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4 HYDROGEN UmweltJournal /Jänner 2019 H2-Recycling in der Halbleiterindustrie: Nutzung von H2-haltigen Abgasströmen Die centrotherm clean solutions GmbH & Co. KG in Blaubeuren, Deutschland, produziert und wartet Anlagen zur Abgasreinigung im Bereich der Halbleiterund Photovoltaikindustrie. Dabei hat es der deutsche Anlagenbauer mit teilweise hochgiftigen Stoffen in oft sehr kleinen Mengen zu tun, die mittlerweile weltweit abgereinigt werden müssen, bevor die Abgase in die Umwelt entlassen werden dürfen. Sowohl in der Halbleiter- als auch in der Photovoltaikbranche wird H2 als Trägergas verwendet. Es wird nicht verbraucht, ist am Ende des Prozesses aber verunreinigt. Die giftigen Verunreinigungen können häufig ausgewaschen werden, es bleibt dann ein H2-Strom, der mit Inertgasen verdünnt ist. Die Abgasreinigung wird meist als notwendiges Übel gesehen, die keinesfalls den Produktionsprozess stören darf. Daher werden die H2-reichen gereinigten Abgasströme bei allen Kunden ohne jegliche weitere Nutzung abgeblasen. Typischerweise handelt es sich in der Halbleiterindustrie um Gasströme mit circa 300 Kilogramm H2 pro Tag, was bezogen auf den Heizwert von Wasserstoff einer Leistung von über 400 Kilowatt entspricht, die 365 Tage im Jahr rund um die Uhr ungenutzt bleibt. centrotherm clean solutions sieht in diesen H2- haltigen Abgasströmen ein wertvolles Potenzial, das die Kunden ausschöpfen sollten. Die Firma hat innerhalb eines vom Deutschen Bundesministerium für Wirtschaft und Energie BMWi geförderten Projektes (Förderkennzeichen 0324135D) verschiedene Nutzungsmöglichkeiten von H2-Abgasströmen untersucht. Betrachtet und verglichen wurde die Amortisation beziehungsweise die Rentabilität der Systeme im Betrieb: Vier Szenarien: Im ersten Szenario wurde davon ausgegangen, dass der H2-haltige Gasstrom nicht direkt in die Umwelt entlassen werden darf. Als Standardlösung bietet centrotherm clean solutions hier eine Verbrennung mittels Brenner- Wäscher, dem CT-BW, an. Das Abgas wird mittels einer erdgasbefeuerten Stützflamme zu jeder Zeit sicher verbrannt. Es fallen außer den Investkosten die Betriebskosten für Erdgas, Stickstoff, Elektrizität und vor allem Kühlwasser an. Da typischerweise am Produktionsstandort des Halbleiterkunden Wärme im Überfluss vorhanden ist, können keine Ersparnisse im Bereich der Heizung oder Prozesswärme erzielt werden. Dazu kommen Ersatzund Verschleißteile und Personalkosten für die Wartung. Durch Verwendung dieser sicheren Ver- Laboraufbau eines EHC-Systems zum H2-Recycling brennung wird am Produktionsstandort kein Gewinn erzielt. Ein weiteres untersuchtes Szenario war die Verstromung der H2-haltigen Abgase in einem Polymer-Elektrolytmembran-(PEM-) Brennstoffzellen- System. Ein Prototyp wurde am Fraunhofer-Institut für integrierte Systeme und Bauelementetechnologie IISB in Erlangen erfolgreich an einer Epitaxieanlage betrieben. Obwohl die Technologie schon im kommerziellen Stadium ist, werden Brennstoffzellensysteme noch nicht kostengünstig im Massenfertigungsbetrieb hergestellt. Durch die Stromproduktion aus H2 können zwar Einsparungen am Standort erzielt werden, diese wiegen aber die Kosten für Investition und Betrieb des Brennstoffzellensystems nicht