gesponsertDezentrale Wasserstoff-Speicher Metallhydrid-Speicher: Visionäre Idee mit Zukunftspotenzial

Ohne Speicherlösungen wird die Wasserstoffwirtschaft zum Rohrkrepierer. Aber wie sieht der ideale Wasserstoffspeicher aus? Das beschäftigt die Pioniere von GKN Hydrogen schon seit fast zehn Jahren. Mittlerweile haben die Tüftler aus Tirol einen großskaligen Metalldydrid-Speicher entwickelt, der für viele industrielle Einsatzbereiche geeignet ist und bereits seine Feuertaufe in der Anwendung bestanden hat.

Eines der bekanntesten Bonmots, das dem deutschen Altkanzler Helmut Schmidt zugeschrieben wird, lautete: Wer Visionen hat, sollte zum Arzt gehen. Hätte sich der damalige CEO des Metallurgiespezialisten GKN Powder Metallurgy daran gehalten, wäre die Technologiewelt jetzt um eine Innovation ärmer.

2013 fasste dieser CEO einen weitreichenden Entschluss. Getreu dem Motto „repariere das Dach, solange die Sonne scheint“, beschloss er in einer Hochphase des Geschäfts auf eine Entwicklung zu setzen, die damals gerade erst anfing: Der Ausbau von Wind-, Wasser- und Sonnenenergie für die Grünstromerzeugung, und, das war das visionäre daran: einen Speicher für Wasserstoff aus den naturgemäß schwankenden erneuerbaren Energiequellen. Basis des Speichers sollte das Kerngeschäft des Metallurgie-Spezialisten sein: Pulver-Metalle. Bereits 2014 gab es einen Prototypen bestehend aus gepresstem Metallhydrid in dessen Metallgitter die Wasserstoffatome gebunden sind und erst nach Wärmezufuhr wieder freigesetzt werden.

2019 gelang der erste „Proof of Concept“ in Südtirol: Ein historischer Aussiedlerhof hat sich energieautark gemacht und nutzt –übrigens heute noch – einen Gebirgsbach, um Grünstrom zu erzeugen. Ein Teil fließt direkt in den Stromkreislauf des Gebäudes den anderen wandelt ein Elektrolyseur in grünen Wasserstoff um, der wird als Metallhydrid gespeichert und über eine Brennstoffzelle im Bedarfsfall zurück verstromt. Die entstehende Abwärme wird zur Warmwassererzeugung mit genutzt.

Industrietauglicher Wasserstoff-Speicher

„Dieses Projekt zeigte das Potenzial der Metallhydrid-Speicher und war mit der Anstoß, einen industriellen Großspeicher in Containerbauweise zu entwickeln,“ erklärt Dirk Bolz, Sales &Marketing Director bei GKN Hydrogen. Noch heute fährt er gerne mit Kunden dorthin. Die gesamte Lösung ist komplett maßgeschneidert und damit ein echtes Vorzeigeprojekt.

Der 2021 ausgegliederte neue Geschäftsbereich GKN Hydrogen ist in Sachen Wasserstoffspeicherung mit Metallhydriden ein echter Pionier und schreibt mittlerweile eine Erfolgsgeschichte. Kaum einer kennt sich mit Metallpulvern so gut aus, wie die Spezialisten, des in des in Pfalzen (Südtirol) und Radevormwald sowie Bonn (Deutschland) ansässigen Unternehmens. Da war es nur naheliegend, als Speichermedium Metall zu nutzen und so auf dem Kern-Know-how der Unternehmensgruppe GKN Powder Metallurgy aufzubauen.

Die hier entwickelten Metallhydrid-Speicher könnten also die Lösung eines Problems sein, das die Protagonisten der Wasserstoffwirtschaft schon seit Jahren beschäftigt: Wie speichert man das flüchtige und hochexplosive Wasserstoffgas sicher, kompakt und verlustfrei? Experten sagen gar, dass sich an dieser Frage die Wasserstoffwirtschaft entscheiden werde.

Metallhydride kennt man schon seit langem und weiß, dass sich in den freien Valenzen der Metall-Gitter Gasatome wie Wasserstoff anlagern und dort durch höhere Temperaturen wieder herausgelöst werden. Herausforderung dabei ist die Wahl des richtigen Metallpulver und das Verpressen zu Strukturen, die beliebig oft mit Wasserstoff be- und wieder entladen werden können. „Das ist unser IP,“ betont Bolz.

