Wasserstoff aus dem Energiepark MainzWindkraftanlagen produzieren sauberes Gas
Gemeinsam mit Siemens, Linde Group und der Hochschule RheinMain haben wir vor mehr als zehn Jahren den Energiepark Mainz entwickelt. In dieser damals weltweit einzigartigen Forschungseinrichtung haben wir seit 2015 aus Windkraftanlagen Wasserstoff als sauberen Energieträger produziert. Die Errichtung und der Betrieb einer „Power-to-Gas“-Anlage in einem eigens dafür ausgelegten Energiepark stellte besondere Anforderungen an die Infrastruktur des Standorts – etwa hinsichtlich der Anbindung an Windkraftanlagen sowie an Strom- und Gasnetze. Im Wirtschaftspark in Mainz-Hechtsheim stand ein geeignetes Gelände zur Verfügung, auf dem der Energiepark entstanden ist.
Aktuell ist die Produktion von Wasserstoff dort allerdings unterbrochen. Die bisherige Elektrolyseanlage des Herstellers Siemens wies nach acht Jahren im Betrieb Schäden auf, die aus kommerzieller Sicht einen Ersatz der Anlage uninteressant gemacht haben. Ein wichtiger Grund hierfür war, dass sich seit der Inbetriebnahme der Anlage vor fast zehn Jahren die Technologie stark weiterentwickelt hat und ein 1:1-Ersatz der „alten“ Anlage technisch-wirtschaftlich für uns keine Option darstellt. Wir arbeiten derzeit mit Nachdruck daran, den Energiepark als H2-Erzeugungsanlage wieder in Betrieb zu nehmen und planen aktuell unter anderem den Austausch der Elektrolysesysteme.
Aktuell ist die Produktion von Wasserstoff dort allerdings unterbrochen. Die bisherige Elektrolyseanlage des Herstellers Siemens wies nach acht Jahren im Betrieb Schäden auf, die aus kommerzieller Sicht einen Ersatz der Anlage uninteressant gemacht haben. Ein wichtiger Grund hierfür war, dass sich seit der Inbetriebnahme der Anlage vor fast zehn Jahren die Technologie stark weiterentwickelt hat und ein 1:1-Ersatz der „alten“ Anlage technisch-wirtschaftlich für uns keine Option darstellt. Wir arbeiten derzeit mit Nachdruck daran, den Energiepark als H2-Erzeugungsanlage wieder in Betrieb zu nehmen und planen aktuell unter anderem den Austausch der Elektrolysesysteme.
Speicher für überschüssigen Strom
Im Energiepark Mainz wird Wasserstoff durch Elektrolyse hergestellt, wozu unter anderem überschüssiger Strom aus benachbarten Windkraftanlagen eingesetzt wird. Bei dem bisher angewendeten Verfahren handelt es sich um die saure Elektrolyse mit einem polymeren Festelektrolyten.
Bei der Elektrolyse wird Wasser in flüssiger Form an der Anodenseite der Elektrolysezelle in seine Bestandteile zerlegt: pro Wassermolekül entstehen ein halbes Sauerstoffmolekül und zwei Protonen. Das Sauerstoffmolekül wird anodenseitig abgeführt, während die Protonen mittels einer leitenden Membran zur Kathodenseite transportiert und dort unter Aufnahme zweier Elektronen zu einem Wasserstoffmolekül kombinieren.
Zentrales Bindeglied zwischen dem erneuerbar produzierten Strom und dem Wasserstoff sind Wasserstoff-Elektrolyseure. Die 2015 in Betrieb genommenen Geräte von Siemens nutzten die moderne PEM-Elektrolysetechnologie (Proton Exchange Membrane) und erlaubten eine hochdynamische Fahrweise, wie sie bei einer Stromversorgung aus erneuerbaren Energien benötigt wird. Im Energiepark Mainz wurden drei solcher PEM-Elektrolyseure mit Spitzenleistungen von jeweils bis zu zwei Megawatt betrieben. Weitere wesentliche Systemkomponenten waren ein zweistufiger ionischer Verdichter, die Gaseinspeisung, die Abfüllvorrichtung und die Schaltanlage. Der von Linde entwickelte „ionische Verdichter“ hat dabei den produzierten Wasserstoff zur Befüllung der Speicher, der Gasleitung und der Tankwagen komprimiert. Das Verfahren wird bisher vor allem bei Wasserstofftankstellen eingesetzt.
