Grüner Wasserstoff - Energiemedium der Zukunft?

Foto: Wasserstoff-Infrastruktur von HyCentA und LEC © LEC GmbH

Alexander Trattner, Andreas Wimmer

Die ökonomischen, ökologischen, sozialen und gesundheitlichen Folgen von Klimawandel und Umweltbelastung durch Schadstoffe stellen eine ernsthafte Bedrohung unserer Lebensqualität dar. Ressourcen und Umwelt sind auf unserem Planeten nur begrenzt vorhanden, daher empfiehlt sich ein rascher Umstieg von fossilen auf erneuerbare Energieträger. Eine nachhaltige Lösung als Beitrag zur Energiewende bietet die erneuerbare (oder grüne) Wasserstoffwirtschaft. Grüne Wasserstoffwirtschaft bedeutet den Wechsel von fossiler Endenergie zu grünem Strom und grünem Wasserstoff in allen Bereichen von Mobilität, Industrie, Haushalt und Dienstleistungen; siehe Abbildung 1.

Die Energiewende zur nachhaltigen Stromerzeugung und zur Wasserstoffwirtschaft stellt die nächste große industrielle Revolution dar, die nicht nur die Aussicht auf eine gesunde und lebenswerte Umwelt für spätere Generationen bietet, sondern auch die wirtschaftliche Chance auf innovatives Know-how und Technologieführerschaft.

Die TU Graz und die TU-nahen Forschungsgesellschaften HyCentA und LEC setzen in der Forschung bereits seit vielen Jahren auf das Thema Wasserstoff. Nachfolgend werden dazu umgesetzte oder in Planung befindliche Beispiele von Leuchtturmprojekten aus den Bereichen der Erzeugung, der Speicherung sowie der Anwendung von Wasserstoff in Mobilität, Transport, Industrie und Energieerzeugung gezeigt.

Erzeugung

Voraussetzung für die Energiewende ist der konsequente und umfassende Ausbau der erneuerbaren Energieträger Sonne, Wind und Wasser. Die dazu erforderlichen Technologien sind global verfügbar und technisch ausgereift. Wasserkraftwerke, Windturbinen und Photovoltaik liefern Strom, thermische Solarkraftwerke auch Wärme.

Da die elektrische Energie aus diesen erneuerbaren Quellen fluktuierend anfällt und sich nicht nach der Nachfrage richtet, ist eine Energiespeicherung in großem Maßstab erforderlich. Die Nutzung von Wasserstoff als langfristiger Energiespeicher bietet die unbedingt erforderliche Voraussetzung für das Gelingen der Energiewende. Elektrolyseure zerlegen mit Strom betrieben Wasser in Sauerstoff und Wasserstoff. Dies ermögli-

Abbildung 1: Erneuerbares Energiesystem mit Wasserstoff

cht die Integration von erneuerbaren Energien, ohne Abschaltung von Anlagen, in das Energiesystem. Erste dieser Power-to-Gas oder Power-toHydrogen Anlagen sind erfolgreich im Betrieb, einige alkalische Bauarten bereits seit Jahrzehnten.

w2h – wind2hydrogen:

Die Power-to-Gas Entwicklung zielt auf eine Verschränkung der Energienetze von Strom und Erdgas. Schlüsseltechnologie in diesem System sind flexible, effiziente und wirtschaftliche Elektrolyse-Anlagen. Ein österreichisches Konsortium aus OMV, EVN, FRONIUS International GmbH, HyCentA Research GmbH und dem Energieinstitut an der Johannes Kepler Universität (JKU) Linz erforschte die Produktion von „grünem Wasserstoff“ mithilfe eines neuartigen Hochdruck-Elektrolyseurs sowie die Einspeisung in das Erdgasnetz bzw. die Abfüllung und Verwendung des Wasserstoffs (H2) in der Mobilität.

Dazu wurde eine Pilotanlage (siehe Abbildung 2) in der Größenordnung von 100 Kilowatt (kW) am OMVStandort in Auersthal (Niederösterreich) realisiert, wo im experimentellen Betrieb zukünftige Geschäftsfälle (stromseitig und aus Sicht des Erdgasnetzbetreibers) simuliert werden können. Zudem wurde die physische Einspeisung von Wasserstoff in eine Erdgasleitung der OMV getestet. Es ist die erste Pilotanlage dieser Art und Größe weltweit. Mit dem Projekt wurden Erfahrungen von der Planung bis zum operativen Betrieb generiert. Es wurden zudem rechtliche, wirtschaftliche und ökologische Bewertungen durchgeführt und verschiedene Geschäftsmodelle als Vorbereitung für den Rollout konzipiert.