auf. Somit ist der Betrieb eines solchen Systems zwar günstiger als der Betrieb eines CT-BW, wird aber erst mit Einführung einer echten Massenproduktion in der Automobilindustrie rentabel, und das nur unter der Annahme, dass diese Brennstoffzellen dann auf dem freien Markt zur Verfügung stehen. Ein weiteres untersuchtes Szenario ist die Verbrennung in einem Gasmotor mit anschließender Stromgeneration. Diese Technologie ist relativ gut ausgereift und von mehreren Firmen erprobt. Die Motoren müssen gegenüber Erdgasbetrieb leicht modifiziert werden. Da die Halbleiterbranche ihre Produktionsanlagen typischerweise in Zyklen von drei Jahren umbaut und modernisiert, werden in der Abgasreinigung für nicht zwingend benötigte Investitionen Amortisationszeiten von einem Jahr angestrebt. Mit dieser Vorgabe kann ein Gasmotor erst ab einem vergleichsweise hohen Strompreis von 0,15 Euro pro Kilowattstunde eingesetzt werden. Das vierte betrachtete Szenario ist die elektrochemische Kompression (EHC). Diese beruht bezüglich der Hardware auf der Technologie einer PEM- Brennstoffzelle. Jedoch wird Strom benutzt, um H2 über die Membran zu transportieren, somit von den Inertgasen zu trennen und gleichzeitig den sauberen H2-Strom zu komprimieren. Bei Einsatz des EHC- Systems können durch das Recycling von H2 die Mengen des neu einzukaufenden H2 um bis zu 90 Prozent reduziert werden. Es gibt bisher weltweit nur sehr wenige Firmen, die an der EHC-Technologie arbeiten. Sie sind auf die H2-Tankstelleninfrastruktur ausgerichtet, bei der Drücke von 700 bar anstrebt werden, wogegen H2 in der Halbleiterindustrie bei circa zehn bar gelagert wird. H2 wertvoller als daraus generierbarer Strom centrotherm clean solutions hat nun die technische Machbarkeit zum H2-Recycling mittels EHC mit dem realen Abgas einer Epitaxieanlage im Labormaßstab demonstriert. Einfluss auf die Wirtschaftlichkeit haben der Preis für EHC-Stacks, insbesondere für die darin enthaltenen Membran-Elektroden-Einheiten (MEAs), der Wasserstoffpreis und der Strompreis. Bei Variation dieser Parameter ergeben sich verschiedene wirtschaftlich rentable Konstellationen. Unter der Annahme, dass MEAs in Zukunft etwas günstiger werden, amortisiert sich ein EHC-System früher als das Motor-Generator- System. Dies gilt auch für konservative MEA-Preise beispielsweise bei Strompreisen von unter 0,1 Euro pro Kilowattstunde und gleichzeitig hohen H2-Preisen von 14 Euro pro Kilogramm. Dies zeigt, dass H2 als Stoff an sich viel wertvoller ist als der daraus generierbare Strom. centrotherm clean solutions will damit die innovative Nutzung von H2-haltigen Abgasen in der Halbleiter- und Photovoltaikindustrie vorantreiben und so einen Beitrag zu einer ökonomisch und ökologisch sinnvolleren Produktion leisten. F-Cell Award 2018: Grüne Wasserstoffproduktion ausgezeichnet Für ihr Engagement bei der CO2-freien Produktion und den Vertrieb von grünem Wasserstoff wurde das deutschnorwegische Unternehmensgespann Hy2Gen AG und Norsk H2 AS mit dem f-cell award 2018 ausgezeichnet. High-Tech Lösungen zur industriellen Abgasbehandlung www.centrotherm-cs.de Eine entscheidende Etappe auf dem Weg in die Wasserstoffwirtschaft ist die Produktion und der Vertrieb von Grünem Wasserstoff. Norwegen verfügt als weltweit sechstgrößter