbeitsgasvolumen nologien zu versorgen.
sung mit elektrischer Schaltanlage, Was- von 240 Mio. m3.
seraufbereitung, kompletter Anlagenbi-
lanz und Gasreinigungssystem zur Bereit- Wasserstoffeinspeisung
stellung von ultrareinem Wasserstoff Speicherung und Transport Die Versorgung mit Wasserstoff kann so-
gemäß SAE J2719 / DIN EN 17124 und da- von Wasserstoff in Druck wohl über eigens für den Wasserstoff-
rüber hinaus (Bild 1 und 2). behältern transport errichtete Pipelines erfolgen,
Zur Speicherung und zum Transport von die eine enorme Transportfähigkeit mit-
Wasserstoff kommt auch die Abfüllung in bringen, als auch über bestehende Erd-
Speicherung von Wasserstoff Druckbehältern zum Einsatz. Diese wer- gasleitungsnetze. Viele dieser großen
in Kavernen den teilweise als Flaschenbatterien oder Erdgasleitungen haben einen Nenndruck
Bei der Speicherung von Wasserstoff in auf Tube Trailern transportiert. Für An- von bis zu 100 bar und werden mit 70-85
Salzkavernen kommen Kolbenkompres- wendungen mit 250 bar Befülldruck bie- bar betrieben. Kleinere Leitungen arbei-
soren zum Einsatz. Kavernen in Salzstö- tet NEA zwei- bis dreistufige Trockenlauf- ten häufig mit 20-30 bar. Für diese An-
cken besitzen enorme Speicherkapazitä- Kolbenkompressor (TKH) an. Wenn mehr wendungen eignen sich Membrankom-
ten. Im Durchschnitt speichert eine Ka- als 300 bar Befülldruck bei Druckspei- pressoren und kleine zweistufige Kolben-
verne mit einem Durchmesser von 60 m, chern und Trailern gefordert ist, ermögli- kompressoren ganz besonders (Bild 5).
330 m Höhe und 175 bar Fülldruck rund chen Membrankompressoren (MKZ) eine Zwei einstufige MKZ von Hofer sind an
100 Mio. Nm3 Arbeitsgas. Wenn diese Ka- komplett gasdichte Verdichtung der der Einspeisung von grünem Wasserstoff
pazität mit Wasserstoff gefüllt wird, ent- Qualität 5.0. (Bild 4). ins Erdgasnetz in der ersten Anlage der
spricht dies einer Energiemenge von 300 In Lamtakong in Thailand nutzt die Schleswig-Holstein Netz AG in Brunsbüttel
GWh, die beispielsweise zum Heizen, in Electricity Generating Authority of Thai- beteiligt. Der Einspeisung geht die Prüfung
der Produktion, der Mobilität oder zur land (EGAT) einen zweistufigen Memb- der Anforderungen in Bezug auf Reinheit
Rückumwandlung in Elektrizität genutzt rankompressor der NEA Group. Dort hat und Feuchtigkeit voraus. Aktuell werden
werden kann. EGAT ein Pumpspeicherkraftwerk mit ei- bis zu zehn Volumenprozent bei der Was-
Auf dem Kavernenfeld von Epe im ner Spitzenlast von 1.000 MW moderni- serstoffkonzentration gefordert. Zudem
westfälischen Gronau tragen NEA-Kol- siert. Wasser wird dort zur Stromerzeu- muss gewährleistet sein, dass der Heizwert
benkompressoren seit mehr als zehn Jah- gung in eine 350 m unter dem Wasser- des resultierenden Gasgemisches inner-
ren dazu bei, dass dort Erdgas ein- und spiegel eines Reservoirs gelegene halb der Pipeline der Gasspezifikation ent-
ausgespeichert wird. Dies übernimmt ein Turbinen geleitet. Der erzeugte Strom spricht. Die Hofer-Membrankompressoren
sechskurbeliger Verdichter der Baugröße wird dann in einem PEM-Elektrolyseur in stellen in Brunsbüttel die öl-, leckage- und
320 mit 700 kN Stangenkraft (Bild 3). Ge- Wasserstoff und Sauerstoff umgewan- abriebfreie Verdichtung sicher und sorgen
meinsam mit dem deutschen Gas- delt. Der dann in Flaschenbatterien ge- somit für Produktreinheit.
18 gwf Gas + Energie 10/2021
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Bild 5: Mehrstufiger Im Jahr 2021 hat die H2-Mobilität, ins-
Membrankompressor (MKZ) besondere für die H2-Betankung von Bus-
sen, in Europa und Asien weiter an
Wachstum zugelegt. Mehrere Aufträge
für die mobile Betankung von Bussen,
darunter hydraulisch angetriebene Kol-
benkompressoren (TKH) mit Antriebsleis-
tungen zwischen 37 kW und 75 kW, er-
reichten die NEA Group in diesem Jahr.
Durch ihre platzsparende Containerauf-
stellung sind sie flexibel einsetzbar und
stehen somit für unterschiedliche Auf-
stellungsorte zur Verfügung. Eine Wasser-
Wasserstoffnutzung in der frei erfolgen. Im Schwerlastverkehr oder stofftankstelle mit Verdichter wird bei
Mobilität bei Zügen ist der der Einsatz besonders den Olympischen Winterspielen 2022 in
An Wasserstofftankstellen sorgen Kom- dann sinnvoll, wenn fossilbetriebene Mo- Peking zum Einsatz kommen.
pressoren dafür, dass Brennstoffzellen- toren gegen H2-Brennstoffzellen ausge-
fahrzeuge betankt werden können. Denn tauscht werden, weil die jeweilige Streck
für die Betankung ist es notwendig, dass nicht wirtschaftlich elektrifiziert werden
der Wasserstoff auf Drücke von bis zu können. Wenn also private PKW, LKW,
1.000 bar verdichtet wird. PKW werden Züge oder Schiffe betankt werden müs-
mit 700 bar, Busse und LKW mit 350 bar sen, entweder 2-stufige hydraulisch an-
betankt. Dies muss ohne Gasunreinhei- getriebene Kolbenkompressoren oder Neumann & Esser
ten und Abrasion sowie öl- und leckage- Membranverdichter eingesetzt werden. www.neuman-esser.de
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Gas + Energie 10/2021LinkedIn Twitter 19
WASSERSTOFF
WEH®-H2 Komponenten für die Fördertechnik
-
F ahrzeuge, die keine Emissionen wie
CO2, CO oder Stickoxide ausstoßen,
sondern nur Wasserdampf und Wärme
als Abfallprodukt erzeugen und darüber
hinaus in drei Minuten betankt werden
können sind Vorteile, die die Brennstoff-
zellentechnologie schon heute bietet.
