Original-URL des Artikels: https://www.golem.de/news/energie-wo-die-wasserstoffqualitaet-gestestet-wird-1907-142512.html    Veröffentlicht: 12.07.2019 12:06    Kurz-URL: https://glm.io/142512

Energie

Wo die Wasserstoffqualität getestet wird

Damit eine Brennstoffzelle einwandfrei arbeitet, braucht sie sauberen Wasserstoff. Wie aber lassen sich Verunreinigungen bis auf ein milliardstel Teil erfassen? Am Testfeld Wasserstoff in Duisburg wird das erprobt - und andere Technik für die Wasserstoffwirtschaft.

Wasserstoff gilt als der Energieträger der Zukunft. Damit sollen Fahrzeuge und Züge betrieben werden. Zwar gibt es schon einige Wasserstofftankstellen, aber auch noch viel Entwicklungsbedarf bei der Technik. In Duisburg entsteht gerade ein Wasserstoff-Testfeld, an dem die Infrastruktur getestet werden kann.

"Wir sind sicher, dass es in absehbarer Zukunft keine Alternative zum Wasserstoff gibt, zumindest für den Bereich Busse, Lkw und Schiene", sagt Christian Spitta, stellvertretender Leiter der Abteilung Gasprozesstechnik am ZBT, im Gespräch mit Golem.de. Gerade für den Schwerverkehr werde es strenge Auflagen für die Kohlendioxid-Emissionen geben. Da werde Wasserstoff eine gute Alternative sein: "Je schwerer und weiter ich kommen will, je mehr Last und je größer die Reichweite, umso eher bin ich bei der Brennstoffzelle, umso weniger bin ich bei der Batterie."

Japan hat bereits begonnen, seine Wirtschaft auf diesen Energieträger umzustellen. Ein anderes Vorzeigeprojekt ist der Katamaran Energy Observer, der unter anderem mit Strom aus Brennstoffzellen betrieben wird. In Hamburg will der Stahlkonzern Arcelor Mittal in seinem Stahlwerk eine Pilotanlage bauen, in der Wasserstoff statt Erdgas bei der Direktreduktion von Eisenerz eingesetzt wird. Auf lange Sicht ist geplant, dafür Wasserstoff aus regenerativen Energiequellen zu nutzen.

Vorteil ist, dass Wasserstoff gespeichert und transportiert werden kann. Bei der Nutzung werden keine Schadstoffe freigesetzt - das Abgas ist Wasserdampf. Schließlich hat er eine Energiedichte von etwa 33 Kilowattstunden pro Kilogramm, fast dreimal so viel wie Benzin.

Allerdings gibt es auch einige Nachteile: Es muss sehr viel Energie für die Gewinnung und den Umgang aufgewendet werden. So beträgt etwa der Wirkungsgrad bei der Gewinnung durch Elektrolyse von Wasser rund 70 Prozent. Weitere Verluste treten bei der Speicherung auf. Dafür muss das Gas entweder unter Druck gesetzt oder verflüssigt werden, also bis auf minus 253 Grad heruntergekühlt werden. Selbst beim Betanken eines Brennstoffzellenautos geht noch einmal Energie verloren.

Zwar gibt es schon eine - wenn auch kleine - Infrastruktur. Viel Technik ist aber noch in der Entwicklung und muss getestet werden. Derartige Tests können jedoch nicht an kommerziell verfügbaren Tankstellen durchgeführt werden. Dafür ist das Wasserstoff-Testfeld am Zentrum für Brennstoffzellentechnik (ZBT) da.

Es habe zwei Bereiche, sagt Spitta. Einer sei der Aufbau eines Labors, das die Qualität von Wasserstoff überwachen solle. Der andere bilde "die ganze Kette ab, angefangen von der Wasserstofferzeugung über die Kompression auf die Zwischendruckstufe von 200 bar, über die Verdichtung auf 500 beziehungsweise 900 bar, die Vorkühlung des Wasserstoffs, die dann an der Tankstelle notwendig ist, bevor ich ihn dann in den Pkw vertanke, bis zum Abschluss am Fahrzeug mit dem Dispenser, landläufig: die Zapfpistole."

Los geht es mit der Gewinnung des Wasserstoff selbst.

Erzeugen, komprimieren, kühlen

In drei verschiedenen Verfahren wird das Gas per Elektrolyse durch die Aufspaltung von Wasser gewonnen, per Protonen-Austausch-Membran-Elektrolyse, alkalische Elektrolyse und per Hochtemperatur-Elektrolyse. Alle drei Verfahren eignen sich für andere Anwendungsbereiche: Die beiden Niedrigtemperatursysteme, die bei etwa 60 bis 80 Grad arbeiten, eignen sich eher für fluktuierende Prozesse. Solche Elektrolyseure könnten beispielsweise an Wind- oder Solarkraftwerken installiert werden, um Wasserstoff mit elektrischem Strom zu erzeugen, der nicht ins Netz eingespeist werden kann. In Deutschland betrug laut dem Bundesverband Windenergie 2017 die abgeregelte Strommenge 5,5 Terawattstunden.

