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Anwendungsbereiche

Energy & Synfuels

Power-to-X beschreibt grundsätzlich die Speicherung von Strom in Zeiten eines Überangebotes. Die Speicherung kann nach Energieformen aufgeteilt werden, sodass sich Möglichkeiten zur Umwandlung von Elektrizität in Wärme (Power-to-Heat), in Gas (Power-to-Gas) oder in eine Flüssigkeit (Power-to-Liquid) ergeben. Meist werden hierbei die letztgenannten Möglichkeiten der Speicherung genutzt, da die erreichbaren Energiedichten in der Speicherung von Wärme deutlich geringer sind und eine Rückumwandlung bei gespeicherter Wärme technisch aufwändig und meist ineffizient ist. 

Der mittlerweile bekannteste Anwendungsfall im Bereich Power-to-X ist wohl die Umwandlung erneuerbarer, elektrischer Energie in grünen Wasserstoff. Insbesondere wenn überschüssige, erneuerbare Energie genutzt wird, um daraus Wasserstoff herzustellen, ist dieser emissionsfrei und zu geringen Kosten erzeugbar.

In Deutschland werden Windräder regelmäßig abgeschaltet bzw. abgebremst, weil die Stromerzeugung für den jeweils aktuellen Verbrauch deutlich zu hoch ist. Diese nicht genutzte Energie eignet sich hervorragend, um daraus Wasserstoff zu erzeugen, der später genutzt oder in seltenen Fällen wieder in elektrische Energie rückgewandelt werden kann. Auch das Auslaufen der Einspeisevergütungen von Windrädern oder Solarparks ist ein aktuell viel diskutiertes Thema. Hier kann es sich ebenfalls lohnen, die Energie zu nutzen, um daraus Wasserstoff zu erzeugen und damit höhere Erlöse zu erzielen als mit der direkten Einspeisung von nicht geförderter, elektrischer Energie.

Wasserstoff wird aber nicht zwingend an dem Ort benötigt, wo er produziert wird. Darüber hinaus müssen bei integrierten Systemen mit gleichzeitiger Produktion und Abnahme von Wasserstoff die Mengen von Herstellung und Verbrauch aufeinander abgestimmt und teilweise mit aktuell noch relativ teuren Speicherbehältern zwischengepuffert werden. Da aber aktuell noch kein Wasserstoff-Rohrleitungsnetz existiert, wird der Wasserstoff über sog. „Virtual Pipelines“ vom Ort der Entstehung zum Ort des Verbrauchs transportiert. Hierbei kommt das Trailer Filling, also das Befüllen von LKW-Trailern mit Wasserstoff, der dann an den gewünschten Ort der Verwendung transportieren kann, zum Einsatz.

Die Fülldrücke variieren recht stark und liegen aber meist im Bereich von 200 bar bis 700 bar. Durch das breite Verdichterportfolio der NEUMAN & ESSER GROUP, mit Kolbenkompressoren, Membrankompressoren (MKZ) und hydraulisch angetriebenen Kolbenkompressoren (TKH), kann für jeden Anwendungsfall die jeweils effizientesten und günstigsten Lösungen identifiziert werden. Hiermit ist es mittlerweile möglich, bis zu 1,5 Tonnen Wasserstoff mit einem LKW zu transportieren. Im Gegensatz zum Transport von flüssigem Wasserstoff steht dieser bei Umgebungstemperatur unter Druck und muss so nicht abgedampft werden (sog. Boil Off). Somit lässt sich der gasförmig gespeicherte Wasserstoff im Trailer auch über lange Strecken ohne Verluste transportieren.

Parallel werden aktuell in verschiedenen Ansätzen Konzepte zum Transport von Wasserstoff über Pipelines entwickelt. Hierbei wird oft das Ziel verfolgt, ein möglichst kostengünstiges, europaweites Wasserstoffnetz aufzubauen – analog zum existierenden Fernleitungsgasnetz für Erdgas. Neueste Studien zeigen, dass es hierfür sogar möglich ist, die bestehenden Erdgasnetze mit nur minimalen Anpassungen, u.a. an den Dichtungen und den Verdichtern, zu nutzen. Die Dichtungen müssen hierbei in der Lage sein, die Diffusion von Wasserstoff in ihr Material zu verhindern. Die Kompressoren sollten in großen Teilen ausgetauscht werden: In den Gasnetzen werden in der Regel Turboverdichter eingesetzt, die sich aber für die Verdichtung von Wasserstoff aufgrund des geringen Molekülgewichtes von Wasserstoff nicht eignen. Hierbei ist es aus Effizienzgründen sinnvoll, zukünftig auf Kolbenverdichter umzustellen – NEUMAN & ESSER GROUP führt in diesem Kontext bereits Gespräche mit vielen Gasnetzbetreibern.

