Eine der zentralen Fragestellungen im Rahmen der Energiewende ist die saisonale Speicherung großer Mengen von Energie. Im Juni 2019 wurde das LLEC-Projekt daher um eine weitere, zentrale Komponente erweitert. Dabei handelt es sich um eine neuartige Technologie auf Basis von LOHC (Liquid Organic Hydrogen Carrier), welche die chemische Speicherung großer Mengen von Energie in füssiger Form erlaubt. Die Energiedichte des beladenen Fluids beträgt dabei ca. 1,86 MWh/m3 und entspricht damit Druckwasserstoff bei etwa 700 bar. Die weltweit einzigartige Demontrationsanlage arbeitet im Verbund mit der neuen Wärmevollversorgungszentrale (WVVZ) und wird durch die Sektorkopplung von Strom, Wärme und chemischer Energie Speicherwirkungsgrade von über 90% erreichen.
Die besondere Innovation dieses Projektes ist die Entwicklung und der Betrieb eines sogenannten Hot-Pressure-Swing-Reaktors (HPSR). Die Technologie wurde 2017 an der Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg-Universität entwickelt, wo dessen generelle Funktionsweise im Labormaßstab (5 kW) und seit Anfang 2018 im Technikumsmaßstab (20 kW) unter Beweis gestellt wurde. Im Rahmen dieses Projektes wird eine weltweit einzigartige Prototypanlage auf dem Leistungsniveau von 300 kW(H2) mit wärmetechnischer Kopplung an eine BHKW-Anlage errichtet.
Zum Speichern des Wasserstoffs dienen zwei 100.000L fassende, doppelwandige Stahlbehälter. Eine maximale Füllung des LOHC-Speichers enthält ca. 185 MWh(H2) und garantiert so eine ganzjährige Nutzung von PV- und Windstrom im LLEC-Gebäudebilanzraum. Beim Einspeichern des Wasserstoffs wird Wärme freigesetzt. Diese wird dem Fernwärmenetz des Campus zugeführt. Zum Austreiben des Wasserstoffs wird Wärme benötigt, welche im Rahmen dieses Projektes aus dem Abgas des benachbarten Blockheizkraftwerk (BHKW) entnommen wird. Die ohnehin anfallende Abwärme auf Temperaturen von über 400°C wird quasi über den LOHC-Prozess umgeleitet. Es handelt sich hierbei um eine Kopplung dreier so genannter Sektoren (Wärme, Strom und chemische Energie). Dieser Ansatz ermöglicht Speichernutzungsgrade von über 90%. Solche Prozesse werden Power-to-Gas-(PtG)-Konzepte genannt und deren Anwendung für die Sektorenkopplung wird als wichtiger Baustein der Energiewende gesehen.
Durch die Vielseitigkeit des Energieträgers Wasserstoff stehen auf der Verbraucherseite verschiedene Nutzungspfade zur Verfügung. Neben der Beimischung in die Gasmotoren des BHKW (bis ca. 10 Vol.%) kann der Wasserstoff in einer alkalischen Brennstoffzelle rückverstromt werden. Komplementär ist der direkte Einsatz von Wasserstoff im Mobilitätssektor zu sehen. Anwendungen werden hier einerseits beim Fuhrpark des FZJ (z.B. Objektschutz, Fahrdienst, Privat-PKW) gesehen, andererseits ist eine Einbeziehung der nahegelegenen Rurtalbahn denkbar, welche ab 2021 brennstoffzellenbetriebene Triebwagen einsetzen möchte.
Die zusätzlichen Demonstratoren sollen (wie alle bereits in Planung befindlichen Anlagen) an das Data and Energy Services Lab angebunden werden. Dieses ist für die Sammlung wissenschaftlicher Daten und für die Überwachung aller Prozesse zuständig und dient als übergeordnete Leitzentrale.
Sehr geehrter Herr Kasselmann,
unser Unternehmen arbeitet an der Substitution von fossilen Kraftstoffen bei der Energieversorgung von Auslandsstandorten.
Sehen Sie schon Möglichkeiten bei Überführung Ihres Projektes in die Praxis ?
