Wasserstoff ist ein optimaler Energieträger und ein begehrter Rohstoff. Das Gas lässt sich durch Elektrolyse aus Wasser gewinnen – etwa mit Hilfe von überschüssigem Öko-Strom. Siemens arbeitet an neuen Elektrolyseuren, die zur Grundlage künftiger Energiespeicher werden können.
Electrolysis – Wind Energy into Hydrogen
Hydrogen is an excellent means of transporting energy and also an important feedstock. It can be produced by electrolysis of water, advantageously so using surplus electricity from renewable sources. Using gas turbines, hydrogen can be used to generate electricity and heat. With the latest electrolyser designs equipped with noble metal coated electrodes, hydrogen and oxygen can be produced at high pressures of 50 to 100 bar.
Manchmal beruhen Zukunftstechnologien auf ganz einfachen Vorgängen wie die Elektrolyse. Man nehme Wasser und tauche zwei Elektroden hinein, die mit dem Plus- und dem Minuspol einer Spannungsquelle verbunden sind. Sobald Strom durch die Flüssigkeit fließt, steigen an beiden Elektroden Bläschen auf – Sauerstoffgas am Pluspol und Wasserstoff am Minuspol. Diese Spaltung von Wasser nennt man Elektrolyse.
Auf den ersten Blick keine aufregende Sache – und doch hat die Elektrolyse das Potenzial, zu einem entscheidenden Baustein künftiger Energieversorgungsnetze zu werden. Je größer der Anteil erneuerbarer Quellen wie Wind oder Sonne an der Stromproduktion ist, desto stärkere Schwankungen des Energieangebots entstehen, so Dr. Manfred Waidhas vom Geschäftsbereich Hydrogen Electrolyzer des Siemens-Sektors Industry. Andererseits müssen sich Angebot und Nachfrage im Stromnetz immer genau die Waage halten, damit die Netze nicht überlastet werden – darum werden Speicher für elektrische Energie benötigt, die einen Überschuss aufnehmen und ihn bei Bedarf wieder abgeben können.
Genau hier kommt die Elektrolyse ins Spiel. Mit überschüssigem Öko-Strom ließe sich damit Wasserstoff produzieren, den man als Energieträger beispielsweise in unterirdischen Kavernen in Salzstöcken lagern könnte – also dort, wo die Energieversorger heute schon riesige Erdgasmengen speichern. Vor allem in Norddeutschland gibt es etliche solcher Salzstöcke.
Aber existiert nicht bereits eine bewährte Speichertechnologie in Form von Pumpspeicherkraftwerken? Sie befördern mit überschüssigem Strom Wasser in ein höher gelegenes Becken, und bei Bedarf fließt es wieder talwärts und treibt Turbinen für die Stromproduktion an. Pumpspeicherkraftwerke wären nach Dr. Manfred Waidhas in der Tat die beste Lösung. Ihr Wirkungsgrad reicht bis zu 80 % und die Technik ist seit langem bekannt. Leider gibt es zumindest in Deutschland nicht genug geeignete Standorte, zudem führen derartige Neubauprojekte immer wieder zu massiven Protesten.
Also müssen Alternativen her. Die Nutzung der Batterien von Elektroautos wäre eine Möglichkeit. Für zentrale Speicheranlagen wären allerdings die Kosten und der Platzbedarf von Batterien zu groß. Die größte Anlage ihrer Art steht in Japan, ist so groß wie ein Fußballfeld und kann trotzdem nur sieben Stunden lang 30 Megawatt elektrische Leistung abgeben – in Zukunft geht es aber um Leistungen von mehreren hundert Megawatt, die bei flauem Wind zudem einige Tage zur Verfügung stehen müssen.