Die Hochtemperatur-Elektrolyse hingegen läuft bei Temperaturen zwischen 800 und 850 Grad ab und hat potenziell einen höheren Wirkungsgrad. Allerdings sollte der Prozess eher kontinuierlich laufen. Eine Möglichkeit könnte sein, die Abwärme aus industriellen Prozessen für die Verdampfung des Wassers zu nutzen.

In ihrer Anlage könnten sie das alles vergleichen, sagt Spitta: "Wie stellt sich die alkalische Elektrolyse in ihrem Betrieb gegenüber der PEM, gegenüber der Hochtemperatur-Elektrolyse dar. Und im Umkehrschluss: Für welchen Ansatz, für welches Konzept ist welches Verfahren geeignet?"

Der nächste Punkt, der untersucht wird, ist die Kompression des Wasserstoffs. Derzeit ist es üblich, ihn mit einem Druck von 200 bar zu speichern und zur Tankstelle zu liefern. Dort wird er dann weiter komprimiert, um den Wasserstoff mit 350 bar oder 700 bar ins Fahrzeug zu tanken. Aktuell sind in Deutschland etwa 650 Brennstoffzellenautos angemeldet, die an knapp über 70 Tankstellen tanken.

Steigt die Zahl der Fahrzeuge, wird jedoch auch der Durchsatz an den Tankstellen größer. Dann könnte ein anderer Ausgangsdruck besser sein. Das gilt auch für die Vorkühlung: Der Wasserstoff muss auf minus 40 Grad gekühlt werden. Die Systeme reagieren unter Umständen sehr empfindlich, wenn die Richtwerte nicht eingehalten werden: Bei unserem Test eines Brennstoffzellenautos kürzlich brach der Tankvorgang wegen einer Abweichung von einem halben Grad ab.

Drei verschiedene Verfahren zur Vorkühlung sind in Duisburg aufgebaut, die darauf getestet werden, für welche Tankstellengröße sie sich am besten eignen. So könnte beispielsweise auch ein Busunternehmer oder ein Spediteur zu ihnen kommen, der für seinen Betriebshof eine eigene Wasserstoffzapfsäule für seinen Fuhrpark wolle, erzählt Spitta. Sie könnten ihn dann beraten, welche Komponenten er brauche, wie groß der Speicher sein müsse und mit welchem System gekühlt werde. "Das können wir bei uns abbilden und dann eine Konfiguration empfehlen."

Doch das Tanken ist nur ein Aspekt des Testfelds. Der andere ist die Qualität des Wasserstoffs.

Labor für Wasserstoffqualität

Der Qualität des Wasserstoffs kommt eine wichtige Bedeutung zu, da Verunreinigungen eine Brennstoffzelle schädigen können - je nachdem, um welchen Stoff es sich handelt und in welcher Konzentration er vorliegt, sogar irreparabel. Es gebe deshalb internationale Standards, denen der Wasserstoff entsprechen müsse, sagt Spitta. Dabei müsse die Gasreinheit bis zum milliardstel Teil (Parts per Billion, ppb) nachgewiesen werden. In Deutschland gebe es aber bisher noch kein unabhängiges Labor, das einen solchen Nachweis erbringen könne. So sei die Idee entstanden, zwei solche Labore aufzubauen, eines davon eben am ZBT.

Verunreinigungen im Wasserstoff können bereits bei der Gewinnung auftreten. Bei der Elektrolyse etwa können Anteile von Sauerstoff und Stickstoff übrigbleiben, bei der Erdgasreformierung Schwefel oder Kohlenmonoxid. Aber auch an anderen Stellen der Kette kann es dazu kommen, bei der Lagerung etwa, weil Dichtungen oder andere Komponenten ausgasen, oder bei Wartungsarbeiten an der Tankstelle.

"Wir gucken uns verschiedene Tankstellenkomponenten auf die möglichen Eintragungen von Verunreinigungen in den Wasserstoff an", erklärt Spitta. "Das kann man so an einer kommerziell verfügbaren Tankstelle nicht machen, weil man nicht an jeden Teilprozess herankommt. An unserem Testfeld haben wir verschiedene Punkte, wo wir Proben ziehen und bewerten können, aus welchem Teilsystem Verunreinigungen auftauchen."

Die Wasserstoffqualität wird schließlich auch eine Rolle spielen, wenn zukünftig gegebenenfalls das Erdgasnetz als Speicher eingesetzt wird. Dabei wird es darum gehen zu untersuchen, ob sich Moleküle aus den Wandungen lösen, wenn die Konzentration des Wasserstoffs in den Rohrleitungen steigt.

Noch ist die ganze Anlage nicht so weit, dass sie in Betrieb genommen werden kann. Die nötige Hardware sei zwar aufgebaut, aber es dauere noch, bis alles eingerichtet sei, sagt Spitta. Ende dieses Jahres soll es in Duisburg losgehen.

An Arbeit wird es Spitta und seinen Kollegen kaum mangeln: "Das Interesse, das wir von den Herstellern und Unternehmen bekommen haben, war groß."  (wp)


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