Beste Grüße
Jürgen Ecke
Leiter Entwicklung Wassertechnologie
Sehr geehrter Herr Ecke,
vielen Dank für ihren Kommentar. Kontaktieren Sie mich gerne einmal per Email, dann können wir einen Termin machen um über dieses Thema zu sprechen. Bisher ist es ein Forschungsprojekt, der LOHC-One-Reactor wird voraussichtlich im Herbst 2022 in Betrieb gehen.
Mit freundlichen Grüßen,
Stefan Kasselmann
Wenn man den Artikel so liest, übersieht man leicht, dass sich hier Baron Münchhausen am eigenen Schopf aus dem Sumpf zieht:
Einerseits wird beim Speichern des H2 Wärme frei, die man praktischerweise dem Campus-Fernwärmenetz zuführt (Energie gespart), andererseits wird die beim BHKW ohnehin anfallende Wärme zum späteren Austreiben des H2 benutzt. Wieder Energie gespart.
Nur: die zum Austreiben des H2 benötigte Energie ist größer (11kW/kg) als die beim Einlagern freiwerdende (8kW/kg), außerdem fehlt sie ja dann dem Campusnetz und muss extern beschafft werden. Also eigentlich nichts gespart. Zudem ist (zumindest bei Photovoltaik) die Hauptproduktionszeit im Sommer, tagsüber, wenn niemand die freiwerdende Wärme benötigt, während die Hauptnutzungszeit im Winter liegen dürfte, wo die zum Austreiben benötigte Wärme dann anderweitig fehlt.
Keine Frage: LOHC ist ein Weg (vermutlich sogar der momentan beste), überschüssige elektrische Energie sicher und langfristig zu speichern oder auch transportabel zu machen. Aber trotz aller Euphorie sollte man einen klaren Blick auf das Gesamtsystem behalten. Ein „Wirkungsgrad von >100%“ ist auch mit LOHC nicht zu erreichen. Nicht einmal annähernd. Das System ist nur deutlich besser, als PV und Windkraft wegen Überangebot abzuschalten (0% Wirkungsgrad), wie es heute schon tagtäglich massenhaft passiert.
Sehr geehrter Herr Painter,
vielen Dank für ihren Kommentar. Sie haben Recht, dass zum Freisetzen des Wasserstoffs Wärme benötigt wird. Allerdings wird bilanziell dieselbe Wärmemenge zum Freisetzen benötigt, die beim Einspeichern freigesetzt wird. In der Realität kann durch geringe Wärmeverluste nicht die gesamte Wärme, die während der Einspeicherung frei wurde, genutzt werden. Ebenso muss für die Wasserstofffreisetzung aufgrund von Wärmeverlusten eine größere Wärmemenge, als aufgrund der Reaktion benötigt, zugeführt werden. Ihre Zahlen scheinen mir hier jedoch deutlich zu niedrig. Als Beispiel werden 7 kg/h Wasserstoff freigesetzt, dies entspricht dem Energieinhalt von 233 kWh (Hu). Hierfür ist bilanziell eine Wärme von 68 kWh erforderlich, diese Wärmemenge wird allerdings auch bei der Speicherung von 7 kg/h Wasserstoff wieder frei. Durch Wärmeverluste an die Umgebung reduziert sich der Speicherwirkungsgrad wie oben erwähnt. Der Wirkungsgrad kann natürlich nicht über 100% liegen, dies wurde auch nie behauptet. Da die Anlage ein first-of-its-kind Demonstrationsprojekt ist, kann der real erreichte Wirkungsgrad m Moment nur abgeschätzt werden. Dieser liegt, wie im Blogbeitrag geschrieben, bei 90 % oder größer.
Bezüglich ihres Argumentes mit extern zu beschaffender Wärme: Das BHKW ist Wärmegeführt und Strombegrenzt. Wird Wärme für den LOHC-Reaktor benötigt, so wird diese von den Gasmotoren zusätzlich zum aktuellen Bedarf des Campus erzeugt. Später wird diese Wärme vom Reaktor wieder freigesetzt und steht zur Beheizung des Campus zur Verfügung. Die Wärme wird also nur zeitversetzt zur Verfügung gestellt, in dem sie über den LOHC-Prozess geleitet wird. Dies funktioniert unter anderem deshalb, da der Campus ganzjährig einen nennenswerten Wärmebedarf hat.