Produzent von Wasserkraft über weitereichende Kapazitäten für eine CO 2 -freie Produktion von Wasserstoff aus regenerativen Energien. Diesen Ansatz verfolgt das deutsch-norwegische Unternehmensgespann Hy2gen AG und Norsk H2 AS mit Sitz in Holzgerlingen und Suldal (Norwegen). Die Unternehmen setzen auf die Elektrolyse, also das CO 2 -freie Aufspalten von Wasser in dessen Bestandteile Wasserstoff und Norsk H2 AS Produktionsstaette Jelsa, Norwegen Sauerstoff in großtechnischen Elektrolyseuren. „Im norwegischen Jelsa bauen wir aktuell die erste Produktionshalle für Foto: Norsk CO 2 -freien Wasserstoff auf. Wir nutzen regional erzeugten Strom aus Wasserkraft. Stromerzeugung und Elektrolyse sind so komplett CO 2 -frei. Die Kapazitäten können wir zudem sukzessive modular aufstocken, so dass wir nach dem Produktionsstart 2020 langfristig auch im industriellen Maßstab liefern können,“ so Sebastian Wider, Chief Technology Officer der Hy2gen AG. 2020 wird Norsk H2 AS in Jelsa die Produktion grünen Wasserstoffs zur kommerziellen Nutzung aufnehmen. Der sukzessive Ausbau der Anlage soll bis 2023 eine Elektrolyse-Kapazität von 70 Megawatt erreichen. Weitere Standorte für die regenerative Produktion von Wasserstoff werden unter Leitung der Hy2gen AG in Kanada, Südfrankreich und Georgien entwickelt.
Jänner 2019/ UmweltJournal HYDROGEN 5 Grünen Wasserstoff günstiger erzeugen Power-to-Gas-Leuchtturmprojekt am Hochrhein Wasserstoff aus Ökostrom kann die Mobilität klimafreundlicher machen und dort auch zu weniger Schadstoffausstoß führen. Er ist derzeit aber noch zu teuer. Eine Power-to-Gas-Anlage in Megawattgröße im süddeutschen Grenzach-Wyhlen soll nun den Weg ebnen, um die Kosten deutlich zu senken. Am 15. November 2018 wurde ein Leuchtturmprojekt am Hochrhein offiziell eingeweiht. Eine Power-to- Gas-Anlage in Megawattgröße soll künftig grünen Wasserstoff für die klimafreundliche und schadstofffreie Mobilität günstig erzeugen. Der Strom für den Wasserstoff stammt aus einem benachbarten Wasserkraftwerk am Rhein. Noch im November starteten erste Testläufe. „Wir benötigen dringend Demonstratoren wie hier in Grenzach-Wyhlen, die Power-to-Gas aus dem Labormaßstab holen und den wirtschaftlichen Betrieb dieser Technologie zeigen“, betonte Baden-Württembergs Wirtschaftsministerin Nicole Hoffmeister-Kraut. „Mit Power-to-Gas bringen wir mehr Klimaschutz in den Mobilitätssektor und verringern den Ausstoß von Feinstaub und Stickstoffoxiden“, sagte Frithjof Staiß, geschäftsführendes Vorstandsmitglied des ZSW. „Am Wasserkraftwerk Wyhlen können wir die nötige Kostensenkung nun im Industriemaßstab optimal testen.“ Die Kosten senken Wirtschaftlicher werden soll die Wasserstoffproduktion vor allem durch drei Faktoren: Die Energiedienst-Anlage bezieht den Ökostrom ohne Umweg über das Stromnetz direkt aus dem nur wenige Meter entfernten Laufwasserkraftwerk Wyhlen. Somit entfallen Netzentgelte und die EEG- Umlage. Da die Wasserkraft eine stetige erneuerbare Energiequelle ist, die bei praktisch jedem Wetter Energie liefert, lassen sich zudem die Volllaststunden im Vergleich zu Power-to-Gas-Anlagen, die auf Wind- oder Sonnenenergie basieren, erhöhen. Das verbessert die Wirtschaftlichkeit ebenfalls. Zusätzlich erprobt das ZSW in einer angeschlossenen