Der Produktion von grünem Wasserstoff als Ersatz für fossile Ressourcen wird große Bedeutung zur Erreichung der Klimaziele 2045 beigemessen. Bei der Wasserstoff-Elektrolyse mittels Protonenaustauschmembran (PEM) wird jedoch ungefähr ein Drittel der eingesetzten elektrischen Energie in Abwärme umgewandelt. Zudem bleibt der beim Elektrolyseprozess anfallende Sauerstoff meist ungenutzt. Im Projekt IntegrH2ate untersucht das Fraunhofer IEG zusammen mit dem Projektpartner Linde GmbH daher die Verwertung der Nebenprodukte der Wasserstoff-Elektrolyse: Wärme und Sauerstoff. Das Ziel der Untersuchungen ist die Erhöhung der Wirtschaftlichkeit der Wasserstoffproduktion mittels PEM-Elektrolyseuren, dabei bringt das Fraunhofer IEG seine Expertise in den Bereichen der Verfahrenstechnik, der thermodynamischen Wandler und der Systemintegration von energietechnischen Anlagen ein. Von der Fördersumme in Höhe von rund 19 Millionen Euro gehen 4 Millionen Euro an das Fraunhofer IEG, gefördert wird das Projekt vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF). Die Laufzeit beträgt 45 Monate, das Projekt endet voraussichtlich im September 2025.
Ziel
Bei der PEM-Elektrolyse fällt die entstehende Abwärme üblicherweise bei einem Temperaturniveau von 50 bis 60 Grad Celsius an und steht somit ohne thermische Aufwertung nur einem kleinen Anwendungsbereich zur Verfügung. Durch den Einsatz von (Hochtemperatur-)Wärmepumpen kann diese Wärme jedoch von einem breiten Spektrum an Anwendungsfeldern genutzt werden.
Im Fokus steht dabei die Aufwertung und Nutzung dieser Wärme an einem Raffineriestandort. Großtechnische Elektrolyseanlagen werden bislang üblicherweise in Chemieparks betrieben, an einem solchen Standort kommen für die Wärmenutzung zahlreiche Abnehmer in Frage. Die besondere Herausforderung ist es, die dynamische Betriebsweise des Elektrolyseurs aufgrund des variablen Wasserstoffbedarfs und der Verfügbarkeit von Sonnen- und Windstrom mit dem trägeren System der Wärmepumpe und des Bedarfsprofils für Wärme zu koppeln.
Die Auskopplung und Aufwertung der anfallenden Abwärme wird zunächst mithilfe eines Wärmepumpen-Simulationsmodells untersucht. Dabei werden die optimale Betriebsstrategie sowie geeignete Anlagenkomponenten (Verdichter, Wärmeübertrager etc.) ermittelt. Im weiteren Projektverlauf werden die Simulationsergebnisse an einem Versuchsaufbau am Fraunhofer IEG-Standort Zittau validiert. Ziel ist es, die simulativen und experimentellen Forschungsergebnisse auf eine Demonstrationsanlage im 100-MW-Bereich an einem Raffineriestandort des Projektpartners zu übertragen. Zudem werden Konzepte zur Aufwertung und Nutzung des Nebenprodukts Sauerstoff an Raffineriestandorten entwickelt.
