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Wasserstoff: Elektrolyse in Serie Wasserstoff wagt den Ausbruch aus Labor und Technikum: Jetzt kommt die Elektrolyse in Serie

Von Dominik Stephan

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ZSW Zentrum für Sonnenenergie- und Wasserstoff-Forschung Baden-Württemberg
Aerzener Maschinenfabrik GmbH
VEGA Grieshaber KG
Endress+Hauser (Deutschland) GmbH+Co. KG

Stahl, Zement, Verkehr und Energiewende: Wasserstoff soll es richten: Doch wenn das Wundergas wirklich "grün", also emissionsneutral aus regenerativen Energien erzeugt werden soll, braucht es geeignete Elektrolyseanlagen. Soweit, so bekannt - trotzdem ist die Technologie derzeit häufig entweder auf den Labormaßstab oder gewaltige Großanlagen beschränkt. Sollen die Elektrolyseure in Serie gehen, sind Kooperationen zwischen Forschung und Industrie gefragt. Ein Projekt in Baden-Württemberg will zeigen, wie das gehen könnte...

Im Forschungsprojekt erforscht das ZSW mit drei Industriepartnern die Extruder-basierte Herstellung von Elektroden mit umweltverträglichen und hochkapazitiven Materialien, ohne den Einsatz von toxischem NMP.(Bild: ZSW)
Im Forschungsprojekt erforscht das ZSW mit drei Industriepartnern die Extruder-basierte Herstellung von Elektroden mit umweltverträglichen und hochkapazitiven Materialien, ohne den Einsatz von toxischem NMP.
(Bild: ZSW)

Busse, Züge, Stahlwerke oder Power-to-X-Pioniere: Alle reden vom Wasserstoff. Wenn die EU mit ihrem New Green Deal Ernst macht und bis 2050 klimaneutral werden will, wird es ohne das kleinste Molekül des Periodensystems nicht gehen. Das gilt nicht nur etwa für den Schwerverkehr, sondern zunehmend auch für energie- und emissionsintensive stoffliche Wertschöpfungsketten wie etwa Chemie- oder Baustoffindustrien. Doch woher soll das Gas für all diese Vorhaben kommen?

Grün, blau oder grau – Für die Herstellung des Wasserstoffgases selbst gibt es ganz verschiedene Ansätze. Als "grün" im Sinne der Kimaneutralität gilt jedoch ausschließlich Elektrolyse-Gas (bzw. allenfalls und mit Einschränkungen noch der unter Auffangen der Kohlendioxid-Emissionen gewonnene "blaue" Wasserstoff). Auf diese Weise wird eines der ältesten Verfahren der Chemie zur Zukunftstechnologie der Energiewende: Die Elektrolyse ist eigentlich ein alter Hut und wird - etwa in der Chlorchemie - im Großanlagenbau weltweit eingesetzt. Die Wasserstoffelektrolyse spielte in fossilen Zeiten, in denen H2 leicht aus Erdgas gewonnen werden kann, außerhalb des Chemieunterichts (wer erinnert sich nicht mit Freude oder Schrecken an die "Knallgasprobe"?) nur eine Nebenrolle.

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Das soll sich jetzt ändern: Auch wenn Energieexperten davon ausgehen, dass Deutschland auch in Zukunft abhängig von Energieimporten bleiben wird, hoffen Anlagenbauer auf Exporterfolge mit Elektrolysetechnologien. Doch dafür, so Branchenkenner, müssten aus guten Ideen Produkte für die Serienfertigung werden. Weltweit agieren derzeit etwa zehn Unternehmen am Markt, die kommerzielle Elektrolysesysteme im Megawatt-Maßstab entwickeln und anbieten. In diese Runde dazu stoßen wollen jetzt das Zentrum für Sonnenenergie- und Wasserstoff-Forschung Baden-Württemberg (ZSW) und das Unternehmen Ecoclean: Die beiden Partner wollen im Rahmen des Projektes „Ecolyzer BW“ ein international wettbewerbsfähiges Elektrolysesystem in Serie entwickeln und auf den Markt bringen.

Elektrolyse im Ländle: Wasserstoff statt Spätzle
Technologie im Fokus

Derzeit planen das ZSW und Ecoclean Elektrolysemodule im Maßstab von ca. 1 Megawatt, die als Baukastensystem durch Numbering-Up skalierbar sind. Damit könnten ca. 20 Kilo Wasserstoff pro Stunde produziert werden, erklären die Entwicler. Bei einer Jahreslaufzeit von 5.000 Stunden – für die nach die nach EEG der Strombezug Umlage-befreit ist - wären dies 90 Tonnen Wasserstoff. Entsprechende Module sollen ab ca 2023 zum Preis von einer bis 1,5 Millionen Euro an Kunden wie H2-Tankstellen oder kleinere Unternehmen bereitgestellt werden. Natürlich wären auch mehrere Module zur Erzeugung größerer Mengen Elektrolysegas für Grundstoff-Prozesse denkbar. Derzeit plant Ecoclean, etwa 80 Einheiten pro Jahr vorausichtlich am Standort Dettingen zu fertigen. Die Systeme sollen dabei so aufgebaut sein, dass eine Containerlösung (Outdoor) oder auch eine Aufstellung innerhalb eines Gebäudes (Indoor) möglich wäre.

