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PRESSEMITTEILUNG

Wenn die Sonne nicht scheint, der Wind nicht bläst oder der Wasserlauf zugefroren ist

Elektrolyse und Metallhydrid-Speicher sichern den Energie- und Wärmebedarf über das ganze Jahr

Stolberg, den 14.11.2019. Mit dem Green Electrolyzer und Metallhydrid-Speichern haben iGas energy und GKN Sinter Metals ein kompaktes, modulares und wirtschaftliches System für energie-autarke Gebäude entwickelt, das überschüssigen Grünen Strom über Monate speichert und ihn während Perioden geringer Stromerzeugung bedarfsgerecht abgibt. Bei einem Pilotprojekt in den Südtiroler Alpen hat das System seine Praxistauglichkeit bewiesen. Dort wird Energie aus einer Wasserkraftanlage gespeichert und dem aktuellen Bedarf entsprechend wieder abgerufen, wenn das Wasser-Dargebot geringer ist. So stellt die Anlage auch im Winter die kontinuierliche Versorgung des Hauses mit elektrischem Strom und Wärme sicher.

Lokal erzeugte grüne Energie, zum Beispiel aus Wasserkraft, Windrädern oder Solaranlagen, ist nicht immer dann verfügbar, wenn man sie benötigt. An vielen Standorten schwankt die Erzeugung von Energie aus erneuerbaren Quellen im Laufe der Jahreszeiten. Um die Versorgung von Gebäuden trotz saisonaler Unterschiede des Energieangebotes über das ganze Jahr hinweg zu sichern, muss Energie über mehrere Monate gespeichert werden, damit sie verfügbar ist, wenn die Sonne nicht scheint, der Wind nicht bläst oder der Wasserlauf zugefroren ist.

Dies gilt besonders für abgelegene Standorte, an denen nur eine einzige grüne Energiequelle genutzt werden kann, deren Anschluss an das öffentliche Netz aufwendig wäre oder nicht gewünscht ist.

Auf Basis des Green Electrolyzers von iGas energy und den Metallhydrid-Speichern von GKN Sinter Metals haben beide Unternehmen ein kompaktes und wirtschaftliches Energie-Speichersystem für Gebäude und Wohnquartiere entwickelt, das überschüssigen Grünen Strom speichert und auch während Zeiten mit geringer Stromerzeugung Bedarfsspitzen ausgleicht. So macht es Gebäude energieautark und unabhängig vom Erwerb elektrischen Stroms von Energieversorgern.

Das System erzeugt elektrischen Strom und Wärme emissionsfrei und trägt so zur Reduzierung von CO2 im Wohnungsbau bei. Es stellt die in den einzelnen Prozessstufen entstehende Wärme für die Gebäudeheizung und die Warmwasseraufbereitung zur Verfügung. Außerdem kann der entstehende Wasserstoff für das Betanken von Fahrzeugen verwendet werden.

Die Technik im Detail

Der Green Electrolyzer nutzt elektrischen Strom, der in Wasserkraft-, Wind- oder Solarenergieanlagen erzeugt wird und wandelt ihn in Wasserstoff um, der gespeichert und mit einer Brennstoffzelle wieder in elektrischen Strom umgewandelt wird.

Die Elektrolyse

Der Electrolyzer von iGas energy ist eine Anlage für die Erzeugung von Wasserstoff aus überschüssigem elektrischem Strom. Sie ist anschlussfertig einschließlich des geschlossenen Kühlkreislaufes, der gesamten Mess- und Regeltechnik und aller Nebenaggregate. Die Systeme sind außergewöhnlich kompakt und in weiten Grenzen skalierbar.

Die Herzstücke der Green Electrolyzer von iGas energy sind bewährte Stacks auf Basis der „Proton Exchange Membrane“ (PEM) Technologie. Sie haben ihre Zuverlässigkeit in Hunderten Anwendungen bewiesen und zeichnen sich durch effizienten Betrieb und hohe Verfügbarkeit aus.

