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Wasserstoff in der Praxis: Das Projekt „eFarm“ von GP Joule

Größtes Wasserstoffmobilitätsprojekt mit Windstrom

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© GP Joule

Das Projekt „eFarm“ ist das bisher größte grüne Wasserstoff-Mobilitätsprojekt in Deutschland. Im Kreis Nordfriesland, Schleswig-Holstein, wird mit dem Pilotprojekt eine Wasserstoff-Infrastruktur von der Erzeugung über die Verarbeitung bis zur Flottennutzung realisiert.

Ziel dabei ist, ein gemeinschaftliches, nachhaltiges Wirtschaften mit Erneuerbaren Energien in die Gesellschaft zu bringen: im Verbund Wasserstoff produzieren, transportieren, verarbeiten und vermarkten.

Die Wertschöpfungskette beginnt mit der dezentralen Erzeugung von Ökostrom aus Bestandsanlagen (Solar- und Windkraftanlagen), der direkt vor Ort in Elektrolyseuren Wasser in grünen Wasserstoff umwandelt.

Windstrom für die Elektrolyseanlage von GP Joule © GP Joule

Die Abwärme wird zum Heizen von gewerblichen und privaten Gebäuden genutzt. Der Wasserstoff wird an zwei eigens gebauten Wasserstofftankstellen in Niebüll und Husum zur Verfügung stehen.

Initial werden zwei Wasserstoffbusse und 30 Brennstoffzellen-PKW als Verbraucher angeschafft. Die Busse werden im ÖPNV eingesetzt.

Die "First Mover" in unserer Best-Practice-Galerie

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Die Best-Practice-Beispiele der vergangenen Wochen

1. Mainzer Stadtwerke AG - Wirtschaftlicher Betrieb einer Power-to-Gas-Anlage

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Gelände des Energiepark Mainz  ©Mainzer Stadtwerke AG

Der Energiepark Mainz ist national und international ein vielbeachtetes Innovationsprojekt im Bereich der Sektorenkopplung und Energiespeicherung. Im Juli 2015 war die weltweit größte Elektrolyseanlage ihrer Art als Forschungsprojekt der Linde Group, Siemens und der Mainzer Stadtwerke mit finanzieller Unterstützung der Bundesregierung gestartet. 

Nach 2-jähriger wissenschaftlicher Begleitung ist der Energiepark inzwischen in den Regelbetrieb übergegangen. Dabei war es sowohl für die Mainzer Stadtwerke wie auch für Linde am Ende der Forschungs-phase wichtig, dass die Elektrolyseanlage nicht nur technisch einwandfrei funktioniert, sondern sich auch wirtschaftlich betreiben lässt. 

Die Power-to-Gas Anlage erzeugt unter anderem mit Hilfe von erneuerbarem Strom aus benachbarten Windkraftanlagen der Mainzer Stadtwerke grünen Wasserstoff. Der Elektrolyseur ist auf den schwankenden Ökostrom besten eingestellt, innerhalb weniger Sekunden betriebsbereit und in zwei Minuten auf Vollleistung. Die Maximalleistung beträgt dabei rund sechs Megawatt. Der Energiepark kann damit den Strom von bis zu drei 2-MW-Windrädern aufnehmen. 

Elektrolyseure zur Wasserstofferzeugung und Wasserstoffeinspeisung in das Erdgasnetz

Elektrolyseure zur Wasserstofferzeugung - Energiepark Mainz ©Mainzer Stadtwerke AG

Der in Mainz produzierte, hochreine Wasserstoff wird sowohl von Industrieverbrauchern als auch für öffentliche Wasserstoff-Tankstellen verwendet. In Mainz und Wiesbaden fahren außerdem die ersten beiden Brennstoffzellenbusse mit Wasserstoff

Zudem wird eine nahe gelegene Gasleitung, die einen Stadtteil mit Erdgas zum Heizen und Kochen versorgt, inzwischen bis zu 10% Wasserstoff beigemischt. Für die KundInnen änderte sich nichts, der Preis blieb konstant. Nur das Gas wurde ein Stück weit grüner. 

