Energiemanagement für Wasserstoff-Projekte So haben Sie bei H2-Projekten die Energieströme im Griff

Löst die Automatisierung das Henne-Ei-Problem der Defossilierung? Wasserstoff steckt in der Kostenfalle: Ohne billiges Gas kein Scale-Up, ohne Scale-Up keine günstigen Preise. Es braucht einen Schub – etwa in Form eines Managementsystems, das Stoff- und Energieströme perfekt aufeinander abstimmt.

Wasserstoff macht es möglich: Das leichteste Element des Periodensystems könnte nahezu alle Probleme der Defossilierung lösen. Ob als emissionsfreier Energieträger, als Rohstoff für die Chemie ohne Öl und Gas oder als Treibstoff der Zukunft – das Gas, das vor hundert Jahren die Zeppeline zum Schweben brachte, macht im 21. Jahrhundert die schwerste Herausforderung plötzlich ganz leicht. Die Wasserstoffwirtschaft ist eine Revolution – allerdings eine im Konjunktiv. „Europas Chance, den Kohlenstoffausstoß durch die Ausweitung der Produktion, des Transports und der Nutzung von Wasserstoff zu reduzieren, ist beträchtlich“, ist sich Peter Terwiesch, Leiter des Geschäftsbereichs Prozessautomation bei ABB, sicher. Der Automatisierungskonzern hat das Gas als zentralen Baustein einer kohlenstoffarmen Zukunft sowohl des Unternehmens wie auch der gesamten Industrie ausgemacht und Automatisierung, Elektrifizierung und Digitalisierung zu Schlüsseltechnologien erklärt. Was zu tun sei, scheint aus ABB-Sicht klar: Es sei höchste Zeit, mit dem Aufbau einer Wasserstoff-Wertschöpfungskette und dem Übergang in eine sauberere Energiezukunft zu beginnen.

Ist es nicht seltsam? Da hätten wir alle Möglichkeiten der Welt und müssten nicht einmal die Verfahrenstechnik neu erfinden (schließlich sind Elektrolyse und Fischer-Tropsch-Prozesse alte Bekannte) – und trotzdem will der H₂-Zug nicht recht in Fahrt kommen. Dabei ist der Bedarf da: In nicht einmal zehn Jahren erwartet die Deutsche Energie-Agentur Dena einen Bedarf von 90 bis 110 TWh Wasserstoff. Das entspricht einer Elektrolysekapazität von ca. 40 GW, da das Gas ja „grün“ und nicht aus Erdgas gewonnen werden muss. Ein Markt wäre da und ein Produkt verfügbar – warum will Wasserstoff nicht recht aus seinem Dornröschenschlaf erwachen?

Die H₂-Henne und das Wasserstoff-Ei

„Die Erweiterung der umweltfreundlichen Wasserstoffproduktion erfordert erhebliche Investitionen und ist mit hohen Betriebskosten verbunden“, weiß Sleman Saliba, Global Product Manager Energy Management bei ABB Process Automation. „Nahezu 70 Prozent der Gesamtbetriebskosten einer Wasserstoffanlage werden durch den für das Aufspalten des Wassermoleküls benötigten Strom verursacht.“

So hat das Gas ein Henne-Ei-Problem: Damit große Elektrolyseanlagen im Weltmaßstab entstehen, braucht es Kunden. Aber damit Unternehmen und Anwender ihre Prozesse oder Energienutzung umstellen, braucht es genügend verfügbares Gas zu bezahlbaren Preisen. Nach Angaben des Green Hydrogen Catapult (einer globalen Initiative führender Energieunternehmen für die Wasserstoffwirtschaft) müssen die Kosten für die Herstellung von „grünem“ Wasserstoff bis 2026 um 50 Prozent auf unter zwei Dollar pro Kilogramm sinken, um die benötigte Produktionskapazität auf das 50-fache zu steigern.

Das gießt naturgemäß Wasser in den (Schaum-)Wein aller, die vom „Champagner der Energiewende“ träumen. H₂-Sekt zum Selterspreis also muss das Ziel sein – und genau hier fangen die Probleme an. Wasserstoff gilt Kritikern als ineffizienter Energieverschwender: Die Elektrolyse ist kein Perpetuum Mobile und verbraucht mehr Strom, als bei der Verstromung in einer Brennstoffzelle zurück gewonnen werden könnte. Transport oder Speicherung des leichten und flüchtigen Mediums erfordert weitere erhebliche Energieaufwände – und selbst bei der Nutzung geht Energie (in Form von Abwärme) verloren. Die Verbesserung des Wirkungsgrades jedes einzelnen Schrittes in der langen Wertschöpfungskette dürfte eine der zentralen Anforderungen der nächsten Jahre werden.