Da insbesondere in Deutschland noch freie Gasleitungen zur Verfügung stehen, ließe sich somit mit relativ geringem Aufwand ein reines Wasserstoffnetz oder ein Netz mit einer Erdgas-Wasserstoff-Mischung aufbauen. Die Drücke zum Transport in den Gasnetzen liegen bei ca. 80 bar bis 100 bar – dieser Druckbereich wird sich vermutlich auch beim Transport von Wasserstoff etablieren. Hier können insbesondere die Kolbenverdichter der NEUMAN & ESSER GROUP eingesetzt werden. Darüber hinaus können bei der Nutzung der Gasnetze die bestehenden Speichermöglichkeiten für Erdgas, insbesondere Salzkavernen, das sogenannte Cavern Storage, genutzt werden, um Wasserstoff langfristig zu speichern. Erste Modellversuche für die Speicherung von Wasserstoff in Salzkavernen bei ca. 200 bar laufen bereits. Damit wäre insbesondere die größte Herausforderung der Energiewende gelöst: Die Speicherung grüner Energie. Während die Speicherung in Batterien in großem Maße zu wenig nachhaltig und eigentlich nicht bezahlbar ist, sind die möglichen Standorte für Pumpspeicherkraftwerke in Deutschlang und Europa mittlerweile nahezu alle erschlossen. Weitere Speichermöglichkeiten elektrischer Energie befinden sich noch in Versuchsstadien, bzw. haben es nie über dieses Stadium hinausgeschafft. Durch die Speicherung von Wasserstoff in Salzkavernen kann aber nun der Energiebedarf eines längeren Zeitraums gespeichert und im Falle einer längeren Dunkelflaute abgerufen werden.

Um die Energie aus dem Wasserstoff zurückzugewinnen, existieren mehrere Möglichkeiten. Der wohl bekannteste Ansatz ist die Stromerzeugung aus Wasserstoff mittels Elektrolyse. Hierbei werden ca. 60% der im Wasserstoff gespeicherten Energie in Strom umgewandelt, die restlichen 40% stehen als Abwärme zur Verfügung. Darüber hinaus kann der Wasserstoff aber auch verbrannt werden, zum Beispiel als Beimischung im Erdgasnetz in „klassischen“ Gasheizungen. Die meisten Hersteller geben mittlerweile an, dass sie in der Lage sind, mit ihren Standardprodukten eine bis zu 20%-ige Wasserstoff-Beimischung verarbeiten zu können. Weiterhin kann der Wasserstoff aber auch direkt in einem Ottomotor verbrannt und grundsätzlich wie Benzin genutzt werden – auch wenn diese Anwendung mittlerweile eher eine Nische darstellt.

Zudem ist Wasserstoff aber auch ein Ausgangsstoff für die Erzeugung von Synthetischen Kraftstoffen (Synfuels). Hierbei wird neben dem Wasserstoff eine Kohlenstoffquelle benötigt. Diese ergibt sich z.B., indem CO2 aus Verbrennungs- oder Gärprozessen abgeschieden wird, der Prozess des Carbon Capture and Storage, und z.B. durch Methanisierung mit dem Wasserstoff zusammengeführt wird. Hierbei lässt sich unter Energieeinsatz Methan (CH4) erzeugen, das analog zum Erdgas genutzt werden kann (durch Einspeisung ins Erdgasnetz, als CNG oder als LNG). Wird eine „grüne“ CO2-Quelle, z.B. aus Biogasanlagen, genutzt - so lässt sich über diesen Weg klimaneutrales Erdgas erzeugen. Diese fortschrittlichen Kraftstoffe emittieren bei ihrer Verbrennung zwar CO2, aber nur so viel wie auch vorher in ihnen gebunden wurde. Damit lassen sich über diesen Pfad Bereiche dekarbonisieren, bei denen eine direkt elektrische Anwendung oder die Anwendung von Wasserstoff wirtschaftlich nicht in Frage kommt – hierzu zählen unter anderem die Luftfahrt oder der Schiffsverkehr. 

Offgas-Desulphurization

Bei der Förderung von Erdöl oder Erdgas sowie der anschließenden Behandlung des geförderten Mediums, dem Gas Treatment, werden unterschiedliche Gase abgeschieden. Diese sogenannten Offgase werden für das spätere Produkt nicht benötigt und müssen daher aus dem geförderten Erdöl oder Erdgas entnommen werden. Diese Abfallprodukte können jedoch durch Entschwefelungsprozesse, desulphurization, nutzbar gemacht werden. So werden NEUMAN & ESSER Kompressoren z.B. auf Offshore Plattformen dazu eingesetzt, um Offgase zu verdichten und als entschwefeltes Gase nutzbar zu machen.

Batterien und Brennstoffzellen

Für den Einsatz in Batterien und Brennstoffzellen müssen die Rohmaterialien Grün-Koks, synthetisches oder natürliches Grafit und Silizium besondere Eigenschaften vorweisen. Entscheidende Faktoren bei der Zerkleinerung und Verrundung sind feine aber steile Partikelgrößenverteilungen, eine möglichst hohe Stampf- oder Klopfdichte, hohe spezifische BET-Oberflächen sowie eine möglichst runde Partikelform. Um Verluste des Rohmaterials zu vermeiden, trennt NEUMAN & ESSER Process Technology den Zerkleinerungs- vom Verrundungsprozess. Dabei werden die eigens entwickelten NEA|Sphere Vermahlungs- und Verrundungseinheiten eingesetzt. 

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