LocalHy

Forschung im Bereich der dezentralen Wasserelektrolyse

Projekttitel:
HYPOS LocalHy - Dezentrale Wasserelektrolyse mit kombinierter Wasserstoff und Sauerstoffnutzung aus erneuerbarer Energie

Teilprojekt:
Konzeption und Bilanzierung der Nutzung von Reinsauerstoff aus der Wasserelektrolyse auf kommunalen Kläranlagen

Fördernde Einrichtung:
Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF)

Projektdauer:
01.08.2015 - 31.10.2020

Leiter des Teilprojekts:
Prof. Dr. Mark Jentsch

Projektpartner:
AVX/Kumatec Hydrogen GmbH & Co. KG, isle Steuerungstechnik und Leistungselektronik GmbH, sera ComPress GmbH, WTZ Roßlau gGmbH, Wasserwerke Sonneberg, Fraunhofer-Center für Silizium-Photovoltaik CSP

Am Projekt beteiligte Personen:
Bauhaus-Universität Weimar: Prof. Dr. Mark Jentsch, Dipl. UWT Sebastian Büttner, Nicole Meyer M.Sc.

Projektwebseite:
→ www.localhy.de

Projektbeschreibung

Das vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) geförderte, kollaborative Forschungs- und Entwicklungsobjekt LocalHy mit 7 Partnern aus Industrie und Wissenschaft ist Teil der Initiative Zwanzig20 - HYPOS Hydrogen Power Storage & Solutions East Germany. Ziel ist die Entwicklung eines dezentralen Elektrolysesystems zur lokalen Wasserstofferzeugung, das auf kommunalen Kläranlage installiert und genutzt werden kann. Dies wird in Abbildung 1 verdeutlicht.

Abb. 1 - Systemskizze des dezentralen Wasserelektrolysesystems LocalHy auf kommunalen Kläranlagen als Lieferant von Wasserstoff für Mobilitätszwecke sowie für die Stromerzeugung zu Spitzenlastzeiten. Gleichzeitig stellt das System den für eine effektive Abwasserreinigung in den Belebungsbecken des Klärwerks benötigten Sauerstoff bereit.

Kernbestandteil des LocalHy-Systems ist ein Druckelektrolyseur mit 100 bar, der zur Erzeugung von Wasserstoff und Sauerstoff aus erneuerbarem Strom eingesetzt wird. Ergänzt wird dieses System durch eine neuartige Wasserstofftankstelle für Brennstoffzellenfahrzeuge sowie einen neu entwickelten Wasserstoff-Sauerstoff-Kreislaufmotor für die Stromerzeugung. Das Teilprojekt der Bauhaus-Universität Weimar hat das Ziel, den bei der Elektrolyse als "Abfallprodukt" anfallenden Sauerstoff in den Belebungsbecken der kommunalen Kläranlagen zu nutzen, um die dort verwendeten Belüftungsventilatoren zu ersetzen. Zu diesem Zweck wurde die in Abbildung 2a gezeigte Versuchsanlage zur Untersuchung der optimalen Sauerstoffverteilung im Wasser entwickelt. Darüber hinaus wurde, wie die Abbildungen 2b bis 4 zeigen, eine Versuchskläranlage im technischen Maßstab errichtet. Um die Sauerstoffbelüftung im Vergleich zum konventionellen Betrieb mit Belüftungsventilatoren untersuchen zu können, setzt sich die Anlage aus zwei Straßen mit Belüftungsbecken und Nachklärbecken für jeweils 100 Einwohnerwerte zusammen. Darüber hinaus werden im Teilprojekt die Potenziale des Einsatzes von Elektrolyseuren auf Kläranlagen zum Lastmanagement in einem zunehmend auf erneuerbare Energien beruhenden Stromnetz untersucht.

Abb. 2 - (a) Versuchsanlage zur Untersuchung verschiedener Belüftungssysteme in ihrer Effizienz für die Sauerstoffverteilung. (b) Blasenbild im Belebungsbecken der Versuchskläranlage bei Belüftung mit reinem Sauerstoff.

Die gesamte Anlage wird als Demonstrator in der Kläranlage Sonneberg-Heubisch in Südthüringen zusammengeführt, installiert, betrieben und evaluiert.

Abb. 3 - Luftaufnahme der maßstabsgetreuen Versuchskläranlage auf dem Gelände der Kläranlage Sonneberg-Heubisch. Die Versuchsanlage besteht aus zwei getrennten Belebungsbecken mit Nachklärbecken, die unabhängig voneinander betrieben werden können. (Foto: Wasserwerke Sonneberg)
Abb. 4 - Inbetriebnahme des Reinsauerstoff-Belüftungssystems in der skalierten Versuchskläranlage. (Foto: Wasserwerke Sonneberg)

Potenzielle Vorteile des Systems

Es gibt eine Reihe von potenziellen Vorteilen des LocalHy-Systems in einem zukünftigen Energiesystem, die im Folgenden aufgelistete werden:

