Wie ein umweltfreundliches Gas die Energieversorgung von morgen sicherstellen kann

Seit Kriegsbeginn in der Ukraine rücken Alternativen zur bisherigen Energieversorgung stärker als zuvor in den Fokus der politischen und öffentlichen Debatte. Wie wird das Land unabhängig von Gas- und Öllieferungen anderer Staaten, ohne die Energieversorgung von Industrie und Privathaushalten zu gefährden? Als Energielieferant der Zukunft gilt u.a. grüner Wasserstoff. Er dient nicht nur als Energieträger für die Grundstoffindustrie, chemische Industrie, Raffinerien, Stahlherstellung und als saisonaler Speicher, sondern kann auch als Methanersatz dem Erdgasnetz beigemischt werden. Bei anderen Anwendungen ist das Rennen Elektrifizierung vs. Wasserstoff noch nicht entschieden. Aus diesem Grund untersucht die Hochschule Bremerhaven, welche Möglichkeiten sich noch in der Wasserstofftechnologie verbergen. Hierzu wird mit Projektpartnern das Projekt „Wasserstoff-grünes Gas für Bremerhaven“ durchgeführt. Die Hochschule Bremerhaven und das Bremerhavener Technologietransferzentrum (TTZ) entwickeln unter der Gesamtleitung von Prof. Dr.-Ing. Carsten Fichter gemeinsam vier Anwendungsbereiche für verschiedene Wirtschaftssektoren. Neben den drei Anwendungsbereichen Herstellung von E-Fuels, der Bau eines Wasserstoffbackofens, Wasserstoff in der Mobilität und Logistik, welche im TTZ untersucht werden, ist der vierte Anwendungsbereich, Wasserstoff Microgrid, direkt an der Hochschule installiert.

Was Microgrids für abgegrenzte Gebiete leisten können

Die Funktionsweise eines Microgrids
Quelle: David Salomon Stephan

Projektleiter der Teilstudie an der Hochschule ist Prof. Dr.-Ing. Uwe Werner. Dort erforscht ein Team aus Wissenschaftler:innen das Potenzial von Wasserstoff-Microgrids. Doch was ist ein Microgrid? „Man muss sich das vorstellen, als wäre man tatsächlich auf einer Insel, auf der es ein eigenständiges elektrisches Energienetz gibt. Auf der einen Seite haben wir den Stromerzeuger, zum Beispiel Windenergie- und Photovoltaikanlagen sowie verschiedene Energiespeicher. Auf der anderen Seite sind die Verbraucher, also zum Beispiel die privaten Haushalte oder Unternehmen“, erklärt Prof. Fichter. Für windschwache und sonnenarme Stunden könne die benötigte Energiemenge aus gespeichertem grünem Wasserstoff bereitgestellt werden. Dafür werde ein Teil der elektrischen Energie der Windenergie- und Photovoltaikanlage durch Elektrolyse in grünen Wasserstoff umgewandelt, in Gasflaschen gespeichert und bei Bedarf durch eine Brennstoffzelle wieder in elektrische Energie umgewandelt. „Wir hoffen, dass in Zukunft kleinere Arealnetze, beispielsweise küstennahe Schiffe oder Baustellen, aber auch große wie das Bremerhavener Gewerbegebiet Lune Delta, CO2 neutral mit Energie versorgt werden können“, sagt Prof. Werner. Durch den Einsatz von Wasserstoff als Speichermedium sei es außerdem möglich, autarke Inselsysteme saisonal und tageszeitunabhängig mit Energie zu versorgen. Dies wäre ein wichtiger Schritt für die Energiewende und zur Einsparung von Emissionen.

Ein Container als Testlabor

Der Container vor Haus C ist ein Microgrid im Kleinformat.
Quelle: David Salomon Stephan

Um ein Inselnetz in Modellgröße abbilden zu können, wurde ein Container vor Haus C der Hochschule Bremerhaven aufgestellt und durch die Projektmitarbeiter David Salomon Stephan und Andrej Albrecht als Wasserstoff-Microgrid-Testlabor eingerichtet. Dabei wurden zahlreiche Komponenten, von der Brennstoffzelle bis hin zu Steckern und Anschlussklemmen, verbaut und der Container an vorhandene erneuerbare Energiequellen angeschlossen. Die Energie stammt von Photovoltaik- und Windenergieanlagen auf dem Dach des Gebäudes C der Hochschule. Die Forschenden untersuchen u.a. die Speicherdichte, Sicherheit, Lebensdauer, Benutzerfreundlichkeit, Wartungsfreiheit, Energieautarkie sowie den CO2 Footprint und den Ressourcenbedarf der Komponenten. Dabei soll auch der Unterschied zwischen Brennstoffzellen und der Nutzung von einfachen Batteriespeichern untersucht werden. Die Ergebnisse sollen in einen Handlungsleitfaden für Unternehmen einfließen.

