Wasserstoff speichern mit LOHC

Ein junges Erlanger Unternehmen hat eine praxistaugliche Technologie zum Speichern von Wasserstoff entwickelt: LOHC, das steht für Liquid Organic Hydrogen Carrier. Die Hauptrolle spielt dabei eine ölige Flüssigkeit.

 

Mitarbeiterin_vor_BP-Raffinerie_Neuausrichtung_mineralölunternehmen

Foto: Hydrogenious LOHC Technologies

Die Wasserstoffstrategien von EU und Bund rücken auch ein altes Problem des leichtesten aller Elemente in den Vordergrund: Wasserstoff in Reinform ist hochentzündlich und kann nur mit größerem Aufwand gespeichert und transportiert werden. Flüssige organische Trägermaterialien, Liquid Organic Hydrogen Carrier oder kurz LOHC genannt, könnten Abhilfe schaffen.

Denn neben der Erzeugung sind Speicherung und Transport von großen Mengen Wasserstoff eine der Herausforderungen der Energiewende. Produziert wird Wasserstoff in seiner grünen Variante idealerweise dort, wo reichlich günstiger Ökostrom aus Wind und Sonne anfällt. Nach der Wasserstoffstrategie der Bundesregierung könnte das unter anderem in großen Teilen Nordafrikas erfolgen. Gebraucht wird er jedoch in den industriellen Zentren Europas.

Reinen Wasserstoff über diese großen Distanzen durch Leitungen zu pumpen, ist technisch und wirtschaftlich sehr aufwendig. Das bestehende Gasnetz ist dafür noch nicht ausgelegt und müsste zunächst technisch angepasst werden. Denn nicht in jeder Gasleitung kann einfach Wasserstoff anstelle von Erdgas oder Biomethan transportiert werden.

In Deutschland sind maximal 10 Prozent Wasserstoffbeimischung ins Erdgasnetz erlaubt. Auch ist Wasserstoff nicht so einfach zu verdichten wie Methan. Derzeit wird Wasserstoff üblicherweise gasförmig bei 200 bis 700 bar in Druckbehältern oder in flüssiger Form bei minus 253 Grad Celsius in Spezialtanks (Kryotanks) gespeichert und transportiert.

„Regenerativ hergestellter Wasserstoff ist das Erdöl der Zukunft. Die Wasserstoffstrategie gibt die richtige Richtung vor. Nun müssen die Vorhaben in Gesetze und Regularien gegossen werden. Da kommt noch viel Arbeit auf die Politik und die Wasserstoffgemeinschaft zu.“

Dr. Daniel Teichmann

Gründer und Geschäftsführer, Hydrogenious LOHC Technologies

LOHC ist Trägeröl mit hohem Speichervermögen für Wasserstoff

Es bedarf also eines Materials, das große Mengen Wasserstoff sicher und energetisch wenig aufwendig aufnehmen und wieder abgeben kann. Dieses darf sowohl im wasserstoffreichen als auch im wasserstoffarmen Zustand nicht brennbar sein, muss sich verlustfrei für längere Zeit speichern lassen und einfach zu transportieren sein – also eben alles das können, was reiner Wasserstoff nicht kann.

LOHC sind eine Gruppe solcher Trägermittel. Es handelt sich um ungesättigte, meist aromatische Kohlenwasserstoffverbindungen, die im gesamten Temperaturbereich flüssig und schwer entzündbar sind. Vor allem aber lässt sich die Wasserstoffaufnahme mittels dieser leicht zähflüssigen und öligen Substanzen auch wieder umkehren. Das Speichervermögen ist dabei beträchtlich. Ein Kubikmeter LOHC kann 57 Kilogramm Wasserstoff speichern. Und dieser kann dann eben bei Umgebungsdruck und Umgebungstemperatur vor Ort gelagert und bei Bedarf abtransportiert werden.

Wie funktioniert das Speichern von Wasserstoff mit dem LOHC-Prinzip?