HySnow:

Es wird der Betrieb eines Wintertourismusgebiets ohne Freisetzung von Schadstoffen, Treibhausgasen und Lärm demonstriert. Besonders in Wintersportgebieten sind die Vermeidung von Lärm- und Schadstoffen sowie die Möglichkeit der Nutzung erneuerbarer Energiequellen von großer Relevanz, zudem steigen Interesse und Nachfrage der Betreiber stetig. Es wird die gesamte Wirkungskette, von der Photovoltaikanlage über die Wasserstoffproduktion, Wasserstoffspeicherung mit Betankungsanlage bis hin zu einer kleinen Schneemobilflotte mit Brennstoffzellenantrieb, entwickelt, aufgebaut und unter realen Betriebsbedingungen im Skigebiet Hinterstoder Wurzeralm getestet.

Die Erzeugung des Wasserstoffs erfolgt mittels innovativer AEMDruck-Elektrolyse integriert in der Betankungsanlage unmittelbar neben der Mittelstation. Herausfordernd ist der Anlagenbetrieb in alpiner Umgebung mit tiefen Temperaturen und reduziertem Luftdruck. Das Projekt wird vom Klima- und Energiefonds gefördert. Projektpartner sind: BRPRotax GmbH & Co KG, HyCentA Research GmbH, ElringKlinger AG, Fronius International GmbH, Hinterstoder Wurzeralm Bergbahnen AG, TU Graz, Institut für Elektrische Messtechnik und Sensorik und ECuSol GmbH.

Abbildung 2: wind2hydrogen Anlage mit Sicht auf die Elektrolysemodule

Speicherung

Nach der Herstellung ist Wasserstoff praktisch unbegrenzt speicherbar, in Behältern, in unterirdischen Speichern oder ins Gasnetz eingespeist. Die Verteilung von Wasserstoff erfolgt gasförmig verdichtet bei rund 300 bar in Druckbehältern, gasförmig in Pipelines, flüssig tiefkalt bei Temperaturen unter – 253 °C in Kryobehältern und in chemischen oder physikalischen Verbindungen. Vor allem die Verteilung über Pipelines gilt als energieeffizient und kostengünstig. Wasserstoff ermöglicht damit eine internationale Energieverteilung und verbindet Regionen, in denen erneuerbare Energien reichlich vorhanden sind, mit solchen, die Energieimporte benötigen.

Die Rolle der Speicherung in ehemaligen Erdgaslagerstätten wird aktuell im Projekt USS2030 untersucht. In diesem weltweit einzigartigen Forschungsprojekt wird erneuerbare Sonnenenergie klimaneutral mittels Elektrolyse in reinen Wasserstoff umgewandelt und in ausgeförderten Erdgaslagerstätten gespeichert, siehe Abbildung 3. Bis 2025 werden unter Leitung der RAG Austria AG gemeinsam mit Projektpartnern interdisziplinär technisch-wissenschaftliche Untersuchungen für die Energiezukunft unter realen Bedingungen an einer kleinen ausgeförderten Erdgaslagerstätte in der Gemeinde Gampern (Oberösterreich) durchgeführt. Dazu wird eine geeignete Forschungsanlage errichtet werden. Ergänzt werden diese Untersuchungen durch die Entwicklung von geeigneten Aufbereitungstechnologien, die Modellierung von künftigen Energieszenarien und von techno-ökonomischen Analysen. Das Projekt wird im Rahmen des Energieforschungsprogrammes des Klima- und Energiefonds gefördert. Projektpartner (alphabetische Reihenfolge): Axiom Angewandte Prozesstechnik GmbH, Energie AG, Energieinstitut an der Johannes Kepler Universität Linz, EVN AG, HyCentA Research GmbH, K1-MET GmbH,

Abbildung 3: Konzept von USS2030 - Underground Sun Storage (Quelle: RAG)

University of Technology Vienna ICEBE und EEG, Institute of Environmental Biotechnology (BOKU), Verbund Solutions GmbH, Verein WIVA P & G und voestalpine Stahl GmbH.

