Bei der Dekarbonisierung von Wirtschaft und Gesellschaft spielen sowohl grüner Wasserstoff als auch Wärmepumpen eine große Rolle. Lässt sich beides nicht sinnvoll kombinieren? Das Fraunhofer IEG arbeitet daran. Anfang 2025 wollen die Forschenden eine Versuchsanlage in Betrieb nehmen, die Abwärme aus der Elektrolyse mithilfe von Wärmepumpen so aufwertet, dass Fernwärme für Heizzwecke entsteht.
Die nachhaltige Energiewirtschaft wartet auf den grünen Wasserstoff. Neben Importen braucht es auch effiziente, also kostengünstige heimische Elektrolyseure, die aus grünem Strom Wasserstoff erzeugen und die Nebenprodukte Sauerstoff und Wärme wirtschaftlich nutzen. Den Weg dazu möchte das Fraunhofer-Institut für Energieinfrastrukturen und Geothermie (Fraunhofer IEG) mit einer Versuchsanlage aufzeigen, die Anfang nächsten Jahres im sächsischen Zittau (Oberlausitz) ihre Arbeit aufnehmen soll.
Elektrolyse-Abwärme nutzen
Die voraussichtlich 2,7 Mio. Euro teure Anlage entsteht derzeit auf dem Gelände der Stadtwerke Zittau. Sie ist Teil des Projekts „ IntegrH2ate “, das die effiziente Nutzung der Nebenprodukte Wärme und Sauerstoff aus der PEM-Elektrolyse zum Gegenstand hat. Die Abkürzung PEM steht für Polymer-Elektrolyt-Membrane. Diese dienen bei manchen Elektrolyseuren zur Trennung der beiden Elektroden. PEM-Elektrolyseure sind unempfindlich gegenüber Lastwechseln. Daher eignen sie sich besonders für die Produktion von Wasserstoff mit Strom aus volatilen erneuerbaren Quellen.
Das Projekt „IntegrH2te“, das vom Bundesministerium für Bildung und Forschung mit rund 19 Mio. Euro gefördert wird, untersucht die Kopplung zwischen PEM-Elektrolyse, Wärmepumpe und Wärmenetz. Die Abwärme aus der Elektrolyse soll durch die Wärmepumpe so aufgewertet werden, dass diese als Fernwärme im Versorgungsnetz der Stadt Zittau dienen kann. Übrigens ist auch der Sauerstoff aus der Elektrolyse bei entsprechender Reinheit eine gefragte Handelsware. Doch egal, ob Wärme oder Sauerstoff: Bisher ist es nicht Standard, dass die Nebenprodukte von Elektrolyseuren überhaupt genutzt werden. IntegrH2ate soll dazu beitragen, dass sich das ändert.
„Mit unseren Versuchsanlagen schaffen wir eine Test-Infrastruktur, um industrienahe Prozesse zu testen und zu qualifizieren“, sagt Clemens Schneider, Projektleiter am Fraunhofer IEG. „Wir wollen im Technikums-Maßstab erproben, wie sich die Nebenprodukte Wärme und Sauerstoff aus der Elektrolyse bei dynamischer Betriebsweise optimal aufbereiten lassen.“
Besonders die Abwärmenutzung hat aus Sicht der Forschenden das Potenzial, die Wirtschaftlichkeit der Herstellung von grünem Wasserstoff per Elektrolyse auch hierzulande zu verbessern. „Mittelfristig wird dies die Umsetzung von Elektrolyseprojekten mit Sektorenkopplung vorantreiben und den Hochlauf der Wasserstoffwirtschaft unterstützen“, betont Thomas Emmert von der Linde GmbH, die das Projekt IntegrH2ate zusammen mit dem Fraunhofer IEG durchführt.
Dimensionen der Anlage
Der geplante Elektrolyseur der „Laboranlage Sektorengekoppelte Verwertung der PEM-Elektrolyseprodukte“ (LA-SeVe) auf dem Gelände der Stadtwerke Zittau findet in einem Containerraum von rund 12 m Länge und 2,5 m Breite Platz und wird über eine neue Trafostation mit Strom versorgt.
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Die Wärmepumpe mit einer Leistung von maximal 105 kW (thermisch) bekommt zusammen mit Pufferspeicher, Pumpen und Regelungstechnik eine 5 x 5 m große Standfläche in einer bestehenden Halle und wird über einen Wasserkreislauf an den Elektrolyseur angebunden. Die Abwärme aus dem Forschungsbetrieb des Elektrolyseurs geht über die Wärmepumpe in das städtische Fernwärmenetz.
Die Mitte dieses Jahres genehmigte Versuchsanlage dient primär der Betriebsoptimierung des Anlagenkonzeptes und der effizienten Kopplung von Elektrolyseuren und Wärmepumpen. „Zudem stellt die Versuchsanlage eine Plattform dar, um zukünftig industrienahe Prozesse für Hersteller und Betreiber zu testen und zu qualifizieren“, ergänzt Projektleiter Clemens Schneider, „etwa die Methanisierung von Kohlendioxid, geschlossene Kohlenstoffkreisläufe, Tests von Verdichtern für Sauerstoff und Wasserstoff sowie Wasserstoff-Brenner und weitere Komponenten zur Nutzung der Haupt- und Nebenprodukte aus der PEM-Elektrolyse.“