Bei einer elektrischen Leistungsaufnahme von 25 kW bis 1 MW erzeugen die einzelnen Stacks jeweils 5 bis 210 Nm³ Wasserstoff pro Stunde. Werden mehrere Stacks kaskadiert, können sie einen Anschlusswert von mehreren MW erzielen.

Die PEM-Elektrolyseure folgen schwankendem Leistungseintrag schnell und arbeiten auch im unteren Teillastbereich effizient. Für den Betrieb benötigen sie lediglich elektrischen Strom und Trinkwasser. Sie sind für den mannlosen Betrieb ausgelegt und sind nahezu wartungsfrei – Grundvoraussetzung für den Betrieb an entlegenen Standorten.

Das innovative Wärmemanagement der Module und der niedrige Energieverbrauch der Nebenaggregate tragen wesentlich zur hohen Effizienz der Gesamtanlage bei. Die Green Electrolyzer sind für eine Lebensdauer von mehr als 20 Jahren ausgelegt, die Stacks für mehr als 80.000 Betriebsstunden.

Mit der nachgeschalteten Gasaufbereitung liefern die Anlagen Wasserstoff mit einer Gasqualität bis zu 5.0 und erfüllen so die Norm für die Verwendung in Brennstoffzellen und Fahrzeugen.

Integraler Bestandteil der Elektrolyse-Anlage ist eine ebenfalls auf der PEM-Technologie basierende Brennstoffzelle, die den Wasserstoff in elektrischen Strom umgewandelt. Sie ist speziell für den dynamischen Betrieb optimiert und arbeitet mit niedrigem Eingangsdruck. „Abfallprodukte“ sind lediglich Sauerstoff und Wasser.

Der Speicher

Der Wasserstoff wird in Metallhydridspeichern von GKN Sinter Metals gespeichert. In Feststoff gebunden, lässt er sich deutlich dichter und einfacher lagern als gasförmig in Tanks: Das Gas bindet sich an die Metallpartikel und es entsteht ein Metallhydrid – eine sichere und stabile Verbindung. Aufgrund der engen Bindung von Wasserstoff und Metallpulver eignet sie sich besonders für die Speicherung über lange Zeiträume.

Bisher wurden Speicher für Wasserstoff oft auf Basis von Magnesiumlegierungen gebaut. Bei der Desorption benötigen sie Temperaturen von über 300 °C. So sind sie für den Betrieb in Wohngebäuden nur bedingt geeignet. Hinzu kommt, dass bei Leckagen Sauerstoff eintreten kann und dann Temperaturen bis 900 °C entstehen können.

GKN verwendet dahingegen eine Eisen-Titan-Legierung. Mit Betriebstemperaturen zwischen 50 und 60 °C sind sie an den Betrieb in Wohnhäusern deutlich besser angepasst.

Außerdem sind die Speicher kompakt: Während für das Speichern von einem Kilogramm Wasserstoff in einem Gastank ein Volumen von 280 l erforderlich ist, speichert GKN ihn in einer Kartusche von 17 l Rauminhalt. Dabei beträgt der Druck im Speicher weniger als 40 bar, was gut an das Druckniveau im Wärmesystem des Hauses angepasst ist. Ein Kompressor, der zusätzliche Energie- und Wartungskosten verursachen würde, ist nicht erforderlich.

Metallpulver ist als besonders sicheres Speichermedium für Wasserstoff anerkannt: Die Aggregatzustände sind sicher kontrollierbar, es herrschen niedrige Temperaturen und vergleichsweise geringe Drücke, Gastanks sind nicht erforderlich. So entspricht das System den Richtlinien in Ländern, in denen Wasserstoff nur unter bestimmten Bedingungen und mit hohen Auflagen gasförmig gespeichert werden darf.

Das Energiemanagement

Das integrierte Energiemanagement steuert alle Prozesse der Speicherung und Abgabe von Elektrizität, zum Beispiel die Laderegler und Wechselrichter. Wenn überschüssiger Strom angeboten wird und der Speicher nicht voll ist, erzeugt der Green Electrolyzer Wasserstoff. Wird aus dem Haus Strom angefordert, entscheidet das Energie-Management, ob er direkt eingespeist wird, in der Brennstoffzelle erzeugt oder – bei kurzfristigen Bedarfsspitzen – der integrierten Batterie entnommen wird.

