Verbundvorhaben: H2Giga_TP_IntegrH2ate - Raffinerieintegration für 100-MW-Elektrolyseure unter Nutzung der Nebenprodukte Wärme und Sauerstoff und hybrider Betriebsweise in Verbindung mit bestehenden konventionellen H2-Erzeugungsanlagen; Teilvorhaben: Untersuchung der Nebenprodukte Wärme und Sauerstoff von PEM-Elektrolysesystemen anhand theoretischer und experimenteller Untersuchungen

Abstract

Die erfolgreiche Umsetzung des Projektes IntegrH2ate innerhalb des Wasserstoff-Leitprojektes H2Giga ist das Ergebnis einer außergewöhnlich starken und interdisziplinären Zusammenarbeit. ExpertInnen aus Industrie und angewandter Forschung haben gemeinsam Lösungen entwickelt, die von der Grundlagenuntersuchung bis zur industriellen Umsetzung reichen. Besonders hervorzuheben ist die enge und vertrauensvolle Kooperation zwischen den Partnern Linde GmbH (Linde) und dem Fraunhofer IEG. Während der Laufzeit des Projektes wurde ein wesentlicher technologischer Sprung erzielt, der die Wirtschaftlichkeit von Elektrolyseanlagen nachhaltig verbessert. Die entwickelten Konzepte, Modelle, Messmethoden, Automatisierungsansätze und Anlagenlösungen tragen direkt dazu bei, den industriellen Einsatz großskaliger Elektrolyseure wirtschaftlicher zu machen und den Hochlauf der Wasserstoffwirtschaft zu beschleunigen. Der vorliegende Abschlussbericht fasst diese Fortschritte zusammen und zeigt, wie IntegrH2ate den Weg zu einer effizienten, sicheren und skalierbaren Wasserstoffproduktion bereitet. Das Fraunhofer IEG entwickelte und validierte für die Nutzung der Abwärme ein detailliertes PEM-Elektrolyse-Modell, ein Gesamtmodell für die Kopplung und Systemeinbindung von Elektrolyseur und Wärmepumpe sowie eine modellprädiktive Regelungsstrategie dafür. Alle Modelle bilden die thermodynamischen und betrieblichen Eigenschaften des gekoppelten Elektrolyse-Wärmepumpen-Systems realitätsnah ab. Nach Aufnahme des regulären Betriebs der Versuchsanlage ist eine umfassende experimentelle Validierung vorgesehen. Für die Nutzung von Elektrolyse-Sauerstoff zeigen die Untersuchungen des Fraunhofer IEG, dass neben der chemischen Industrie die Zementherstellung, Abwasserbehandlung und medizinische Anwendungen zukünftig davon profitieren könnten. Sicherheitsanalysen zeigen, dass bei PEM-Elektrolyseuren aufgrund des Differenzdruckbetriebs spezifische Ausfallmodi auftreten können, die jedoch durch geeignete, von Linde patentierte Konzepte beherrschbar sind. Das Fraunhofer IEG konnte erfolgreich die Versuchsanlage in Zittau im Testbetrieb in Betrieb nehmen. Die Erfahrungen aus Genehmigung, Aufbau und Inbetriebnahme der Versuchsanlage zeigen, dass komplexe Forschungsanlagen hohe Anforderungen an Planung, Dokumentation und Abstimmung mit Genehmigungsbehörden stellen. Linde konnte belastbare technische Grundlagen für die industrielle Umsetzung von Groß-Elektrolyse-Anlagen bis in den Gigawatt-Maßstab entwickeln. Zentrales Ergebnis ist ein skalierbares, modular aufgebautes Anlagenkonzept für PEM- und AEL-Elektrolyseure, das einen sicheren, wirtschaftlichen und lastflexiblen Betrieb unter realen Markt- und Netzbedingungen ermöglicht. Als Gesamtergebnis steht ein technologieübergreifendes Anlagenkonzept bis zu 1 GW zur Verfügung, das PEM- und AEL-Module kombiniert. Ergänzend erzielte Linde wesentliche Fortschritte im Bereich der Anlagensicherheit durch umfangreiche Explosionstests unter realistischen Störfallszenarien. Die gewonnenen Mess- und Betriebsdaten lieferten belastbare Auslegungsparameter für den sicheren Betrieb großskaliger Anlagen. Im Bereich Wasser erforschte Linde neue Konzepte zur Wasseraufbereitung und Konditionierung. Dabei wurde ein Remote-Wasseranalyseboard entwickelt und erprobt, das ein 24/7-Online-Monitoring der Wasserqualität erlaubt.