Die GKN Hydrogen-Ingenieure setzen auf eine Eisen-Titanlegierung, die aus recyceltem Industrieschrott hergestellt wird. Das Metallpulver wird dann entweder zu Pellets oder zu Disks verpresst. Pellets werden in Tanks gefüllt und die Disks zu mehreren hundert dicht an dicht in Rohrleitungen gepackt. Das vervielfacht die Oberfläche und damit die Wasserstoffaufnahmekapazität der Speicher. Und die haben es im wahrsten Sinne des Wortes in sich. Ein Metallhydrid-Speicher kann genauso viel Wasserstoff aufnehmen wie ein ähnlich großer 700 bar Drucktank. Und das bei niedrigen Drücken bis 35 bar. Dadurch können die GKN-Hydrogen-Speicher auch deutlich kompakter ausfallen – bis zu 15 mal kleiner als reine Wasserstoffgasspeicher der gleichen Druckklasse. „Bei vergleichbarer Umgebungstemperatur und vergleichbarem Druck würde ein Drucktank ein 15 mal größeres Volumen einnehmen wie unser HY2MEGA-Speicher, der etwa 250 Kilogramm Wasserstoff speichert,“ erklärt Bolz.

Und die Speicher punkten mit Langlebigkeit sowie absoluter Sicherheit, betont Bolz. Die Metallhydride nehmen den Wasserstoff bei moderaten Drücken und Temperaturen auf und geben ihn kontrolliert statt schlagartig wieder frei. Bei normaler Umgebungstemperatur gibt es selbst nach Jahren keine nennenswerten Wasserstoffverluste.

Drei Systeme sind bereits serienreif

Mittlerweile sind die Systeme serienreif: HY2MINI und HY2MEDI sind Power-to-Power Speichersysteme mit integrierter Elektrolyse und Brennstoffzelle. Der HY2MEGA ist ein skalierbarer Wasserstoffgroßspeicher für die Industrie und für viele Anwendungsbereiche geeignet: von der Notstrom- und netzunabhängiger Energieversorgung bis hin zu Wohnkomplexen, Schiffen und zur Großindustrie. Die Funktionsweise ist denkbar einfach. Der Druck der Elektrolyse (bis 40 bar) reicht aus den Wasserstoff in die Gitterstrukturen des Metalls zupressen.

Verbindet sich das Gas mit den freien Valenzen der Eisen-Titan-Legierung entsteht Wärme, die im Kreislauf geführt und z.B. zur Gebäudeheizung genutzt werden kann. Der Entladevorgang ist Temperatur abhängig. Ab 60 Grad geht es los, wobei die Faustregel gilt: Je wärmer, desto schneller fließt das Gas. Gesteuert werden die Systeme durch ein Thermomanagement und viel Elektronik. Wichtig dabei ist die Wasserstoffqualität: Nur grüner Wasserstoff aus der PEM- Elektrolyse" hat die erforderliche Qualität, weil Verunreinigung, wie sie z.B. bei grauem Wasserstoff auftreten können, die Speicherkapazität beeinträchtigen. Auch das wird mit aufwändiger Sensorik sichergestellt.

Drei Länder-Standorte und ein Partner in Australien

Das dazu notwendige Know-how konzentriert sich momentan auf knapp 90 Mitarbeiter und drei Länder: Pfalzen in Norditalien; Radevormwald und Bonn in Deutschland sowie Carlsbad in den USA. Gerade erst wurde in Pfalzen (Italien) ein Technologiezentrum eröffnet, das Platz für insgesamt 200 Mitarbeiter bietet. Für CTO Gottfried Rier ist das Hydrogen Technology Center ein wichtiger Schritt. Es werde helfen, Forschung und Entwicklung von Wasserstofftechnologien zu beschleunigen und das Anwendungs-know-how zu erweitern.

Entsprechend der Länderstandorte verteilen sich auch die Märkte. „Wir bedienen schwerpunktmäßig Europa und USA. Und wir haben einen Partner in Australien,“ erklärt Bolz. Hier sind vor allem „Off Grid“-Lösungen gefragt, die Bewohner in den Weiten des australischen Outbacks dezentral mit Energie versorgen.

