Die Anlage ist im Rahmen des Projekts “IntegrH2ate” als Teil des Wasserstoff-Leitprojekts H2Giga entstanden und wird vom Bundesministerium für Forschung, Technologie und Raumfahrt (BMFTR) gefördert. Nun wurde die Versuchsanlage im Beisein der Projektpartner und Fördermittelgeber eingeweiht.
Kopplung zwischen PEM-Elektrolyse, Wärmepumpe und Wärmenetz
Das Projekt IntegrH2ate untersucht die Kopplung zwischen PEM-Elektrolyse, Wärmepumpe und Wärmenetz. Die Abwärme aus der Elektrolyse wird durch die Wärmepumpe so aufgewertet, dass diese als Fernwärme im Versorgungsnetz der Stadt dienen kann. Auch der Sauerstoff aus der Elektrolyse ist bei entsprechender Reinheit eine gefragte Handelsware. Die nun erstellte Versuchsanlage dient primär der Betriebsoptimierung des innovativen Anlagenkonzeptes und der effizienten Kopplung von Elektrolyseuren und Wärmepumpen bei strom-, wärme- oder wasserstoffgeführter Betriebsweise. Je nachdem, ob der Fokus auf die Nutzung von grünem Überschussstrom, der Einsparung von fossilen Energieträgern oder der optimalen Wasserstoffherstellung liegt, ändern sich Betriebsweise und Betriebsparameter. Mit der Anlage in Zittau prüft das Projektteam nun in der Praxis die Konzepte der industriellen Sektorenkopplung, die es in den letzten Jahren entwickelt hat.
“Mit unseren Versuchsanlagen schaffen wir eine Test-Infrastruktur, um industrienahe Prozesse zu testen und zu qualifizieren”, sagt Clemens Schneider, Projektleiter am Fraunhofer IEG. “Wir erproben im Technikums-Maßstab, wie sich die Nebenprodukte Wärme und Sauerstoff aus der Elektrolyse bei dynamischer Betriebsweise optimal aufbereiten lassen. Zudem stellt die Versuchsanlage eine Plattform dar, um zukünftig industrienahe Prozesse für Hersteller und Betreiber zu testen und zu qualifizieren. Beispielsweise die Methanisierung von Kohlendioxid, geschlossene Kohlestoffkreisläufe, Tests von Verdichtern für Sauerstoff und Wasserstoff sowie Wasserstoff-Brenner und weitere Komponenten zur Nutzung der Haupt- und Nebenprodukte aus der PEM-Elektrolyse. Wir finden Lösungen für die aktuellen Herausforderungen der Verfahrenstechnik und Systemintegration von Energieanlagen.”
Protonenaustauschmembranen oder Polymer-Elektrolyt-Membranen, kurz PEM, dienen in der Elektrolyse zur Trennung der beiden Elektroden und lassen nur gezielt Reaktionsprodukte hindurch. PEM-Elektrolyseure besitzen eine gute Teillastfähigkeit und gute Wirkungsgrade. Sie sind unempfindlich gegenüber Lastwechseln. Insofern eignen sie sich besonders für die Produktion von Wasserstoff mit Strom aus volatilen erneuerbaren Quellen.
Der Elektrolyseur LA-SeVe koppelt die Sektoren Strom und Wärme und ermöglicht Betriebsprozesse zu optimieren. © Paul Glaser/Fraunhofer IEG
Die “Laboranlage Sektorengekoppelte Verwertung der PEM-Elektrolyseprodukte” (LA-SeVe) entstand mit einer Investition von 2,7 Mio. Euro auf dem Gelände der Stadtwerke Zittau. Der Elektrolyseur findet in einem Containerraum von rund 12 m Länge und 2,5 m Breite Platz und wird über eine neue Trafostation mit Strom versorgt. Die Wärmepumpe mit einer Leistung von maximal 105 kW (thermisch) bekam zusammen mit Pufferspeicher, Pumpen und Regelungstechnik eine 5 mal 5 m große Standfläche in einer bestehenden Halle und ist über einen Wasserkreislauf an den Elektrolyseur angebunden. Die Abwärme aus dem Forschungsbetrieb des Elektrolyseurs geht über die Wärmepumpe in das städtische Fernwärmenetz.
