WASSERSTOFFTECHNIK - think ING.
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www.think-ing.de Februar | März 2022 kompakt D e i n E i n bli c k i n di e We l t d e r In ge ni e ur i nn e n u n d In ge ni e ur e WASSERSTOFFTECHNIK P O R T R ÄT © Michael Bokelmann D E R WA S S E R S T O F F - S TA H L ab Seite 2 A N W EN D U N GS B EI S P I EL E WA S S E R S T O F F -T R E N D S ab Seite 4 ALTES ELEMENT – NEUE ENERGIE Grau, blau, türkis, grün: Wasserstoff gibt es in unterschiedlichen Farben – oder genauer: Die Verfahren zur Herstellung von Wasserstoff werden in unterschiedlichen Farben angegeben. Alles strebt aktuell nach grünem Wasserstoff, weg von der schwarzen Kohle. Der neue Energieträger wird in der Mobilität, zur Dekarbonisierung der Industrie, zur Stromerzeugung und auf dem Wärmemarkt dringend gebraucht. Mit der Nationalen Wasserstoffstrategie möchte Deutschland zu einem globalen Vorreiter auf dem Gebiet des grünen Wasserstoffs werden. Das Ziel ist ganz klar: Der Einsatz von H2 soll die CO2-Emissionen in Verkehr und Industrie reduzieren und die Energiewende erfolgreich vorantreiben. Um ihre Produktion zu dekarbonisieren, tüfteln viele Unternehmen bereits an eigenen Lösungen. So will der Stahlerzeuger Salzgitter zum Stahlkochen statt Kokskohle Wasserstoff nutzen. Im Mobilitätssektor ist Daimler auf der Überholspur. Als effizientere Alternative zu vollelektrischen Antrieben bei Lkw setzt Daimler auf wasserstoffbasierte Brennstoffzellen. Als Schlüsseltechnologie steht die Wasserstofftechnik jetzt auch auf den Lehrplänen der Unis. Die Hochschule für angewandte Wissenschaften Würzburg- Schweinfurt bietet nun eigens den Bachelorstudiengang Wasserstofftechnik an. Wie genau das Studium aussieht, erzählt Studiengangsleiter Prof. Dr. Winfried Wilke.
CO2 in der Stahlherstellung durch den Einsatz von Wasserstoff. Zunächst mal muss aus dem Eisenerz irgendwie reines Eisen werden. Genau das passiert im Hochofen. Der Hochofen wird von oben mit Eisenerz, Koks und Zuschlägen (z. B. Kalk) abwechselnd befüllt. Von unten bläst heißer Wind ins System, es entsteht Kohlenstoffmonoxid, durch das wiederum die Eisenoxide im Erz chemisch reduziert werden. Im 1.900 Grad heißen Prozess entsteht schließlich flüssiges Roheisen. Es ist ein seit Jahrhunderten bekannter Ablauf, bei dem leider viel CO2 entsteht. Es sei denn, man wird – wie in DER Salzgitter – sogenannte Direktreduktionsanlagen einsetzen, in denen Eisenerz durch Wasserstoff direkt im festen Zustand zu Eisen reduziert wird. Bei dieser Technologie wird an Stelle von CO2 WASSER- Wasserdampf ausgestoßen. „Dafür benötigen wir aber extrem viel Wasserstoff, der entweder über Pipelines angeliefert oder direkt vor Ort erzeugt © Michael Bokelmann werden müsste“, erklärt der Betriebsingenieur STOFF- Maximilian Stück. T E C H N O L O G I S C H E E VO L U T I O N STAHL Maximilian Stück an einer von zwei 1,25 Megawatt-PEM- In der neuartigen Direktreduktionsanlage wird Elektrolyse-Einheiten, die pro auf chemischem Wege mithilfe des Wasserstoffs Stunde rund 450 Kubikmeter aus dem rohen Eisenerz ein poröser, aber fester hochreinen Wasserstoff erzeugen Eisenschwamm. Dieser wird dann mit ganz Weltweit blicken ForscherInnen auf normalem Stahlschrott vermischt und in einem den Klimawandel und entwickeln Elektrolichtbogenofen eingeschmolzen. Voilá – der