Der Ausbau von Wasserstofftechnologien ist für eine effektive Dekarbonisierung der deutschen Industrie – und damit des Erreichens der Klimaziele bei gleichzeitig gesicherter Energieversorgung – unabdingbar. Da es sich um einen kohlenstofffreien Energieträger handelt, werden bei der Verbrennung keinerlei Emissionen freigesetzt. Zudem eignet sich Wasserstoff als Speicher, um Fluktuationen bei der regenerativen Energieproduktion auszugleichen, da er mit einer beliebigen Stromquelle via Elektrolyse hergestellt werden kann. Im Rahmen des 2023 abgeschlossenen Projekts „Elektrolyse made in Baden-Württemberg“ hat das Zentrum für Sonnenenergie- und Wasserstoffforschung Baden-Württemberg (ZSW) den hiesigen Wasserstoffstandort nun nachhaltig gestärkt.
Unter Beteiligung von 40 Unternehmen wurde ein skalierbarer Systemdemonstrator zur alkalischen Druckelektrolyse mit einer Leistung von 1 MWel konstruiert. Auch der Leonberger Pumpenspezialist LEWA leistete seinen Beitrag zum Erfolgsprojekt: Eine ecoflow Membrandosierpumpe mit Ex-Motor führt dem Prozess das zur Wasserstoffproduktion benötigte Wasser zu. Ab 2026 soll die Anlage in der Modellregion H2 GeNeSiS weiter betrieben werden und Wasserstoff in die neue Pipeline entlang des Neckars einspeisen.
Auf dem Weg zur anvisierten Klimaneutralität hat die Bundesregierung erst im Juli 2023 die Fortschreibung der Nationalen Wasserstoffstrategie beschlossen. Es wird davon ausgegangen, dass sich der Wasserstoffbedarf in Deutschland bis 2030 im Vergleich zu heute mehr als verdoppelt. Vor diesem Hintergrund definiert die Fortschreibung vier Handlungsfelder: Verfügbarkeit, Infrastruktur und Anwendung von Wasserstoff ausbauen, sowie gute Rahmenbedingungen für Planungs- und Genehmigungsvorgänge schaffen. Insbesondere auf die ersten beiden Punkte zielt auch das Projekt „Elektrolyse made in Baden-Württemberg“ des ZSW ab, das etwa zeitgleich im vergangenen Sommer seinen erfolgreichen Abschluss fand.
Ziel des vom Wirtschaftsministerium Baden-Württemberg geförderten Vorhabens war die Entwicklung einer CE-zertifizierten, serientauglichen Anlage zur alkalischen Wasserelektrolyse mit einer Leistung von1 MWel, die sich dank einer modularen Konstruktionsweise für unterschiedliche industrielle Anwendungen skalieren lässt. „Elektrolyseanlagen dieser Leistungsklasse eignen sich vor allem als sogenannte H2-Hubs für die dezentrale Wasserstoffherstellung“, erklärt Frank Baumgart, Laborleiter im Bereich Regenerative Energieträger und Verfahren (REG) beim ZSW und Hauptverantwortlicher für die Konstruktion und den Aufbau des Elektrolysedemonstrators. „Diese werden beispielsweise von Tankstellen oder industriellen Prozessen mit Bedarf an Wasserstoff eingesetzt.“
Bei der Realisierung des Systemdemonstrators „made in Baden-Württemberg“ waren insgesamt 40 Unternehmen beteiligt, welche die einzelnen verfahrens- und elektrotechnischen Komponenten sowie wertvolles Know-how in das Pilotprojekt einbrachten. Die Projektpartner hatten dabei die Chance, Erfahrung in diesem speziellen Anwendungsbereich zu sammeln und ihre Bauteile in der tatsächlichen Anwendungsumgebung zu erproben. „Die Anforderungen an einen Elektrolyseur sind vielschichtig“, bemerkt Baumgart. „Zum einen sind hohe Drücke und Temperaturen bis zu 90 Grad Celsius erforderlich, um einen möglichst guten Gesamtwirkungsgrad zu erreichen. Zum anderen muss die Materialbeständigkeit aller Anlagenteile gesichert sein, da einzelne Komponenten mit vollentsalztem Wasser, alkalischem Elektrolyt oder Wasserstoff beziehungsweise Sauerstoff in Kontakt stehen.“