Forschungsanlage neue Komponenten, um den Wasserstoffpreis weiter zu senken. Zum Einsatz kommen etwa effizientere Katalysatoren und günstigere Elektroden. Die Elektrolyse zur Umwandlung des erneuerbaren Stroms macht mit rund 40 Prozent den größten Kostenanteil aus. Entsprechend hoch ist hier das Einsparpotenzial. Langfristiges Ziel der Forscher und Ingenieure ist es, die heutigen Produktionskosten in etwa zu halbieren. Elektrolyseure optimieren Die Power-to-Gas-Anlage der Energiedienst AG besitzt eine elektrische Anschlussleistung von einem Megawatt. Pro Tag kann sie rund 500 Kilogramm Wasserstoff erzeugen. Genug für eine durchschnittliche Tagesfahrleistung von mehr als 1.000 Brennstoffzellen-Pkw. In der angeschlossenen Forschungsanlage erproben die ZSW-Forscher effizienz- und kostenoptimierte Elektrolyseblöcke mit derzeit bis zu 300 Kilowatt Leistung, die bis auf ein Megawatt erweiterbar sind. Der Einsatz erfolgt unter realen Bedingungen: Der Strom kommt aus dem Wasserkraftwerk, wird zu Wasserstoff umgewandelt und sodann, wie in der kommerziellen Anlage, in einen transportablen Tank eingefüllt und per LKW zum Zielort gebracht. Die ZSW-Forscher übernehmen das technische Monitoring der gesamten Anlage. Die aus dem Betrieb sekündlich gewonnenen Daten sowie eine detaillierte Analyse aller wesentlichen Bauteile wie Elektrolyseblock, Verdichter und Gleichrichter sollen die Komponenten künftig weiter optimieren. Elf Partner sind mit an Bord, drei davon aus der Forschung: das Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR), das Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISE und die DVGW-Forschungsstelle am Engler-Bunte-Institut des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT). Betreiber der kommerziellen Anlage ist der Energieversorger Energiedienst AG. Das Land Baden-Württemberg fördert das Vorhaben mit 4,5 Millionen Euro. Sie alle sind interessiert an der Weiterentwicklung der Power-to-Gas-Technologie. Busse, Züge und Autos mit Brennstoffzellen können mit erneuerbarem Wasserstoff kohlendioxidfrei unterwegs sein, und das auch auf Langstrecken. Es entstehen keine gesundheitsschädlichen Stickstoffoxide (NOx), aus dem Auspuff kommt außerdem kein Feinstaub. Der Wasserstoff ist außerdem Ausgangsstoff für die synthetischen Kraftstoffe e-Methan und e-Diesel. Regelenergiemarkt wird attraktiver Für Wasserkraftbetreiber kann sich Power-to-Gas künftig ebenfalls lohnen: Mit der Technologie wird die Teilnahme am Regelenergiemarkt attraktiver. Wer sich dort beteiligt, erhält in Deutschland bei drohendem Überangebot an Strom im Netz vom zuständigen Übertragungsnetzbetreiber eine finanzielle Entschädigung für die Drosselung des Wasserkraftwerks. Damit wird das Stromnetz stabilisiert. Betreiber, die zusätzlich eine Power-to-Gas-Anlage zur Verfügung haben, können in dem Fall die Turbinen mit voller Kraft weiterlaufen lassen, wandeln den nicht in das Netz eingespeisten Strom in Wasserstoff um und verkaufen ihn gewinnbringend an die Abnehmer. Am Wasserkraftwerk Wyhlen erzeugt eine Power-to-Gas-Anlage jetzt auch Wasserstoff. Die ZSW-Forschungsanlage Einweihung des Power-to-Gas-Leuchtturmprojekts Fotos: Energiedienst AG Fronius eröffnet... Erste „grüne“ Wasserstoff-Betankungsanlage Foto: fronius Das Hightech-Unternehmen Fronius