Industrieverfahren, um CO2 einzusparen. alte Hochofen ist vollständig ersetzt, es entsteht Tolle Idee, aber bei schwerindustriellen nahezu kein prozessbedingtes CO2 mehr. Leider ist Prozessen, die seit 100 Jahren beinahe dieser Prozess in seiner ganzen Komplexität bisher unverändert funktionieren, ist das Zukunftsmusik. Doch bereits ab 2025 soll hier unmöglich. Oder vielleicht doch nicht? der erste CO2-arme Stahl entstehen. Spätestens im Jahr 2033 sollen dann über 95 Prozent CO2 Auf einem gigantischen Areal von umgerechnet eingespart werden und damit das Projekt SALCOS fast 1.000 Fußballfeldern erstreckt sich das - Salzgitter Low CO2-Steelmaking - komplett integrierte Hüttenwerk in Salzgitter. Hier wird aus umgesetzt sein. Tatsächlich kann man bereits Eisenerz, Kokskohle und Schrott reines Eisen und heute auf dem weiten Gelände zwischen den schließlich Stahl produziert. Schwerindustrie im rostbraunen Industriegebäuden unzählige Kräne ursprünglichsten Sinne. Und eine weitverzweigte und MonteurInnen sehen, die hier die Zukunft der Techniklandschaft aus Förderbändern, Gasleitungen, Schwerindustrie neu aufbauen. Kaminen und riesigen Ziegelgebäuden, die allesamt in ein erdiges Rotbraun getaucht sind. Es raucht, zischt und wirkt wie aus einer anderen Welt – oder G I G A N T I S C H E E L E K T R O LY S E Zeit. Fast 6.000 MitarbeiterInnen wandeln hier einen natürlichen Rohstoff in ein elementares Material zur Aber woher soll der Wasserstoff kommen? Weiterverarbeitung um. Rund 35 Millionen Tonnen Er wird zukünftig natürlich mit regenerativen Rohstahl produzierten alle deutschen Stahlhersteller Energiequellen wie Wind und Sonne erzeugt. Der zusammen im Jahr 2020. Eine mächtige Zahl. China so gewonnene Öko-Strom spaltet mithilfe einer stellte übrigens im selben Jahr 1,1 Milliarden Tonnen Elektrolyse Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff Stahl her. auf. Und genau dieser Wasserstoff kann dann entweder gespeichert oder per Pipelines angeliefert werden. Oder der Strom entsteht demnächst da, KO M P L E X E C H E M I E wo er auch gebraucht wird. „Wir betreiben hier am Standort derzeit eine 2,5 Megawatt Elektrolyse. In Bei der Produktion einer Tonne Stahl entstehen der SALCOS Ausbaustufe 1 werden wir bis Ende 1,7 Tonnen CO2. Und die müssen weg, wenn wir 2025 das Ganze mal 40 ausbauen. Das wären unsere Erde im lebenswerten Zustand erhalten dann bereits 100 Megawatt Elektrolyseleistung“, wollen. Genau hier kommt Maximilian Stück erklärt Stück. In der Endausbaustufe benötigt zum Zuge. Der 29-jährige Master of Engineering er Wasserstoffmengen mit dem Äquivalent von ist bei der Salzgitter Flachstahl GmbH für die über einem Gigawatt Elektrolyseleistung. Solche Energiesystemtechnik zuständig und kümmert Anlagen gibt es weltweit noch gar nicht. Zugleich sich unter anderem um die Reduzierung von ist Salzgitter mit seiner 2,5 Megawatt-Anlage 02