Alkalische Elektrolyse soll als Wasserstoff-Generator in Serie gehen

Technologische Grundlage für den geplanten Aufbau einer Serienproduktion ist eine vom ZSW in den vergangenen zehn Jahren entwickelte Systemtechnik für die Alkalische Wasser-Elektrolyse in der 1-Megawatt-Leistungsklasse, aufgebaut als Druckelektrolyse. Im Vollausbau liefert der Elektrolyseur, der mit zwei Elektrolyseblöcken von je 0,5 Megawatt Leistung ausgestattet werden kann, bei einer Effizienz von ca. 70 Prozent etwa 20 Kilogramm Wasserstoff pro Stunde (auf einem Druckniveau von 16 bar).

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Die Entscheidung für diese Technologie wurde vom ZSW zu Beginn der Entwicklungen aus gutem Grund getroffen. „Zum einen handelt es sich bei der Alkalischen Elektrolyse um eine bereits gut erprobte und robuste Technologie. Sie ist technisch gut auch in große Leistungsklassen skalierbar. Aber insbesondere kommt die Alkalische Elektrolyse im Gegensatz zu anderen Elektrolysetechnologien (PEM Elektrolyse bzw. Hochtemperaturelektrolyse) ohne den Einsatz von ressourcenkritischen Edelmetallen und seltenen Erden aus. Das macht sie einerseits günstiger, andererseits sind keine Rohstoffengpässe beim Markthochlauf zu erwarten“, so Dr. Marc-Simon Löffler, Leiter des Fachgebiets Regenerative Energieträger und Verfahren.

Auf Erfahrung praktisch: ZSW bringt H2-Expertise ins Projekt

Und nicht nur das: Damit sich das System auch in der Praxis bewährt, sollen Aspekte der industriellen Anwendung sowie der Wartungsfreundlichkeit von Anfang an mit einbezogen werden. Auch in Sachen Laststeuerung wollen die Entwickler Akzente setzen: Die Technologie ist wie typisch für Elektrolyseanwendungen auch für einen dynamischen Betrieb im Kontext Power-to-X mit fluktuierend anfallendem Strom - typisch für die sogenannten Erneuerbaren - ausgelegt.

Dabei können die Entwickler auf Jahre der Expertise in den Wasserstofftechnologien und beim Technologietransfer zurückblicken, erklärt das ZSW, unter anderem in dem vom Wirtschaftsministerium Baden-Württemberg geförderten Verbundprojekt „Elektrolyse made in Baden-Württemberg“. Was fehlte, war bislang ein industrieller Anbieter, der diese Kompetenzen als Hersteller von Elektrolysesystemtechnik bündelt.

Aus dem Ländle in die Welt: Stuttgarter Firma setzt auf Wasserstoff

Das soll sich jetzt ändern: Mit Ecoclean aus Filderstadt kam ausgerechnet ein Spezialist für Anwendungen in der industriellen Reinigungstechnik und Oberflächenbehandlung ins Boot – Anwendungen, die man nicht auf den ersten Blick im Elektrolyse-Umfeld vermutet. „Wir verfügen über ausgewiesene Kompetenzen im Bereich des verfahrenstechnischen Anlagenbaus und industrieller Fertigungsprozesse und beabsichtigen auf dieser Grundlage die Entwicklung und Produktion einer wettbewerbsfähigen Elektrolysesystemtechnik in Baden-Württemberg für eine weltweite Vermarktung“, erklärt Ecoclean-Geschäftsführer Michael Förster.

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Geplant ist, dass Ecoclean rund 80 Anlagen pro Jahr am Standort Dettingen fertigt, die dann für den internationalen Markt zur Verfügung gestellt werden. Mit der Produktion erster Anlagen soll ab 2023 begonnen werden. „Wir haben unsere Technologie in der Leistungsklasse ein Megawatt umgesetzt, dies bedeutet eine Produktionsmenge von rund 20 Kilogramm H2 pro Stunde. Zur Einordnung: das ist in etwa die Tankfüllung von vier Brennstoffzellen-PKW oder von einem Brennstoffzellen-Bus pro Stunde“, so Dr. Marc-Simon Löffler.

Elektrolyse soll Schlüsseltechnologie in Ba-Wü werden

Die vom ZSW entwickelte Technologie wurde im Rahmen des vom Wirtschaftsministerium Baden-Württemberg geförderten Leuchtturmprojektes „Power-to-Gas Baden-Württemberg“ in Grenzach-Wyhlen ab 2019 bereits erfolgreich in Praxisumgebung erprobt. „Unsere Elektrolysesystemtechnologie für die Serienproduktion fit zu machen, bietet insbesondere für das Technologie-Exportland Baden-Württemberg mit seinen Potenzialen im Maschinen- und Anlagenbau und der Zulieferindustrie große Chancen. Mit Ecoclean haben wir hierfür einen idealen Partner gefunden“, so Dr. Marc-Simon Löffler. Das nun gestartete Verbundprojekt mit Ecoclean läuft bis März 2024 und wird vom Umweltministerium Baden-Württemberg im Rahmen des Zukunftsprogramms Wasserstoff BW mit Projektmitteln in Höhe von rund 2,1 Millionen Euro gefördert.

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