Aus diesem Grund gilt sie als Schlüssel-
technologie für eine emissionsfreie Zu-
kunft. Kein Wunder, dass auch in der För-
dertechnik immer mehr auf die „kalte
Verbrennung“ der Brennstoffzellen ge-
setzt wird.
Wasserstoffbetriebene Flurförderzeu-
ge, wie Gabelstapler, Indoor-Schlepper
uvm. sind bereits weltweit im Einsatz
und spielen eine immer größere Rolle in
der Logistik, um u. a. den CO2-Footprint
von Unternehmensflotten zu reduzieren. Bild 1: Betankung eines wasserstoffbetriebenen Routenzuges mit der WEH® TK16 H2 35 MPa
Neben einem sauberen und effizienten (© BMW Group)
Mehrschichtbetrieb und der Verbesse-
rung der Arbeitsbedingungen, bieten die WEH
emissionsfreien „Arbeitstiere“ zahlreiche WEH erkannte früh die Zukunft alternativer Kraftstoffe und ist heute Weltmarkt-
weitere Vorteile. Im Gegensatz zu rein führer für alternative Betankungskomponenten.
batteriebetriebenen Flurförderfahrzeu- Bereits 1986 wurde das Produktprogramm um alternative Betankungskompo-
gen zeigen die wasserstoffbetriebenen nenten für Erdgas und Wasserstoff erweitert und die WEH GmbH Gas Technolo-
Pendants deutlich längere Einsatzzeiten. gy gegründet.
Darüber hinaus entfallen Batteriewechsel WEH ist nach ISO 9001 und der Druckgeräterichtlinie 2014/68/EU Anhang III,
sowie extra dafür benötigte Batterielade- Modul H zertifiziert, beschäftigt mehr als 200 Mitarbeiter und ist in über 50 Län-
stationen oder Batterieräume. dern international aktiv.
Die Betankung erfolgt einfach und
schnell an der Wasserstofftankstelle
(Bild 1). Hier kommt vor allem die WEH®
Füllkupplung TK16 H2 35 MPa (Bild 2) findet sich das Gegenstück, der WEH® WEH bietet noch viele weitere Was-
zum Einsatz, die sich sehr gut zur Schnell- Tanknippel TN1 H2 35 MPa. Dank der inte- serstoff-Betankungskomponenten so-
befüllung eignet. Im H2-Gabelstapler be- grierten Drehdurchführung direkt am Be- wohl für Tankstellen als auch Fahrzeuge,
tätigungshebel, wird die Füllkupplung wie Abreißsicherungen, Filter und Rück-
einfach in die optimale An- schlagventile und in verschiedenen
schlussposition gebracht Druckstufen bis zu 700 bar.
und auf den Tanknippel
gesteckt. Durch Betäti-
gen des Hebels wird die
druckdichte Verbindung
hergestellt und der Tankvorgang
startet.
Nach der Betankung wandelt die
Bild 2: Brennstoffzelle den Wasserstoff direkt im
WEH® Füll- Gabelstapler in elektrische Energie um.
kupplung TK16 Diese wird dann für den umweltfreundli- Kontakt:
H2 35 MPa zur Betankung chen Antrieb zum Fahren und für die Hy- WEH
von Flurförderzeugen und PKWs draulik des Fahrzeuges verwendet. www.weh.de/betankung-wasserstoff.html
20 gwf Gas + Energie 10/2021
WASSERSTOFF
Grüner Wasserstoff per Elektrolyse – Das REFHYNE-Projekt
im Shell Energy and Chemicals Park Rheinland
Wasserstoff in Raffineriepro Schlüsseltechnologie on von Chlor im Vordergrund, und Was-
zessen Elektrolyse serstoff ist nur das Nebenprodukt. Neben
Wasserstoff wird heute fast ausschließlich Grüner Wasserstoff aus erneuerbaren der alkalischen Wasserelektrolyse ist in-
aus fossilen Energien hergestellt. Teilwei- Energien kann den CO2-Fußabdruck der zwischen auch die Proton-Exchange-
se fällt er als Nebenprodukt bei chemi- Raffinerie und ihrer Produkte reduzieren. Membran- bzw. PEM-Wasserelektrolyse
schen Prozessen an – zum Beispiel bei Die Elektrolyse auf der Basis von Strom eine ausgereifte Technologie.2
der Chlor- oder der Benzin-Herstellung; aus erneuerbaren Energien gilt als Schlüs- Die ökonomische und ökologische
die gezielte Wasserstoffherstellung er- seltechnologie zum grünen Wasserstoff. Attraktivität der Elektrolyse wird von der
folgt meist durch Erdgas-Dampfreformie- So beabsichtigt die Bundesregierung in Verfügbarkeit günstigen Stroms aus er-
rung, auch Steam Methane Reforming ihrer Nationalen Wasserstoffstrategie ei- neuerbaren Energien (EE) bestimmt; sie
(SMR) genannt. nen Heimatmarkt für grünen Wasserstoff hängt jedoch auch von weiteren Fakto-
Die Rheinland Raffinerie verbraucht aufzubauen - bis 2030 mit Erzeugungska- ren wie Energieaufwand, Umwandlungs-
jährlich etwa 180.000 t Wasserstoff. Die- pazitäten von 5 GW sowie einer Erzeu- wirkungsgrad bzw. H2-Ausbeute pro
ser Wasserstoff wird zur Entschwefelung gung von rd. 3 Mio. t grünem Wasser- Stromeinsatz, Kapazität und Auslastung
(Gasöl, Naphtha) und zum Cracken (Hyd- stoff.1 der Konversionsanlage ab. Die Wirkungs-
rocracker) verwendet. Der Großteil des Bei der Elektrolyse wird ein Einsatz- grade von Wasser-Elektrolyseuren liegen
Wasserstoffs fällt als Nebenprodukt - et- stoff, zum Beispiel Wasser, mit Hilfe von heute je nach Verfahren bei 60-80 %.