WASSERSTOFF- FARBENLEHRE © Michael Bokelmann 02 H2 Laboratmosphäre in Reinkultur für den Stahl der Zukunft mustergültig. Auch daran erkennt man, dass dieser technologische Transformationsprozess noch lange nicht abgeschlossen ist. Der große Plan funktioniert nicht in wenigen Jahren, die Perspektiven sind H20 weitreichender. Man benötigt einen langen Atem, um derart etablierte Verfahren grundlegend zu verändern. E L E K T R O LY S E D I E Z U K U N F T G E S TA LT E N 2 C Währenddessen untersucht Stück die Elektrolyse vor Ort. Er checkt Anzeigen, prüft Drücke. Anders als der weite Rest des Industriegeländes ist sein H2 Arbeitsumfeld weiß, hell, sauber. Hier fällt kein rostiger Staub vom Himmel, hier entstehen keine exorbitanten Temperaturen, hier findet beinahe Laborarbeit im (be)greifbaren Maßstab statt. „Ich habe Versorgungstechnik studiert. Das tolle CH4 an meinem Studium ist, dass ich mein gesamtes akademisches Wissen hier auch wirklich anwenden kann. Ich kenne StudentInnen, die kaum Wissen M E T H A N P Y R O LY S E in die Praxis übertragen konnten.“ Es ist ein Traum für jeden Ingenieur und jede Ingenieurin, derart handfest an der Zukunft dieser Welt mitzuarbeiten. Und das ist auch notwendig: China, die USA CO2 und Indien sind zusammen für rund die Hälfte der CO2-Emissionen weltweit verantwortlich. Ein wirklich neues Verfahren zur Herstellung von H2 Stahl kann entscheidend zur Regulierung des menschengemachten Klimawandels beitragen. Und Maximilian Stück wird bis zu seiner Pensionierung den Wandel maßgeblich begleiten. „Das ist einer der Hauptgründe, warum ich hier so zufrieden bin. Weil CH4 Der Betriebsingenieur die klimaneutrale Industrieproduktion einfach ein Maximilian Stück prüft Thema ist, das in die Zeit passt. Und das kann ich mir die Einstellungen bei der dann auch als Ingenieur auf die Fahne schreiben.“ DA M P F R E F O R M I E R U N G Wasserstoffproduktion MIT CO2-SPEICHERUNG CO2 Erfahrt mehr über Maximilian Stück s.think-ing.de/stueck CH4 H2 © Michael Bokelmann DA M P F R E F O R M I E R U N G MIT CO2-ABGABE 03
H2 Grüner Wasserstoff wird durch Elektrolyse von Wasser hergestellt. Dabei wird Wasser in seine Kompo- nenten Sauerstoff und Wasserstoff aufgespalten – zwei Endprodukte, die weder klima- noch umweltschädlich sind. Grün ist der Prozess aber nur, wenn ausschließlich Strom aus er- neuerbaren Energien zum Einsatz kommt. Dann ist die Produktion von Wasserstoff CO2-frei. Türkiser Wasserstoff entsteht durch die thermische Spaltung von Methan, der sogenannten Methan- pyrolyse. Das Verfahren findet in einem Hochtemperaturreaktor statt. Anstelle von CO2 entsteht dabei fester Kohlenstoff. Stammt die Wärmeversorgung des Reaktors aus erneuerbaren Energien und bleibt der Kohlenstoff dauerhaft gebunden, ist auch türkiser Wasserstoff CO2-frei. Blauer Wasserstoff wird durch Dampfreformierung gewonnen. Dabei wird Erdgas in Wasserstoff und CO2 abgespalten. Das CO2 wird dabei abgeschieden, gespeichert (Carbon Capture and Storage, CCS) und gelangt so nicht in die Atmosphäre. Blauer Wasserstoff kann damit als WASSERSTOFF-TRENDS LKW: SCHWERE TRUCKS AUF H2 Daimler Truck schickt GenH2 auf die Straße - angetrieben von einer Batterie und einer Brennstoffzelle. Kaum irgendwo sind die Halbwertszeiten neuer technischer Entwicklungen derzeit so kurz wie in der Automobilindustrie – ein deutliches Zeichen des Umbruchs und eine gute Zeit für EntwicklungsingenieurInnen. Dabei tüfteln die EntwicklerInnen von Daimler Truck bereits seit Jahren an einer elektrischen Antriebstechnik auf Brennstoffzellenbasis. Irgendwann ging es dann rasend schnell. Ende April 2021 wurde der Mercedes- Benz Truck GenH2 auf Herz und Nieren getestet und serienreif gemacht. Im Gegensatz zu älteren Mercedes-Benz Lkw wird der GenH2 elektrisch und CO2-neutral fahren, angetrieben