Stromspeicher Wasserstoff
Für Dr. Manfred Waidhas ist Wasserstoff als Energieträger die beste Lösung. Man könnte zum Beispiel einen Elektrolyseur dort aufstellen, wo der Strom eines Offshore-Windparks an Land ankommt. Ist zu viel Strom vorhanden, produziert man mit seiner Hilfe Wasserstoff und speichert ihn in einer Kaverne. Bei steigender Nachfrage könnte das energiereiche Gas eine Turbine antreiben, die im Hinblick auf die erzeugte Menge an Kohlenstoffdioxid neutralen Strom ins Netz speist. Kombiniert man den Wirkungsgrad der Elektrolyse (etwa 75 %) mit dem der Gasturbine (im kombinierten Betrieb mit einer Dampfturbine rund 60 %), würden bei dieser Rückverstromung immerhin bis zu 45 % der ursprünglichen Energie genutzt. Das ist zwar schlechter als bei einem Pumpspeicherkraftwerk, aber immer noch besser, als Windräder wegen fehlendem Bedarf abzuschalten.
Bei der Rückverstromung stehen die Forscher jedoch noch vor einer Herausforderung. Derzeit gibt es keine Gasturbinen, die mit reinem Wasserstoff betrieben werden können – die Flamme hätte eine Temperatur von rund 3000 °C und würde die Schaufelblätter zum Schmelzen bringen. Technisch möglich ist derzeit ein Wasserstoffanteil von 40 bis 50 Prozent, dem man herkömmliches Erdgas beimischen könnte. Allerdings könnte man Teile des entstehenden Wasserdampfs in die Brennkammer zurückführen, um unterhalb der kritischen Temperatur zu bleiben. Siemens-Forscher in Moskau arbeiten intensiv daran, den Traum von einer effizienten Wasserstoffturbine wahr werden zu lassen.
Heutige Turbinen lassen sich hingegen problemlos mit Methan betreiben, dass wiederum mit Hilfe eines Katalysators aus Wasserstoff und Kohlenstoffdioxid hergestellt werden kann. Forscher des Stuttgarter Zentrums für Sonnenenergie- und Wasserstoffforschung Baden-Württemberg und des Fraunhofer-Instituts für Windenergie und Energiesystemtechnik in Kassel haben mit dem österreichischen Unternehmen Solar Fuel Technology eine Pilotanlage gebaut, in der Wasserstoff mit einem Wirkungsgrad von rund 80 Prozent methanisiert wird. Sobald die Methanisierung im industriellen Maßstab zur Verfügung steht, könnte das synthetische Erdgas in den vorhandenen deutschen Erdgasspeichern zwischengelagert werden.
In die Leitungen und Kavernen passt eine Gasmenge mit einem Energiegehalt von mehr als 200 Terawattstunden – das ist deutlich mehr als die Kapazität aller deutschen Pumpspeicherkraftwerke (0,04 TWh) und entspricht etwa einem Drittel des jährlichen Bruttostromverbrauchs in Deutschland. Neben der Rückverstromung in Turbinen käme dank der Methanisierung zudem die Verbrennung in Erdgasautos und Erdgasheizungen in Betracht.
Der Einsatz von Wasserstoff ist auch deshalb so attraktiv, weil das Gas als Grundstoff für viele Verfahren der chemischen Industrie dient – von der Halbleiterproduktion bis zur Härtung von Margarine. Heute werden mehr als 95 Prozent des Weltjahresbedarfs an Wasserstoff aus Erdgas gewonnen. Bei der Dampfreformierung reagiert der Kohlenwasserstoff bei hohem Druck und hohen Temperaturen mit Wasser, wobei Kohlenstoffmonoxid und Wasserstoff entstehen. Dank der Elektrolyse tut sich hier eine Alternative auf. Wasserstoff aus Öko-Strom könnte künftig per Pipeline zu den Zentren der chemischen Industrie strömen und dort als Ausgangsstoff für die Produktion dienen. Der wertvolle Rohstoff Erdgas würde geschont, und bei dieser Methode der Wasserstoffproduktion entstünden auch keine CO2-Emissionen.
Elektrolyseur im Labor
Zuvor müssen Dr. Waidhas und seine Kollegen aber die Elektrolyseure noch so weiterentwickeln, dass sie im industriellen Maßstab eingesetzt werden können. Im Erlanger Labor von Siemens Corporate Technology lässt sich der Stand der Technik begutachten. In einem Metallgestell arbeitet völlig lautlos ein Siemens-Elektrolyseur – zwei würfelförmige Konstruktionen aus Edelstahl, zusammengehalten von starken Schrauben. Schwarze Hochdruckleitungen verlassen die silbrigen Blöcke rechts und links. Sie transportieren das entstandene Wasserstoff- und Sauerstoffgas mit einem Druck von bis zu 50 bar zu Tanks. Kabel führen senkrecht aus den Geräten heraus und leiten die Temperaturmesswerte aus dem Inneren an die benachbarte Steuerung.
