Derzeit wird an der weltweit ersten Umsetzung der Hochtemperatur-Elektrolyse im MW-Leistungsbereich gearbeitet

Bild: Sunfire; iStock, oatintro

In wenigen Minuten vom Erzeuger zum Verbraucher Reversible Wasserstoffelektrolyse sorgt für Flexibilität

18.11.2019

Die Hochtemperatur-Elektrolyse von Sunfire ist nicht nur effizient, sondern auch reversibel. Gerät das Energiesystem in einen kritischen Zustand, wird die Anlage zur Brennstoffzelle und liefert den benötigten Ausgleichsstrom. Zur Ausschöpfung der Potenziale muss aber noch die Regulierung angepasst werden.

Alkali oder PEM (Proton Exchange Membrane) galten jahrzehntelang als die einzigen ausgereiften Elektrolyseverfahren zur Erzeugung von grünem Wasserstoff aus Ökostrom. Mit der Hochtemperatur-Elektrolyse ist nun ein drittes vielversprechendes Verfahren im industriellen Maßstab mehrfach erprobt und angewendet worden. Derzeit wird an der weltweit ersten Umsetzung der Hochtemperatur-Elektrolyse im Megawatt-Leistungsbereich gearbeitet.

Teile des Energiebedarfs mit Abwärme decken

Das eigens entwickelte Elektrolyseverfahren von Sunfire bietet entscheidende Vorteile gegenüber den klassischen Pendants: Der Systemwirkungsgrad von bis zu 82 Prozent liegt weit über dem von Alkali oder PEM und der Wasserstoff lässt sich direkt über die Einbindung von industrieller Abwärme erzeugen. Da bei der Hochtemperatur-Elektrolyse Betriebstemperaturen von 800°C bis 1000°C erreicht werden, können Teile des Energiebedarfs durch die Nutzung der bei industriellen Verfahren ohnehin anfallenden Abwärme gedeckt werden. Die Einbindung der industriellen Abwärme in den Produktionsprozess hat somit die Minderung der zur Wasserspaltung nötigen Energiemenge zur Folge.

Flexibel im Dienst der Netzstabilität

Zusätzlich ist durch die Möglichkeit des reversiblen Betriebsablaufs ein entscheidender Faktor für Anwendungen gegeben, bei denen Netzdienlichkeit und Versorgungssicherheit im Vordergrund stehen. Der Elektrolyseur ändert seinen Betrieb innerhalb weniger Minuten zur Brennstoffzelle, die wiederum Strom und Wärme aus Wasserstoff erzeugen kann. Diese Umwandlung elektrischer Energie in Wasserstoff und Rückwandlung in Strom und Wärme eröffnet weitere kommerzielle Anwendungsfelder. In Zeiten, in denen eine stabile Stromversorgung nicht gewährleistet werden kann, ist ein derartiges System von Vorteil. Die zwei Wandlungspfade werden miteinander verknüpft und die Stromversorgung durchgehend aufrechterhalten. Dies wird besonders relevant, wenn eine permanente Stromversorgung kritisch für die Wirtschaftlichkeit des Industrieprozesses ist und der reversible Einsatz den Zeitraum der unsteten Stromversorgung überbrückt. Grundvoraussetzung des reversiblen Systems, das gleichzeitig Eigenschaften eines Elektrolyseurs und einer Brennstoffzelle aufweist, ist der Einsatz der speziellen Festoxidzellen. Die Kombination der Wandlungspfade – in Form einer reversiblen Festoxid-Brennstoffzelle (RSOC) – trägt maßgeblich zur Steigerung der Systemgesamtauslastung bei und hat unter Einbeziehung betriebswirtschaftlicher Gesichtspunkte positive Rückwirkungen auf die Kosteneffizienz der Anlage.

Schon heute: Wasserstoff in der Stahlindustrie

Auch nicht direkt-elektrifizierbare Sektoren, wie die Stahlindustrie, müssen auf absehbare Zeit CO2-Minderungen vorweisen können. Realisierbar ist dies heute schon, wenn bereits vorhandene klimaneutrale Technologien eingesetzt werden. Deshalb betreibt der Anlagenbauer Paul Wurth einen Hochofen zur Eisenerzreduktion und setzt dabei auf die Technologie von Sunfire. Im Werk der Salzgitter AG wird die leistungsstarke Hochtemperaturelektrolyse zur Produktion von Wasserstoff genutzt, um diesen in den Glühprozessen der Stahlveredelung einzusetzen.

Zudem wird Wasserstoff zukünftig als Reduktionsmittel anstelle des üblicherweise genutzten Kohlenstoffes in der Verhüttung von Eisenerzen verwendet. So kann durch die Nutzung von grünem Wasserstoff die umweltschädliche Koksverbrennung vermieden werden. Bis Ende 2022 soll die Anlage dabei rund 100 t Wasserstoff erzeugen und mindestens 13.000 Stunden in Betrieb sein. Die Kooperation zwischen Paul Wurth und Sunfire markiert einen wichtigen Schritt zur Dekarbonisierung der Stahlindustrie und zeigt, dass durch die Einbindung von effizient erzeugtem grünem Wasserstoff klimaschonende Industrieprozesse möglich sind.