Mit der Pumpe, die das zur Wasserstofferzeugung benötigte Wasser in den Prozess zuführt, steuerten die Verfahrenstechnikspezialisten von LEWA eine zentrale Komponente im Herzen der Anlage bei. Die ecoflow Membrandosierpumpe speist genau die Menge an Prozesswasser ein, die bei der Elektrolyse verbraucht wird. Dabei ist es erforderlich, dass das Fördervolumen in Echtzeit präzise auf die tatsächlichen Verbrauchsbedingungen angepasst wird. Andernfalls würde sich der Dosierprozess negativ auf die Regelkreise des Systems auswirken. „Die Dosierung erfolgt deswegen durch eine Zweipunktregelung“, erläutert Björn Pfizenmayer, Gebietsverkaufsleiter bei LEWA. „Das Saugvermögen der Pumpen sorgt für einen kontinuierlichen Prozess.“
Schwierige Ansaugbedingungen und langjähriger Dauerbetrieb
Für diese anspruchsvolle Aufgabe wählte LEWA die ecoflow LDC1 M910S, die über eine hydraulische Leistung von 0,2 Kilowatt verfügt und aufgrund des beim Prozess entstehenden Wasserstoffs mit einem Ex-Motor ausgestattet wurde. Den Anforderungen der Anwendung entsprechend fördert sie im Elektrolyse-Systemdemonstrator Wasser mit bis zu 30 Grad Celsius bei einem Förderstrom von 130 Litern pro Stunde gegen 40 bar. „Dieser Pumpentyp ermöglicht die präzise Einstellung einer definierten Wassermenge in einem weiten Regelbereich“, so Baumgart. „Das ist speziell für den Systemdemonstrator wichtig, da hier Elektrolysestacks verschiedener Länge beziehungsweise Leistung getestet und betrieben werden sollen.“
Da solche Systeme auf bis zu 20 Jahre Betrieb ausgelegt sind, wird bei allen Anlagenkomponenten eine hohe Lebensdauer sowie Wartungs- und Reparaturfreundlichkeit vorausgesetzt. Aufgrund möglicher Berührungspunkte mit der Kalilauge im Elektrolysestack mussten alle Bestandteile des ecoflow-Aggregats zudem eine hohe chemische Beständigkeit aufweisen. Daher bestehen die produktberührten Bauteile aus Edelstahl 316/316L (1.4401/1.4404), der auch gegen Kalilauge beständig ist, und der Pumpenkopf der M900-Serie verfügt über eine robuste PTFE-Sandwichmembran. „Die Membran wird durch die patentierte LEWA DPS-Technologie permanent überwacht“, fügt Pfizenmayer hinzu. „So kann es auch im Dauereinsatz des Elektrolyseurs nicht zu leckagebedingten Unterbrechungen kommen.“
Erfolgreicher Projektabschluss 2023
Seit 2023 ist der Elektrolyse-Systemdemonstrator „made in Baden-Württemberg“ mit CE-Kennzeichnung am ZSW in Betrieb. Bei der 1 MWel-Anlage handelt es sich zugleich um ein Basismodell, von dem ausgehend – dank der modularen Konstruktion – zukünftig auch größere Leistungsklassen bis in den zweistelligen Megawatt-Bereich skaliert werden können. Der Demonstrator selbst soll ab 2026 schließlich im Rahmen der Modellregion H2 GeNeSiS am Stuttgarter Hafen Wasserstoff in die neue Pipeline entlang des Neckar einspeisen. „Von den Einzelkomponenten über den Elektrolysestack bis hin zur Systemtechnik dient der Demonstrator als Schaufenster der Technologie und regionalen Wertschöpfungspotentiale für den Wasserstoffstandort Deutschland“, resümiert Baumgart.
