Aktueller Stand LOHC-Wasserstoffspeicher

Im Rahmen des Projekts Living Lab Energy Campus (LLEC) wird ein neuartiger Wasserstoffspeicher auf Basis der LOHC-Technologie auf dem Gelände des Forschungszentrums geplant und errichtet. Der neuartige Wasserstoffspeicher wurde bereits in einem separaten Blogbeitrag angekündigt (https://blogs.fz-juelich.de/llec/2019/12/03/neuartiger-lohc-wasserstoffspeicher/). In diesem Artikel wird der aktuelle Stand der Planungen und Neuerungen am Reaktor erläutert. Zunächst möchte ich die LOHC-Technologie näher erläutern.

Mittels flüssigen organischen Wasserstoffträgern (engl. liquid organic hydrogen carrier, kurz LOHC) kann Wasserstoff gespeichert werden. Ein LOHC-System besteht immer aus mindestens einer wasserstoffarmen und einer wasserstoffreichen Verbindung. Sowohl die wasserstoffarme (LOHC-) als auch die wasserstoffreiche (LOHC+) Verbindung sollte bei Umgebungs- und Reaktionsbedingungen flüssig sein. In der Hydrierung reagiert der unbeladene LOHC mit Wasserstoff und es bildet sich der beladene Wasserstoffträger. Da die Hydrierung eine exotherme Reaktion ist, wird während der Beladung des LOHCs mit Wasserstoff Wärme freigesetzt, die aus dem Reaktor abgeführt werden muss. Am Forschungszentrum wird die Wärme an das Nahwärmenetz des Forschungszentrums abgegeben, wodurch die Wärmeproduktion im wärmegeführten Blockheizkraftwerk reduziert werden kann. So bleibt die während der Hydrierung produzierte Wärme nicht ungenutzt und der Wirkungsgrad des LOHC-Wasserstoffspeicherzyklus kann erhöht werden. Der beladene Wasserstoffträger kann nun bei Umgebungsbedingungen ohne Wasserstoffverlust während des Lagerzeitraumes gelagert und gegebenenfalls transportiert werden. Bei Wasserstoffbedarf wird der Wasserstoff aus dem beladenen LOHC in der Dehydrierung wieder freigesetzt und es entsteht neben dem Wasserstoff der unbeladene LOHC. Die Dehydrierung ist eine endotherme Reaktion, daher muss zur Wasserstofffreisetzung Wärme zugeführt werden. Der Wärmebedarf für die Wasserstofffreisetzung entspricht dabei annähernd der Wärmefreisetzung während der Hydrierung. Um am Forschungszentrum die Wärme bereitzustellen, wird die Wärme mittels des wärmegeführten Blockheizkraftwerks zusätzlich zum Bedarf am Forschungszentrum produziert. So kann das Blockheizkraftwerk und das Nahwärmenetz des Forschungszentrums als Wärmespeicher für den LOHC-Wasserstoffspeicher dienen. Der unbeladene LOHC steht wieder für einen neuen Wasserstoffspeicherzyklus zur Verfügung. Abbildung 1 erläutert in einer Prinzipskizze die beschriebenen Vorgänge.

Sowohl die Hydrierung als auch die Dehydrierung werden heterogen katalysiert. Am IEK 11 wurde 2017 ein Katalysator identifiziert, der beide Reaktionen bei einer ähnlichen Temperatur, jedoch einem anderen Reaktionsdruck, katalysiert. So kann in einem Reaktor nur durch Änderung des Wasserstoffdrucks zwischen den beiden Reaktionen gewechselt werden. Diese Entdeckung stellt die Grundlage für das diskutierte LOHC-Reaktorkonzept dar. Da beide Reaktionen in demselben Reaktor durchgeführt werden können, wird nur noch ein Reaktor anstatt jeweils eines Reaktors für die Dehydrierung und die Hydrierung benötigt. So reduzieren sich die Investitionskosten für einen stationären Wasserstoffspeicher auf Basis der LOHC-Technologie. Ebenfalls reduzieren sich die Betriebskosten, da der Reaktor längere Zeit auf Temperatur gehalten werden kann und so lange Aufheiz- und Abkühlzeiten entfallen. Dieser Reaktortyp wird als Hot-Pressure-Swing-Reaktor bezeichnet.

Ein sogenannter Hot-Pressure-Swing-Reaktor der weltweit einmaligen Leistungsklasse von 300 kW wird bei uns am Forschungszentrum aktuell in Zusammenarbeit mit der Hydrogenious LOHC Technologies GmbH und dem Ingenieurbüro BFT Planung GmbH geplant und soll im Juni 2022 in Betrieb gehen. Anfang des Jahres konnte das Basic Engineering des Reaktors abgeschlossen werden. In der aktuellen Phase befinden wir uns im Detailed Engineering für den Reaktor und die Peripherie des Reaktors. Ein aktueller Entwurf des Reaktor-Racks ist in Abbildung 2 dargestellt.

In den bisherigen kleineren Prototypen am IEK 11 wurde das ursprünglich favorisierte LOHC-System Dibenzyltoluol / Perhydro-Dibenzyltoluol eingesetzt. Aufgrund neuster Forschungsergebnisse am IEK 11 und bei der Hydrogenious LOHC Technologies GmbH konnte das LOHC-System Benzyltoluol / Perhydro-Benzyltoluol als vorteilhafter identifiziert werden (vgl. https://www.kopernikus-projekte.de/aktuelles/news/p2x_wechsel_lohc_von_dbt_zu_bt). Den Wechsel des LOHC-Systems konnten wir ebenfalls vollziehen und können daher mithilfe des neuen Reaktors Forschung auf dem neuesten Stand betreiben. Weiterhin ist durch den Wechsel eine Einbindung in die sich aktuell im Aufbau befindliche LOHC-Infrastruktur im rheinischen Revier möglich (vgl. https://www.fz-juelich.de/SharedDocs/Meldungen/PORTAL/DE/2021/2021-03-11-dreifragenanpw.html, https://effzett.fz-juelich.de/2-21/stadt-land-region/). Bezüglich der Einbindung in die LOHC-Infrastruktur konnten wir den ursprünglichen Forschungsantrag um zusätzliche Lagermöglichkeiten erweitern und können nun auch LOHC-Systeme aus unterschiedlichen Chargen bezüglich ihrer Performance miteinander vergleichen. Dadurch können wir am Forschungszentrum einen wichtigen Beitrag zur kommerziellen Weiterentwicklung der LOHC-Technologie leisten.

In den nächsten Monaten steht die Abstimmung weiterer Detailplanungen an. Ebenso beschäftigen wir uns mit genehmigungstechnischen Fragestellungen rund um den Reaktor. Zusätzlich werden zu Beginn des neuen Jahres die ersten vorbereitenden baulichen Maßnahmen zur Errichtung des LOHC-Wasserstoffspeichers rund um die Wärmevollversorgungszentrale sichtbar.