Mobilität und Transport

In der Mobilität und im Transport bieten Wasserstoff und Wasserstoffbasierte Kraftstoffe (wie etwa Methanol und Ammoniak bzw. Diesel- und Benzin-ähnliche Kraftstoffe), die unter der Bezeichnung e-Fuels zusammengefasst werden können, hohe Energiedichten und damit wesentlich größere Reichweiten im Vergleich zu reinen Batterie-elektrischen Antriebssystemen. Move2zero:

HyMethShip:

Das Konzept kombiniert einen Membranreaktor, ein System zur CO2Abscheidung, ein Speichersystem für CO2 und Methanol und einen Wasserstoffverbrennungsmotor zu einem innovativen Gesamtsystem. Wasserstoff wird an Bord des Schiffes durch Methanol-Reformierung hergestellt und in einem konventionellen Hubkolbenmotor, der für den Betrieb mit verschiedenen Kraftstoffen modifiziert und speziell für den Wasserstoffbetrieb optimiert wurde, nahezu ohne CO2 Emissionen zu verursachen verbrannt. Die drastische Reduktion der CO2 Emissionen wird durch die Verwendung von regenerativ erzeugtem Methanol als Primärenergieträger und Kohlenstoffabscheidung und -speicherung bereits vor der Verbrennung erreicht. Idealerweise wird das Methanol an Land aus dem auf dem Schiff gespeicherten CO2 erzeugt, so dass sich ein geschlossener CO2 Kreislauf für den Schiffsantrieb ergibt. Neben der realen Umsetzung des Konzepts in einem Prototyp werden dazu in dem mit über 9 Mio. € dotiertem EU-Forschungsprojekt HyMethShip mit 13 internationalen Partnern und dem LEC als Konsortialführer auch umfangreiche Risiko- und Sicherheitsanalysen durchgeführt sowie die Wirtschaftlichkeit des Gesamtsystems für verschiedene Schiffstypen und Anwendungsfälle detailliert analysiert und bewertet.

Als Leitprojekt entwickelt move2zero ein umfassendes Umsetzungs- und Implementierungskonzept für die vollständige Dekarbonisierung eines städtischen Bussystems, das zukünftig auf viele weitere städtische Verkehrssysteme übertragen werden kann. Basierend auf einer multi-disziplinären Forschung und einer umfassenden Demonstrationsphase wird move2zero den Weg zu einer schrittweisen effizienten und effektiven Umstellung städtischer ÖV-Systeme in Richtung emissionsfreier Zukunft ebnen. In einem ersten Demonstrationsbetrieb werden 7 Batteriebusse auf der Linie 40 und 7 Brennstoffzellenbusse auf der Linie 66 in Graz zum Einsatz kommen, um Erfahrungen mit unterschiedlichen Technologien im Realbetrieb zu sammeln.

Im Demonstrationsbetrieb wird die erforderliche Ladeinfrastruktur zur Energiebereitstellung für die batterieelektrischen Busse je nach Technologieauswahl entlang der Buslinie und/oder im Buscenter errichtet und betrieben. Für die Betankung der Brennstoffzellenbusse ist die Errichtung einer Tankanlage im Buscenter geplant. Dieses Projekt wird aus Mitteln des Klima- und Energiefonds im Rahmen des Programms „zero emission mobility“ gefördert.

HyTruck:

In Anbetracht der jährlich zurückgelegten Kilometer, des Verbrauchs an fossilen Kraftstoffen und der entsprechenden Treibhausgasemissionen ist es notwendig, geeignete technologische Lösungen für emissionsfreie Nutzfahrzeuge zu entwickeln. Obwohl emissionsarme Alternativen,

wie CNG, LNG usw., die Emissionen des gewerblichen Gütertransports reduzieren könnten, können heute nur mit Wasserstoff betriebene Brennstoffzellen-LKWs real einen emissionsfreien Warentransport erfüllen, da die derzeitige Batterietechnologie für den Fernverkehr in Bezug auf Größe und Gewicht nicht wirtschaftlich ist. Das Projekt HyTruck verfolgt das Ziel, eine emissionsfreie brennstoffzellenbasierte Lösung für den Nutzfahrzeugmarkt innerhalb der Energiemodellregion WIVA P&G zu demonstrieren.