2. ZEAG Energie AG - Sektorkopplung mit der Raumfahrt

H2ORIZON ist ein Gemeinschaftsprojekt der ZEAG Energie AG und des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt (DLR) zur Entwicklung der Wasserstoff-Technologie zur Marktreife. Das DLR gehört zu den größten Wasserstoffnutzern Europas. Der Standort Lampoldshausen bei Heilbronn, an dem sich die Elektrolyseanlage befindet, liegt in direkter Nähe zu einem der größten Windparks Baden-Württembergs, den die ZEAG betreibt. 

Mit Hilfe dieses Windstroms erzeugt die ZEAG Wasserstoff, speichert ihn und stellt ihn für verschiedene Anwendungsbereiche zur Verfügung. Ein Teil des produzierten Wasserstoffs wird zur Strom- und Wärmegewinnung über eine Gasmisch-Strecke einem Blockheizkraftwerke zugeführt. Dieses BHKW gehört zu einer hochmodernen Wärmezentrale zur Versorgung des Standorts. 

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Hochmodernen Wärmezentrale des Projektes H2ORIZON mit zwei BHKW, einem Erdgasheizkessel und zwei Pufferspeicher ©ZEAG Energie AG

Ein weiterer Teil beliefert die betriebsinterne Tankstelle für die Transportfahrzeuge. Vor allem aber wird flüssiger und gasförmiger Wasserstoff für Triebwerktests z.B. der Ariane-Trägerraketen genutzt. Somit gelingt hier nicht nur die Sektorkopplung mit den Bereichen Wärme und Verkehr, sondern ebenso mit der Raumfahrt. 

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Forschung an der Antriebstechnologie von Trägerraketen durch Beimischung von Wasserstoff in den Treibstoff auf dem Gelände des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt © Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt

Jährlich können bis zu 100 Tonnen grünen Wasserstoffs erzeugt und bereitgestellt werden. Hierfür nutzt die ZEAG eine PEM-Elektrolyseanlage, die besonders geeignet ist, um auf die fluktuierende Stromeinspeisung eines Windparks zu reagieren. Die Anlage hat im Jahr 2020 erfolgreich ihren Probedurchlauf mit Bestnoten bestanden und befindet sich nun im Regelbetrieb. 

3. Die Power-to-Gas Systemlösung Ibbenbüren der Westenergie AG

Westenergie betreibt seit 2015 im nordrhein-westfälischen Ibbenbüren einen PEM-Elektrolyseur zur Umwandlung von erneuerbarem Strom in Wasserstoff. PEM steht dabei für Proton Exchange Membrane und bezeichnet ein Elektrolyse-Verfahren, das erhöhte Wir-kungsgrade erreicht und hohe Flexibilität bei Laständerung bietet. 

Die realisierte Systemlösung zur Speicherung von regenerativem Strom erzielt über die komplette Speicherkette einen Nutzungsgrad von bis zu 75 %. Dies wird ermöglicht, weil sowohl bei der Umwandlung von Strom in Gas als auch von Gas in Strom die entstehende Abwärme genutzt wird.

Bei der Wasserstofferzeugung wird ein Teil der Abwärme des Elektrolyseurs in der benachbarten Gasdruckregel- und Messanlage zur Erdgasvorwärmung eingesetzt. Die Rückverstromung des Gases im BHKW erfolgt unter Kraft-Wärme-Kopplung. Die dabei entste-hende Wärme steht dem lokalen Fernwärmenetz zur Verfügung.