Die Trägerflüssigkeiten gehen mit Wasserstoff eine katalytische Reaktion hin zur Sättigung ein, sie nehmen diesen also auf (Hydrierung). Diese Reaktion erfolgt bei Drücken zwischen 30 und 50 bar und erzeugt Temperaturen von 150 bis 250 Grad Celsius. Im Gegenzug wird der Wasserstoff bei Temperaturzufuhr von 250 bis 320 Grad Celsius und wieder mittels eines Katalysators freigegeben (Dehydrierung). Die Trägerflüssigkeit kann erneut verwendet werden. Durch Nutzung von Abwärme wird die Effizienz des Verfahrens erhöht.

Ein Vorteil des Verfahrens: Es ermöglicht, den Wasserstoff in flüssiger Form zu transportieren, ohne ihn unter großem Energieaufwand abkühlen zu müssen. So kann er etwa in Tankwagen oder durch Leitungen zum Verbrauchsort befördert und in den jeweiligen Anwendungstechnologien relativ problemlos gehändelt werden. Gleichzeitig erlaubt das LOHC einen nahezu unbegrenzten und verlustfreien Wechsel zwischen wasserstoffreichem und wasserstoffarmem Zustand.

Damit kann die vorhandene Logistik etwa der Mineralölwirtschaft, also Tankwagen, Tankschiffe, Tanklager und Tankstellen, genutzt werden – und das bei niedrigeren Gefahrenklassenstandards. Gerade die Tankstellen wären hierbei von Bedeutung, als Wasserstoffstationen für Brennstoffzellenfahrzeuge.

Speicherung und Transport von Wasserstoff mit LOHC

Liquid Organic Hydrogen Carrier, LOHC, sind flüssige Trägermedien zur Speicherung und zum Transport von Wasserstoff.
An Standorten mit vielerneuerbarer Energie wird der LOHC in einer chemischen Reaktion mit energiereichem
Elektrolyse-Wasserstoff beladen (Hydrierung). Das mit Wasserstoff angereicherte Material kann verlustfrei
mit hoher Energiedichtetransportiert und gelagert werden. Am Zielort wird der Wasserstoff
wiederum chemisch von dem Trägermedium getrennt (Dehydrierung); der
LOHC wird entladen, der Wasserstoff freigesetzt. Der LOHC kann zur
erneuten Wasserstoffaufnahme wiederverwendet werden.
Bild: Hydrogenious LOHC Technologies

LOHC als Speicherreserve

Insbesondere Raffinerien wären aufgrund ihres hohen Wasserstoffbedarfs für die Produktion oder als künftige Standorte für Elektrolyseprozesse ideale Abnehmer für das Produkt. Prof. Dr. Peter Wasserscheid, der die LOHC-Technologie an der Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg maßgeblich mitentwickelte, sieht zudem noch eine weitere Option: die Speicherung von Energie in großen Mengen für Phasen der Dunkelflaute. In einer Raffinerie wie in Ingolstadt könnten in Zukunft statt 50.000 Kubikmeter Diesel 50.000 Kubikmeter LOHC lagern und als grüne Reserve dienen, falls die produzierte Menge an elektrischer Energie aus Wind und Sonne nicht ausreicht. Dann könnte der darin enthaltene Wasserstoff via Brennstoffzellen verstromt und ins Netz eingespeist werden. So kann LOHC theoretisch auch zur Sektorkopplung beitragen.

Hydrogenious Technologies baute erste kommerzielle LOHC-Anlage

Einer der Pioniere in der Entwicklung und Anwendung dieser Technologie ist die Hydrogenious LOHC Technologies GmbH. Das Erlanger Unternehmen startete 2013 als Ausgründung der Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg. Marktanalysten stufen Hydrogenious inzwischen als führende Kraft im Bereich Wasserstofftransport ein. Ihre Lösung biete eine sicherere Speicherung, was die hohen Kosten dieses Prozesses senke, so die Analysten der Cleantech Group.

Ende 2017 konnte der Mittelständler die weltweit ersten kommerziellen LOHC-Anlagen zur Speicherung und Freisetzung von Wasserstoff an einen Kunden in die USA ausliefern. Weitere Projekte folgten oder sind in Planung. Eine kleinere Anlage zur Hydrierung betreibt das Unternehmen am Erlanger Standort. Die benötigte Energie für die Wasserstoffherstellung mittels PEM-Elektrolyse (PEM: Proton Exchange Membrane) liefert eine 98-kWp-Photovoltaikanlage. Der Elektrolyseur kann pro Tag über 70 Kilogramm Wasserstoff erzeugen. Die hauseigene Speicheranlage kann bis zu 40 Kilogramm Wasserstoff pro Tag in LOHC einbinden. Aktuell geplante hochskalierte Anlagen können bis zu 12 Tonnen pro Tag bewerkstelligen.