Die Anlage arbeitet seit 2011 im Dauerbetrieb, ihre Vorgängerin läuft sogar schon seit 2006. Weiterhin optimieren die Wissenschaftler Betriebsparameter, wie die Stromdichte, und qualifizieren Komponenten, wie etwa die Membranen. Denn im Gegensatz zum Schulversuch mit zwei Drähten in einem Glas Wasser sind die Industrieelektrolyseure recht komplex aufgebaut und erfordern Bauteile mit ganz speziellen Eigenschaften. Zwei Platten aus Edelstahl bilden die Front und die Rückseite der Geräte – sie sorgen dafür, dass kein Gas austritt und transportieren den Strom ins Innere. Zwischen ihnen sind wie in einem Sandwich die Zellen untergebracht, in denen das Wasser zerlegt wird.
Eine Teflon-ähnliche Membran in der Mitte jeder Zelle trennt die Bereiche, in denen Wasserstoff und Sauerstoff entstehen. Auf ihrer Vorder- und Rückseite sind Elektroden aus Edelmetall aufgebracht, die mit dem Plus- und Minuspol der Spannungsquelle verbunden sind. Hier findet die Wasserspaltung statt. Darum müssen die Elektroden eine möglichst große Oberfläche haben, was hohen Umsatz garantiert. Wichtig ist auch, dass Strom und Wasser großflächig an den Elektroden ankommen – dafür sorgen Stromkollektoren aus porösem Sintermetall, die die Elektroden umgeben und auch das entstehende Gas einsammeln und nach oben abtransportieren.
Die Membranelektrolyseure von Siemens haben einige Vorteile gegenüber ihren etablierten Kollegen, in denen Kalilauge die Elektroden trennt. Diese sind zwar Stand der Technik, reagieren aber nur im Minutenbereich auf ein veränderliches Stromangebot. Die Membranvariante schafft das in Millisekunden. Außerdem können die neuen Elektrolyseure kurzfristig mit dem maximal dreifachen Wert ihrer Nennleistung überlastet werden und bei einem hohen Wasserstoffdruck von 50 bar bis 100 bar arbeiten – das senkt die Kosten und erhöht die Ausbeute der Anlagen.
Begehrtes Gas
Der Demonstrator passt in einen Container und soll vor Ort bei potenziellen Kunden arbeiten, wo nur noch ein Wasser- und ein Stromanschluss erforderlich sind. Der neue Elektrolyseur wird maximal 300 Kilowatt elektrische Leistung aufnehmen können. Pro 100 Kilowatt liefern die Elektrolyseure jede Stunde rund zwei Kilogramm Wasserstoff. Gemeinsam mit Bayer, RWE und zehn Partnern aus der Wissenschaft arbeitet Siemens im Projekt CO2RRECT mit, bei dem es um die Nutzung von Kohlenstoffdioxid geht, zum Beispiel zur Produktion von chemischen Grundstoffen bis hin zu Kunststoffen. Wasserstoff aus regenerativen Quellen wird dabei als Rohstoff gebraucht, und der geplante Demonstrator soll das begehrte Gas liefern.
Mit einer ersten kommerziellen Anlage rechnet Waidhas im Jahr 2014: Sie wird eine Leistung im einstelligen Megawattbereich haben und könnte beispielsweise von einem regionalen Stromversorger eingesetzt werden, um überschüssigen Strom aus einem oder zwei Windrädern beziehungsweise Photovoltaikanlagen aufzunehmen. Langfristig sieht er einen enormen Markt für die Technik. Würden nur zehn Prozent der weltweit erzeugten Windenergie mittels Elektrolyse in Wasserstoff umgewandelt, entspräche dies einer Speicherung von mehreren Terawattstunden Energie pro Jahr – das sind gigantische Zahlen. Neben Windparks könnten dann Groß-Elektrolyseure mit einer Leistung von 100 Megawatt stehen und den universellen Energieträgern Wasserstoff liefern.
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