Bildunterschrift: Power-to-Gas-Anlage am Standort Ibbenbüren der Westenergie AG  ©Westenergie AG

Die in das Gasnetz eingespeiste Wasserstoffmenge wird über das dena-Biogasregister nachverfolgt und durch Bilanzkreisgeschäfte vertraglich dem BHKW in Ibbenbüren zugeordnet. Das BHKW wandelt physikalisch den Wasserstoff bedarfsgerecht in Strom um und schließt damit die Stromspeicherkette. Eine Methanisierungsanlage kann aus den im Elektrolyseur erzeugten Wasserstoff und Kohlendioxid künstliches Methan erzeugen.

Dieses Gas lässt sich im Vergleich zu Wasserstoff ohne Begrenzung in das bestehende Gasnetz einspeisen. Dieses Teilprojekt mit dem Namen „ORBIT“ hat zum Ziel, bis Ende 2020 die biologische Methanisierung als effiziente Energiespeicher- und Sektorkopplungstechnologie für die Zukunft weiterzuentwickeln.

4. ENERTRAG AG - Grüne Wasserstofferzeugung für Industrie, Wärme und Mobilität

Seit 2011 erzeugt ENERTRAG in einem Hybridkraftwerk mittels Elektrolyse aus Windstrom grünen Wasserstoff. Dieser wird in das lokale Gasnetz eingespeist, um Endkunden mit Wärme zu versorgen.

Außerdem wird er zur Betankung von PKWs und Bussen sowie in industriellen Prozessen eingesetzt. Eine weitere Anwendung findet Wasserstoff in der Abfüllung von Gasflaschen zur Versorgung von Notstromaggregaten auf Basis von Brennstoffzellentechnologie.  

In Prenzlau wird gezeigt, wie Wasserstoff das erneuerbare Energiesystem stabilisieren kann, indem Flexibilität bereitgestellt wird. Das Hybridkraftwerk ist Teil des erneuerbaren Verbundkraftwerks Uckermark und besteht derzeit aus drei Windenergieanlagen und dem Elektrolyseur mit lokalen Wasserstoffspeichern.

Wasserstoff wird aus Windenergie zu Zeiten starker Winde hergestellt und gespeichert. Mit der Speicherung des Stroms in Form von Wasserstoff kann eine sichere Bereitstellung von Energie auch bei Windstille gewährleistet werden und die Energieproduktion gesamtsystemisch optimiert werden.

Elektrolyseur des Hybridkraftwerks der ENERTRAG in Prenzlau. © ENERTRAG photo credit Silke Reents

Mit den richtigen regulatorischen Rahmenbedingungen kann das Potential der Wind- und Solarenergie voll ausgeschöpft und die erneuerbare Energie allen Sektoren zur Verfügung gestellt werden. Am Standort des Hybridkraftwerkes befinden sich nicht nur die drei zur Wasserstoffproduktion genutzten Windenergieanlagen, sondern mehr als 400 weitere Onshoreanlagen, die nach einer EEG-Umlagebefreiung zur grünen Wasserstoffproduktion eingesetzt werden könnten.

In unmittelbarer Nähe befinden sich Ferngasleitungen, die größere Volumina an grünem Wasserstoff aufnehmen könnten, wenn es die technischen Regeln zuließen. Die aktuelle Regulierung setzt noch nicht die Potenziale frei, die die Energiewirtschaft zu leisten imstande ist.

5. Die Power-to-Gas-Anlage der Energiedienst AG

Am Rande der baden-württembergischen Gemeinde Grenzach-Wyhlen am Hochrhein, direkt an der Schweizer Grenze, betreibt die Energiedienst AG eine Power-to-Gas-Anlage und stellt seit Dezember 2019 grünen Wasserstoff mittels Elektrolyse her. Das Besondere an diesem Projekt: Der dafür verwendete Ökostrom wird aus dem eigenen Wasserkraftwerk direkt nebenan bezogen, welches jährlich 255.000 MWh grünen Strom produziert. 

Die Anlage hat eine Elektrolyseleistung von 1 MW. Hinzu kommen 0,3 MW einer angeschlossenen Forschungseinrichtung des Zentrums für Sonnenenergie und Wasserstoffforschung (ZSW). Die für die Errichtung der Anlage erfolgte Baugenehmigung sieht bereits einen späteren Ausbau und damit einer Skalierung der Leistung vor.