Günstig und sicher: das Trägergeröl Dibenzyltoluol

Das Hydrogenious-Wasserstoffspeicherverfahren ist ein chemischer, wärmefreisetzender (exothermischer) Prozess mit dem Trägeröl Dibenzyltoluol. Dabei handelt es sich um eine dieselähnliche Flüssigkeit, die seit langem in der Industrie als Wärmeträger genutzt wird, um Maschinen zu kühlen. Das vergleichsweise günstige Dibenzyltoluol ist wie Heizöl in der Wassergefährdungsklasse 2 (WGK 2) eingestuft und schwer entflammbar, was die sichere Verwendung erleichtert. Der Hydrierungsprozess läuft bei 25 bis 50 bar ab und setzt Wärmeenergie von 9 kWh pro Kilogramm Wasserstoff bei 250 Grad Celsius frei.

Die Technik besteht aus zwei grundlegenden Komponenten. Je nach Anwendungsfall übernehmen unterschiedlich große Anlagen am Ort der Strom- und Wasserstofferzeugung die Einspeicherung von Wasserstoff in LOHC. Am Verbrauchsort übernehmen dann spezielle Anlagen die Ausspeicherung des gebundenen Wasserstoffs. Hydrogenious LOHC Technologies bietet dazu verschiedene Anlagengrößen, containerbasierte Systeme für mittelgroße Projekte und Pilotanwendungen (Wasserstoffaufnahme ab 0,9 kg H2/h) sowie freistehende Systeme für die großvolumige Wasserstoffspeicherung bis 500 kg H2/h.

Abwärmenutzung beim Ein- und Ausspeichern optimal

Für die Ausspeicherung werden 12 kWh thermische Energie pro Kilogramm Wasserstoff benötigt. Wird die Abwärme des Hydrierungsprozesses genutzt, werden im gesamten LOHC-System 3 kWh thermische und 1 kWh elektrische Energie pro Kilogramm Wasserstoff benötigt. Zum Vergleich: Bei Druckwasserstoff wären 6 kWh nötig, bei Flüssigwasserstoff 10 kWh.

Da die Standorte der Wasserstoffelektrolyse und Wasserstoffnutzung in der Praxis mitunter mehrere Hundert Kilometer voneinander entfernt sind, wird man die thermische Energie, die beim Einspeichern als Abwärme anfällt, nicht beim Ausspeichern nutzen können. Daher bedarf es vor Ort einer Wärmequelle, idealerweise Abwärme aus einem Industrieprozess, beispielsweise eines Chemie-, Zement- oder Stahlwerks.

Storage-Box zur Speicherung von Wasserstoff

LOHC-Wasserstoffspeicheranlage für das Projekt HySTOC in Finnland.
Bild: Hydrogenious LOHC Technologies

Globaler Wasserstoffbedarf pusht Speicher- und Transportlösungen

In dem von der EU geförderten Projekt HySTOC wird die LOHC-Technologie erstmalig für eine Tankstelle im finnischen Voikoski angewendet. Mitte 2021 wird eine Tankstelle mit Freisetzungsanlage in Erlangen in Betrieb gehen, die von herkömmlichen Tankwagen mit LOHC beliefert werden soll. Der LOHC wird vor Ort bei Umgebungstemperatur und -druck in unterirdischen Tanks platzsparend gespeichert.

Da die Wasserstoffstrategie global ausgerichtet ist, wird es auch einen steigenden Bedarf an günstigem Transport von Wasserstoff geben, eben per Tankwagen und Tankschiff. Gerade bei Schiffen ist man schon relativ weit. Etwa im Projekt Blue Danube: In Rumänien erzeugter grüner Wasserstoff soll mithilfe der LOHC- Technologie in Tankschiffen über die Donau bis zu den Abnehmern nach Deutschland und Österreich transportiert werden.