erzeugt aus Sonnenenergie sauberen Wasserstoff und ermöglicht die Betankung von Wasserstoffautos am Firmengelände. Die Mobilität der Zukunft basiert auf grünen Antriebslösungen. Das oberösterreichische Hightech- Unternehmen Fronius eröffnete nun im Oktober am Standort Thalheim bei Wels die erste grüne, innerbetriebliche Wasserstoff-Betankungsanlage Österreichs. Die Anlage erzeugt aus Sonnenenergie sauberen Wasserstoff, der zum Antrieb von Fahrzeugen mit Brennstoffzelle genutzt werden kann. Die Fronius International GmbH ist seit vielen Jahren im nachhaltigen Photovoltaik-Bereich tätig. Der Name Fronius ist allerdings nicht nur weltweit bei 1,6 Millionen Photovoltaik-Lösungen zu finden, sondern taucht auch in Zusammenhang mit der Technologie rund um Wasserstoff auf. Für die effiziente Nutzung verschiedener Energiesysteme ist Wasserstoff als Speichermedium ein wichtiger Baustein. Fronius forscht seit vielen Jahren in diesem Gebiet, um der Vision „24 Stunden Sonne“ einen Schritt näher zu kommen – einer Vision von einer Zukunft, in welcher der weltweite Energiebedarf aus 100 Prozent Erneuerbaren gedeckt wird. Mit der Eröffnung der ersten grünen, innerbetrieblichen Wasserstoff-Betankungsanlage Österreichs gelingt dem Unternehmen nun ein großer Wurf. „Die Zukunft der Fortbewegung kann nur auf eine Art stattfinden: ohne fossile Brennstoffe. Und genau hier setzen wir mit unserer Wasserstofftechnologie an“, erläutert Fronius Geschäftsführerin Elisabeth Engelbrechtsmüller-Strauß. Nachhaltige Pilotanlage mit Zukunftspotenzial Mit dem sogenannten Fronius Solh2ub geht eine Pilotanlage am Entwicklungsstandort in Thalheim bei Wels an den Start, die neue Maßstäbe setzt. Die Anlage ist als dezentraler Knotenpunkt für Sonnenenergie in der Lage grünen Wasserstoff zu erzeugen, zu speichern, für mobile Anwendungen zur Verfügung zu stellen oder wieder in Strom und Wärme umzuwandeln. Die hierfür benötigten Komponenten zur Umwandlung von überschüssigem Solarstrom in Wasserstoff mittels Elektrolyse sowie die stationären Brennstoffzellen entwickelt Fronius selbst. „Der Solh2ub ermöglicht eine innovative Kopplung der Sektoren Strom, Wärme und Mobilität“, erklärt Martin Hackl, Leiter der Business Unit Solar Energy bei Fronius. Interessant für Kommunen und Unternehmen Solh2ub bietet Unternehmen, Gewerbebetrieben und Kommunen zahlreiche Vorteile: Wasserstoff lässt sich problemlos speichern und steht dann zum Betrieb von Fahrzeugen mit Brennstoffzelle vor Ort zur Verfügung oder lässt sich zukünftig bei Bedarf mit einer stationären Die neue Anlage Solh2ub von Fromius erzeugt aus Sonnenenergie sauberen Wasserstoff, der zum Antrieb von Fahrzeugen mit Brennstoffzelle genutzt werden kann. Brennstoffzelle rückverstromen. Und auch die Wärme, die bei der Produktion und bei der Rückverstromung entsteht, kann vor Ort wieder genutzt werden. Im Bereich Mobilität hat Wasserstoff insbesondere dort enormes Potenzial, wo Fahrzeuge große Energiemengen benötigen. Dies ist speziell bei kommunalen Fahrzeugen, Transportern, Bussen oder LKWs der Fall. Der Energieträger verspricht große Reichweiten und kurze Betankungszeiten. „Es ist somit genau genommen Sonnenenergie, die die Fahrzeuge antreibt. Und hinten kommt nur Wasserdampf raus“, stellt Martin Hackl abschließend fest.