CO2 aus der Umgebungsluft

Neben der Hochtemperatur-Elektrolyse entwickelte Sunfire eine weitere wegweisende Technologie – die CO-Elektrolyse. Durch die Spaltung von Wasser zusammen mit Kohlenstoffdioxid und Ökostrom entsteht ein vielfach einsetzbares Synthesegas (Mischung aus Kohlenstoffmonoxid und Wasserstoff). Dieses Gas ist Grundstoff für eine Reihe von Produkten in der chemischen Industrie. Von Vorteil ist, die Kombination mit der zukunftsweisenden „Direct-Air-Capture“ Technologie, die das zur Erzeugung des Synthesegases benötigte CO2 unmittelbar aus der Umgebungsluft filtern kann.

Der 10-kW-CO-Elektrolyse-Prototyp vom Typ Sunfire-SynLink hat in den vergangenen Monaten stündlich vier Nm3/h Synthesegas im Testbetrieb bei Sunfire in Dresden, sowie im Rahmen des Bundesforschungsministerium geförderten Kopernikus P2X-Projektes in Karlsruhe erzeugt. Bislang war die Herstellung nur in einem zweistufigen Verfahren über die Elektrolyse und RWGS (Reverse Water Gas Shift Reaction) möglich. Durch die Bündelung der zuvor nur sequentiell in Anwendung befindlichen Verfahren ist die Produktion von Synthesegas zukünftig platzsparender, effizienter und somit auch kostengünstiger.

Wasserstoff im Blick von Deutschland und der EU

Die Politik hat die Potenziale der Technologie erkannt. Das Bundesministerium für Wirtschaft- und Energie sowie das Bundesministerium für Umwelt, Naturschutz und nukleare Sicherheit haben bereits nationale Förderungsvorhaben und Wasserstoffstrategien für Ende dieses Jahres angekündigt. Selbiges gilt für die Bundestagsfraktionen, die jeweils eigene Eckpunkte für die Förderung in die Debatte eingebracht haben. Auch international genießt Wasserstoff eine breite Aufmerksamkeit und ist damit in der Mitte des politischen Diskurses angekommen. Anhand der bereits implementierten und in der Umsetzung befindlichen Wasserstoffstrategien, wie etwa in Australien, Japan, China oder Frankreich wird deutlich welche Bedeutung dem Energieträger Wasserstoff beigemessen wird. Die Erwartungen der EU fallen ebenfalls positiv aus. Im Rahmen der Kooperation von Hydrogen Europe und der Europäischen Kommission – dem Fuel Cell and Hydrogen Joint Undertaking – entstand eine Potenzialanalyse, der zufolge der Aufbau einer Wasserstoffindustrie nicht nur Möglichkeiten zur Bekämpfung des Klimawandels birgt, sondern auch Chancen für die Sicherung künftiger Beschäftigung und Wirtschaftsleistung bietet. Bis 2050 könnten in der Wasserstoffindustrie mehr als 5,4 Millionen Arbeitsplätze bei einem gleichzeitigen Jahresumsatz von 800 Milliarden Euro entstehen. Um der Technologie in Europa und insbesondere in Deutschland, als dem innovativen Wegbereiter des Wasserstoffs, zum Durchbruch zu verhelfen, dürfen die geplanten Strategien der Ministerien nicht nur Absichtserklärungen bleiben.

Regulatorische Restriktionen

Augenblicklich führt eine Reihe von rechtlichen Rahmenbedingungen dazu, dass Power-to-X-Anwendungen häufig an der Grenze zur Wirtschaftlichkeit operieren müssen. Diese Hemmnisse lassen sich in erster Linie auf die zusätzlichen Abgaben reduzieren, die im Rahmen des Strombezugs anfallen. Vor diesem Hintergrund bleibt problematisch, dass der für die „grüne“ Wasserstofferzeugung eingesetzte Strom aus erneuerbaren Energien der vollen EEG-Umlage unterliegt. Ferner sollte eine Regelung in Betracht gezogen werden, die derzeit fehlende Anreize für den industriellen Einsatz kompensiert. Eine derartige Wirkung ließe die Umsetzung der, in der EU-Richtlinie RED-II, vorgesehenen Anrechenbarkeit von „grünem“ Wasserstoff auf die THG-Quote erwarten. Eine Implementierung der Direktive in nationales Recht könnte noch vor dem Ende der offiziellen Umsetzungsfrist der Europäischen Kommission im Juni 2021 erfolgen und würde dann einen wichtigen Beitrag für den großflächigen Einsatz des Energiespeichers Wasserstoff in Deutschland leisten können.

Potenzialentfaltung von grünem Wasserstoff

Die zur Bekämpfung des Klimawandels unerlässliche Wende im Energie-, Wärme- und Verkehrssektor stärkt den Ruf nach CO2-neutralen Lösungen, die Power-to-X bereits heute bieten. Damit „grüner“ Wasserstoff aber auch sein volles Potenzial entfalten kann und Deutschland bei Power-to-X technologischer Vorreiter bleibt, sind politische Entscheidungen unerlässlich – nur dann lässt sich eine nachhaltige Energiewende in allen Sektoren erreichen.

Bildergalerie

  • Mit dem Projekt GrInHy2.0 wird erstmals im industriellen Umfeld eine Hochtemperatur-Elektrolyse mit einer elektrischen Nennleistung von 720 kW realisiert.

    Bild: Sunfire

  • Die Anlage soll bis Ende 2022 mindestens 13.000 Stunden in Betrieb sein und etwa 100 t Wasserstoff von hoher Reinheit (99,98 Prozent) liefern.

    Bild: Sunfire

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