Kampf dem Energieverlust

Doch um besser zu werden, muss man zunächst verstehen, wo Energie eingesetzt wird und wo sie verloren geht. Mit der Vision vom „Cockpit für das Energiemanagement“ sah sich auch der französische H₂-Spezialist Hynamics konfrontiert: Die EDF-Tochter, die in Frankreich als Rundum-Anbieter für Produktion, Lagerung und Vertrieb von emissionsarmem Wasserstoff auftritt, wollte es bei einem 1-Mw-Elektrolyseur an einem Umspannwerk in Auxerre, 170 Kilometer südöstlich von Paris, genau wissen. Für das Projekt suchten die Franzosen eine Lösung zur Visualisierung der Energieflüsse vom Anlagenbau bis zum Betrieb mit dem Ziel, die Leistung des Elektrolyseprozesses zu verbessern.

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Fündig wurden die Wasserstoff-Spezialisten bei ABB: Die Automatisierungs-Experten haben die Elektrolyse in den Mittelpunkt des neuen Energiemanagement-Systems (EMS) ABB Ability Optimax for Green Hydrogen gestellt. Das Energie-Cockpit, das sich in großen Stückzahlen in konventionellen Kraftwerken in aller Welt bewährt hat, soll Betreiber während des gesamten Lebenszyklus einer Anlage vom CAD-Modell bis zur Echtzeitüberwachung des Energieverbrauchs im Betrieb unterstützen, erklären die Entwickler. Dabei kann Optimax anhand aktueller Energieverfügbarkeit und Marktpreisen, der Anlagenauslastung und anderer Faktoren eine optimierte Betriebsfahrweise bestimmen und die Produktion energieoptimiert laststeuern. Auf diese Weise könnte in Elektrolyse-Anlagen bis zu 16 Prozent weniger Energie verbraucht werden, so die Prozessautomatisierer. Die Folge: Niedrigere Erzeugerkosten und niedrigere Marktpreise für Wasserstoff – und damit ein dringend benötigter Stimulus für das Gas aus der Elektrolysezelle.

Wasserstoff ist nur eine von sechs möglichen Einsatzgebieten für das Energiemanagement, meint Bruno Roche, Global Head of Energy Transition bei ABB: „Wir haben unser Optimax für grünen Wasserstoff weiterentwickelt. Damit helfen wir, die Herausforderungen rund um die Elektrolyse zu bewältigen, die mit hohen Kosten und energieintensiven Prozessen einhergeht.“

„Es ist ein entscheidender Schritt, unser EMS erstmals für Wasserstoff einzusetzen – hoffentlich nur der erste von vielen, die notwendig sein werden, wenn wir ein widerstandsfähiges globales Ökosystem für eine Zukunft mit sauberer Energie aufbauen wollen“, erklärt der Energietechnik-Spezialist. Und das von Anfang an – immerhin lässt sichin Kombination mit der Intraday-Planung der Optimax auch für die Vorausplanung nutzen. So können Anlagenbetreiber wettbewerbsfähig am Energiemarkt handeln und ein zirkuläres System entwickeln, das auf Prognosen zur Verfügbarkeit erneuerbarer Energien und deren Nachfrage basiert und dabei die Marktpreise für Strom berücksichtigt, ist man bei ABB überzeugt.

Damit sehen sich die Automatisierer für zukünftiges Wasserstoff-Wachstum gerüstet: So hat etwa Hynamics nach den Erfahrungen im Burgund vier weitere Standorte identifiziert, an denen in Zukunft kohlenstoffarmer Wasserstoff für Industrie- und Mobilitätskunden produziert wird. Ein Optimax-Einsatz könnte sich auch hier auszahlen, sind die Entwickler überzeugt: „Die Zusammenarbeit zwischen ABB und Hynamics, die sich gegenseitig in ihrer Expertise ergänzen, ermöglicht uns eine schnellere Umsetzung von Wasserstoffprojekten im industriellen Maßstab“, so Christelle Rouillé, General Manager des Wasserstoff-Pioniers. „Die Integration des Energiemanagementsystems von ABB ist ein notwendiger Schritt, um die Leistung der Wasserelektrolyse zu verbessern und so die Kosten der Wasserstoffproduktion zu senken.“ Dazu gehört auch die Cloud-basierte Bereitstellung des EMS in der Leitstelle von Hynamics, potenzielle Leistungs- und Zuverlässigkeitstests, die von der F&E-Abteilung der EDF in Paris durchgeführt werden sowie die potenzielle Erweiterung um weitere Standorte.

Lösungen für die H₂-Wertschöpfung

Energiefluss erkannt, Verschwendung gebannt? Mit dieser Vision will ABB zum Konzept- und Lösungsanbieter in Sachen Energiemanagement-Systeme werden. Das gilt auch in eigener Sache: Der Elektrotechnik- und Automatisierungsspezialist hat sich eine „Mission to Zero“ gegeben – damit die nicht zu einer „Mission Impossible“ wird, braucht es passende Lösungen. Wie das aussehen könnte, zeigt die neue Solaranlage mit einer Gesamtfläche von 7.900 Quadratmetern am Standort der ABB-Tochter Busch-Jaeger in Lüdenscheid. Die Planer gehen davon aus, dass die Photovoltaikanlage rund 1100 MWh Solarstrom pro Jahr liefern kann (das entspricht dem Energiebedarf von 340 Haushalten). In Kombination mit einem Blockheizkraftwerk könnten so 14 Prozent mehr Energie erzeugt werden, als der Standort benötigt. Für das Energiemanagement kommt auch in Lüdenscheid das Optimax-System zum Einsatz: Das EMS überwacht und steuert Energieerzeugung, -Verbrauch und -Speicherung in einem 275 kWh Batteriespeicher.

