ARGE Wasserstoff-Initiative

ARGE Wasserstoff-Initiative-Vorpommern
Solarer Wasserstoff in Mecklenburg-Vorpommern
Utopie oder Zukunftstechnologie
Konsequente Umsetzung des Klimaschutzkonzeptes des Bundeslandes Mecklenburg-Vorpommern
war der Antrieb zur Realisierung des Projektes Wasserstoff-Initiative-Vorpommern am Standort Barth,
einer der schönsten Boddenstädte.
In Barth entsteht zur Zeit eine in der Bundesrepublik bis heute einmalige Anlage zur Erzeugung von
solarem Wasserstoff, bei gleichzeitiger Nutzung des dabei anfallenden Sauerstoffs zur Ertüchtigung
des vorhandenen Klärwerks. Dieses Projekt ist ein regional geschlossener Kreislauf: Das Konzept
beinhaltet die Einbeziehung sämtlicher modernster regenerativer Technologien zur Produktion von
Wasserstoff durch Solarenergie, zur Betankung eines Personenbusses, ausgestattet mit einem
Brennstoffzellenantrieb, und unter gleichzeitiger Nutzung des „Abfallproduktes“ Sauerstoff für den
Betrieb der Kläranlage. Der Einsatz des Brennstoffzellenbusses erfolgt in der geschützten Landschaftsregion „Nationalpark Vorpommersche Boddenlandschaft“.
Ausgangslage für die Realisierung dieses Projektes ist der Bedarf von zusätzlichem Sauerstoff im
Klärwerk Barth. In der vorhandenen Kläranlage Barth, Vorpommern, wird zur Zeit eine Schmutzfracht
von durchschnittlich 540 kg BSB5/d durch 9.000 angeschlossene Einwohner zuzüglich einer Menge
von 11.000 m3/a Fäkalschlamm verarbeitet.
Ab dem Jahr 2002 wird aufgrund einer Erhöhung der Abwassermenge der Festanschlüsse die
Schmutzfracht auf einen Wert von 660 kg BSB5/d zuzüglich einer Fracht von max. 164 kg BSB5/d
durch zwei Campingplätze ansteigen. Ab dem Jahr 2005 werden weitere 1.100 Festanschlüsse hinzukommen. Diese zusätzlichen Belastungen können mit der momentanen Fahrweise nicht mehr verarbeitet werden. Um die zusätzlichen Frachten zu verarbeiten, soll Sauerstoff zur Spitzenabdeckung
zusätzlich in das bestehende System eingetragen werden, um den biologischen Abbau, d.h. die Verarbeitungskapazität, zu verbessern.
In einer Voruntersuchung wurde eine Vorentscheidung zwischen der Anlieferung und Bedarfsabdeckung durch Flüssigsauerstoff und Sauerstoff als Coprodukt der elektro-chemischen Gewinnung mittels eines Wasserstoffelektrolyseurs zu Gunsten des Wasserstoffelektrolyseurs getroffen.
Zur Ertüchtigung der bestehenden Kläranlage in Barth wird Sauerstoff in Spitzenzeiten parallel zum
bereits vorhandenen Lufteintragssystem eingesetzt. Dieser Sauerstoff wird vor Ort elektrolytisch erzeugt.
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Gleichzeitig wird neben der Sauerstoffproduktion Wasserstoff hergestellt, zum Einsatz für den Antrieb
eines mit einer Brennstoffzelle ausgestatteten Busses.
Sauerstoff, wie auch Wasserstoff, wird in einem Elektrolyseur gewonnen und zwar durch die elektrolytische Aufspaltung von Wasser. Das für die Elektrolyse benötigte Wasser entspricht Trinkwasserqualität und wird nach Eintritt in den Elektrolyseur durch einen Ionenaustauscher entionisiert.
Als Elektrolyt dient ein Feststoffelektrolyt, der auf einer Proton Exchange Membran (PEM) fixiert ist.
Beiderseits der Membran sind poröse Elektroden aufgebracht. Der Anode wird Wasser zugeführt. Das
Wassermolekül spaltet sich, indem es zwei Elektronen abgibt, in zwei elektrisch positiv geladene
Wasserstoffionen und in ein neutrales Sauerstoff-Atom. Die beiden Wasserstoffionen wandern durch
die Membran zur Kathode und nehmen dort die beiden Elektronen wieder auf, die über den äußeren
Stromkreis von der Anode herübergeleitet worden sind – die Wasserstoffatome sind wieder vollständig
und formen ein Molekül, das sich mit anderen zu Gasbläschen sammelt. Beide Gase werden am jeweiligen Gasaustritt gefasst und getrennten Kreisläufen zugeführt.