wa bei der Benzin-Reformierung - an; die elektrischem Strom in Wasserstoff und
zusätzlich benötigten Wasserstoffmen- Sauerstoff zerlegt. Kommerziell seit 100
2 Shell, Shell Wasserstoffstudie. Energie der Zukunft?
gen werden durch Erdgas-Dampfrefor- Jahren genutzt wird die Chlor-Alkali-Elek-
Nachhaltige Mobilität durch Brennstoffzelle und H2,
mierung hergestellt. Dieser zusätzliche trolyse. Dabei steht jedoch die Produkti- Hamburg/Berlin 2017, S.14-17; Ilona Dickschass, Sie-
Anteil von etwa 15-25 % könnte grund- mens AG / Tom Smolinka, Fraunhofer ISE, Wasserelek-
trolyse an der Schwelle zur großskaligen Industriali-
sätzlich durch Wasserstoff aus Elektrolyse 1 Bundesregierung, Die Nationale Wasserstoffstrategie. sierung – Trends und Herausforderungen bis 2030,
ersetzt werden. Schlüsselelement der Energiewende, Berlin 2020. Vortrag, Berliner Energietage 2019.
gwf Gas + Energie 10/2021 21
WASSERSTOFF
Die Treibhausgasemissionen bei der geschalteten Anlagenteile mit der elektri- Regulatorische Voraussetzun
Herstellung von Wasserstoff mit der Was- schen Einbindung und der Vorbehand- gen für grünen Wasserstoff
serelektrolyse aus EE-Strom fallen deut- lung des Wassers sowie der Aufarbeitung Das REFHYNE-Projekt ist für die Raffinerie
lich geringer aus als bei der Erdgas- des Wasserstoffs. ein kleines, aber zur Erprobung im Raffi-
Dampfreformierung. Jedoch sind die Durch REFHYNE soll eine Stabilisie- nerieumfeld für die neue PEM-Technolo-
Erzeugungskosten für Elektrolyse-Was-
rung des Stromnetzes innerhalb der Raffi- gie großes 10 MW-Projekt. Im nächsten
serstoff - insbesondere durch die hohen nerie ermöglicht und auch extern zum Technologieschritt kommt die Skalierung
EE-Stromkosten in Deutschland - deutlich Netzausgleich angeboten werden. Die auf eine 100 MW Dimension. Die von ITM
höher. Elektrolyse wird mit EE-Strom aus über Power entwickelte modulare PEM-Elekt-
Power Purchase Agreements (PPAs) be- rolyse kann gut auf 100 MW hochskaliert
trieben. werden. Deutlich größere Anlagen wer-
REFHYNE am Raffineriestand den jedoch für die Erreichung der ange-
ort Wesseling strebten 5 GW Elektrolyse-Kapazitäten bis
Als große Wasserstoffverbraucher sind Neue Märkte für grünen 2030 benötigt. Dies gilt umso mehr für
Raffinerien naheliegende Standortoptio- Wasserstoff die europäische Wasserstoffstrategie, die
nen für Elektrolyseure. Insofern macht es Grüner Wasserstoff ist ein anpassungsfä- bis 2024 6 GW und bis 2030 40 GW Elekt-
Sinn, einen Elektrolyseur in den Shell higer, flexibler Energieträger für eine Viel- rolyse-Kapazitäten für grünen Wasser-
Energy and Chemicals Park Rheinland zu zahl von (neuen) Anwendungen: stoff anstrebt.4
integrieren. Im Jahre 2017 gab es dazu ei- Der erzeugte Wasserstoff kann in Raf- Bei den heutigen Rahmenbedingun-
ne FCHJU-Ausschreibung mit dem Ziel, finerien zur Produktveredelung einge- gen bleibt grüner Wasserstoff gegenüber
eine Elektrolyse-Anlage in einer Raffinerie setzt werden. So kann der CO2-Fußab- grauem Wasserstoff auch in Zukunft teu-
zu erproben. Shell war zusammen mit druck von Raffinerieprodukten wie Ben- rer. Um den Hochlauf des grünen Wasser-
ITM, SINTEF, Sphera und Element Energy zin und Diesel verringert werden. Er kann stoffs in Deutschland für Hersteller, Ver-
in dieser Bewerbung erfolgreich.3 – in begrenztem Ausmaß - in heutige markter und Kunden zu beschleunigen,
Im Zeitraum 2018 bis 2021 erfolgten Gasnetze und Gasspeicher beigemischt müssen wichtige Rahmenbedingungen
Planung, Genehmigung, Installation und bzw. eingespeist werden. erfüllt werden:
Inbetriebnahme des Elektrolyseurs. In Der Wasserstoff aus der REFYHNE-An- ■ In der Phase des Markthochlaufs müs-
den ersten zwei Jahren soll die Anlage lage wird mit dem Reinheitsgrad 5.0 die sen grüne Elektrolyse-Kapazitäten
durch Studien analysiert werden, bevor Anforderungen von Brennstoffzellen er- substanziell von der öffentlichen
sie in den Normalbetrieb übergeht. Die füllen. Er kann z. B. die Versorgung der Hand finanziell unterstützt werden
Gesamtinvestitionen für REFHYNE belau- fast 50 Brennstoffzellen-Busse der Regio- – durch direkte Investitionsförderung
fen sich auf etwa 18 Mio. €, wovon die nalverkehr Köln GmbH (RVK) sicherstel- und/oder durch Ausgleich der Be-
European Fuel Cell Hydrogen Joint Un- len. Darüber hinaus kann er in das Tank- triebskosten aufgrund des hohen
dertaking insgesamt 10 Mio. € zur Verfü- stellenetz von H2Mobility geliefert Strompreises gegenüber dem niedri-
gung stellt. werden – wie künftig zur Wasserstoff- gen Erdgaspreis.
Der PEM-Elektrolyseur wurde von ITM tankstelle in Wesseling unmittelbar vor ■ Fossile Energien müssen mit einem
Power gebaut und wird seit Sommer von dem Werksgelände. angemessenen CO2-Preis belegt wer-
Shell betrieben. Er ist der größte seiner Wasserstoff kann in der Stahlindustrie den. Der Einstieg in die CO2-Beprei-
Art in Europa, der in industriellem Maß- als Reduktionsmittel eingesetzt werden, sung mit dem nationalen Emissions-
stab heute zum Einsatz kommt. Der Elek- dazu sind jedoch Umstellungen in den handel mit Festpreisen von 25 €/t CO2
trolyseur hat eine Spitzenleistung von Produktionsanlagen von Erdgas auf Was- ist insofern nur ein erster Schritt.
