Wasserstoff Schon heute H2-ready? Die nötige Technologie steht längst in den Startlöchern

Autor / Redakteur: Max Krausnick / Dominik Stephan

Die Wasserstoffwende soll kommen: Mit ihrer Nationalen Wasserstoffstrategie setzt die Bundesregierung für die Energieerzeugung und -Speicherung zunehmend auf H2. Die Vorteile für viele Industrien und die Möglichkeit, das Gas ins Erdgasnetz einzuspeisen, lassen Wasserstoff zum idealen Partner der Energiewende werden, so hofft man zumindest in Berlin. Das wirft die Frage auf, wie weit die nötigen Technologien eigentlich sind...

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Einer der drei SKVGD-Wasserstoffbrenner im Einsatz beim Spezialchemikalienunternehmen Nouryon in Ibbenbüren.
Einer der drei SKVGD-Wasserstoffbrenner im Einsatz beim Spezialchemikalienunternehmen Nouryon in Ibbenbüren.
(Bild: Saacke)

Wasserstoff (H2) ist in der öffentlichen Diskussion zu dem Energieträger der Zukunft avanciert, denn sein und Mobilität (Schiffe, Flugverkehr, Automotive) ist enorm. Die Voraussetzung dafür sind jedoch Anlagen, die den Brennstoff auch entsprechend verwerten können.

Die Zielsetzung der EU ist ambitioniert: Bis 2050 soll Europa zum klimaneutralen Kontinent werden. Bis 2024 soll die Produktion von grünem Wasserstoff aus erneuerbaren Energien auf eine Million Tonnen steigen, bis 2030 auf zehn Millionen Tonnen. Die Infrastruktur für den Transport und die Speicherung ist bereits vorhanden – bis zu 20 % vol. H2 könnten dem deutschen Erdgasnetz perspektivisch beigemischt und diese Pipelines somit schrittweise umgewidmet werden. Aktuell bleiben jedoch selbst die bis zu 10 % vol. zulässigen Kapazitäten ungenutzt, da nicht genügend Wasserstoff produziert wird. In der industriellen Wärmeerzeugung sind fossile Energieträger oft noch günstiger oder Biobrennstoffe wie Holzstaub eine Alternative.

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Doch der politische Wille für eine klimaneutrale Wasserstoff-Revolution nimmt rapide an Fahrt auf. Denn Wasserstoff eignet sich hervorragend für die thermische Verwertung: In puncto Brennstoffqualität (Wobbe-Index) ist er gleichauf mit dem Erdgas. Sein um den Faktor 3 kleinerer Heizwert wird durch die deutlich geringere Dichte ausgeglichen. Auch die Flammenüberwachung ist problemlos mit bestehenden UV-Flammenfühlern möglich.

Doch gilt es ungeachtet aller Potenziale beim Einsatz von H2 in Wärmeprozessen auch eine Reihe von Herausforderungen zu bewältigen. Sie zeigen im Folgenden, dass smarte Feuerungstechnologie als Mosaikstein zu einem effizienten, sicheren und vergleichsweise umweltverträglichen Betrieb beitragen kann – und zwar nicht erst, sobald die Erdgasleitungen großflächig auf Wasserstoff umgestellt sind, sondern auch schon heute für ganz konkrete Anwendungen.

Abfallprodukt Wasserstoff thermisch verwerten

Das global tätige Unternehmen Nouryon entstand 2018 aus der Chlorchemiesparte des Akzo-Nobel-Konzern und produziert am Standort Ibbenbüren in Nordrhein-Westfalen Chemieerzeugnisse für Produkte des täglichen Bedarfs wie beispielsweise Papier, Baumaterialien und Hygieneprodukte. Mithilfe von Saacke aus Bremen, spezialisiert auf thermische Prozesse und Anlagen im industriellen sowie maritimen Energiemanagement-Bereich, rüstet das Unternehmen bereits seit den 1990er Jahren seine Prozesse auf H2-Kompatibilität um.

Denn im Rahmen der auch Wasserstoff als Haupt- und überschüssiges Nebenprodukt an. Mit Anlagenmodernisierungen wie zuletzt 2019 lassen sich diese vorhandenen Reststoffe als wertvolles Substitut nutzen und dem Wärmebedarf des Elektrolyse-Prozesses wieder zurückführen statt kostspieliges Erdgas als Primärbrennstoff einzukaufen. Damit kommen die Betreiber – Nouryon betreibt die Elektrolyse in einem Joint Venture mit Evonik – nicht nur vorausschauend gesetzlichen Bestimmungen zuvor, sondern nutzen auch bestehende Synergien und sparen 577 m3 Erdgas-H pro Stunde.