Heute erzeugt die Power-to-Gas-Anlage im Volllastbetrieb bereits 430 kg Wasserstoff pro Tag. Damit ließen sich rund 100 Brennstoffzellen-PKW betanken.

Der Elektrolyseur ist das Herzstück der Power-to-Gas-Anlage Wyhlen. © Energiedienst AG

Der umweltfreundliche und CO2-frei gewonnene Wasserstoff kommt vorerst in der naheglegenen Industrie zum Einsatz. Darüber hinaus ist eine Nutzung im öffentlichen Nahverkehr angedacht. Ein umfassendes Konzept sieht überdies vor, dass die bei der Elektrolyse entstehende Abwärme ein neues Wohngebiet in Grenzach-Wyhlen beheizen soll.

Durch diese Verknüpfung von Strom, Mobilität und Wärmeversorgung – Stichwort Sektorenkopplung – soll die Anlage mit dazu beitragen, den CO2-Ausstoß zu senken und die Energiewende zu unterstützen.

Das ZSW Stuttgart betreibt einen Forschungscontainer direkt an der Anlage. © Energiedienst AG

Das Land Baden-Württemberg hat die Anlage als Leuchtturmprojekt gefördert. Zur Erprobung der wirtschaftlichen Nutzung des grünen Wasserstoffs wurde nun auch die Förderung des BMWi im Rahmen des Ideenwettbewerbs „Reallabore der Energiewende“ zugesagt.

6. Avacon Netz GmbH und DVGW- Innovationsvorhaben 20 Vol.-% Wasserstoff

Die bestehende Gasinfrastruktur in Deutschland mit 547.000 km Gasleitungen und 47 Untergrundspeichern, birgt große Potenziale für den Transport und die Speicherung von Wasserstoff. Gleichzeitig besteht neben der Industrie und dem Verkehr im Wärmemarkt ein Anwendungsfeld mit großem CO2-Einsparpotenzial, doch dafür müssen noch die regulatorischen Bedingungen geschaffen werden.

Im Rahmen des DVGW-Energieimpuls und der E.ON-Initiative „Grünes Gas aus Grünem Strom“ verfolgen das Tochterunternehmen Avacon Netz GmbH und der DVGW ein bislang einmaliges Wasserstoffeinspeiseprojekt in einem Gasverteilnetz in Deutschland. 

Bis zu zehn Prozent Wasserstoffbeimischung sind derzeit in vielen Ortsnetzen zulässig. Im Jerichower Land in Sachsen-Anhalt wird nun im „Innovationsvorhaben 20 Vol.-% Wasserstoff“ getestet, ob die doppelte Wasserstoffkonzentration als der aktuelle Grenzwert bei-gemischt werden kann. Gasheizungen, andere Gasendgeräte und die Gasinstallation werden dabei einem Verträglichkeitstest unterzogen.

Skizze des Projektes „Innovationsvorhaben 20 Vol.-% Wasserstoff“ © Avacon

Der konkrete Netzabschnitt des Gasverteilnetzes, eignet sich deshalb für das Projekt, da die dort verbaute Netzinfrastruktur und Endgerätetechnik repräsentativ und die Ergebnisse für unterschiedliche Verteilnetzbetreiber skalierbar sind. Sollte das neue Projekt zu dem Ergebnis kommen, dass 20 Prozent Wasserstoff im Netz zu keinerlei Störungen oder Auffälligkeiten führen, kann das DVGW-Regelwerk angepasst werden. Das Projekt läuft bis Mitte 2023.

Darüber hinaus engagiert sich Avacon in zahlreichen weiteren Projekten und Studien. So ist der Energiedienstleister zusammen mit Salzgitter Flachstahl und Linde Partner beim Projekt „Windwasserstoff für Stahlwerk Salzgitter“, bei dem grüner Wasserstoff aus Windkraft vor allem bei der Stahlherstellung zur CO2-Einsparung eingesetzt werden soll.