10 MW und ist in der Lage, ungefähr 4 t serstoff notwendig. In der Chemieindust- ■ Die Abgaben auf Strom treffen auch
Wasserstoff pro Tag bzw. 1.300 t pro Jahr rie wird er schon heute zur Herstellung die neuen Energieträger wie Wasser-
zu produzieren. Im Herz der Elektrolyse von Ammoniak oder Methanol einge- stoff. Für die Elektrolyse benötigter
arbeiten fünf Module à 2 MW, um die setzt. Strom dauerhaft von der EEG-Umlage
10 MW-Kapazität zu erreichen. Jedes Mo- Schließlich kann insbesondere eine und weiteren Stromumlagen (wie
dul besteht aus drei PEM-Stacks und ist in PEM-Elektrolyse für den primären, sekun- KWK-, Netz- und Transportentgelte)
der Lage, Wasserstoff bis zu 20 bar Druck dären oder tertiären Stromnetzausgleich ausgenommen werden.
zu produzieren. Um diesen Kern der Elek- verwendet werden. Dabei geht es um die ■ Die Zulassung einer angemessenen
trolyse gruppiert sind die vor- und nach- optimale Einbindung von fluktuierenden zeitlichen Bilanzierung der Strom-
erneuerbaren Energien in Verbindung
mit der kurzfristigen Abnahme über-
3 Weltgrößte Wasserstoff-Elektrolyse entsteht in der 4 European Commission, A hydrogen strategy for a cli-
Rheinland Raffinerie, Pressemitteilung, Shell Deutsch-
schüssigen Stroms durch eine reaktions- mate-neutral Europe, Communication, COM (2020)
land Oil, Köln, den 18.1.2018. schnelle PEM-Elektrolyse. 301 final, Brussels, 8.7.2020.
22 gwf Gas + Energie 10/2021
WASSERSTOFF
mengen aus verschiedenen Quellen ■ Zudem sollte es für nachhaltige Flug- Autoren:
aus Erneuerbaren Energien auf Mo- kraftstoffe (auch Sustainable Aviation Dr. Jörg Adolf, Corprate Relations, Shell
natsbasis ist wichtig, solange in das Fuels), die mit Hilfe von grünem Was- Deutschland
Stromnetz nicht zu 100 % EE-Strom serstoff hergestellt werden, eine reali- Dr. Jörg Dehmel, Rheinland Technology
eingespeist wird. Damit könnten heu- sierbare und ansteigende Unterquote Manager, Shell Deutschland
te schon hohe Volllaststunden bei der geben.6 Dr. Frithjof Kublik, Consultant, Shell
Elektrolyse ermöglicht werden. Deutschland
■ Bei der Produktion von konventionel-
len Kraftstoffen eingesetzter grüner www.shell.com
Wasserstoff sollte wie im Entwurf des
Bundesimmissionsschutzgesetzes
vorgesehen, auf die Treibhausgasmin-
derungsquote für Kraftstoffe mehr-
fach angerechnet werden.5
5 Deutscher Bundestag Drucksache 19/27672, 19.
Wahlperiode 17.03.2021, Entwurf eines Gesetzes zur
Umsetzung von Vorgaben der Richtlinie (EU)
2018/2001 des Europäischen Parlaments und des
Rates vom 11. Dezember 2018 zur Förderung der
Nutzung von Energie aus erneuerbaren Quellen
(Neufassung) für Zulassungsverfahren nach dem
Bundes-Immissionsschutzgesetz, dem Wasserhaus-
haltsgesetz und dem Bundeswasserstraßengesetz 6 Entwurf BImSchG ebd.
Neu: Clamp-On Gas-Durchflussmessung einfach gemacht
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bietet Brennstoffzellenstacks und
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Spektrum an Anwendungen an
Die Brennstoffzelle für die Mobilität von morgen
Notwendigkeit einer kli kraftwerke reduziert, so dass der Bedarf nutzt und können nicht gleichzeitig für
mafreundlichen Mobilität größer wird, Spitzenlasten möglichst zu Ladevorgänge bereit stehen.
2018 hat der Mobilitätssektor zu 25 % vermeiden und Energiekonsum aus ver- Der besondere Vorteil von Wasser-
zum globalen CO2-Ausstoß beigetragen.1 brauchsintensiven Zeiten in verbrauchs- stoff für den Umbruch hin zu einer dekar-
Von den etwa 8,26 Mrd. t CO2 entfiel mit arme Zeiten zu überführen. Die Eigen- bonisierten Welt ist die Möglichkeit sei-
6,09 Mrd. t der überwiegende Teil auf schaft, Stromerzeugung und -verbrauch ner zeitsynchronen Wandlung, die hoch
den Straßenverkehr. Um die international voneinander zu entkoppeln, erlangt so- dynamisch dem Angebot folgen kann
gesetzten Ziele zur CO2-Reduktion bzw. mit immer mehr Bedeutung. Infolgedes- und den CO2-freien Strom anschließend
-Neutralität in den kommenden 30 Jah- sen muss die über den Tagesverlauf fluk- transportabel, beliebig lange speicherbar
ren zu erreichen, setzt man auch am Ver- tuierende Verfügbarkeit CO2-freien und universell nutzbar macht. Der resul-
kehrssektor an und zielt darauf ab, den Stroms in eine zeitlich unabhängige Spei- tierende hohe Einsatz erneuerbarer Quel-
Straßenverkehr vorrangig durch Elektrifi- cherinfrastruktur überführt werden. Als len über das heute übliche Maß hinaus
zierung zu dekarbonisieren. Konsequenz daraus ist es für den Mobili- überwiegt die Effizienzverluste auf dem
Damit ein solcher Massenmarkt elekt- tätssektor unabdingbar, dass die über- Weg der Rückverstromung in Fahrzeu-
rischer Fahrzeuge funktioniert, müssen wiegende Anzahl an Ladevorgängen zur gen oder stationären Anwendungen.
