Wasserstofferzeugung auf dem Meer

Für das Erreichen der Klimaziele spielt grüner Wasserstoff aus erneuerbaren Energien eine maßgebliche Rolle. Wasserstoff, erzeugt aus Offshore-Windenergie, kann dabei einen Beitrag zur Deckung des zukünftigen Wasserstoffbedarfs leisten und zur Diversifizierung der Wasserstoffversorgung beitragen. Im Projekt „OffsH2ore“ wurde ein technisches Anlagenkonzept für eine Offshore-Wasserstoffproduktion in Verbindung mit einem schiffsbasierten Transportkonzept für Druckwasserstoff durch die Projektpartner PNE, Silica Verfahrenstechnik, Wystrach, Kongstein und dem Fraunhofer ISE erarbeitet. Des Weiteren wurden Konzepte hinsichtlich des Betriebs, der Logistik und des Anlagendesigns erstellt und das Gesamtkonzept einer techno- ökonomischen Analyse unterzogen. Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler des Fraunhofer ISE haben ihr Know-how und ihre Forschungsleistung in den Themenfeldern modular aufgebauter PEM-Elektrolysesysteme und Auslegung der Balance-of-Plant-Komponenten, Meerwasserentsalzung mittels Nutzung der Elektrolyseabwärme, Leistungselektronik und Techno-ökonomische Analyse eingebracht.

Das Team entwickelte eine Blaupause für eine 500 MW Offshore-Wasserstoff-Produktionsplattform samt Transportkonzept für Druckwasserstoff, ein detailliertes technisches Konzept und eine techno-ökonomische Analyse. Sie zeigten, dass Offshore-Wasserstoff-Erzeugung mit PEM-Elektrolyse technisch und ökonomisch machbar ist und zur Diversifizierung der europäischen Wasserstofferzeugung beiträgt.

Eine solche Offshore-Wasserstofferzeugung in der Größenordnung von 500 MW ist bisher noch nicht realisiert worden. Mit dem vom Konsortium vorgelegten Konzept ist eine schnelle und großskalige Umsetzung realistisch geworden.

Projektpartner der gesamten Wertschöpfungskette

Beteiligt waren neben dem Fraunhofer ISE die PNE AG als Projektkoordinator, ein internationaler Projektierer für und Betreiber von erneuerbaren Energieanlagenprojekten; die Silica Verfahrenstechnik GmbH, ein Engineering- und Anlagenbau-Unternehmen; die Kongstein GmbH, die beratend unter anderem für Offshore-Wind- und Wasserstofftechnologien tätig ist und die Wystrach GmbH, ein Anbieter von Hochdruckspeichern für Wasserstoff. Das Projekt „OffsH2ore“ brachte ein erfahrenes und komplementäres Konsortium von Industriepartnern und Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern aus der gesamten Wertschöpfungskette zusammen.

Wasserstofferzeugung ohne Landnutzungskonkurrenz

„Nachhaltig aus erneuerbaren Energien hergestellter grüner Wasserstoff wird zu einer wichtigen Säule für die Defossilisierung unserer Energiesysteme werden. Für Länder wie Deutschland, in denen die großtechnische Erzeugung von grünem Wasserstoff aufgrund von beispielsweise Landnutzungskonkurrenz bereits jetzt eine Herausforderung ist, ist die Wasserstofferzeugung auf dem Meer mit Hilfe der Offshore-Windenergie eine zusätzliche Option“, erläutert Marius Holst, der als Koordinator die Arbeitspakete für das Fraunhofer ISE federführend bearbeitete. „Die Wasserstofferzeugung auf dem Meer bietet gleichzeitig hohe Volllaststunden und die Chance, die gesamte Wertschöpfungskette auf nationaler Ebene abzudecken, bei gleichzeitiger Entkopplung von Offshore-Windausbau und Netzausbau“, so Holst weiter.

Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler des Fraunhofer ISE haben im Rahmen des Projekts OffsH2ore ein Elektrolysesystem entworfen (Foto: Fraunhofer ISE)

Grundlage des Konzepts ist ein Offshore-Windpark, der direkt mit einer 500-MW-Elektrolyseplattform verbunden ist. Diese kann bis zu 50.000 Tonnen grünen Wasserstoff pro Jahr erzeugen. Das System hat einen skalierbaren, modularen Aufbau, der sich leicht an unterschiedliche Kapazitäten der Wasserstofferzeugung anpassen lässt. Das Frischwasser für den PEM-Elektrolyseur wird durch Entsalzung von Meerwasser bereitgestellt, wobei die Abwärme der Elektrolyse genutzt wird. Der erzeugte Wasserstoff wird gereinigt und getrocknet, auf bis zu 500 bar komprimiert und auf ein Transportschiff umgeladen. Pro Transport werden mit dem Schiff bis zu 400 Tonnen Wasserstoff von der Offshore-Plattform an Land geliefert. Dieses Konzept ist unabhängig von Wasserstofftransportleitungen und bietet Flexibilität bei der Standortwahl.

PEM-Elektrolyse offshore ist technisch und ökonomisch machbar

Zu den Arbeitspaketen des ISE zählte die Projektion eines Proton-Exchange-Membran-(PEM)-Elektrolysemoduls. Die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler zeigten dabei, dass Offshore-Wasserstoff-Erzeugung mit PEM-Elektrolyse technisch und ökonomisch machbar ist. „Die PEM-Elektrolyse ist die bevorzugte Technologie für die Offshore-Umgebung. Wir können mit diesem Elektrolyseur auf das begrenzte Platzangebot auf der Plattform angemessen reagieren und nutzen das dynamische Betriebsverhalten dieser Elektrolysevariante.“ erklärt Anna Wunsch, die dieses Arbeitspaket betreute und die technische Auslegung des Systems berechnete. Mit PEM-Elektrolyseuren können die Betreiber zügig auf Schwankungen der zugeführten Energie reagieren und den Elektrolyseur problemlos auch in Teillast betreiben.