Echte Energieautarkie also – ein Modell, das nicht nur in der ABB-Welt Schule machen soll. Dabei nutzt das EMS als selbstlernendes System Vorhersagedaten und ist in der Lage, Abweichungen in Echtzeit auszugleichen. Scheint die Sonne einmal nicht, wird Grünstrom von einem Energieanbieter bezogen. Damit könne man rund 630 Tonnen CO₂ einsparen – und das Jahr für Jahr – heißt es. Übrigens begleitet ABB die Energiewende nicht nur als Energiemanager: Mit seiner langjährigen Erfahrung bei der Ausrüstung elektrochemischer Großanlagen liefert das Unternehmen auch die passende Ausrüstung, allen voran Gleichrichtersysteme in einem Leistungsbereich zwischen 5.000 A und 550.000 A. So arbeiten die Automatisierer gemeinsam mit Hydrogen Optimized an großen Starkstrom-Elektrolyseuren mit mehreren hundert Megawatt Leistung. Basieren sollen die H₂-Kraftprotze auf der Ruggedcell-Elektrolyse von Hydrogen Optimized, die über ABB HPR-Gleichrichter mit Energie versorgt werden.

Da die Gleichrichtersysteme als Einzel- oder Mehrfacheinheiten erhältlich sind, bieten sie nahezu unbegrenzte Strom- und Spannungskombinationen, erklären die Projektverantwortlichen: „Diese Technologie passt hervorragend zu unserem zum Patent angemeldeten System Ruggedcell: Die beiden Technologien führen bei einer Erweiterung des sauberen Wasserstoffprojekts zu einer kontinuierlichen Reduzierung des Investitionsaufwands”, erklärt Andrew T.B. Stuart, Präsident und CEO von Hydrogen Optimized. „Wir werden gemeinsam die Voraussetzungen schaffen für den Bau von Einzelanlagen bis in den Leistungsbereich mehrerer Hundert Megawatt.”

Der Nachweis der Skalierbarkeit dieser Elektrolysekomponenten ist für kostengünstigen umweltfreundlichen Wasserstoff von entscheidender Bedeutung. Als erster Schritt wollen die Firmen gemeinsam einen Demonstrator bauen, auf den der Entwurf einer 100-MW-Anlage folgen soll. Dazu kommen Projekte zur Gasverflüssigung und Transport, wie die Ausrüstung des HESC-Pilotprojekts, das flüssiges Wasserstoffgas von Australien nach Japan tranportieren soll.

Ebenfalls im Programm: Sensorlösungen, Kompressorsteuerungen und Antriebe für alle Schritte der H₂-Wertschöpfungskette. Mit neuen Anlagenkonzepten und konkreten Technologien für die Energieautarkie überzeugte ABB ein Ahlener Industrieunternehmen, das Wasserstoff in seinen Anlagen und Prozessen einsetzen will, um sich unabhängig vom Stromnetz zu machen. Das Unternehmen verfügt über große Grundstücke, auf denen sich PV-Anlagen und sogar ein Windkraftwerk in­stallieren ließen – in Kombination mit Elektrolyseuren und Wasserstoffspeichern könnte es gelingen, nicht nur ohne Netzstrom auszukommen, sondern auch auf Gaslieferungen verzichten zu können.

Die Wasserstoffwende orchestrieren

Und nicht nur das: Seit dem vergangenen Jahr verstärkt mit ABBs Peter Terwiesch ein ausgewiesener MSR-Experte die European Clean Hydrogen Alliance der EU als Exekutivmitglied: „Wir verfügen über eine einzigartige Mischung aus Fachwissen und Lösungen, um die Industrie zu unterstützen und bei der Entwicklung neuer sauberer Wasserstofftechnologien einen echten Unterschied zu machen“, erläuterte der ABB-Manager bei Amtsantritt. „Diese Mitgliedschaft stärkt unser Engagement für die nachhaltigen Entwicklungsziele der UNO bis 2050 sowie unsere eigene Verpflichtung, den CO₂-Fußabdruck unserer Kunden durch ABB-Technologien um mehr als 100 Megatonnen pro Jahr zu reduzieren.“

Zur Wasserstoff-Landkarte

Essenzieller Baustein und Fundament der Wasserstoff-Wende in Ahlen: Das Energiemanagementsystem Optimax. Denn 16 Prozent Energieeinsparung könnten bis zu 20 Prozent weniger Kosten nach sich ziehen, heißt es bei ABB – und damit einen der zentralen Kritikpunkte an Wasserstoffprojekten entkräften. Mit konkreten Vorhaben die Defossilierung lokal voranbringen – so ließen sich die gesuchten Use-Cases für Wasserstoff schaffen und zugleich die Kosten senken, sind die Energiespezialisten überzeugt. Quasi Henne und Ei im selben Stall – schließlich heißt es für Industrieunternehmen bereit sein, wenn die Wasserstoff-Revolution Fahrt aufnimmt. (dst)

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