Im Rahmen eines geplanten Projektes mit EEW Energy from Waste soll wiederum grüner Strom neben Windkraft aus einer bestehenden thermischen Abfallverwertungsanlage der EEW gewonnen und effektiv zur Erzeugung von grünem Wasserstoff eingesetzt werden.

7. Enercity und Gasnetz Hamburg - Wasserstoff für die Energieversorgung eines Wohnquartiers

In Hamburg-Bergedorf versorgt enercity contracting seit Juni 2019 das Wohnquartier "Am Schilfpark" mit Wärme und Strom. Mit zwei hocheffizienten KWK-Modulen sowie ein Brennwertkesselanlage liefert die Energiezentrale Heizenergie über ein Nahwärmenetz für 273 Wohnungen und speist Strom in die Elektrizitätsversorgung ein. 

Gemeinsam mit den Partnern Gasnetz Hamburg, Hochschule für Angewandte Wissenschaften Hamburg (HAW) und dem Bezirk testet enercity die Beimischung von Wasserstoff in das Erdgasnetz. Der Wasserstoffgehalt im Brennstoffgemisch für die Energiezentrale soll bis zu 30 Volumenprozent betragen. Im Fokus der Erprobung steht der Betrieb der enercity-Energiezentrale mit schwankenden Wasserstoffanteilen im Gas. Der Wasserstoff wird aus regenerativ erzeugtem Strom hergestellt und in einer Anlage von Gasnetz Hamburg flexibel beigemischt. 

Beimischung von bis zu 30 % Vol. Wasserstoff in die Gasversorgung des Quartiers © Gasnetz Hamburg 

Dieses Modell für eine energie- und ressourceneffiziente Stadt ist auch Gegenstand des EU-Projektes mySMARTLife mit den Partnerstädten Nantes in Frankreich und Helsinki in Finnland und wird von der HAW wissenschaftlich betreut. Damit fördert das Projekt den Austausch von Know-how zur Wasserstofftechnologie und nachhaltigen Lösungen für urbanes Leben.

8. EWE AG - Verbindung von Energie- und Verkehrswende

EWE betreibt auf seinem Kavernengelände, einem Untertage-Gasspeicher im niedersächsischen Huntorf einen skalierbareren Elektrolyseur mit einer Leistung von aktuell 25 Kilowatt.

Dieser bezieht grünen Strom aus einer 100 Kilowatt-Photovoltaikanlage in direkter Nachbarschaft. Die Photovoltaik-Anlage ist so ausgelegt, dass sie den Grundlastbedarf des Gasspeicher-Standortes von rund 80 Kilowatt jederzeit bedienen kann. Der entstehende Überschussstrom wird in grünen Wasserstoff umgewandelt.

Der vor Ort befindliche Speicher sorgt dafür, dass fünf wasserstoffbetriebene Elektrofahrzeuge der EWE-Fahrzeugflotte bedarfsgerecht mit Wasserstoff betankt werden können. Dafür gibt es bereits eine Wasserstoff-Tankstelle, die sich neben dem Elektrolyseur auf dem Kavernengelände befindet.

Elektrolyseur und Speicher auf dem Kavernenspeichergelände von EWE in Huntorf © EWE AG

Dieses Anwendungsprojekt verdeutlicht, dass erneuerbare Energien nicht ausschließlich über den elektrischen Weg nutzbar gemacht werden können, sondern insbesondere bei schleppendem Netzausbau auch die Umwandlung in grünen Wasserstoff eine sehr gute Option darstellt. 

Perspektivisch ist die Erhöhung der Elektrolyseleistung, die Anbindung an ein Leitungssystem sowie die Speicherung des Wasserstoffs in unterirdischen Kavernen denkbar.

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