von einer Batterie und einer Brennstoffzelle. Flüssiger Wasserstoff in relativ kleinen Tanks liefert die nötige Energie. Der Wasserstoff-Lkw muss genauso strapazierfähig sein wie seine älteren Diesel-Vorgänger: 1,2 Millionen Kilometer, zehn Betriebsjahre und 25.000 Betriebsstunden sollte er durchhalten. Wie wird sich der neue Brummi im Dauereinsatz © Daimler Truck FLUGVERKEHR: BRENNSTOFFZELLE HEBT AB Wasserstoff ist auch im Flugverkehr das Zauberwort, das die Tür zu einer emissionsfreien Zukunft öffnen soll. Auf den Bildschirmen der IngenieurInnen zeichnen sich bereits drei Konzepte ab. Beim ersten kann der Wasserstoff direkt in bestehenden Triebwerken verwendet werden, wenn man ihn in nachhaltige, alternative Kraftstoffe umwandelt. Beim zweiten Konzept sei auch eine direkte Verbrennung von flüssigem Wasserstoff in Gasturbinen technisch möglich, erklärt Dr. Stefan Weber, technologischer Leiter bei der MTU Aero Engines AG, Deutschlands führendem Triebwerkshersteller. Die erforderliche Anpassung der Brennkammer könne allerdings ein paar Jahre dauern. Auch für Transport und Lagerung des flüssigen Wasserstoffs gibt es noch keine optimalen Lösungen. Das dritte und von MTU favorisierte Konzept ist die Flying Fuel Cell, die Umwandlung von Wasserstoff in elektrische Energie mittels Brennstoffzelle. Ein ExpertInnenteam der MTU und ein Kooperationsprojekt mit dem Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) arbeiten derzeit mit Volldampf daran, das Projekt voranzubringen. MTU setzt auf einen Technologie-Mix. Dabei soll auch die Gasturbine weiterentwickelt werden. Mit der WET-Engine (Water-Enhanced Turbofan) lässt sich der Verbrauch unabhängig von der Art des Treibstoffs um mehr als 15 Prozent reduzieren. Dadurch verringern sich nicht nur die Emissionen, sondern ebenfalls die Bildung von Kondensstreifen deutlich. Insbesondere im Fernverkehr führt an dieser Option vorerst CO2-neutral betrachtet werden. verhalten? Wie wird er sich bei extremen kein Weg vorbei. Denn die mit Wasserstoff Allerdings sind die Langzeitfolgen Wetterbedingungen und auf löchrigen Straßen betriebene Brennstoffzelle eignet sich eher für der Speicherung nicht abzusehen und bewähren? Um das herauszufinden, haben ihn die Kurz- und Mittelstrecken-Flugzeuge mit geringerem durch Undichtigkeit kann es zu negati- EntwicklerInnen über einen speziellen Parcours Tankvolumen. ven Umwelteinflüssen kommen. gejagt. Hunderte von Kilometern © DLR musste er mit 25 Tonnen Ladung auf einem Rollenprüfstand absolvieren, auf der Teststrecke zahlreiche Grauer Wasserstoff entsteht wie Vollbremsungen ausführen und blauer Wasserstoff durch Dampfrefor- über Bordsteinkanten brettern. mierung aus fossilen Brennstoffen. Die Tests sind deshalb so wichtig, Das CO2 wird anschließend aber nicht weil die elektrischen Komponenten gespeichert oder anderweitig genutzt, ein anderes Gewicht haben. Das sondern in die Atmosphäre abgege- wirkt sich bei Schwingungen ben. Bei der Produktion einer Tonne durch Straßenunebenheiten und Wasserstoff entstehen rund 10 Tonnen in Extremsituationen auf die CO2. Von grauem Wasserstoff spricht Fahreigenschaften aus. Bald soll der man auch, wenn zur Elektrolyse statt GenH2 erstmals über öffentliche Straßen erneuerbaren, fossile Brennstoffe rollen und ab 2027 in Serie gehen. verwendet werden. Mit dem DLR-Forschungsflugzeug wird der MTU-Brennstoffzellenstrang getestet 04