Am Standort Zittau forscht Fraunhofer IEG konkret, anwendungsnah und mit Blick auf die regionale Industrie und kommunale Wärmeversorgung. Im Fokus stehen Technologien zur effizienten Wandlung verschiedener Energieformen wie Strom und Wärme. “Weiterhin analysieren wir industrielle Prozesse sowie Umweltwärmequellen und konzeptionieren Lösungen zur Aufwertung und Einbindung dieser ungenutzten Wärmepotenziale im Gesamtprozess”, ergänzt Schneider, der auch den Standort Zittau des Fraunhofer IEG leitet. Die Innovationen sollen zeigen, welche Rolle regenerative Wärmequellen in zukunftsfesten Wärmenetzen für Haushalte, Gewerbe und Industrie spielen. Es entstehen Verfahren zur effizienten Kopplung des Strom-, Gas- und Wärmesektors etwa durch die geeignete Nutzung der bei der Elektrolyse anfallenden Produkte oder durch sektorenübergreifenden Nutzungsszenarien von Elektrolyseuren in zentralen und dezentralen Anlagen und Systemen.
Das Projekt IntegrH2ate ist Teil des Wasserstoff-Leitprojekts H2Giga und hat die effiziente Nutzung der Nebenprodukte Wärme und Sauerstoff aus der PEM-Elektrolyse zum Gegenstand. Bei der Wasserstoff-Elektrolyse mittels Protonenaustauschmembran (PEM) wird ungefähr ein Drittel der eingesetzten elektrischen Energie in Abwärme umgewandelt. Zudem bleibt der beim Elektrolyseprozess anfallende Sauerstoff meist ungenutzt. Im Projekt IntegrH2ate untersuchen die Projektpartner die Verwertung der Nebenprodukte der Wasserstoff-Elektrolyse: Wärme und Sauerstoff. Das Ziel der Untersuchungen im Technikumsmaßstab ist die Erhöhung der Wirtschaftlichkeit der Wasserstoffproduktion mittels PEM-Elektrolyseuren. Konsortialpartner im Projekt IntegrH2ate sind die Linde GmbH und das Fraunhofer IEG mit seinem Standort Zittau. Das Bundesministerium für Forschung, Technologie und Raumfahrt (BMFTR) fördert das Projekt mit rund 10 Mio. Euro, das Fraunhofer IEG erhält dabei eine Fördersumme in Höhe von ca. 4,2 Mio. Euro. Die Versuchsanlage LA-SeVe hat Pilotcharakter und ist ein Alleinstellungsmerkmal des Projektes.
Stimmen zur Einweihung der Versuchsanlage in Zittau
“Wasserstoff wird der entscheidende Baustein sein, um auch die schwer zu dekarbonisierenden Industrien zukunftsfest aufzustellen. Chemie, Stahl und Schwerlastverkehr brauchen grünen Wasserstoff, und dessen Erzeugung öffnet neue Wertschöpfung am Standort Deutschland”, erklärt Prof. Mario Ragwitz, Leiter des Fraunhofer IEG. “Mit der neuen Anlage zeigt die Energieregion Lausitz, wie man seine bewährten Kompetenzen für die Zukunft einsetzt. Wir freuen uns, mit der Laboranlage zum gelingenden Strukturwandel in der Lausitz beizutragen.”
“Die Forschung von heute wird zu Technologie und Wertschöpfung von morgen. Sie sichert internationale Stärke und technologische Souveränität auf dem Gebiet der klimaneutralen Energieversorgung. Das ist ganz im Sinne der Hightech Agenda Deutschland. Hier in Zittau ist die Forschung außerdem ein Baustein des Strukturwandels, der traditionelle Kompetenzen weiterentwickelt und zur Gestaltung der Zukunft einsetzt. Das Fraunhofer IEG und alle Beteiligten an der neuartigen Laboranlage, die mein Haus im Rahmen des Vorhabens IntegrH2ate fördert, zeigen hier in Zittau, wie Forschung an Wasserstofftechnologien ganz praktisch einsetzbar wird und zum Strukturwandel beitragen kann”, so die Bundesministerin für Forschung, Technologie und Raumfahrt Dorothee Bär.
“Das ist eine gute Nachricht für das Projekt ‘IntegrH2ate’ und das Wasserstoff-Leitprojekt ‘H2Giga’, ergänzt Thomas Emmert von Linde GmbH, Gesamtprojekt-Koordinator von IntegrH2ate. “Damit werden wir nachweisen, dass die Auskopplung und die effektive Nutzung des Elektrolyseproduktes Wärme die Wirtschaftlichkeit der Elektrolyse verbessert. Mittelfristig wird dies die Umsetzung von Elektrolyseprojekten mit Sektorenkopplung vorantreiben und den Hochlauf der Wasserstoffwirtschaft unterstützen.”
(Quelle: Fraunhofer IEG)