Das Wärmemanagement

Die Wärme, die bei der Elektrolyse, dem Speichern des Wasserstoffs und der Stromerzeugung in der Brennstoffzelle entsteht, wird für die Beheizung der Räume und die Warmwasseraufbereitung genutzt. Aufgrund der hohen Temperatur im System steht sie auf einem Niveau zur Verfügung, das für Wohngebäude gut geeignet ist.

Feuerprobe bei Schnee und Eis: das Pilotprojekt Knappenwerk

Im Rahmen eines Pilotprojektes der „Green Region Südtirol“ ging im Juni 2018 das hybride Kraftwerk für Strom und Wärme im „Knappenwerk“, einem historischen Gebäude in Prettau-Kasern, in Betrieb. Das Haus befindet sich in einer Höhe von 1.600 m über NN am oberen Ende des Ahrntals, einem sensiblen hochalpinen Raum mit besonders kalten Wintern.

Eine mit Wasser aus dem nahegelegenen Bachlauf betriebene Turbine gibt je nach Wasserdargebot eine elektrische Leistung zwischen 2,5 und 9 kW ab. Im Winter ist das Wasserdargebot deutlich geringer als im Sommer.

Ist überschüssiger Strom vorhanden, erzeugt der Green Electrolyzer mit einer Leistungsaufnahme von bis zu 9 kW daraus Wasserstoff.

Der Metallhydrid-Speicher fasst bis zu 10 kg Wasserstoff, das entspricht rund 340 kWh elektrischer Energie für die Erzeugung von Strom und Wärme. So ist gewährleistet, dass auch die im Winter üblichen Versorgungslücken sicher überbrückt werden.

Die nächsten Schritte

Das erfolgreiche Pilotprojekt in Südtirol ist ein wichtiger Meilenstein auf dem Weg zu energieautarken, CO2-freien Quartierslösungen mit hybriden Kraftwerken für Strom und Wärme sowie für das Betanken von wasserstoff-betriebenen Fahrzeugen.

Ausbauszenarien zeigen, dass sich der Bestand an PV-Anlagen von bisher 1,9 Millionen in Deutschland in den kommenden Jahren mehr als verdoppeln wird, sodass der Bedarf nach Quartierslösungen beständig wächst.

Für iGas energy ist der nächste Schritt die Gründung eines Wasserstoff-Kompetenzzentrums in Weißweiler, im Umfeld eines Braunkohle-Kraftwerkes, das im Rahmen des Kohleausstiegs in absehbarer Zeit außer Betrieb gehen wird. Dort soll die vorhandene Infrastruktur im Rheinischen Braunkohle-Revier genutzt werden, um die Systeme bis zur Großserienreife weiterzuentwickeln.

Für das Kompetenzzentrum bietet sich eine weitere Perspektive in der Aufbereitung der Schlämme aus Klärschlämmen und Gülle, die bisher in großem Stil im benachbarten Kraftwerk verbrannt werden. In einem von iGas energy entwickelten Verfahren entsteht aus organischen Abfällen ein Synthesegas, das unter anderem Wasserstoff und Methan enthält und verstromt werden kann.

Gleichzeitig soll das Zentrum in der zukünftigen Wasserstoff-Modellregion „Rheinisches Revier“ als Schulungs- und Trainingszentrum dienen, in dem die Fachkräfte ausgebildet oder umgeschult werden, die den Strukturwandel im Rheinischen Braunkohle-Revier in Zukunft gestalten.

Projektpartner sind neben iGas energy die Stadt Eschweiler, die Zukunftsagentur „Rheinisches Revier“ und die Schmidt Kranz Group.