Um die Ziele der FTI-Initiative des österreichischen Klima- und Energiefonds zu erreichen, wurde ein starkes Projektkonsortium bestehend aus zwei LKW-OEMs (Rosenbauer und FMF (IVECO)), einem Entwicklungsdienstleister (AVL List), Logistikunternehmen (DB Schenker, MPreis über FEN Systems), zwei KMUs (FEN Systems, Productbloks) und vier Forschungseinrichtungen (TU Wien, TU Graz, HyCentA und das Energieinstitut der Johannes Kepler Universität Linz) und der WIVA P&G-Verein aufgestellt.

Industrie

In der Industrie ist Wasserstoff bereits seit Jahrzehnten vorrangig als Ausgangsstoff im Einsatz (Petrochemie, Düngemittelherstellung). Dieser meist fossil hergestellte Wasserstoff ist durch erneuerbare Versorgung zu ersetzen. Darüber hinaus bietet Wasserstoff viele Möglichkeiten fossilbasierte Prozesse in der Chemie- und Stahlindustrie umzustellen, wie etwa die Reduktion von Roheisen. Wasserstoff kann beispielhaft auch in der energie-intensiven Glasindustrie und bei der Erzeugung von Prozessdampf mit hohen Temperaturniveaus eine wesentliche Rolle spielen. Die Rolle von Wasserstoff in der Halbleiterindustrie wird im österreichischen Projekt H2Pioneer erforscht.

H2Pioneer:

Das übergeordnete Ziel von H2Pioneer ist es, eine Vor-Ort-Lösung für den in Zukunft steigenden Wasserstoffbedarf in der Halbleiterindustrie darzustellen. Wasserstoff wird bei höchsten Reinheitsanforderungen, rund um die Uhr (24/7) in den ökonomischen und ökologischen Rahmenbedingungen einer „green industry“ direkt am Standort erzeugt. Der Innovationsgehalt ist einerseits durch die Umsetzung der PEM- Elektrolyse (ProtonenAustausch-Membran-Elektrolyse) am Verwendungsort sowie der nachgeschalteten Aufreinigungsanlage zur Realisierung höchster Reinheitsanforderungen gegeben. Andererseits besteht der wesentliche Innovationsgehalt in der Konzeption-ierung und Bewertung der Verwertungszweige von Rückführung oder energetischer Nutzung des aktuell nicht genutzten Wasserstoffabgases im „green hydrogen cycle“. Dieses Projekt wurde aus Mitteln des Klima- und Energiefonds gefördert und im Rahmen des Programms „Vorzeigeregion Energie“ durchgeführt. Projektpartner sind: VERBUND Energy4Business GmbH, Infineon Technologies Austria AG, HyCentA Research GmbH, Energieinstitut an der JKU Linz und WIVA P&G.

Energie

Im Energiesektor kann Wasserstoff in Kraftwerken bedarfsgerecht in Strom und Wärme gewandelt werden und zur Erhöhung der Versorgungssicherheit (Black-Out Vorsorge) dienen. Zusätzlich können dezentrale Lösungen (Regionen bis hin zu Haushalten) die großen Verteilnetze entlasten und mit der Kombination von erneuerbarer Stromerzeugung, Elektrolyse, Wasserstoffspeicher und Brennstoffzelle oder Verbrennungskraftmaschine die Energieversorgung bei höchsten Nutzungsgraden bereitstellen.

Hy2Power:

Ziel des Pionierprojekts ist die Entwicklung eines technologischen Gesamtkonzepts für ein Kraftwerk der Zukunft zur Bereitstellung von Netzdienstleistungen, um die aufgrund des wachsenden Anteils an erneuerbaren Energien steigenden Schwankungen im Stromnetz ausgleichen zu können. Zu diesem Zweck entwickeln das LEC und die Projektpartner Verbund, INNIO Jenbacher, HyCentA, AIT sowie TU Graz im Rahmen des COMET-K1-Forschungsprogramms LEC EvoLET die Grundlagen für eine Pilotanlage zur Erzeugung von Wasserstoff mittels Elektrolyse basierend auf der Nutzung von Überschusselektrizität, der temporären Speicherung des Wasserstoffs und der flexiblen bedarfsorientierten Rückverstromung in einer Verbrennungskraftmaschine. Für Letztere wird eigens ein neues, effizientes und hochtransientfähiges Wasserstoffbrennverfahren entwickelt, welches auf dem neuen LEC Hightech-Vollmotorprüfstand im Zusammenspiel mit einer Batterie demonstriert werden wird. Auf Basis dieser Arbeiten soll schließlich eine Pilotanlage des Kraftwerks der Zukunft im geplanten WasserstoffInnovationszentrum am Standort Mellach/Werndorf errichtet werden.