Die Hydrogenious-Technologie hat das Interesse bei großen Industriepartnern geweckt. Eingestiegen sind bisher der Autobauer Hyundai und die Mitsubishi Corporation sowie die niederländische Vopak, die sich der Lagerung und Distribution von Mineralöl, Gas und Chemieprodukten widmet. Partner im Anlagenbau ist unter anderem MAN Energy Solutions. Der Schweizer Spezialchemie-Konzern Clariant unterstützt bei der Erforschung und dem Einsatz der benötigten Katalysatoren. Daneben bestehen Forschungskooperationen mit Helmholtz-Instituten und dem Forschungszentrum Jülich.

Quelle: raffiniert 4/2020

1 Kommentar

  1. Günther Pecher

    Als überzeugter Befürworter der Wasserstoff Technologie verfolge ich aufmerksam die Entwicklung bei uns in Deutschland; denn bei Konzepten der Elektromobilität mittels H2 und Brennstoffzelle scheint mir, wir stehen hintan! Da ich mich als Ingenieur aus der Autobranche gut in die Problematik hineindenken kann, bin ich nicht ohne Mitgefühl für diese. Da ist ein Henne/Ei Problem! Jedoch, wir wollen und müssen klimaneutral werden. Einen wesentlichen Beitrag dazu leistet LOHC, dessen Entwicklung ich seit seiner Nominierung zum Deutschen Zukunft-Forschungspreis verfolge. LOHC war für mich der Gewinner!!

    Zur Zeit wird in Erlangen eine H2-Tankstelle gebaut und mit LOHC gekoppelt. Das ist gut so! Jedoch wünschte ich mir mehr als nur eine Demo-Anlage, sondern eine real nutzbare Gesamtanlage mit Initialzündung für H2-Tec. Und da gäbe es jetzt eine Möglichkeit in Norddeutschland. Allerdings muss zunächst einmal der Treppenwitz von der Energie Ergänzungsabgabe für Grünen Strom zur Erzeugung von grünem Wasserstoff abgeschafft werden!

    Die EWE erzeugen mittels Windstrom und Elektrolyse aus Wasser grünen Wasserstoff und hydrieren LOHC.
    H2 – verpackt – und per Tank LKW transportiert zu einem größeren Fuhrpark mit den H2 und Brennstoff- Zellen Müll Fahrzeugen einer fortschrittlichen und umweltbewussten Kommune – gelangt zum Ort der früher mal Tankstelle hieß. Da steht das Freisetzungs- bzw Dehydrieraggregat. Selbstverständlich muss der nun wieder zu Gas gewordene Wasserstoff verdichtet werden; H2 für mobile Zwecke ….Drucktank! Die Energiestation auf der Mülldeponie ist nun nicht nur für Müllfahrzeuge, sondern auch für private PKW und Firmen LKW da. Es ist genug Platz vorhanden, es bietet es sich an, auch noch den in Übergangszeiten unvermeidbaren Diesel- und Ottokraftstoff zu verkaufen. Da nun zum Dehydrieren Energie hinzugegeben werden muss, bietet es sich an, eine stationäre Festoxyd Brennstoffzelle mit dem angelieferten Wasserstoff zu betreiben. Die liefert Strom für das Servicegebäude, für die Ladesäulen der Batterie- elektrischen Fahrzeuge und Wärmeenergie zur Dehydrierung. 2 große Tanks für LOHC sind nötig. Der eine wird mit hydriertem LOHC gefüllt; danach saugt der Tank LKW den Inhalt des zweiten Tanks mit dem dehydrierten LOHC ein und fährt zum EWE-Hydrier-Aggregat zurück. Das kann mit derselben Trägerflüssigkeit angeblich 1000mal geschehen.

    Das klingt aufwendig und teuer! Ist es ! Wir müssen es aber tun! Die Firma FAUN baut Mülltransporter für Kommunen mit dem Wasserstoff Brennstoffzellen Antrieb . Eines davon erledigt seine Dienste bei der Müllabfuhr in Bremen. Ab 2030 werden bei FAUN nur noch solche gebaut! Die EWE sucht einen Attraktor, um größere Elektrolyse Apparate zu betreiben; es muss sich irgendwie rechnen! Das wird es auch!

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