 

Hintergrund: PEM-Elektrolyse

Elektrolyseure wandeln elektrische Energie in chemische um, dabei entsteht Wasserstoff als Energieträger. Bei der „Proton Exchange Membrane“ (PEM) Elektrolyse wird ein Festpolymer-Elektrolyt – die Protonen-Austauschmembran – verwendet, die von Wasser umspült wird. Wird an die Membran elektrische Spannung angelegt, wandern Protonen durch die Membran: An der Kathode entsteht Wasserstoff, an der Anode Sauerstoff.

Die Stacks können zwischen 10 und 100 Prozent der Nennleistung geregelt werden und folgen Laständerungen nahezu verzögerungsfrei. Auch bei Teillast arbeiten sie effizient. Innerhalb von wenigen Sekunden können sie aus dem Standby auf Volllastbetrieb gebracht werden. Ebenso schnell können sie aus dem Volllastbetrieb heraus abgeschaltet oder in den Stand-by-Betrieb versetzt werden – ein wichtiger Aspekt besonders bei der Energieerzeugung aus Windenergie. Der Kaltstart der Green Electrolyzer auf Nennleistung erfolgt innerhalb von wenigen Minuten.

Im Gegensatz zur alkalischen Elektrolyse enthalten die PEM-Elektrolyseure keine flüssigen Elektrolyte, sondern lediglich eine feste, semipermeable Membran, durch die die Protonen wandern. Ein weiterer Vorteil ist, dass die Membran Wasserstoff und Sauerstoff physikalisch voneinander trennt.

Die Vorteile der Green Electrolyzer von iGas energy auf einen Blick:

  • Wirkungsgrad der einzelnen Stacks:

    • über 80 % (4,47 kWh/Nm³ Wasserstoff) bei 2 A/cm²

    • über 76 % (4,71 kWh/Nm³ Wasserstoff) bei 3 A/cm²

  • Hohe Effizienz der Gesamtanlage:

    • über 68 % bei 100 % Nennleistung

    • über 74 % bei 50 % Nennleistung

  • Weiter Regelbereich:

    • 10 bis 100 % der Nennleistung

  • Kurze Ansprechzeit:

    • unter 1 s innerhalb des Regelbereiches

    • 10 s von Standby-Betrieb auf Nennlast

 

Für weitere Infomationen, nehmen Sie Kontakt mit iGas energy auf.

Abbildungen: Download der hoch aufgelösten Fotos: Pressefotos iGas energy

 

 

 

PRESSEMITTEILUNG

Auszeichnung für iGas energy

Die Landesregierung von Nordrhein-Westfalen und die KlimaExpo.NRW würdigen beispielgebendes Engagement für den Klimaschutz.

Stolberg/Rheinland, 30.11.2017   Das Projekt VOMPELS (vollmodulare Proton-exchange-membrane Elektrolyse), an dem iGas energy, beteiligt ist, wurde von der KlimaExpo.NRW als einer von 1.000 wegweisenden Schritten in eine klimafreundliche Zukunft in die landesweite Leistungsschau aufgenommen, die KlimaExpo.NRW bis 2022 präsentiert.

Im Rahmen des 17. Jahrestreffens des Netzwerks „Brennstoffzelle und Wasserstoff, Elektromobilität NRW“ der EnergieAgentur.NRW erhielten Karl-Heinz Lentz (iGas energy GmbH), Dr. Ulrich Rost (ProPuls GmbH) und Dr. Florian Wirkert (Westfälische Hochschule) die offizielle Urkunde von Dr. Heinrich Dornbusch, dem Geschäftsführer der KlimaExpo.NRW.

Für dieses Projekt liefert iGas energy den PEM-Elektrolyseur. Er ermöglicht die Durchführung des Elektrolyseprozesses unter Druck, sodass der entstehende Wasserstoff direkt in das bestehende Erdgasnetz eingespeist werden kann. Die bisher notwendige nachgelagerte mechanische Kompression – ein wartungsintensives und teures mechanisches Bauteil der Power2Gas-Anlagen – entfällt somit.