Wichtiger Meilenstein des Projekts bereits erreicht

Prof. Dr.-Ing. Uwe Werner und David Salomon Stephan (v.l.) haben die technischen Voraussetzungen geschaffen, um grünen Wasserstoff zu produzieren.
Quelle: Kai Martin Ulrich

Einen wichtigen Meilenstein hat das Teilprojekt an der Hochschule im Dezember 2021 erreicht: Im Microgrid-Container wird seitdem grüner Wasserstoff produziert. „Wir haben es geschafft, in einem 20 Fuß-Container nicht nur die Erzeugung des Wasserstoffes durch einen Elektrolyseur abzubilden, sondern auch die Rückverstromung durch die Brennstoffzelle zu etablieren.“, so Prof. Werner. Durch die Speicherung der elektrischen Energie in Form von  grünen Wasserstoff schaffe man nun einen weiteren, CO2 armen Energiespeicher, die die schwankende Energieeinspeisung von Windenergie- und Photovoltaikanlagen puffere und somit eine wetterunabhängige Stromversorgung gewährleiste. Damit arbeitet der Container als Microgrid in Modellgröße. Er soll Ergebnisse dazu liefern, ob kleinräumige elektrische Energienetze zur Energieversorgung in regional abgegrenzten Gebieten, beispielsweise in Häusern, Industrie und Gewerbe, einen wichtigen Beitrag leisten können.

Nächster Schritt: ein klimaneutrales Gewerbegebiet

Die Erkenntnisse fließen direkt in ein neues Projekt ein, das durch die BIS Wirtschaftsförderung finanziert wird: „Intelligente Wasserwirtschaft und zukunftsfähige Speichertechnologien für das grüne Gewerbegebiet/Quartier LUNE DELTA“, kurz IWAS. Das Gewerbegebiet „Lune Delta“ liegt am Stadtrand der Seestadt und soll zukünftig autark und ausschließlich mit erneuerbarer Energie versorgt werden. Basis soll dabei ein Netz von etwa zehn Microgrid-Versorgungszellen sein. Da aktuell noch nicht bekannt ist, welche Firmen sich ansiedeln werden, berücksichtigen Projektleiter Prof. Dr.-Ing. Uwe Werner und David Salomon Stephan, wissenschaftlicher Mitarbeiter im Projekt, bei ihren Überlegungen verschiedene Arten von Verbrauchern. Auch die Microgrid-Versorgungseinheiten selbst sind modular aufgebaut und lassen sich an veränderte Strombedarfe oder andere Standorte anpassen.

Zusätzlich wollen die Forschenden eine Microgrid-Speicherlösung für ein Schöpfwerk aus der Entwässerungskette des LUNE DELTAS entwerfen. Dabei fließen die Ergebnisse der Durchführbarkeitsstudie „Demand Side Management Sielentwässerung“ (DSMS) in die Überlegungen ein. Hier wurde auf Grundlage meteorologischer und Geodaten eine verbrauchsoptimierte Entwässerungslogik der Firma EnergieSynergie entwickelt. Dabei wird das Wasser in Sielen als Speicher genutzt.

„Die Pumpen der Schöpfwerke laufen momentan ungesteuert, z.B. in den Mittagszeiten wenn viel Strom von den Endverbraucher:innen benötigt wird. Optimal wäre es also, wenn Wasser außerhalb dieser Zeiten dann abgepumpt wird, wenn auch Sonnen- oder Windenergie verfügbar sind“, so Prof. Werner. Das Wasserstoffspeichersystem des Lune Delta wird somit um eine Wasserspeichersystem erweitert.

Wie grünes Gas nach Bremerhaven kommt

„Die norddeutschen Bundesländer wollen den Ausbau der Wasserstoffwirtschaft vorantreiben. Darauf haben sie sich mit der Norddeutschen Wasserstoffstrategie verständigt“, sagt Prof. Fichter, welcher an dem Thema Wasserstoff-Hubs bei der Norddeutschen Wasserstoffstrategie mitarbeitet. Gerade Regionen, die stark auf Energiegewinnung aus Windenergie setzen, erfüllen die Voraussetzungen für die Erzeugung von grünem Wasserstoff. Auch Seehäfen sind durch den Export von Wasserstofftechnologien und Bauteilen für die Erzeugungsanlagen sowie den Import und die Verteilung von Wasserstoff in diesem Zusammenhang besonders wichtig. In Bremerhaven haben sich die Hochschule Bremerhaven, das Technologietransferzentrum (ttz) Bremerhaven und das Fraunhofer IWES zusammengeschlossen, um mit gemeinsamen Forschungsaktivitäten den Grundstein für die Wasserstoffwirtschaft in der Seestadt zu legen.

Sich selbst ein Bild machen bei den Wasserstofftagen Nord-West

Wer gern mehr über die Wasserstoffwirtschaft in Bremerhaven erfahren möchte, ist herzlich zu den Wasserstofftagen Nordwest eingeladen. Von Freitag, den 24. Juni 2022, bis Sonntag, den 3. Juli 2022, lautet das Motto an zahlreichen Einrichtungen: „Wasserstoff erleben“. Die Hochschule Bremerhaven öffnet ihre Türen für die interessierte Öffentlichkeit. Vorträge, offene Vorlesungen, Laborbesichtigungen und eine informative Posterausstellung erwarten die Teilnehmenden. Die Wasserstofftage Nordwest sind ein Partnerevent der Wasserstofftage Süd und werden koordiniert durch die Metropolregion Nordwest und die Metropolregion Hamburg.

Förderhinweise

Das Projekt „Wasserstoff – grünes Gas für Bremerhaven“ wird vom Land Bremen sowie aus Mitteln des Europäischen Fonds für regionale Entwicklung (EFRE) gefördert.