aber vermehrt erneuerbare Stromquellen Tagzeit stattfindet, zu der ausreichend
aus Solar- und Windkraftanlagen genutzt Sonne und Wind als Energiequelle zur
werden. Jedoch wird in den nächsten 10 Verfügung steht. Der Pkw-Sektor folgt Wasserstoff als Energieträger
Jahren die Anzahl fossiler Spitzenlast- dieser Notwendigkeit, indem Ladevor- Einerseits ist Wasserstoff das häufigste
gänge nachts am Wohnort oder tagsüber Element im Universum, andererseits
entzerrt an der Arbeitsstelle vorgenom- kommt er – außer in unserer lebensspen-
1 https://de.statista.com/statistik/daten/stu-
die/317683/umfrage/verkehrsttraeger-anteil-co2-
men werden. Im Transportsektor hinge- denden Sonne – nicht in seinem elemen-
emissionen-fossile-brennstoffe/ gen werden die Fahrzeuge tagsüber ge- taren, gasförmigen Zustand vor. Er um-
24 gwf Gas + Energie 10/2021WASSERSTOFF
gibt uns gebunden in Form von Wasser,
fossilen Kohlenwasserstoffen und allen
organischen Verbindungen. Um Wasser-
stoff als Energieträger zu nutzen, kann er
mittels unterschiedlichster Verfahren
(Bild 1) aus diesen Verbindungen gelöst
und anschließend einfach und beliebig
lange gespeichert werden. Diese Variabi-
lität der Wasserstoffgewinnung prädesti-
niert das erste Element im Periodensys-
tem als gut geeignete Speicherlösung,
gerade für die Nutzung erneuerbarer Pri-
märenergiequellen, die in vielen Fällen
starken Fluktuationen in ihrer Verfügbar-
keit unterliegen.
Während bei der Umwandlung von
Solar- und Windstrom die Elektrolyse von
Wasser genutzt wird, wird durch chemi-
sche und thermische Verfahren (z. B. Re- Bild 1: Die Bipolarplatte, Kernelement eines Brennstoffzellenstacks, regelt die Zufuhr von Wasser-
formierung oder Pyrolyse) aus vielfältigen stoff und Luft sowie die Abfuhr von Wasser
Methanquellen effizient Wasserstoff ge-
wonnen. Somit kann aus nachhaltigem
Biogas oder selbst aus Klärschlamm und werden können, genauso aber die H2-La- gie die Einsatzmöglichkeit reiner
Bioabfällen2 das energiereiche Gas kli- gerfähigkeit in stationären Tanks ermögli- Brennstoffzellensysteme in Fahrzeugan-
maneutral erzeugt werden. chen. wendungen. Daher wird darin stets auch
Dass Wasserstoff schon heute ein all- Für einen weiter gehenden Umstieg eine leistungsfähige Hochvoltbatterie
tägliches und sicheres Industrieprodukt der Wirtschaft auf Wasserstoff als vorran- verwendet, die sowohl den Ausgleich der
ist, zeigt der Verbrauch von weltweit ins- gigen Energieträger ist auch das beste- Leistungsspitzen als auch die Speiche-
gesamt etwa 117 Mio. t im Jahr 2019. Die hende Erdgasnetz in Deutschland als Ba- rung der Bremsleistung übernimmt. De-
Speicherung des leichten Gases erfolgt sis geeignet, das laut Nationaler Wasser- ren Größe ist jedoch deutlich geringer als
für die meisten Anwendungen in Druck- stoffstrategie u. a. durch spezifische in reinen batterieelektrischen Fahrzeu-
behältern von 200-700 bar oder – unter Zubauten von ca. 5.900 km weiter an die gen und liegt in der Größenordnung von
zusätzlichem Energieaufwand bei der wachsenden Anforderungen aus Indust- ca. 1,5 kWh für Pkw bzw. 70 kWh für
sehr niedrigen Temperatur von -253 °C rie und den Verkehrssektor angepasst schwere Nutzfahrzeuge. Der besondere
verflüssigt – in Kryotanks. Für den Trans- werden soll.5 Vorteil von Hybridfahrzeugen, die mit ei-
port zu Industriekunden oder zu den ak- ner Batterie und einer Brennstoffzelle
tuell 92 Wasserstofftankstellen3 in ausgestattet sind, liegt neben der On-
Deutschland werden v.a. Drucktanktrailer Vielfältige Anwendungsmög board-Energieerzeugung und der damit
verwendet. Innerhalb der Industriebal- lichkeiten für die Brennstoff verbundenen Reichweitenverlängerung
lungsräume in NRW und Sachsen existie- zelle in der flexiblen Nutzung der vorhande-
ren zur Verteilung schon seit Jahrzehnten Die Elektrifizierung des Antriebsstrangs nen Ladeinfrastruktur durch Verwen-
Pipelinenetze von 240 bzw. 150 km Um- für Lkw und Pkw mittels Brennstoffzelle dung größerer Akkus.
fang.4 Darüber hinaus sind inzwischen erfolgt immer in Form eines Hybridkon- Auch für Busse, Sonderfahrzeuge und
flüssige organische Wasserstoffträger, so- zepts. Obwohl Niedertemperatur-Memb- Züge eignen sich Brennstoffzellen als lo-
genannte Liquid Organic Hydrogen Carri- ranbrennstoffzellen durchaus in der Lage kal CO2-freie Elektrifizierung. Gerade in
ers, verfügbar, die für Transport von Was- sind, der Fahrdynamik in Fahrzeugen zu Deutschland werden durch Förderung
serstoff in Tankfahrzeugen eingesetzt folgen, limitiert zum einen die Regelge- innerhalb der nationalen Wasserstoffiniti-
schwindigkeit der Luft- und Wasserstoff- ative NIP 26 zahlreiche Demonstrations-
versorgung, zum anderen die effizienz- und Markteinführungsprojekte in diesen
2 https://gwf-wasser.de/forschung-und-entwicklung/
wasserstoff-aus-klaerschlamm-gewinnen/
steigernde Rekuperation der Bremsener- Sektoren umgesetzt. Angefangen bei der
3
beginnenden Umstellung der Stadtbus-
https://h2.live/
4 https://www.energieagentur.nrw/brennstoffzelle/ 5 https://www.chemietechnik.de/energie-utilities/
brennstoffzelle-wasserstoff-elektromobilitaet/was- plaene-fuer-ein-nationales-wasserstoff-netz-in- 6 https://www.now-gmbh.de/foerderung/foerderpro-
serstoffspeicher_distribution_tankstellen deutschland-341.html gramme/wasserstoff-und-brennstoffzelle/
gwf Gas + Energie 10/2021 25WASSERSTOFF
flotten7 auf Brennstoffzellen über serien- durchschnittlicher Energieverbrauch von samtleistung von 350kW. Die auch für
reife Müllsammelfahrzeuge8 bis hin zu 125 kWh/100 km angenommen wird, den Brennstoffzellenantriebsstrang not-
der wachsenden Anzahl an Wasserstoff- führt das bei einer angestrebten Reich- wendige Hochvoltbatterie besitzt zum
zügen9, die schon heute auf vielen Stre- weite von 800 km zu einer Netto-Batte- Ausgleich der Leistungsspitzen beim Be-
cken eine wirtschaftliche Alternative zur riegröße von ca. 1 MWh. Im Vergleich schleunigen und Bremsen eine Kapazität
Elektrifizierung sind. zum Lithium-Ionen-Speicher mit bis zu von 72 kWh. Daraus ergeben sich Fahr-
Weil Brennstoffzellen so flexibel ein- 100 kWh in einem Pkw-Modell, das ca. leistungen und Nutzungsprofile, die heu-
setzbar sind, können sie unterschiedliche 700 bis 800 kg auf die Waage bringt, wür- tigen Dieselfahrzeugen entsprechen.
