Fachbeitrag Überflieger Wasserstoff

Wasserstoff, Treibstoff der Zukunft – Baustein moderner Produktion und internationaler Bestseller. Kurz gesagt: Der Stoff, aus dem die Zukunft ist. Und er ist dementsprechend gefragt. Dies ist einer der Gründe, warum sich Siemens seit einigen Jahren die Frage stellt, wie der Wasserstoffhunger der Moderne gestillt werden kann. Wie wird ausreichend Wasserstoff produziert – möglichst kostengünstig und nachhaltig? Intensive Testläufe, unterschiedliche Prototypen, verschiedene Forschungsreihen und Optimierungen aller Bereiche einer Elektrolyse führten zum aktuellen Elektrolyse-System Silyzer, dessen Design nun die passende Antwort gibt.

Bei der Konzeption des neuen Elektrolyse-Systems setzten die Ingenieure von Anfang an auf die Erfahrungswerte aus der langjährigen Forschung mit der PEM (Proton Exchange Membrane)-Technologie. Ein Prototyp, dessen Konstruktion dem heutigen Stack sehr ähnlich war, lieferte bereits vor Jahren Wasserstoff bei 100 bar und zeigte sich als durchaus ausbaufähig. In zwölf Jahren Betriebseinsatz wurden zahlreiche Modifikationen vorgenommen. Dazu zählen beispielsweise verschiedene Varianten beim Zellstapel, dem Stack. Grundsätzlich mussten alle Hauptbestandteile einer Elektrolyse-Zelle aus sämtlichen Perspektiven betrachtet und optimiert werden. Bei der Kombination aus Membran und Elektroden (kurz MEA) sind wesentliche Stellschrauben die Wahl der Materialien für die Elektroden, ihre Konzentration und Mischung, die Art der Aufbringung auf die Membran und natürlich die Material­dicke.

Ein weiterer wesentlicher Faktor für Effizienz, Leistung und Baugröße eines Elektrolyseurs ist die Stromdichte, mit der das System betrieben wird. Es hat sich gezeigt, dass die MEA auch Ströme von zehn Ampere pro Quadratzentimeter und mehr verträgt. Zusätzlich forschten die Ingenieure an der Reduzierung des Wasserbedarfs im Betrieb und Zusatzfunktionen, wie der einfachen und sicheren Steuerung sowie Betriebsanalyse aus der Ferne mittels Remote Control. Auch ein Dauerversuch mit mehr als 65.000 Betriebsstunden wurde erfolgreich durchgeführt. Die Zusammenführung der Innovationen führt zum Silyzer. Mit einer Nennleistung von 1,25 Megawatt und einer Anlaufzeit von weniger als zehn Sekunden können Wasserstoffmengen von mehr als 20 Kilogramm pro Stunde erzeugt werden.

Wasserstoff CO₂-frei gewinnen

Die Gewinnung von „grünem“ Wasserstoff haben sich in den letzten Jahren bereits verschiedene Hersteller von Elektrolyse-Systemen als Ziel gesetzt. Klar ist, dass Wasserstoff durch die Elektrolyse von Wasser nur dann CO₂-frei gewonnen werden kann, wenn regenerativ erzeugte Primärenergie verwendet wird. Erneuerbare Energiequellen sind jedoch sehr volatil und sprunghaft, was zu extremen Schwankungen bei der Stromproduktion führt. Daraus ergeben sich Probleme für die Netzbetreiber und die Netzstabilität. Genau an diesem Punkt kommt die PEM-Elektrolyse ins Spiel. Der Silyzer kann durch seinen hochdynamischen Betrieb einen Beitrag zur Netzstabilität leisten, indem Leistungsspitzen innerhalb von Sekunden abgefangen werden. Wenn nötig, kann der Silyzer auch im Überlastbetrieb gefahren werden. Netzbetreiber meistern kritische Situationen, indem sie überschüssige Energie aus regenerativen Quellen in „grünen Wasserstoff“ umwandeln.

Stichwort Überschuss: Schon heute werden Windkraftanlagen in Norddeutschland sehr häufig abgeschaltet, weil produzierter Strom nicht in Verbrauchsregionen geleitet werden kann. Fakt ist: Bereits 2012 konnten fast 400 Gigawattstunden, erzeugt durch Windkraftanlagen, nicht vom deutschen Stromnetz aufgenommen werden. Ein ähnliches Bild zeichnet sich bei der Nutzung von Photovoltaikanlagen ab. Dennoch sollen laut Bundesregierung bis 2030 rund 50 Prozent des Stroms aus erneuerbaren Energiequellen gedeckt werden. Dynamische und flexible Energiespeicher mit großer Kapazität und Leistung sind Voraussetzung, um dieses ambitionierte Ziel zu erreichen. Solche Speicherlösungen benötigen Elektrolyse-Systeme wie den Silyzer als Energiewandler.

Wasserstoff ist ein begehrter Rohstoff für die Industrie und wird derzeit überwiegend durch Dampfreformierung gewonnen, wobei hier auch CO₂ frei wird. Der „grüne“ Wasserstoff aus Elektrolyse und erneuerbaren Energiequellen kann zu einer Reduzierung von CO₂-Emissionen von Industriebetrieben (De-Karbonisierung) beitragen. Einsatzgebiete für Wasserstoff sind zum Beispiel die Synthese von Ammoniak oder die Fetthärtung. Und er ist ein wichtiger Energieträger. Dabei sind den Verwendungsmöglichkeiten keine Grenzen gesetzt, ob zur Fortbewegung an Land, im Wasser oder in der Luft, sowie als Brennstoff zur Strom- und Wärmeerzeugung.

Pilotprojekt Energiepark Mainz

Im Mai 2014 legte Bundeswirtschaftsminister Sigmar Gabriel den Grundstein für ein großes Pilotprojekt in Mainz. Dabei handelt es sich um eine Kooperation von Siemens, Linde, den Stadtwerken Mainz und der Hochschule Rhein-Main. Die Primärenergie für die Elektrolyse liefert ein nahe gelegener Windpark. Der Wasserstoff wird anschließend gelagert, in Tankwagen gefüllt oder zur späteren Strom- oder Wärme­erzeugung direkt ins Erdgasnetz eingespeist. Das Besondere an der Mainzer Anlage ist die hochdynamische PEM-Druckelektrolyse mit bis zu sechs Megawatt Leistungsaufnahme. Die Anlage hat damit eine für Engpässe im Stromnetz und viele Windparks relevante Leistungsgröße. Im Juli 2015 wurde der Energiepark eröffnet.