IntegrH2ate: Effizienzpotenziale von Elektrolyseuren heben

Wasserstoff kann in den klimaneutralen Energiesystemen der Zukunft Sektorengrenzen überwinden. Um jedoch Deutschlands Bedarf an grünem Wasserstoff decken zu können, braucht es große Kapazitäten an leistungsfähigen, kostengünstigen Produktionsanlagen, den Elektrolyseuren. Zwar sind bereits heute leistungsfähige Elektrolyseure am Markt verfügbar, die Wasserstoff zuverlässig herstellen, doch ihre Nebenprodukte – Wärme und Sauerstoff – zu nutzen ist noch nicht Standard. Das Fraunhofer IEG forscht im Teilprojekt »IntegrH2ate« gemeinsam mit der Linde GmbH unter dem Dach des Leitprojekts »H₂Giga« des BMBF, um dieses Potential zu heben. 

Wärmepumpen und Elektrolysuer koppeln

"Wir wollen die Effizienz der Elektrolyse steigern, indem wir die Abwärme und den Sauerstoff als Wertstoffe begreifen und einer nachhaltigen Nutzung zuführen", erklärt Clemens Schneider, Projektleiter am Fraunhofer IEG. Dazu möchte er eine Wärmepumpe nutzen, die die Abwärme der Elektrolyse auf ein Temperaturniveau bringt, welches eine weitere Verwendung am Produktionsort zulässt.

Elektrolyseure werden bislang als großtechnische Anlagen in Chemieparks oder in Raffinerien betrieben, sodass für Nutzwärme zahlreiche Abnehmer am Standort in Frage kommen. Die besondere Herausforderung ist es, die dynamischen Betriebsweisen des Elektrolyseurs aufgrund von bedarfsorientierten Szenarien für Wasserstoff oder der Verfügbarkeit von Sonnen- und Windstrom mit dem trägeren System der Wärmepumpe und des Bedarfsprofils für Wärme zu koppeln. Im Mittelpunkt des Projektes steht die PEM-Elektrolyse, deren zentrales Element eine Protonen-leitende Membran ist, die PEM (Proton Exchange Membrane).

Das Projektteam wird eine detailreiche Computersimulation der gekoppelten Systeme Elektrolyseur und Wärmepumpe erstellen, um die optimalen Betriebsparameter und Systemkomponenten wie Verdichter, Kältemittel oder Wärmeübertrager zu bestimmen. Im Anschluss überprüft es die Simulationsergebnisse an einem Versuchsaufbau aus Elektrolyseur und Wärmepumpe und verfeinert den Betrieb. Ziel ist es, die Ergebnisse auf eine Demonstrationsanlage im 100-MW-Bereich zu übertragen. Zusätzlich entwickelt das Projekt auch Konzepte, um das andere Nebenprodukt der Elektrolyse, den Sauerstoff, am Standort der Versuchsanlage sowie an einem geeigneten Linde Demonstrationsstandort zu nutzen.

Konsortialpartner im Projekt IntegrH2ate sind die Linde GmbH mit ihrem Standort Dresden und das Fraunhofer IEG mit seinem Standort Zittau. Das Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) fördert das Projekt. Projektlaufzeit ist Januar 2022 bis September 2025.