Der PEM-Elektrolyseur spaltet Wasser in seine Bestandteile Wasserstoff und Sauerstoff auf. Die Anlage in Linz soll eine Leistung von 6 Megawatt haben – damit könnten pro Stunde 1.200 Kubikmeter „grüner” Wasserstoff produziert werden. Foto: Siemens AG

H2FUTURE

In einem großangelegten Forschungsprojekt wird die derzeit größte PEMElektrolyseanlage CO2-neutralen Wasserstoff für die Stahlherstellung liefern und gleichzeitig das Stromnetz entlasten.

Weltweit verbrauchen wir jährlich 600 Milliarden Kubikmeter Wasserstoff. Der Großteil, nämlich 95 Prozent, wird über die CO2-lastige Dampfoder Gasreformierung gewonnen, bei der insbesondere Erdgas als Rohstoff eingesetzt wird. Mit dem EU-geförderten Projekt H2FUTURE in Linz, Oberösterreich, wollen die Projektpartner nun den Beweis antreten, dass CO2-frei hergestellter Wasserstoff eine hervorragende Alternative ist. Beteiligt ist die Siemens AG, der österreichische Energieversorger VERBUND, der Technologie- und Industriegüterkonzern voestalpine AG, der Übertragungsnetzbetreiber Austrian Power Grid (APG), das metallurgische Kompetenzzentrum K1-MET sowie das niederländische Energieforschungsinstitut ECN/TNO.

Das Besondere der PEM-Elektrolyse ist die protonenleitende Proton-Exchange- Membrane. Ihre spezielle Eigenschaft: Sie ist durchlässig für Protonen, aber nicht für Gase wie Wasserstoff oder Sauerstoff. Foto: Siemens AG

Als Energieträger könnte der „grüne“ Wasserstoff speziell die Stahlindustrie grundlegend verändern. Heute basiert die Herstellung von Stahl noch wesentlich auf fossilen Energieträgern wie Kohle – wenn es gelänge, diese zu ersetzen und in neu entwickelten Produktionsverfahren zu nutzen, ließe sich die Branche langfristig dekarbonisieren. Für die Energiewirtschaft eröffnet die Wasserstoffgewinnung aus regenerativ erzeugtem Strom wiederum interessante Optionen – sowohl für die Energiespeicherung, als auch für die unmittelbare Stabilisierung der Netze. Neben den Einsatzmöglichkeiten von CO2-frei hergestelltem Wasserstoff in den verschiedenen Prozessstufen der Stahlerzeugung, wird daher im Projekt H2FUTURE auch das Zusammenspiel mit dem Regelenergiemarkt des Stromnetzes getestet. Der Versorger VERBUND, der nicht zuletzt dank 128 eigener Wasserkraftwerke seinen Strom praktisch vollständig aus regenerativen Quellen gewinnt, liefert dabei den „grünen“ Strom und ist zudem für die Entwicklung von netzdienlichen Services verantwortlich. Die Präqualifikation der Testanlage liegt im Verantwortungsbereich der APG.

1.200 Kubikmeter Wasserstoff pro Stunde

Die Kernkomponente im Projekt ist die weltweit größte PEM-Elektrolyseanlage, die noch in diesem Jahr mit der Wasserstofferzeugung beginnen soll. Den offiziellen Baubeginn konnten die Projektpartner im April 2018 feiern. Das Fundament ist bereits gelegt, Stahlbau und Dachkonstruktion befinden sich derzeit in der Fertigstellung. Danach folgt als nächster Schritt die Lieferung der von Siemens in Erlangen gefertigten Komponenten zur Elektrolyse.