„Mit der Neuentwicklung leisten die Forscher einen wichtigen Beitrag für den weiteren Ausbau der Speichermöglichkeiten und Nutzung Erneuerbarer Energien. Wir freuen uns daher, dieses beispielhafte Engagement in unsere Leistungsschau für den Klimaschutz aufzunehmen und damit hervorzuheben“, so Dr. Heinrich Dornbusch, Geschäftsführer der KlimaExpo.NRW, im Rahmen der Urkundenübergabe.

Zu dem von iGas energy GmbH geführten Konsortium zählen auch die Westfälische Hochschule Gelsenkirchen Bocholt Recklinghausen sowie die Firmen ProPuls GmbH und Obitronik GmbH. 

Pressemitteilung

Die vollständige stoffliche Verwertung von Klärschlamm wird Realität

Neues Verfahren von iGas energy verwertet alle organischen Abfälle, die in Kommunen entstehen.

Stolberg/Rheinland, im Oktober 2017     Die iGas energy GmbH hat ein Verfahren entwickelt, mit dem Klärschlamm vollständig in den Stoffkreislauf zurückgeführt wird. Die Endprodukte sind vermarktbare Wertstoffe, unter anderem pflanzenverfügbarer Phosphor, sowie das Synthesegas "HyGas", das verstromt werden kann. Das Unternehmen aus Stolberg plant, eine Pilotanlage zu bauen, die Faulschlamm aus Kläranlagen verarbeitet und zusätzlich alle anderen in Kommunen anfallenden organischen Abfälle aufnimmt.

Bei der Aufbereitung organischer Abfälle macht iGas energy alle im Schlamm enthaltenen Stoffe restlos verwertbar. Es entstehen keinerlei Abfallstoffe, sondern nur Wertstoffe, die dem Stoffkreislauf zugeführt werden. Das neue HyGas-Verfahren eignet sich nicht nur für Klärschlamm: In derselben Anlage können auch andere organische Abfälle verarbeitet werden, so zum Beispiel Bio-Abfall wie Grünschnitt oder Trester, Gärreste aus Biogas-Anlagen und Gülle, aber auch Abfälle aus der Lebensmittelindustrie.

Mit dem neuen Verfahren löst iGas energy ein schon jetzt bestehendes Problem, das sich mit Inkrafttreten der neuen Klärschlammverordnung deutlich verschärfen wird: Klärschlamm darf in Zukunft in Müll- und Mitverbrennungsanlagen nur noch dann verbrannt noch in großen Mengen in der Landwirtschaft ausgebracht werden, wenn der im Schlamm enthaltene Phosphor zurückgewonnen wird. Hierfür existierte bisher keine Lösung.
Karl-Heinz Lentz, der Gründer und Geschäftsführer von iGas energy, sieht hohen Bedarf für neue Lösungen: "Die Klärschlammverordnung ist verabschiedet und wird umgesetzt. In Zukunft müssen in Deutschland jährlich rund 1,8 Millionen t Klärschlamm-Trockensubstanz anders entsorgt werden. Mit der dem HyGas-Verfahren machen wir aus organischem Abfall Wertstoffe und senken gleichzeitig die Entsorgungskosten drastisch. Unser HyGas-Verfahren ist das einzige, mit dem Betreiber von Kläranlagen die neue Klärschlammverordnung erfüllen können."

Darüber hinaus hat HyGas hohes Potenzial, die Abhängigkeit Deutschlands vom Phosphorimport zu mindern: Würden alle deutschen Kläranlagen nach dem Verfahren arbeiten, könnten jährlich etwa 55.000 t Phosphor zurückgewonnen werden - das entspricht rund 60 Prozent des Bedarfes an Phosphor.

Mehr Einnahmen, niedrigere Kosten

Alle im Klärschlamm enthaltenen festen Stoffe, Mineralstoffe, Schwermetallsalze und pflanzenverfügbare Nährstoffsalze vermarktet werden. Potenzielle Abnehmer dieser Wertstoffe sind die Baustoff-, Dünger- und die Metallindustrie. Das Synthesegas und der damit erzeugte Strom können in den Kläranlagen genutzt werden, was zusätzlich eine Einsparung von CO2 mit sich bringt.