H2MARE: REGIONALZÜGE: WASSERSTOFF AUS KLEINE WOLKEN WIND UND MEER AUS WASSERDAMPF Im Großprojekt H2Mare wird daran Französisches Unternehmen Alstom geforscht, grünen Wasserstoff direkt in bringt Wasserstoff-Zug auch auf deutsche einer Windkraftanlage auf hoher See zu Schienen. produzieren. Da mag sich manch ein Fahrgast auf dem Bahnsteig Wenn IngenieurInnen die Energieerzeugung grün verwundert die Ohren gerieben haben, als die machen wollen, dann müssen sie mit der Natur Regionalbahn ohne das vertraute Tuckern der arbeiten und die Technologien an ihr orientieren. Dieselmaschine in den Bahnhof einfuhr. So stellt man Solaranlagen am besten dort auf, Was sich 2018 auf der Strecke Buxtehude- wo die Sonne viele Stunden im Jahr scheint. Bremerhaven-Cuxhaven ereignete, wiederholte Windanlagen sind nicht nur offshore effizienter als sich in Wien, Östersund und Valenciennes. onshore (maximale Leistung 3,5 zu 5 Megawatt), An diesen und anderen Orten kam Coradia auf dem Meer ist zudem fast unbegrenzter Platz iLint, der Wasserstoff-Zug des französischen für sie. Da es im Hinblick auf Transport und Unternehmens Alstom, bereits zum Einsatz. Auf Speicherung von überschüssiger Elektrizität noch leisen Sohlen schleicht sich der Wasserstoff in offene Fragen gibt, liegt es zunächst nahe, etwas den europäischen Regional-Schienenverkehr. Sinnvolles mit dem Offshore-Strom anzustellen © Alstom – z. B. grünen Wasserstoff herstellen. Und zwar gleich auf hoher See, wo Strom aus Windkraft reichlich zur Verfügung steht. Wie das alles in der Praxis funktioniert, untersucht das vom BMBF geförderte Leitprojekt H2Mare, eines von drei aus Bundesmitteln geförderten Großprojekten zum Thema Wasserstoffproduktion. Mit von der Partie sind namhafte Player wie Siemens Gamesa und Siemens Energy sowie EnBW als Betreiber großer Offshore-Windparks. Bis 2026 soll eine fix und fertige Offshore-Demonstrationsanlage den Betrieb aufnehmen. Dabei wollen die zukünftigen Partner 2 den Wasser-Elektrolyseur, der unter Strom Wasser in Sauerstoff und Wasserstoff zerlegt, direkt in eine Windkraftanlage integrieren. Günstiger ließe sich grüner Wasserstoff derzeit nicht produzieren. © EnBW Bisher einmalig: Das Unternehmen Alstom produziert den ersten Regionalzug mit Wasserstoff-Antrieb IngenieurInnen im Alstom-Kompetenzzentrum in Salzgitter und in der Entwicklungsabteilung für Regionalzüge im französischen Tarbes entwickelten den emissionsfreien Zug und die dazugehörige Infrastruktur. Das Land Niedersachsen und die Bundesregierung schoben ihn mit Fördermitteln ein wenig an. Coradia iLint ist der erste Zug, der mit einer stromerzeugenden Brennstoffzelle betrieben wird. Aus seinem Motor pufft nur Wasserdampf. Alstom hat den Wasserstoff auf die Schiene gebracht und die Deutsche Bahn rückt so der für 2040 angestrebten Klimaneutralität ein Stück näher. Dafür wurde Alstom Anfang 2021 mit dem European Railway Award geehrt. Allein im Mit überschüssigem Offshore-Strom soll in Zukunft grüner Wasserstoff auf deutschen Schienennetz werden heute noch 450 See produziert werden Linien ausschließlich mit Dieselzügen befahren. Auf diesen Strecken könnten nach und nach Wasserstoffzüge zum Einsatz kommen. Coradia iLint nimmt also gerade erst Fahrt auf. 05