(a) Die kommunalen Kläranlagen sind im Verhältnis zur Einwohnerzahl über das gesamte Land verteilt. → Die Größe der Kläranlagen entspricht der lokalen Versorgung und Nachfrage nach Strom (Elektrolyseur-Auslegung / Stromerzeugung aus Wasserstoff), Sauerstoff (biologische Reinigungsstufe des Klärwerks / geschlossener Kreislauf Wasserstoff-Sauerstoff-Motor) und Mobilität (Wasserstoff-Tankstelle)

(b) Ein in Kläranlagen integriertes System bestehend aus einem Elektrolyseur und einem Wasserstoffmotor, ermöglicht durch Optionen für eine positive (Elektrolyseur) und negative Leistungsbereichsregelung (geschlossener Kreislauf Wasserstoff-Sauerstoff-Motor) eine lokale Netzstabilisierung. → Effektive Nutzung von erneuerbarem Strom in Zeiten geringer Nachfrage / wichtiger Beitrag zu einem nachhaltigeren Stromversorgungssystem.

(c) Die Installation einer neuen Strominfrastruktur ist nicht erforderlich, da das System lokal in bestehende Netzinfrastrukturen integriert werden kann.

(d) Es ist möglich, eine dezentrale Versorgungsinfrastruktur für die Versorgung von Tankstellen mit Wasserstoff zu entwickeln. → In der lokalen Gemeinschaft wird ein Mehrwert geschaffen, der den Verbrauch von Wasserstoff aus der Region ermöglicht. Der Transport von Gütern über große Entfernungen ist nicht erforderlich.

(e) In städtischen Gebieten wird in den Bereichen Abwasserwirtschaft, Stromversorgung und Mobilität eine effektive Sektorenkopplung erreicht.

Innovation

Das LocalHy-System ist das weltweit erste Power-to-Gas-System, das gleichzeitig die Verbesserung der Energieeffizienz und die Reduzierung von Emissionen in einem dezentralen Maßstab anstrebt, um Lösungen in den Bereichen Energiewirtschaft, Mobilität und kommunale Abwasserbehandlung zu liefern. Darüber hinaus muss betont werden, dass der Ansatz eines dezentralen Systems auch die lokale Wertschöpfung ermöglicht und neben einem wirksamen Umwelt-, Wasser- und Klimaschutz auch eine nachhaltige Entwicklung auf lokaler Ebene fördert.

Durchgeführte Arbeit und Ergebnisse

Verschiedene Experimente in der skalierten Versuchskläranlage ermöglichen die Beurteilung der benötigten Menge an reinem Sauerstoff für eine effektive Abwasserbehandlung sowie die Bestimmung der notwendigen Systemkonfigurationen. Wie in Abbildung 5 und 6 zu sehen ist, zeigen die Ergebnisse der derzeit durchgeführten Experimente eine vielversprechende Reinigungsleistung. Das übergeordnete Ziel dieser ersten Versuche war der Nachweis, dass der durch die Elektrolyse von Wasser gelieferte Sauerstoff in konventionellen Kläranlagen mit begrenztem Anpassungsbedarf genutzt werden kann, wobei die Klärleistung erhalten oder sogar verbessert werden sollte. Die allgemeine Machbarkeit wurde in den Jahren 2017 und 2018 in mehreren Monaten des Betriebs der Anlage nachgewiesen.

Abb. 5 - Vergleich der Reinigungsleistung für Kohlenstoffverbindungen im konventionellen und Reinsauerstoffbetrieb in den beiden Belebungsbecken der Versuchskläranlage. Wasserstand Becken 1 = 2,8m (minimaler Füllstand) und Becken 2 = 4,6m (maximaler Füllstand)
Abb. 6 - Vergleich der Reinigungsleistung für Gesamtstickstoff im konventionellen und Reinsauerstoffbetrieb in den beiden Belebungsbecken der Versuchskläranlage. Wasserstand Becken 1 = 2,8 m (Minimalpegel) und Becken 2 = 4,6 m (Maximalpegel)

Die Experimente, die im Laufe des Jahres 2019 durchgeführt werden, zielen auf die Entwicklung eines optimierten Betriebsregimes für die Verwendung von reinem Sauerstoff aus der Wasserelektrolyse ab. In Verbindung mit einem speziell auf das Elektrolysesystem zugeschnittenen Simulationsmodell werden die Daten zur Abwasserbehandlung und zur Energieleistung schließlich klare Hinweise für die Hochskalierung der Anlage sowie die Wirtschaftlichkeit des Systems ermöglichen. Daraus lassen sich anschließend Empfehlungen für den Betrieb und die Implementierung von Wasserelektrolysesystemen auf Kläranlagen entwickeln.

Veröffentlichte Arbeiten

Büttner S, Jentsch MF, Hörnlein S, Hubner B. Sektorenkopplung im Rahmen der Energiewende – Einsatz von Elektrolysesauerstoff auf kommunalen Kläranlagen, Proceedings 25. Symposium Nutzung Regenerativer Energiequellen und Wasserstofftechnik, Stralsund, 07-10 November 2018, 22-41. → view paper

Jentsch MF, Büttner S. Dezentrale Umsetzung der Energie- und Verkehrswende mit Wasserstoffsystemen auf Kläranlagen, gwf Gas + Energie, 160 (6) (2019) 28-39. → view paper