Bei der Elektrolyse wird Wasser in flüssiger Form an der Anodenseite der Elektrolysezelle in seine Bestandteile zerlegt: pro Wassermolekül entstehen ein halbes Sauerstoffmolekül und zwei Protonen. Das Sauerstoffmolekül wird anodenseitig abgeführt, während die Protonen mittels einer leitenden Membran zur Kathodenseite transportiert und dort unter Aufnahme zweier Elektronen zu einem Wasserstoffmolekül kombinieren.
Zentrales Bindeglied zwischen dem erneuerbar produzierten Strom und dem Wasserstoff sind Wasserstoff-Elektrolyseure. Die 2015 in Betrieb genommenen Geräte von Siemens nutzten die moderne PEM-Elektrolysetechnologie (Proton Exchange Membrane) und erlaubten eine hochdynamische Fahrweise, wie sie bei einer Stromversorgung aus erneuerbaren Energien benötigt wird. Im Energiepark Mainz wurden drei solcher PEM-Elektrolyseure mit Spitzenleistungen von jeweils bis zu zwei Megawatt betrieben. Weitere wesentliche Systemkomponenten waren ein zweistufiger ionischer Verdichter, die Gaseinspeisung, die Abfüllvorrichtung und die Schaltanlage. Der von Linde entwickelte „ionische Verdichter“ hat dabei den produzierten Wasserstoff zur Befüllung der Speicher, der Gasleitung und der Tankwagen komprimiert. Das Verfahren wird bisher vor allem bei Wasserstofftankstellen eingesetzt.
Wasserstoff als Allzweck-Energieträger
Wasserstoff lässt sich gut speichern und in vielfältiger Weise als Energieträger einsetzen. So kann das in Mainz produzierte Gas beispielsweise per Tankwagen zu speziellen Wasserstoff-Tankstellen geliefert und als umweltfreundlicher Kraftstoff für emissionsfreie Brennstoffzellenfahrzeuge verwendet werden. Wasserstoff kann außerdem in das Erdgasnetz eingespeist werden, wo es für Gasheizungen oder moderne Gas- und Blockheizkraftwerke zur gekoppelten Strom- und Wärmeerzeugung zur Verfügung steht.
Der im Energiepark Mainz produzierte Wasserstoff hat seit der Inbetriebnahme erfolgreich einen Teil des Erdgases ersetzt, das über eine vorhandene Erdgasleitung den Mainzer Stadtteil Ebersheim versorgt hat. Außerdem wurde ein Teil des Wasserstoffes zu einer Wasserstofftankstelle in Wiesbaden geliefert. Dort konnten mit dem Wasserstoff aus Mainz Linienbusse der Mainzer Mobilität und der ESWE Verkehr betankt werden. Aktuell läuft der Umzug der Tankstelle nach Mainz, fünf Wiesbadener Brennstoffzellenbusse hat die Mainzer Verkehrsgesellschaft inzwischen gekauft.
Der im Energiepark Mainz produzierte Wasserstoff hat seit der Inbetriebnahme erfolgreich einen Teil des Erdgases ersetzt, das über eine vorhandene Erdgasleitung den Mainzer Stadtteil Ebersheim versorgt hat. Außerdem wurde ein Teil des Wasserstoffes zu einer Wasserstofftankstelle in Wiesbaden geliefert. Dort konnten mit dem Wasserstoff aus Mainz Linienbusse der Mainzer Mobilität und der ESWE Verkehr betankt werden. Aktuell läuft der Umzug der Tankstelle nach Mainz, fünf Wiesbadener Brennstoffzellenbusse hat die Mainzer Verkehrsgesellschaft inzwischen gekauft.