Auch die Kostenseite sieht positiv aus: Klärschlamm braucht in Zukunft weder transportiert, noch verbrannt oder deponiert zu werden. Insgesamt ergeben sich äußerst geringe, langfristig stabile Entsorgungskosten, was den Zielen der Kommunen sehr entgegenkommt. Berechnungen zeigen, dass die Entsorgungskosten einschließlich der Rückgewinnung des Phosphors pro Einwohner und Jahr langfristig stabil auf etwa vier Euro gehalten werden können. Dabei sind die Erlöse aus dem Verkauf der Wertstoffe noch nicht berücksichtigt.

Die Technik

Die im Klärschlamm enthaltene, nasse organische Masse wird in überkritischem Wasser - bei einen Druck von mehr als 250 bar und einer Temperatur über 600 °C - in Synthesegas aufgespalten, das gespeichert und später auch verstromt werden kann. Es besteht aus Kohlendioxid, Methan und Wasserstoff, ferner aus Propan und Ethen. Da das Gas unter hohem Druck steht, kann es leicht gespeichert werden.

Auch alle festen Inhaltsstoffe des Klärschlamms - Mineralstoffe und Salze - werden verwertet: Es entstehen keinerlei Abfallprodukte, die entsorgt werden müssen. Die im Prozess anfallenden Nährstoffsalze - unter anderem Phosphor - sind hoch pflanzenverfügbar und eignen sich deshalb ideal als Rohstoff für die Herstellung von Dünger.
Ein willkommener Nebeneffekt ist auch, dass der Schlamm bei den hohen Temperaturen im Prozess quasi "en passant" hygienisiert wird. Medikamentenrückstände, die im Klärschlamm enthalten sind, geraten so nicht zurück in die Nahrungskette.

Kläranlagen werden zu Kraftwerken

Auch die Energiebilanz des Prozesses ist positiv. Ein wesentlicher Grund dafür ist, dass im Gegensatz zu traditionellen Verfahren keine Vortrocknung des nassen Schlamms erforderlich ist und keine Verdampfungsverluste entstehen.

Lentz will Kläranlagen zu Stromerzeugern machen: "Das Abwasser, das in die Kläranlagen kommt, enthält so viel chemisch gebundene Energie, dass die Anlagen eigentlich mit Energieüberschuss arbeiten müssten. Heute sind sie jedoch fast ausnahmslos Energieverbraucher. Die etwa 10.000 kommunalen und industriellen Kläranlagen in Deutschland benötigen jährlich etwa 4.400 GWh Strom - nur für die Reinigung des Abwassers! Bei der Überkritischen Gaserzeugung dahingegen ist die elektrische Energiebilanz positiv: So können die Betreiber den Strom, den sie in ihrer Kläranlage erzeugen, selbst nutzen oder verkaufen. Und bei der Verstromung entsteht kein Kohlendioxid."

Die Pilotanlage

iGas energy plant, eine erste marktgerechte Anlage im industriellen Maßstab zu bauen, die entwässerten Faulschlamm verarbeiten soll. Mit einer Kapazität von 200.000 Einwohnerwerten soll sie die weltweit größte Anlage zur vollständigen stofflichen Verwertung von Klärschlamm sein.

Hintergrund: Überkritisches Wasser

Überkritisches (auch "superkritisch" genanntes) Wasser entsteht jenseits des "kritischen Punktes" bei einer Temperatur von mindestens 374 °C und einem Druck von mindestens 221 bar. Es ist dicht wie eine Flüssigkeit, hat aber dieselbe Viskosität wie ein Gas.
In diesem "vierten Aggregatzustand" gehen organische Stoffe vollständig in Lösung. Oberhalb von 500 °C ist das überkritische Wasser nicht nur Lösungs-, sondern auch Reaktionsmittel: Es ermöglicht die Oxidationsreaktion, bei der die organischen Verbindungen in das Synthesegas "HyGas" aufgespalten werden.

  

Abbildungen: Download der hoch aufgelösten Fotos: Pressefotos iGas energy