Herausforderung: Lastflexibilität

Unser Name ist eine Herausforderung: Helmholtz-Cluster für nachhaltige und infrastrukturkompatible Wasserstoffwirtschaft. Wer ihn vorträgt, braucht danach wegen der Länge eine Atempause. Aber es hätte noch länger kommen müssen, denn ein wesentliches Wort fehlt: lastflexibel.

Lastflexibilität ist wichtig für unsere klimafreundliche Energiezukunft. Sonne und Wind liefern zwar sauberen Strom, aber nicht immer dann, wenn wir ihn gerade brauchen. Im Gegensatz zu Erdgas lassen sie sich nicht einfach hoch- oder runterregulieren. Deshalb muss das Energiesystem lastflexibel werden – also so reagieren können, dass sich Energieerzeugung und Energieverbrauch weiterhin aneinander anpassen, obwohl der zukünftige Input schwanken kann. Einen Teil der Schwankungen, die die Erneuerbaren mit sich bringen, können wir mit Speichertechnologien auffangen. Batterien und Wasserstoffspeicher ergänzen sich als Pufferspeicher gut. Aber damit das System den schwankenden Input in einen stabilen Output umwandeln kann, brauchen wir noch mehr Innovation.

„Lastflexibilität ist dabei eine zentrale Voraussetzung, um erneuerbare Energien effizient und kostengünstig in das Energiesystem zu integrieren“, sagt Dr. Sarah Deutz, die am Institute for a sustainable Hydrogen Economy im Bereich Prozess- und Anlagentechnik (IHE-4) das Expertenteam „Neue Methoden der Prozessesynthese“ leitet. Denn trotz der Pufferspeicher müssen Anlagen, in denen beispielsweise Ammoniak synthetisiert wird, wechselnde Lasten und Drücke verkraften. „Das bringt viele Herausforderungen mit sich. Gleichzeitig kann Lastflexibilität dazu beitragen, dass wir die Kosten für grünen Ammoniak oder grünes Methanol senken, weil wir günstigen erneuerbaren Strom optimal nutzen können.“

Dr. Sarah Deutz,
Teamleiterin „Neue Methoden der Prozesssynthese“ am Institute for a sustainable Hydrogen Economy im Bereich Prozess- und Anlagentechnik (IHE-4)

Die schwierige Balance: Kosten vs. Klima

Sarah Deutz redet von Zielkonflikten. Ein Beispiel: In Westafrika könnte eine Wasserstoff-Produktion, die auf einer Elektrolyse aus erneuerbaren Energien basiert, gut funktionieren, weil dort günstiger, konstanter Ökostrom und genug Fläche vorhanden sind. Doch wenn die Elektrolyse – also die Spaltung von Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff mithilfe von Strom – dazu führt, dass Wasser für die Landwirtschaft fehlt, ist der Preis zu hoch. Außerdem kann Lastflexibilität zu einem höheren technischen Anspruch und steigenden Materialkosten führen. „Eine Energiewende, die technisch möglich ist, aber so teuer wird, dass sie sich nur wenige leisten können, wird nicht funktionieren“, beschreibt Sarah Deutz einen entscheidenden Zielkonflikt.

Belastungsprobe für Maschinen und Materialien

Für das Material bedeutet Lastflexibilität besondere Herausforderungen. Denn das Auto, das regelmäßig mit Tempomat und 110 Sachen rollt, hat trotz höherer Laufleistung einen geringeren Materialverschleiß als eines, das ständig gebremst und beschleunigt wird. Bei Energiewandlern – das sind Geräte, die Strom in chemische Energie umwandeln oder umgekehrt – ist das genauso. „Regelmäßige Lastwechsel beanspruchen Konstruktion und Materialien stärker als ein gleichmäßiger Betrieb“, erklärt Sarah Deutz.

Ein Beispiel zeigt, wie wichtig Lastflexibilität für die künftige Wasserstoffwirtschaft wird: Methanol, CH₃OH. In einem komplexen Verfahren, der Methanol-Synthese, reagieren drei Wasserstoff-Moleküle (3 H₂) mit einem Kohlenstoffdioxid-Molekül (CO₂) zu Methanol und Wasser (H₂O). Methanol ist eine einfach zu speichernde, leicht flüchtige Flüssigkeit, die längst gut bekannt ist. Der darin enthaltene Wasserstoff ist so viel kompakter und leichter zu transportieren: Ein Liter Methanol entspricht 1.100 Litern gasförmigem Wasserstoff. Methanol ist zudem ein wichtiger Zwischenschritt bei der Herstellung von Dimethylether.

Grüne Schwankungen

Der Weg zu grünem Methanol hat es in sich. Es basiert auf grünem Wasserstoff und damit auf grünem Strom. „Da die Menge an grünem Strom fluktuiert, ist ein flexibler Betrieb des Elektrolyseurs erforderlich. Das beschleunigt die Alterungsprozesse der Materialien“, erklärt Sarah Deutz. Für die folgenden Prozesse auf dem Weg zu Methanol gilt das genauso. Wasserstoff und Kohlenstoffdioxid werden gemischt und stark verdichtet. Der Kompressor muss also flexibel fahrbar sein, genauso wie der Reaktor, in dem das erhitzte Gasgemisch danach mithilfe eines Katalysators zu Methanol reagiert. Dann wird das Methanol gekühlt, sodass es als Flüssigkeit kondensiert. Zum Schluss wird das rohe Methanol in einer Destillationsanlage gereinigt.

Alle Schritte bis hierhin unterliegen den vom grünen Strom verursachten Schwankungen. „Wir müssen hier abwägen, in welchem Maß wir Stromschwankungen mitfahren. Häufige Lastwechsel können die Alterungsprozesse beschleunigen. Es kann daher sinnvoll sein, den Elektrolyseur bei sehr geringer Last abzuschalten, um das Material zu schonen. Jede Anlage braucht hier ihre eigene Balance. Deshalb planen wir Lastflexibilität von Anfang an standortbezogen“, sagt Sarah Deutz.

Chemische Wasserstoffträger wie Methanol sind sehr günstige Speicher und ermöglichen damit, die lastflexible Produktion vom Verbrauch zu entkoppeln. „Methanol ist gut in großen Mengen speicherbar. Für die auf Methanol aufbauenden Prozesse können wir uns große Methanolspeicher denken, die es ermöglichen, die folgenden Prozesse mit gleichbleibender Last zu fahren“, erklärt Sarah Deutz einen weiteren Vorteil von chemischen Wasserstoffspeichern wie Methanol oder Ammoniak: Sie entschärfen das komplexe Thema Lastflexibilität und ermöglichen eine günstigere Energiewende.

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