Verbrennungskraftmaschinen hervorra- de dies hochgerechnet beim 40-Tonner Dies wird bereits sehr erfolgreich beim
gend ersetzen. So kann eine im passen- ein Speichergewicht von über 7 t bedeu- Schweizer Coop-Konzern bewiesen, der
den Leistungsniveau angesiedelte Stack- ten. Im Vergleich zum Diesel-Lkw min- seit letztem Jahr seine Flotte auf Brenn-
plattform oftmals nur durch geringe An- dert diese zusätzliche Masse unter Abzug stoffzellen-Lkw umstellt. Insgesamt wer-
passung zu Lande, zu Wasser und in der des fehlenden Verbrennungsmotors die den bis 2025 in Summe 1.600 Wasser-
Luft für den Antrieb eingesetzt werden. Nutzlast des E-Lasters in einer Größen- stofflaster in der Schweiz in Betrieb
In der letzten Zeit wurden Projekte publi- ordnung von 6 t und mehr. genommen und im alltäglichen Lieferbe-
ziert, die zeigen, dass sich die Verwen- Ein weiterer Aspekt, der im Schwer- trieb zu den Coop-Filialen und in der Lo-
dung von Wasserstoff zukünftig auf diese lastbereich eine neue Dimension erfah- gistik weiterer Unternehmen einge-
Sektoren ausdehnen wird. ren wird, ist der Ladevorgang des Ener- setzt.16
Ein entsprechendes Beispiel ist die giespeichers. Nimmt man an, dass für Der Tankvorgang der 31 kg Wasser-
vom Airbus und der ElringKlinger AG ge- 400 km Reichweite der Lkw-Akku binnen stoff nimmt etwas über 10 min in An-
gründete Gesellschaft, die die im Auto- 30 min mit 50 % seiner Kapazität beladen spruch und ermöglicht damit die volle
motive-Bereich vielfach erprobte Brenn- werden soll, ergibt sich die Notwendig- Reichweite von 400 km. Diese ist letztlich
stoffzellentechnologie von ElringKlinger keit, hierfür eine Ladeleistung von 1 MW von der noch verwendeten 350 bar-
für den Einsatz im Luftfahrtsektor weiter- zur Verfügung zu stellen. Neben der noch Drucktanktechnologie begrenzt, die je-
entwickelt.10 Auch im Schiffsantrieb er- fehlenden Ladeinfrastruktur und deren doch in kommenden Fahrzeugen vor al-
möglicht es die Membranbrennstoffzelle, Handhabung stellt auch die aus den La- lem auf die 700 bar-Pkw-Tanktechnologie
elektrische Antriebe im Megawattbereich deverlusten der Li-Ionen-Batterien von umgestellt werden dürfte. Daraus ergibt
zu realisieren und somit den Verzicht auf 8-10 % resultierende Abwärme12 eine be- sich eine Gesamtreichweite von 800 bis
Diesel oder hoch klimaschädliches sondere Kühlleistungsanforderung an 1.000 km bei weiterhin erreichbaren
Schweröl ermöglichen.11 Für die Brenn- das Fahrzeug. Zum Schutz der empfindli- Tankzeiten von rund einer Viertelstunde.
stoffzellentechnologie eröffnet sich da- chen Batteriezellen muss bei solch einem
durch ein unheimlich breites Anwen- Schnellladevorgang für 30 min eine Wär-
dungsspektrum. meleistung von ca. 100 kW aus dem ste- Die Mobilität von morgen
henden Fahrzeug und einer Kühlwasser- Gerade im Automobilbereich ist – getrie-
temperatur von 50-60 °C abgeführt wer- ben durch die Emissionsanforderungen
Wasserstoff insbesondere im den. in Kalifornien17 – das Thema Brennstoff-
Transportsektor vorteilhaft Auch für wasserstoffbetriebene zellenantrieb schon seit den 1990er Jah-
Die Dimensionen der Energiespeicher Schwerlastfahrzeuge sind Kennzahlen ren ein wichtiges Entwicklungsthema.
und die Ladung zukünftiger batterieelek- aus den Veröffentlichungen der daran Durch die Nähe zur globalen Automobil-
trischer LKW können anhand der heute entwickelnden Unternehmen13,14 bzw. industrie und die breit gefächerte Exper-
bekannten Daten der in der Entwicklung den ersten Serienfahrzeugen15 verfügbar. tise ist die Entwicklung von Brennstoff-
befindlichen Fahrzeuge gut abgeschätzt Die darin beschriebenen 18 Tonner (mit zellenkomponenten und -stacks seit
werden. Wenn bei einem E-Truck z.B. ein 18t Anhänger) haben eine Brennstoffzel- 20 Jahren auch ein Kernthema bei Elring-
len-Leistung von 180kW und eine Ge- Klinger. Sein Wissen aus dem ange-
7 https://www.wasserstoff-rheinland.de/project/rvk- stammten Dichtungsgeschäft der Kon-
bz-busse/
12 https://www.fuhrpark.de/ladegeschwindigkeit-von-
zern konsequent eingesetzt, um sein
8 https://www.faun.com/produkte/alternative_antrie- e-autos-soll-extrem-steigen Knowhow in dieser Zukunftstechnologie
be/bluepower/ stetig zu vergrößern und leistungsfähige
13 https://www.autoevolution.com/news/toyota-will-
9 https://www.alstom.com/de/our-solutions/rolling- make-fuel-cell-modules-for-hydrogen-powered- Brennstoffzellenstacks nun serienreif an-
stock/coradia-ilint-der-weltweit-erste-wasserstoff- heavy-duty-trucks-168070.html
zug
bieten zu können.