WAS STUDIEREN? STUDIUM: Die zukünftige Energiequelle KLEINES ELEMENT für Wärme, Industrie, Mobilität und Strom soll Wasserstoff sein. MIT GROSSER Dafür wird neues IngenieurInnen- © FHWS Know-how gebraucht. Immer mehr WIRKUNG Hochschulen passen daher das Lehrangebot an: H2 als eigene Module oder neuere Studiengänge mit dem Wasserstofftechnik ist nicht Fokus auf alternative (Wasserstoff-) mehr nur Zukunftsmusik, denn Techniken. seit dem Wintersemester 21/22 gibt es einen grundständigen Bachelorstudiengang an der Hochschule für angewandte Wissenschaften Würzburg- Eine Zusammenstellung einiger Studiengänge Schweinfurt. Studiengangsleiter zum Thema findet ihr unter Prof. Dr. Winfried Wilke hat uns s.think-ing.de/wasserstoff-studium den Studiengang für angehende WasserstoffexpertInnen vorgestellt. Prof. Dr. Winfried Wilke ist Leiter des Studiengangs Wasserstofftechnik WA S KÖ N N E N S T U D I E R E N D E VO N D E M THINK ING. S T U D I E N G A N G E R WA R T E N ? Das Studium lehrt anlagen- und @SOCIAL MEDIA verfahrenstechnische Inhalte mit dem Schwerpunkt Wasserstoff. Diese befähigen, sichere H2- Spannende Einblicke und Geschichten Anlagen sektorunabhängig zu entwickeln, zu von IngenieurInnen, Tipps, Termine konfigurieren, zu bauen und zu betreiben. Das und Wissenswertes rund um das Ziel ist es, die Studierenden so auszubilden, dass Ingenieurwesen findet ihr auf unseren sie nach dem Studium vom ersten Tag an in einem Social-Media-Kanälen. Industrieunternehmen „laufen“ können. W E L C H E I N H A LT E S I E H T D E R L E H R P L A N ING _WERDEN VO R , U M D I E S E Z I E L E Z U E R R E I C H E N ? Es geht los mit zwei Semestern voller Grundlagen INGWERDEN wie Physik oder Thermodynamik. Das Interessantere kommt danach in vertiefenden Modulen wie zum THINKINGVIDEOS Beispiel Energiewirtschaft, Brennstoffzellen oder H2-Erzeugung. Neben Projektarbeiten gibt es ein THINK _ING Praxismodul, in dem die Studierenden mindestens sechs Monate in einem Industriebetrieb arbeiten. Der Hauptfokus des gesamten Studiengangs liegt dabei auf der Sicherheit: Arbeits-, Umwelt- sowie Wasserstoffsicherheit. IMPRESSUM W E L C H E VO R T E I L E H AT D I E S E R STUDIENGANG GEGENÜBER ANDEREN, Herausgeber D I E WA S S E R S T O F F B E H A N D E L N ? GESAMTMETALL Er ist darauf ausgelegt, ein sehr wichtiges Gesamtverband der Arbeitgeberverbände der Metall- und Kompetenzfeld abzudecken, um dem Klimawandel Elektro-Industrie e.V. begegnen zu können. Alle wichtigen Inhalte Voßstraße 16 - 10117 Berlin werden ganzheitlich in sieben Bachelorsemestern vermittelt und qualifizieren für das Arbeitsleben Verantwortliche Leitung in der Industrie. Ein weiterer Pluspunkt ist das Wolfgang Gollub Anwendungsprojekt. Hier entwickeln Studierende Lösungen für reale, von Unternehmen gestellte Redaktion und Gestaltung Probleme aus der Industrie. Vertretende aus concedra GmbH, Bochum Partnerunternehmen bewerten die Lösungen. So erhalten die Studierenden einen Eindruck davon, Druck wie es in der Arbeitswelt ablaufen kann. color-offset-wälter GmbH & Co. KG, Dortmund Alle in dieser kompakt enthaltenen Inhalte und Informationen wurden Das gesamte Interview mit Prof. Dr. Winfried Wilke findet ihr sorgfältig auf Richtigkeit überprüft. Dennoch kann keine Garantie für die online unter s.think-ing.de/wilke Angaben übernommen werden. 06
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