Gase und Wasserstoff Elektrolyseur-Innovation: Wie 40 Unternehmen eine 1-MW-Anlage für die Wasserstoffproduktion entwickelt haben

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LEWA GmbH

ZSW Zentrum für Sonnenenergie- und Wasserstoff-Forschung Baden-Württemberg

VEGA Grieshaber KG

DENIOS AG

EDL Anlagenbau Gesellschaft mbH

Im Rahmen des 2023 abgeschlossenen Projekts „Elektrolyse made in Baden-Württemberg“ hat das Zentrum für Sonnenenergie- und Wasserstoffforschung Baden-Württemberg (ZSW) den hiesigen Wasserstoffstandort nachhaltig gestärkt. Unter Beteiligung von 40 Unternehmen wurde ein skalierbarer Systemdemonstrator zur alkalischen Druckelektrolyse mit einer Leistung von 1 MWel konstruiert. Auch der Leonberger Pumpenspezialist Lewa hat seinen Beitrag zum Elektrolyseur geleistet.

Grüne Wasserstoffproduktion: Erfolgreicher Abschluss des Projekts in Baden-Württemberg

Auf dem Weg zur anvisierten Klimaneutralität hat die Bundesregierung im Juli 2023 die Fortschreibung der Nationalen Wasserstoffstrategie beschlossen. Es wird davon ausgegangen, dass sich der Wasserstoffbedarf in Deutschland bis 2030 im Vergleich zu heute mehr als verdoppelt. Vor diesem Hintergrund definiert die Fortschreibung vier Handlungsfelder: Verfügbarkeit, Infrastruktur und Anwendung von Wasserstoff ausbauen sowie gute Rahmenbedingungen für Planungs- und Genehmigungsvorgänge schaffen. Insbesondere auf die ersten beiden Punkte zielt das Projekt „Elektrolyse made in Baden-Württemberg“ des ZSW ab, das im vergangenen Sommer seinen erfolgreichen Abschluss fand.

Ziel des vom Wirtschaftsministerium Baden-Württemberg geförderten Vorhabens war die Entwicklung einer CE-zertifizierten, serientauglichen Anlage zur alkalischen Wasserelektrolyse mit einer Leistung von1 MWel, die sich dank einer modularen Konstruktionsweise für unterschiedliche industrielle Anwendungen skalieren lässt. „Elektrolyseanlagen dieser Leistungsklasse eignen sich vor allem als sogenannte H2-Hubs für die dezentrale Wasserstoffherstellung. Diese werden von Tankstellen oder industriellen Prozessen mit Bedarf an Wasserstoff eingesetzt“, sagt Frank Baumgart, Laborleiter im Bereich Regenerative Energieträger und Verfahren (REG) beim ZSW. Er ist dort hauptverantwortlich für die Konstruktion und den Aufbau des Elektrolysedemonstrators.

Elektrolyseur: Zentrale Komponente des Demonstrators

An der Realisierung des Systemdemonstrators waren insgesamt 40 Unternehmen beteiligt, die verfahrens- und elektrotechnischen Komponenten sowie Know-how in das Pilotprojekt einbrachten. Die Projektpartner hatten die Chance, Erfahrungen in diesem Anwendungsbereich zu sammeln und ihre Systeme in der Applikation zu erproben.

„Die Anforderungen an einen Elektrolyseur sind vielschichtig“, unterstreicht Baumgart. „Zum einen sind hohe Drücke und Temperaturen bis zu 90 °C erforderlich, um einen möglichst hohen Gesamtwirkungsgrad zu erreichen. Zum anderen muss die Materialbeständigkeit aller Anlagenteile gesichert sein, da einzelne Komponenten mit vollentsalztem Wasser, alkalischem Elektrolyt oder Wasserstoff beziehungsweise Sauerstoff in Kontakt stehen.“

Mit einer „ecoflow“-Pumpe, die dem Prozess das benötigte Wasser zuführt, steuern die Verfahrenstechnikspezialisten von Lewa eine zentrale Komponente im Herzen der Anlage bei. Die Membrandosierpumpe speist genau die Menge an Prozesswasser ein, die bei der Elektrolyse verbraucht wird. Dabei muss das Fördervolumen in Echtzeit präzise an die tatsächlichen Verbrauchsbedingungen angepasst werden. Andernfalls würde sich der Dosierprozess negativ auf die Regelkreise des Systems auswirken. „Die Dosierung erfolgt deswegen durch eine Zweipunktregelung“, betont Björn Pfizenmayer, Gebietsverkaufsleiter bei Lewa. „Das Saugvermögen der ecoflow-Pumpe sorgt für einen zuverlässigen, kontinuierlichen Prozess.“

Elektrolyseur: Schwierige Ansaugbedingungen, langjähriger Dauerbetrieb

Für die anspruchsvolle Aufgabe wählte Lewa eine „ecoflow LDC1 M910S“, die über eine hydraulische Leistung von 0,2 kW verfügt und aufgrund des entstehenden Wasserstoffs mit einem Ex-Motor ausgestattet wurde. Gemäß den Anforderungen der Anwendung fördert sie im Elektrolyse-Systemdemonstrator Wasser mit bis zu 30°C bei einem Förderstrom von 130 l/h gegen 40 bar. „Dieser Pumpentyp ermöglicht die präzise Einstellung einer definierten Wassermenge in einem weiten Regelbereich“, so Baumgart. „Das ist speziell für den Systemdemonstrator wichtig, da hier Elektrolysestacks verschiedener Länge beziehungsweise Leistung getestet und betrieben werden sollen.“

Weil solche Systeme auf bis zu 20 Jahre Betrieb ausgelegt sind, werden bei allen Anlagenkomponenten eine lange Lebensdauer sowie hohe Wartungs- und Reparaturfreundlichkeit vorausgesetzt. Aufgrund möglicher Berührungspunkte mit der Kalilauge im Elektrolysestack mussten alle Bestandteile des ecoflow-Aggregats zudem eine hohe chemische Beständigkeit aufweisen. Daher bestehen die produktberührten Bauteile aus Edelstahl 1.4401/1.4404, der auch gegen Kalilauge beständig ist. Der Pumpenkopf der „M900“-Serie verfügt über eine robuste PTFE-Sandwichmembran. „Die Membran wird durch die patentierte Lewa-DPS-Technologie permanent überwacht“, fügt Pfizenmayer hinzu. „So kann es auch im Dauereinsatz des Elektrolyseurs nicht zu leckagebedingten Unterbrechungen kommen.“

Erfolgreicher Projektabschluss 2023

Seit 2023 ist der Elektrolyse-Systemdemonstrator „made in Baden-Württemberg“ mit CE-Kennzeichnung am ZSW in Betrieb. Bei der 1-MWel-Anlage handelt es sich um ein Basismodell, von dem ausgehend – dank der modularen Konstruktion – künftig auch größere Leistungsklassen bis in den zweistelligen Megawatt-Bereich skaliert werden können. Der Demonstrator selbst soll ab 2026 im Rahmen der Modellregion „H2 Genesis“ am Stuttgarter Hafen Wasserstoff in die neue Pipeline entlang des Neckar einspeisen. „Von den Einzelkomponenten über den Elektrolysestack bis zur Systemtechnik dient der Demonstrator als Schaufenster der Technologie und regionalen Wertschöpfungspotenziale für den Wasserstoffstandort Deutschland“, resümiert Baumgart.