14 https://www.mantruckandbus.com/en/innovation/
10 https://www.elringklinger.de/de/investor-relations/ hydrogen-meets-truck-man-is-building-initial-proto-
mitteilungen/pressemitteilungen/14-10-2020 types.html 16 https://www.electrive.com/2020/10/07/hyundai-de-
livers-xcient-h2-trucks-for-customers-in-switzerland/
11 https://flagships.eu/2021/04/07/worlds-first-hydro- 15 https://trucknbus.hyundai.com/global/en/products/
gen-cargo-vessel-set-for-paris-debut/ truck/xcient-fuel-cell 17 https://ww2.arb.ca.gov/about/history
26 gwf Gas + Energie 10/2021WASSERSTOFF
Durch die Gründung des Gemein- platten und automobilerprobter Kompo-
schaftsunternehmens EKPO Fuel Cell nenten entwickelten Stacks sind für in-
Technologies GmbH (EKPO) zusammen dustrielle Fertigung in hoher Stückzahl
mit dem französischen Zulieferer Plastic optimiert und garantieren einen sicheren
Omnium entstand im März 2021 daraus Betrieb selbst unter den herausfordernds-
ein erfahrener Entwicklungspartner und ten Betriebsbedingungen (Bild 2).
Serienlieferant der weltweiten Brenn- In Bezug auf Leistungsdichte, Stabili-
stoffzellenindustrie. Gerade diese lang- tät bei Schock und Vibration sowie den
jährige Erfahrung in der Entwicklung und Froststart erfüllen die Stapel von EKPO
Herstellung von langlebigen Hochleis- die vielfältigen anspruchsvollen Heraus-
tungsstacks für automobile Anwendun- forderungen der unterschiedlichsten In-
gen, die nun von ElringKlinger auf die EK- dustrien. Nicht zuletzt deshalb konnten
PO übertragen wurde, ermöglicht es, op- mit dieser Technologie namhafte Unter-
timal auf die Kundenbedürfnisse nehmen wie Airbus und Plastic Omnium
zugeschnittene Produkte in die zuneh- als Partner sowie AEDS18, GCK19 und wei-
mend nachgefragten Wasserstoffsyste- tere asiatische OEMs als Kunden gewon-
me zu liefern. Dabei ist EKPO mit seinen nen werden. Diese sind von der Leis-
Wurzeln in der hochvolumigen Fertigung tungsfähigkeit der EKPO-Stacks über- Bild 2: Der NM12 single-Stack der EKPO ist mit
von Fahrzeugkomponenten für an- zeugt und setzen sie für ihre seinen 359 Zellen insbesondere für Anwen-
spruchsvolle OEMs vom Start weg in der Brennstoffzellensysteme ein. dungen mit höheren Leistungsanforderungen
Position, anfangs bis zu zehntausend Stellberger fasst zusammen: „Mit stei- (>120 kW) geeignet
Brennstoffzellenstapel nach Automobil- gender Stückzahl im Nutzfahrzeug- und
standards mit höchster Qualität und zu Bussektor werden über Skaleneffekte die triebstechnologie man sich entscheidet.
marktfähigen Kosten jährlich zu liefern. Kosten je Stack weiter sinken. Das macht Die Brennstoffzelle kann dabei zahlreiche
„Die Produktionskapazitäten dafür stehen den Brennstoffzellenstack umso interes- Vorteile einbringen.“
schon bereit,“ wie Dr. Gernot Stellberger, santer für den Pkw-Bereich, dabei insbe-
Geschäftsführer Strategie und Finanzen sondere für die leistungsfordernden SUVs
der EKPO, unterstreicht. und Langstrecken-Pkw.“ Damit werde die
Die Stackplattformen NM5 evo, NM12 Brennstoffzellentechnologie die An-
single und twin bieten den Fahrzeug- triebsarten für die zukünftige Mobilität
und Systemherstellern robuste und er- sinnvoll ergänzen. „Im Ergebnis werden
probte Technologie, die auch unter äu- wir,“ so Stellberger, „in Zukunft eine Ko-
ßerst dynamischen Lastanforderungen existenz der verschiedenen Technologi-
hohe Leistung, lange Lebensdauer und en sehen. Die Anwendung wird letztlich
eine hohe Effizienz sicherstellen (Bild 1). ausschlaggebend sein, für welche An-
Die Produktlinien im Leistungsbereich Autor:
von bis zu 80 kW, 125 kW und 205 kW 18
Dr. Joachim Scherer
https://www.electrive.net/2021/05/18/bz-grossauf-
starten jeweils im Zeitraum von Anfang trag-fuer-ekpo-fuel-cell-technologies/ Head of Product Engineering
2022 bis Mitte 2023 in die Serienferti- 19 https://fuelcellsworks.com/news/gck-to-develop-its-
Components
gung. Die auf Basis metallischer Bipolar- own-fuel-cell-system/ EKPO Fuel Cell Technologies GmbH
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gwf Gas + Energie 10/2021 27WASSERSTOFF Ein umfassender Drucktest mit Wasserstoff gibt Sicherheit, dass die Grenzwerte eingehalten und flüchtige Emissionen minimiert werden Zuverlässige Absperrungen und Prüfungen bei Wasserstoffanwendungen Durch zuverlässige Absperrarmaturen, die richtige Auswahl von Werkstoffen sowie standardisierte Druckprüfungen können Anwender die Betriebssicherheit in den bestehenden und neuen Einsatzbereichen von Wasserstoff erhöhen. Neben wasser- stofftauglichen Spezialkugelhähnen und Bohrlochköpfen bietet Hartmann Valves auch Materialeignungsprüfungen und Dichtheitstests für das anspruchsvolle Medium Wasserstoff (H2) an. Erweiterte freundliche Lösung dar, um zukünftig Kugelhähne – Sichere Anwendungsgebiete große Energiemengen zum Ausgleich Absperrung Spezialarmaturen, die dem anspruchs- zwischen Erzeugung und Bedarf zu Die langlebigen Hartmann Spezialkugel- vollen Medium Wasserstoff gewachsen speichern. In allen Anwendungsberei- hähne verfügen über eine rein metalli- sind, kommen in der Petro-/Chemie be- chen ist ein sicherer Umgang mit Was- sche Abdichtung zwischen Kugel und reits seit Jahrzehnten zum Einsatz. Im serstoff entscheidend, so dass zuverläs- Sitzring und sind auch bei Drücken bis Zuge der Energiewende soll Wasserstoff sigen Absperrarmaturen eine besondere 690 bar gasdicht (Bild 2). Sonderausfüh- eine entscheidende Rolle spielen und Bedeutung zukommt. H2-Kugelhähne, rungen sind auch für Temperaturen bis wird zunehmend auch in anderen An- die bereits erfolgreich im Einsatz sind 550 °C erhältlich. Auch bei hohen Schalt- wendungsfeldern vorkommen (Bild 1): und deren Wasserstofftauglichkeit so- häufigkeiten, bis zu 200.000 Schaltungen von der Strom-Erzeugung (wie Power- wie Erfüllung höchster Dichtheitsanfor- pro Jahr, bieten die Kugelhähne eine zu- to-Gas), über den Transport (in Erdgas- derungen nun auch in Testzertifikaten verlässige und wartungsarme Absper- netzen oder Wasserstoff-Pipelines) bis nachgewiesen werden können, stellen rung. Eine zusätzliche Sicherheit bietet hin zur Verarbeitung und Mobilität. Die einen wichtigen Erfolgs- und Vertrau- die Option mit zwei Barrieren in Druck- Untergrundspeicherung von Wasser- ensfaktor in allen Wasserstoffanwen- richtung (DIB) oder auf Wunsch eine Twin stoff in Kavernen stellt eine umwelt- dungen dar. Ball Valve (TBV) Ausführung, ein doppel- 28 gwf Gas + Energie 10/2021
WASSERSTOFF
ter Kugelhahn mit entsprechend bis zu
vier Barrieren in einer Armatur. Das Testen
in der Rohrleitung kann bei entsprechen-
Gasnetz + H2 Industrie
der Armaturenauswahl mittels der Doub- (Petro-/Chemie,
Verhüttung u.w.)