Abgasrezirkulation für minimierten Schadstoffausstoß

Möglich machen dies drei Wasserstoffbrenner des Typs SKVGD, die basierend auf einer Drehzerstäubertechnologie flexibel für flüssige und gasförmige Sonderbrennstoffe geeignet sind. In Ibbenbüren sind sie mit einer maximalen Leistung von 4,3 bis 7,6 MW (je nach Kesselgröße) an drei Dampfkesseln installiert, die überhitzten Wasserdampf erzeugen. Sie wären jedoch ebenso für Warmwasserkessel oder Thermalölerhitzer geeignet. Die spezifischen Anforderungen bei Nouryon haben den Brennerpszialisten Saacke zudem dazu veranlasst, eine H2-Standardausführung des SKVGD für breit gefächerte Einsatzmöglichkeiten zu entwickeln. Zum Lieferumfang zählten darüber hinaus dieBrenner- und Kesselsteuerung Se@vis pro sowie eine Rauchgasrezirkulation mit separatem Gebläse.

Trotz all ihrer Potenziale, erfordert die thermische H2-Nutzung einige technologische Maßnahmen: So erzeugt Wasserstoff im Vergleich zu Erdgas aufgrund seiner höheren adiabaten Verbrennungstemperatur und circa achtmal höheren Flammengeschwindigkeit dreimal so viele NOx-Emissionen.

Saacke begegnete diesem Problem mit einer ausgeklügelten externen Abgasrezirkulation. Dieses Verfahren sorgt mittels Einmischen von Abgasen in die Verbrennungsluft für Verdünnungseffekte und die Kühlung der Flamme. Somit lassen sich die Emissionen in Ibbenbüren im Wasserstoffbetrieb jenen des Erdgases angleichen.

Damit ist die Anlage nicht nur konform mit der 44. BImSchV auf Basis des Bundes-Immissionsschutzgesetzes, sondern unterschreitet diese Grenzwerte sogar deutlich. Denn je nach Intensität der Rezirkulation sinken die Emissionen weiter bis auf etwa 40 mg/m3 @ 3 % vol. O2 im trockenen Abgas, wenngleich hierfür derzeit noch ein relativ hohes Rezi-Verhältnis notwendig ist.

Darüber hinaus stellt die hohe H2-Flammentemperatur auch besondere Anforderungen ans Material. Der Hersteller reagierte hierauf mit hitzebeständigem Stahl und einem speziellen Gaseindüsungs-Design. Zudem lassen die Experten aus Bremen das Rohr für die Wasserstoffeinspeisung vor der Brennerzündung mit Stickstoff spülen, um den Sicherheitsaspekt zu erhöhen.

NOx-Emissionen in Abhängigkeit vom maximalen Rezirkulationsverhältnis (RV) des Abgases bei Nouryon in Ibbenbüren.
NOx-Emissionen in Abhängigkeit vom maximalen Rezirkulationsverhältnis (RV) des Abgases bei Nouryon in Ibbenbüren.
(Bild: Saacke)

Automatisierte Steuerung der Luftmenge im Mischbetrieb

Da die SKVGD-Brenner variabel mit bis zu 100 % reinem Wasserstoff, komplett mit Erdgas oder in einem beliebigen Mischverhältnis gefahren werden können und auch für den Betrieb mit Leichtöl als Notbrennstoff ausgelegt sind, ergibt sich eine spezielle Herausforderung: Denn der leistungsspezifische Bedarf an zugeführter Luft als Oxidationsmittel unterscheidet sich deutlich. Daher reguliert die Steuerung die Luftmenge je nach Brennstoffmix. Der äußerst niedrige Gasdruck von Wasserstoff (50 mbar(ü) vor Eintritt in die Gasregelstrecke) erfordert den Einsatz einer speziellen Gasstrecke mit einem besonders geringen Druckverlust. Dazu wurden zur Volumenstrommessung eine Staudrucksonde und als Ventile weichdichtenden Klappen installiert anstatt handelsüblicher Turbinenradzähler und Schnellschlussventile einzusetzen.

Das Projektbeispiel zeigt: Die großtechnische thermische Nutzung von Wasserstoff mit Industriebrennern ist erprobt. „Die Wasserstoffbrenner leisten einen wichtigen Beitrag, den CO2-Fußabdruck unserer Prozesse zu reduzieren. Saacke hat uns bei allen Fragen und Herausforderungen rund um das Projekt optimal betreut und beraten“, unterstreicht Stephan Richter, Leiter Technischer Dienst bei Nouryon. Die marktreife Technologie für mittleres und hohes Temperaturniveau in der Wärmeerzeugung wartet somit auf eine ausreichende Verfügbarkeit des Brennstoffes. Die beschlossene „Nationale Wasserstoffstrategie“ der Bundesregierung legt den Grundstein für wichtige politische Maßnahmen, kann aber nur ein Anfang sein. Denn die Feuerungstechnik ist längst „H2-ready“.

* Der Autor ist Entwicklungsingenieur bei Saacke. Kontakt: info@saacke.com

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