Projekterfolg in Carlsbad

Ein weiteres spannendes Projekt gibt es in Carlsbad. Der im März 2023 gegründete Standort hat den Auftrag erhalten, die ARIES-Fabriken mit zwei HY2MEGA-Speichern auszustatten, unterstützt mit einer schönen Summe vom „U.S. Department of Energy’s (DOE’s) Hydrogen and Fuel Cell Technologies Office“.

Angeschlossen sind die Speicher an einen Megawatt-Skaligen Elektrolyseur zur Wasserstoff- und eine Brennstoffzelle zur Stromerzeugung. Bei solchen Projekten können die Metallhydridspeicher einen weiteren Vorteil ausspielen: „Größe bedeutet Kostenvorteile für den Kunden“, sagt Alfons Geueke. Er ist Director Business Development und quasi ein Mann der ersten GKN Hydrogen-Stunde. Mit Industrieanwendungen kennt er sich aus und weiß, dass neben der Economy of Scale gerade in der Prozessindustrie die Kopplung von Strom- und Wärmeerzeugung ein wichtiges Argument ist.

Lösung für energieintensive Industrien

Auch hier können die Speicher punkten. Das zeigt das Beispiel Keramikindustrie, die an Wasserstoff-betriebenen Brennvorgängen arbeitet und händeringend dezentrale Lösungen sucht. Ein klassisches Arbeitsfeld also für die Power-to-Gas-Systeme von GKN Hydrogen. „ Der Elektrolyseur liefert grünen Wasserstoff. Mit den Abwärmen aus der Elektrolyse und aus dem Einspeicherungsprozesses des Wasserstoffs im GKN Speicher können Bürogebäude geheizt werden. Die Abwärmen der Keramikbrennöfen wiederum können wir nutzen, um die Metallhydridspeicher zu entleeren“, erklärt Geueke. Das verbessert den Gesamtwirkungsgrad auf über 70 Prozent.

Ein weiteres Plus ist der modulare Ansatz der GKN Hydrogen-Ingenieure. Die HY2Mega-Speicher können gestapelt und in Reihen aufgebaut werden – das vervielfacht die Speicherkapazitäten. Lediglich die Flussmenge des Elektrolyseurs ist ein begrenzender Faktor.

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Die ganze Wertschöpfungskette des Wasserstoffs

Große Strahlkraft erwartet er von einem weiteren Projekt, an dem GKN Hydrogen beteiligt ist: dem Bau einer Wasserstoff-Forschungseinrichtung am Flughafen-Campus der Technischen Universität Braunschweig. Ziel des Hydrogen Terminals Braunschweigs sei es die Kompetenzen von nicht weniger als sieben Forschungsinstituten entlang der Wasserstoff-Wertschöpfungskette zu bündeln, heißt es im Projektantrag. Und das ganze ist tatsächlich ein Megavorhaben: Im Zentrum steht ein ein Megawatt AEM-Elektrolyseur. Zusätzlich gibt es noch einen Hochtemperaturelektrolyseur (Solid Oxide Electrolysis Cell, SOEC) zur Wasserstoffproduktion aus Wasserdampf. Weitere Elektrolyse-Prüfstände sollen die alkalische Elektrolyse und die PEM-Elektrolyse (Protone Exchange Membrane, PEM) erproben.

Der grüne Wasserstoff fließt per Pipeline in Brennstoffzellen-Prüfstände am Niedersächsischen Forschungszentrum für Fahrzeugtechnik (NFF) und demnächst am Fraunhofer-Projektzentrum für Energiespeicher und Systeme (Fraunhofer ZESS). Ein Teil des Elektrolysewasserstoffs wird gespeichert – und hier kommt GKN Hydrogen ins Spiel – im derzeit weltgrößten Metallhydridspeicher, der 500 Kilogramm Wasserstoff fasst. Sicherheit sei ein wichtiger Aspekt des Projektes, erklärt Geueke und die Tatsache, dass die Speichermodule parallel zur Beladung auch entladen werden können – wichtig, um den flexiblen Bedarf der Brennstoffzellen zu decken.  Ende diesen Jahres soll der Speicher stehen und für den Frühjahr ist die Inbetriebnahme geplant. Für GKN ist das dann in Deutschland die erste HY2MEGA Großspeicheranlage. Ein weiteres Wasserstoff-Speicherprojekt befindet sich in der USA aktuell in Umsetzung, Daneben steigt die Zahl von Großspeicher-Projektierungen für Netzbetreiber und Industrie kontinuierlich.

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