le Block and Bleed (DBB)-Funktion er- Elektrolyse
möglicht werden. H2 Pipeline
Raffinerie
Verdichter
Bohrlochköpfe – Sichere Untergrund-
Schnittstelle zum Speicher speicher
Heizen
Bei der zukünftig angedachten großvolu-
migen Speicherung von Wasserstoff in
Kavernen bilden Bohrlochköpfe die si- Mobilität
H2
chere Schnittstelle zwischen Untergrund Gas + H2
und obertägiger Anlage. Sie werden an
Erzeugung Transport Speicherung Nutzung
die besonderen Eigenschaften von Was-
serstoff angepasst. Die Hartmann Bohr- Bild 1: Erweiterte Anwendungsfelder: Für einen sicheren Umgang mit Wasserstoff sind geeignete
lochköpfe sind standardmäßig mit rein und zuverlässige Absperrarmaturen gefragt
metallisch dichtenden Kugelhähnen
nach API 6A ausgestattet, die im Standard
eine doppelte Abdichtung gegen den wird. Neben der Wasserstofftauglichkeit
Bohrungsdruck (DIB) besitzen. war eine zusätzliche Anforderung an die
Darüber hinaus können doppelte Ab- Absperrarmaturen, dass sie hohe Dicht-
dichtungen an den Flanschverbindun- heit über einen langen Betriebszeitraum
gen sowie zusätzliche metallische Dich- gewährleisten und zugleich möglichst
tungen am Wellhead integriert werden. wartungsarm sein sollten. 24 speziell ent-
Um Flanschverbindungen zu reduzieren, wickelte Kugelhähne (DN 25 und DN 50
ist auch ein Solidblock-Design, das heißt bis PN 100) sind in der Anlage erfolgreich
die Integration von mehreren Kompo- im Einsatz.
nenten in einem Block, möglich. Hartmann Bohrlochköpfe sind bereits
seit den 1990er Jahren in der Förderung
von Öl und Gas sowie in der Speiche-
Referenzen - Im Einsatz rung von Öl, Gas und anderen Produk- Bild 2 : Wasserstofftaugliche Hartmann Kugel-
erprobt ten im Einsatz. Darüber hinaus werden hähne verfügen über eine rein metallische,
In der asiatischen Petrochemie werden sie für tiefe geothermische Bohrungen gasdichte Abdichtung zwischen Kugel und
schon lange Wasserstoff-Kugelhähne ein- eingesetzt und leisten dort einen wichti- Sitzring
gesetzt, die auch bei extrem hohen Tem- gen Beitrag zur regenerativen, nicht fluk-
peraturbereichen Gasdichtheit gewähr- tuierenden Wärme und Energieversor-
leisten. So wurden von Hartmann bei- gung. In Deutschland befindet sich auch Rahmen des Hartmann Materialeig-
spielsweise DN 200 PN 420 Armaturen die erste europäische Speicherkaverne, nungstests umfassend geprüft, um Mate-
geliefert, die bei 184 bar bei 380 °C die Helium mit seinen ebenfalls sehr klei- rialermüdung und Wasserstoffversprö-
geschaltet werden, sowie DN 600 PN 420 nen Molekülen speichert und mit einem dung zu vermeiden. Zusätzlich zu den
Kugelhähne, die bei 191 bar und bei Hartmann Bohrlochkopf ausgerüstet bestehenden wasserstoffgeeigneten Tei-
426°C sicher schließen. Ein Anwendungs- wurde. len (grüner Hängerdoppelflansch) konst-
bereich im Rahmen der erneuerbaren Der erste Hartmann-Wellhead für die ruierte und fertigte Hartmann neue Bohr-
Energien, bei dem Wasserstoff abge- Wasserstoff-Bohrlochtestphase 1 wurde lochkopfkomponenten, einschließlich
sperrt wird, ist die Stromerzeugung im kürzlich in den Niederlanden installiert. metallisch dichtender API 6A Kugelhähne
Power-to-Gas-Verfahren. Hartmann Spe- Der Kunde Gasunie ist verantwortlich für (Bild 2). Im Rahmen der FAT wurde bei
zialkugelhähne sind unter anderem in der den Aufbau der nationalen Wasserstoff- Hartmann ein erfolgreicher Wasserstoff-
2013 errichteten Pilotanlage im branden- Infrastruktur. Im Rahmen des Projekts soll Test auf Dichtheit durchgeführt. Zudem
burgischen Falkenhagen im Einsatz. Mit- nachhaltiger Wasserstoff im unterirdi- bearbeitet Hartmann derzeit Bohrloch-
tels Elektrolyse wird hier aus Strom und schen Gasspeicher Zuidwending gespei- kopfaufträge für die Gasunie H2-Testpha-
Wasser bis zu 360 Nm3/h Wasserstoff her- chert werden. Zunächst wurde die vor- se 2 sowie für die ersten deutschen Was-
gestellt, der in das Erdgasnetz eingespeist handene Bohrlochkopfausrüstung im serstoffprojekte.
gwf Gas + Energie 10/2021 29Sie können auch lesen