Erstmals wird die neue Produktgeneration des PEM-Elektrolyseurs Silyzer 300 von Siemens installiert. Der PEM-Elektrolyseur – abgeleitet von der protonenleitenden Membran (Proton Exchange Membrane) – nutzt Strom aus regenerativen Quellen, um Wasser in seine Bestandteile Wasserstoff und Sauerstoff aufzuspalten. Dabei wird im Gegensatz zur konventionellen Wasserstoffgewinnung über eine Dampfreformierung kein Kohlendioxid emittiert. Der durch PEM-Elektrolyse gewonnene Wasserstoff ist mit bis zu 99,9 Prozent auch ohne weitere Aufbereitung sehr rein, enthält also auch keine Schwefel-, Stickstoff- oder Kohlenstoffrückstände.

Die geplante Leistung des Elektrolyseurs beläuft sich auf sechs Megawatt. Die Anlage kann pro Stunde 1.200 Kubikmeter „grünen“ Wasserstoff produzieren und soll einen Rekordwirkungsgrad von 80 Prozent erzielen. Damit wäre der Elektrolyseur die wirkungsvollste und modernste Anlage ihrer Art. Noch 2018 soll die Anlage erstmals CO2-frei Wasserstoff produzieren. Der Start des umfangreichen zweijährigen Versuchsprogramms ist für Frühjahr 2019 geplant.

Alternative Energieträger für die Stahlfertigung

Der PEM-Elektrolyseur spaltet Wasser in seine Bestandteile Wasserstoff und Sauerstoff auf. Die Anlage in Linz soll eine Leistung von 6 Megawatt haben – damit könnten pro Stunde 1.200 Kubikmeter „grüner” Wasserstoff produziert werden. Foto: Siemens AG

Die Elektrolyseeinheit entsteht auf dem Gelände der voestalpine AG, die künftig auch von dieser Technologie profitieren soll. Den produzierten Wasserstoff wird voestalpine direkt in das bestehende Kokereigasnetz einspeisen. So wird getestet, wie sich die Elektrolyse in den Stahlerzeugungsprozess integrieren lässt. Ziel ist es, innerhalb der nächsten beiden Jahrzehnte die Kohle, die zur Herstellung von Stahl derzeit noch unentbehrlich ist, sukzessive durch alternative Energieträger zu ersetzen. Dies soll zuerst durch Brückentechnologien wie Direktreduktion mit Erdgas beziehungsweise in weiterer Folge mit Wasserstoff geschehen, die Zukunftsvision sind völlig neue wasserstoffbasierte Stahlerzeugungsverfahren. Eine Voraussetzung dafür ist eine äußerst leistungsfähige, reaktionsschnelle, flexible und stabile Bereitstellung des „grünen“ Wasserstoffs.

PEM-Elektrolyse und Netz

Der PEM-Wasserstoffelektrolyseur erfüllt diese Anforderungen. So benötigt er nur wenige Sekunden, um mit der Wasserstoffproduktion zu beginnen. Damit ist er auch bestens geeignet, um Netzdienstleistungen für das Übertragungsnetz bereitzustellen. Bei H2FUTURE wird der PEM-Elektrolyseur dazu über ein Demand-Side-Management als dynamische Regellastkomponente genutzt, die zum Ausgleich von Schwankungen im Stromnetz beiträgt.

Entscheidend für industrielle Anwender ist: Je größer und günstiger die umwandelbaren Strommengen sind, desto größer sind die Kapazitäten potenzieller Anlagen und desto günstiger kann der „grüne“ Wasserstoff erzeugt werden. Daher ist die Technologie besonders für sonnen- und windreiche Regionen interessant, beispielsweise im Mittleren Osten oder Australien. Noch liegen die größten PEM-Anlagen im einstelligen Megawattbereich. Aktuell führt Siemens bereits Gespräche mit Interessenten, die Größenordnungen von bis zu 500 Megawatt und mehr anvisieren. Sie könnten der Stahlbranche, aber auch ganz anderen Industriezweigen helfen, CO2-Emissionen einzusparen und die weltweite Dekarbonisierung voranzutreiben.

Kontakt: Siemens AG Corporate Technology, Dr. Ulrich Kreutzer, 81739 München, Tel. +49 (0) 1234 56789 – 0, ulrich.kreutzer@siemens.com

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