Elektrolyseur und Wärmepumpe Elektrolyse-Abwärme für das Fernwärmenetz

Wasserstoff wirtschaftlicher herstellen und nebenbei Wohnungen heizen: Das Fraunhofer IEG erprobt in Zittau die Wärmeauskopplung aus der PEM-Elektrolyse in Verbindung mit einer Wärmepumpe.

Das Fraunhofer IEG hat in Zittau eine Versuchsanlage installiert, die die Abwärme eines Wasserstoff-Elektrolyseurs mittels Wärmepumpe aufwertet – so dass sie ins Fernwärmenetz der Stadt eingespeist werden kann. Das Ziel: eine bessere Wirtschaftlichkeit der Wasserstoffproduktion mittels PEM-Elektrolyseuren. 

Der Elektrolyseur steht in einem rund zwölf mal 2,5 Meter großen Container. Strom liefert eine Trafostation. Die Wärmepumpe leistet maximal 105 Kilowatt thermisch. Sie benötigt mit Pufferspeicher, Pumpen und Regelungstechnik 25 Quadratmeter in einer bestehenden Halle und ist per Wasserkreislauf an den Elektrolyseur angebunden. Die Abwärme aus dem Forschungsbetrieb des Elektrolyseurs gelangt durch die Wärmepumpe in das städtische Fernwärmenetz.

Konkret geht es laut Fraunhofer in der Versuchsanlage vorrangig um die Betriebsoptimierung des Anlagenkonzeptes und der effizienten Kopplung von Elektrolyseuren und Wärmepumpen bei strom-, wärme- oder wasserstoffgeführter Betriebsweise. Die Betriebsweise und -parameter ändern sich, je nachdem, worauf der Fokus der Anlage liegt: grünen Überschussstrom nutzen, fossile Energieträger sparen oder Wasserstoff optimal herstellen.

Test-Infrastruktur für industrienahe Prozesse

„Mit unseren Versuchsanlagen schaffen wir eine Test-Infrastruktur, um industrienahe Prozesse zu testen und zu qualifizieren«, beschreibt Projektleiter Clemens Schneider. „Wir erproben im Technikums-Maßstab, wie sich die Nebenprodukte Wärme und Sauerstoff aus der Elektrolyse bei dynamischer Betriebsweise optimal aufbereiten lassen. Zudem stellt die Versuchsanlage eine Plattform dar, um zukünftig industrienahe Prozesse für Hersteller und Betreiber zu testen und zu qualifizieren“, erklärt Schneider.

Dazu zählen die Methanisierung von Kohlendioxid, geschlossene Kohlestoffkreisläufe, Tests von Verdichtern für Sauerstoff und Wasserstoff sowie Wasserstoff-Brenner und weitere Komponenten zur Nutzung der Haupt- und Nebenprodukte aus der PEM-Elektrolyse. PEM-Elektrolyseure besitzen eine gute Teillastfähigkeit und gute Wirkungsgrade. Sie sind unempfindlich gegenüber Lastwechseln und eignen sich besonders für die Produktion von Wasserstoff mit Strom aus volatilen erneuerbaren Quellen. Allerdings wird bei der Wasserstoff-Elektrolyse mittels Protonenaustauschmembran ungefähr ein Drittel der eingesetzten elektrischen Energie in Abwärme umgewandelt.

Daten zur Versuchsanlage

Die „Laboranlage Sektorengekoppelte Verwertung der PEM-Elektrolyseprodukte“, kurz LA-SeVe, steht auf dem Gelände der Stadtwerke Zittau. Rund 2,7 Millionen Euro sind in den Bau geflossen. Das Projekt „IntegrH2ate“ ist Teil des Wasserstoff-Leitprojekts H₂Giga. Im Projekt IntegrH2ate untersuchen die Projektpartner Möglichkeiten, die Nebenprodukte der Wasserstoff-Elektrolyse – Wärme und Sauerstoff – zu verwerten.

Über das Fraunhofer IEG in Zittau

Am Standort Zittau forscht die Fraunhofer-Einrichtung für Energieinfrastrukturen und Geotechnologien IEG anwendungsnah und mit Blick auf die regionale Industrie und kommunale Wärmeversorgung. Im Fokus stehen Technologien zur effizienten Wandlung unterschiedlicher Energieformen, wie Strom und Wärme. Außerdem analysieren die Menschen vor Ort industrielle Prozesse und Umweltwärmequellen – und konzeptionieren Lösungen zum Aufwerten und Einbinden der ungenutzten Wärmepotenziale im Gesamtprozess. Die Innovationen sollen zeigen, welche Rolle regenerative Wärmequellen in zukunftsfesten Wärmenetzen für Haushalte, Gewerbe und Industrie spielen.

Partner im Projekt IntegrH2ate sind Linde und das Fraunhofer IEG mit seinem Standort Zittau. Das Bundesministerium für Forschung, Technologie und Raumfahrt fördert das Projekt mit rund zehn Millionen Euro. Das Fraunhofer IEG erhält circa 4,2 Millionen Euro.