Erneuerbare Energien - Rund um die Uhr
Den erneuerbaren Energien gehört die Zukunft. In Deutschland deckt Strom aus regenerativen Quellen derzeit bereits mehr als 60 Prozent des Bedarfs. Die Bundesregierung strebt bis 2030 eine Erhöhung auf 80 Prozent an. Den größten Anteil daran soll die Windkraft haben.
Im Großraum Mainz und im Hunsrück produzieren Windräder bereits heute jährlich 2.000 bis 3.000 „Volllaststunden“ Energie, der Beitrag der Photovoltaikanlagen liegt bei etwa 1.000 Volllaststunden im Jahr. Wind und Sonnenstrahlung sind also diskontinuierlich und stehen damit zur Nutzung nur zeitweise zu Verfügung. Strom aus Windkraft- und Solaranlagen muss daher durch Umwandlung speicherbar gemacht werden, um ihn für den Bedarfsfall verfügbar zu machen.
Wasserstoff eignet sich besonders gut für diese Aufgabe: Er lässt sich an jedem Ort elektrolytisch herstellen, an dem Strom und Wasser verfügbar sind. Der Wasserverbrauch spielt dabei eher eine untergeordnete Rolle: Um z.B. die gesamte Stromproduktion einer durchschnittlichen Windkraftanlage (ca. 4 GWh entspricht dem jährlichen Strombedarf von 1.100 Mainzer Haushalten) in Form von Wasserstoff zu speichern, wird eine Menge von ca. 700 m³ Frischwasser gebraucht, das entspricht dem jährlichen Wasserverbrauch von nur 5 Mainzer Haushalten.
Der Wasserstoff verbrennt emissionsarm zu Wasser, es entstehen keine Treibhausgase. In einer Brennstoffzelle ist Wasserstoff mit hohem Wirkungsgrad direkt verstrombar, ohne Umweg über Verbrennungswärme und mechanische Energie. Wasserstoff kann jedoch auch in Gasturbinenkraftwerken effizient zurück in Strom verwandelt werden.
Im Großraum Mainz und im Hunsrück produzieren Windräder bereits heute jährlich 2.000 bis 3.000 „Volllaststunden“ Energie, der Beitrag der Photovoltaikanlagen liegt bei etwa 1.000 Volllaststunden im Jahr. Wind und Sonnenstrahlung sind also diskontinuierlich und stehen damit zur Nutzung nur zeitweise zu Verfügung. Strom aus Windkraft- und Solaranlagen muss daher durch Umwandlung speicherbar gemacht werden, um ihn für den Bedarfsfall verfügbar zu machen.
Wasserstoff eignet sich besonders gut für diese Aufgabe: Er lässt sich an jedem Ort elektrolytisch herstellen, an dem Strom und Wasser verfügbar sind. Der Wasserverbrauch spielt dabei eher eine untergeordnete Rolle: Um z.B. die gesamte Stromproduktion einer durchschnittlichen Windkraftanlage (ca. 4 GWh entspricht dem jährlichen Strombedarf von 1.100 Mainzer Haushalten) in Form von Wasserstoff zu speichern, wird eine Menge von ca. 700 m³ Frischwasser gebraucht, das entspricht dem jährlichen Wasserverbrauch von nur 5 Mainzer Haushalten.
Der Wasserstoff verbrennt emissionsarm zu Wasser, es entstehen keine Treibhausgase. In einer Brennstoffzelle ist Wasserstoff mit hohem Wirkungsgrad direkt verstrombar, ohne Umweg über Verbrennungswärme und mechanische Energie. Wasserstoff kann jedoch auch in Gasturbinenkraftwerken effizient zurück in Strom verwandelt werden.