Österreichs Industrie ist jedenfalls gewappnet für den Umstieg auf Wasserstoff, wie auch Stephan Laiminger, Chief Technologist bei INNIO Jenbacher und Absolvent der TU Graz, bestätigt:

“INNIO Jenbacher setzt auf eine nachhaltige Energieerzeugung. Wir bereiten uns auf eine grünere Energiezukunft vor und investieren in die Erforschung und Entwicklung von zukunftsweisenden, innovativen Technologien, die eine umweltfreundlichere und von digitalen Technologien gestützte Energieerzeugung ermöglichen sollen. Der weltweit erste Großgasmotor (1-MW-Klasse), der mit flexiblen Wasserstoff-ErdgasGemischen bzw. mit 100 % umweltfreundlichem Wasserstoff betrieben wird, ist im November 2020 bei HanseWerke Natur in den Pilotbetrieb gegangen. Dem ging eine Vorauslegung des Brennverfahrens am LEC voraus, das in sehr kurzer Zeit in Jenbach 1:1 auf einen Serienmotor umgelegt werden konnte. Die nächsten Schritte hin zu einer vollständigen Ertüchtigung der Jenbacher Flotte für den Wasserstoffbetrieb sind bereits in Umsetzung. Dafür wurde ein weiterer Testmotor am LEC in Betrieb genommen. Dabei handelt es sich um den ersten Jenbacher Gasmotor der 2-MW-Klasse, der vom reinen Erdgasbetrieb auf den Betrieb mit Wasserstoff umgerüstet wurde. Unsere brennstoffflexiblen Jenbacher Gasmotoren können mit einer Vielzahl von Brennstoffen betrieben werden, darunter Erdgas, Syngase und erneuerbare Brennstoffe.“

Dipl.-Ing. Dr.techn. Alexander

Trattner ist Geschäftsführer und wissenschaftlicher Leiter der HyCentA Research GmbH an der Technischen Universität Graz, Österreichs einzigem Forschungszentrum für Wasserstofftechnologien seit 2005. Er leitet dort das Team bestehend aus rund 50 Forschenden und beschäftigt sich im Rahmen seiner Tätigkeiten mit der Herstellung, Verteilung, Speicherung und Anwendung von Wasserstoff. Darüber hinaus ist er als Lehrender an der TU Graz im Bereich Höhere Thermodynamik und Wasserstoff für die Fahrzeug- und Energietechnik tätig, wie auch Verfasser zahlreicher wissenschaftlicher Veröffentlichungen und Buchautor.

Ao.Univ.-Prof. Dipl.-Ing. Dr.techn.

Andreas Wimmer ist Professor am Institut für Verbrennungskraftmaschinen und Thermodynamik der TU Graz, an dem er den Fachbereich Motorenforschung – Analyse und Simulation verantwortet und auch stellvertretender Institutsvorstand ist, sowie langjähriger Geschäftsführer und wissenschaftlicher Leiter des COMET-K1-Zentrums LEC (Large Engines Competence Center). Auf seine Initiative entstanden global agierende Forschungsnetzwerke wie LEGRIP (Large Engines Global Research and Innovation Platform) oder das LEC Sustainable Shipping Technologies Forum.

Dipl.-Ing. Dr.techn. Alexander Trattner

Geschäftsführer und wissenschaftlicher Leiter der HyCentA Research GmbH, TU Graz Ao.Univ.-Prof. Dipl.Ing. Dr.techn. Andreas Wimmer

Professor am Institut für Verbrennungskraftmaschinen und Thermodynamik, TU Graz CEO & CSO der LEC GmbH

Data Challenge 2021

To all Data Scientists: Can you handle the pressure?

Bis 16. August 2021 haben Data Scientists aus verschiedenen Disziplinen die Möglichkeit, an der diesjährigen LEC Data Challenge unter dem Motto „Can you handle the pressure?“ teilzunehmen. Im Mittelpunkt steht dabei die Vorhersage der Zylinderdruckkurven eines Großmotors. Die drei besten Lösungen werden am 22. September 2021 im Rahmen des Internationalen Symposiums für Nachhaltigkeit in Mobilität, Transport und Energieerzeugung im Grazer Kongress ausgezeichnet.

Infos unter www.LEC.at/datachallenge

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