Reinstwasserproduktion als Elektrolyseur-Speisewasser für grünen Wasserstoff

Reinstwasser (UPW) für grünen Wasserstoff

Ein Kilogramm Wasserstoff enthält 33 kWh nutzbare Energie, also etwa das Dreifache der Energie, die in einem Kilogramm Benzin und Diesel steckt. Daher wird Wasserstoff für eine breite Palette von Anwendungen eingesetzt, von der Stromerzeugung und Energiespeicherung bis hin zu Brennstoffzellen für den Transport. Er ist auch Teil wichtiger Industrieprozesse wie dem Haber-Bosch-Verfahren zur Ammoniakherstellung.

Wasserstoffanwendungen

Abbildung 1 - Das breite Anwendungsspektrum von Wasserstoff

Wasserstoff kann durch eine Vielzahl von Verfahren synthetisiert werden, wobei als Grundlage für die Produktion entweder Kohlenwasserstoffe, Wasser oder beides verwendet werden. Im Fall von grünem Wasserstoff wird zur Herstellung dieses lebenswichtigen Gases Wasserelektrolyse verwendet, die mit erneuerbarer Energie betrieben wird. Dabei gilt die folgende Gleichung:

Wasserstoff wird aus Reinstwasser im Verhältnis 9:1 hergestellt, d. h., es werden neun Kilogramm Reinstwasser benötigt, um ein Kilogramm Wasserstoff herzustellen. Unter Berücksichtigung der Wasseraufbereitungskette kann das Verhältnis zwischen Speisewasserverbrauch und Wasserstoffproduktion je nach Speisequelle zwischen etwa 15:1 und 30:1 variieren.

Abbildung 2 - Wasserbedarf zur Herstellung von einem Kilogramm Wasserstoff, abhängig von der Rohstoffquelle

Um maximale Effizienz zu gewährleisten und hochempfindliche Elektrolyseure zu schützen, muss die Qualität des Speisewassers den höchsten Qualitätsstandards entsprechen. Um diese Anforderungen zu erfüllen, ist im Allgemeinen ein vollständiges Demineralisierungssystem erforderlich, das insbesondere eine Umkehrosmose mit doppeltem Durchgang und eine Elektrodeionisierung umfasst.

Da das Wasser innerhalb der Elektrolyseureinheit kontinuierlich umgewälzt wird, können sich Verunreinigungen, die durch das Demineralisierungssystem gelangen, oder Verunreinigungen, die von der Ausrüstung der Elektrolyseureinheit stammen, schnell auf erhebliche Werte ansammeln. Um eine Ansammlung von Verunreinigungen im Elektrolyseurkreislauf zu verhindern, kann ein Point-Of-Use-Polierer eingesetzt werden, um einen Teil oder das gesamte umgewälzte Wasser zu behandeln.

Abbildung 3 – Preisaufschlüsselung von CAPEX und OPEX für Anlagen zur Erzeugung von grünem Wasserstoff

Während das Wasseraufbereitungssystem im Allgemeinen 1–5 % der gesamten Kapitalausgaben der Anlage ausmacht, machen die Elektrolyseurstapel 50–60 % der Gesamtausgaben aus. Umso wichtiger ist es, ein angemessen konzipiertes System vorgeschaltet und für den Elektrolyseurkreislauf zu haben, um die Stapel zu schützen und ihre Lebensdauer zu verlängern.

Darüber hinaus machen die Stromkosten normalerweise 60–80 % aller Betriebsausgaben aus und sind einer der Hauptkostentreiber über die gesamte Lebensdauer einer Anlage. Eine geeignete Behandlungseinheit ist wiederum von größter Bedeutung, um sicherzustellen, dass sich auf der Oberfläche des Elektrolyseurs keine Verunreinigungen ansammeln, die zu einem höheren Stromverbrauch führen würden.

UPW-Produktion  ~ 2–5 kWh/m³     UPW-Elektrolyse  ~ 5000 kWh/m³

Abbildung 4 – Ungefährer Strombedarf pro m³ für UPW-Produktion und UPW-Elektrolyse

Obwohl die Investitions- und Betriebskosten im Anlagenmaßstab marginal sind, können ineffektive oder nicht optimale Wasseraufbereitungssysteme schwerwiegende Folgen haben:

• Beschädigung des Elektrolyseurstapels
• Erhöhte Ausfallzeiten aufgrund häufigerer Wartungsstopps
• Erhöhte Betriebskosten aufgrund höheren Strom- und Wasserverbrauchs