Der Sauerstoff wird über ein Wasserschloss mit anschliessender Tropfenabscheidung, Kondensator
und Nacherhitzer einer zwei-stufigen Metallmembran-Verdichtereinheit zugeführt. Dort wird der Sauerstoff auf 61 bar abs. verdichtet und in den Sauerstoffspeicher gefördert. Im Sauerstoffspeicher wird
die Masse Sauerstoffgas gelagert, die für die Spitzenbedarfsabdeckung erforderlich ist. Über eine
Druckreduzierung wird der Sauerstoff in das Eintragssystem im Belebungsbecken geführt.
Das Wasserstoffgas wird ebenfalls über einen Feuchteabscheider geführt. Im Gegensatz zum Sauerstoff werden beim Wasserstoff eine höhere Reinheit und ein geringerer Feuchtegehalt gefordert, da
dieses Gas zum Antrieb einer Brennstoffzelle benötigt wird.
Nach der Trocknung des gasförmigen Wasserstoffes strömt das Gas bei einem Druck von 10 bar abs.
über einen Vorlagebehälter zur zweistufigen Verdichterstation. Dort wird das Gas vom Elektrolysedruck 10 bar abs. auf 281 bar abs. verdichtet in einem Speicher gelagert und bei Bedarf direkt über
die Schnellbetankungsstation in den Speicher des Busses gefüllt.
Die elektrische Energie, die der Elektrolyseur und die beiden Gasverdichter benötigen, wird ebenfalls
auf dem Gelände des Klärwerkes Barth mit einer dem Sonnenstand nachgeführten Photovoltaikanlage erzeugt, mit einer installierten elektrischen Leistung von 99 KWp.
Neben dem technischen innovativen Charakter dieses Projektes dürfen auch die wirtschaftlichen Aspekte nicht außer Betracht gelassen werden.
Elektrolyseur
Der mit dieser Anlage hergestellte Wasserstoff hat eine Qualität von 99,999 % Reinheit, welche für
den Einsatz im analytischen Bereich geeignet ist. In diesem Bereich sind spezifische Preise von € 4 /
3
m H2 realisierbar.
Setzt man folgende Werte an, so könnten sich interessante wirtschaftliche Perspektiven für diese Anlagentechnologie ergeben.
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Kapitaldienst nach Abzug der möglichen steuerlichen Abschreibungen
€ 152.000,00 jährlich
jährliche Nutzungsdauer von 8.000 h
H2 – Abnahme 80.000 Nm3 jährlich
O2 – Abnahme 40.000 Nm3 jährlich
Stromkosten 90.000 € jährlich
Stromertrag aus PV-Anlage € 48.500 jährlich
Instandhaltungskosten
€ 40.000 jährlich
Angenommener H2 Preis € 3,50 je m3
Angenommener O2 Preis € 0,75 je m3
Findet man Möglichkeiten den Ertrag aus Sonnenenergie zu steigern, z.B. Stromerzeugung durch
nachwachsende Rohstoffe, so macht sich dies bei der Kosten/Nutzen-Situation deutlich bemerkbar.
Selbst bei geringeren Anforderungen an die Qualität des Wasserstoffgases sind bei Ausnutzung aller
Möglichkeiten der regenerativen Energiegewinnung wirtschaftliche Perspektiven gegeben.
Utopie oder Zukunftstechnologie Diese Frage kann man aus heutiger Sicht eindeutig zugunsten der
Zukunftstechnologie beantworten. Die solare Wasserstofferzeugung und deren sinnvolle wirtschaftliche Nutzung wird ihren Platz im Energiemix der Zukunft finden und auch behaupten. Jedoch bedarf es
weiterhin großer Anstrengungen aller Beteiligten, wie in diesem Falle den Vertretern des Umweltministerium, der Fachhochschule Stralsund, des Betreibers des Klärwerkes, der Kommune und den
Ingenieuren um bei dieser Zukunft gestalterisch mitzuarbeiten.
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Solarer Wasserstoff in Mecklenburg-Vorpommern
Mitglieder ARGE Wasserstoff-Initiative-Vorpommern:
• Wasser und Abwasser GmbH, Boddenland, Ribnitz-Damgarten
• Fachhochschule Stralsund, Stralsund
• Carl H. Wolters Ostseebus GmbH, Barth
Technische Daten der solaren Wasserstofferzeugung mit Brennstoffzellenbus
Leistung PV-Anlage:
97 KWp
H2 Erzeugung:
10 Nm³/h
H2 Reinheit:
99,999 %
H2 Speicherdruck:
281 bar abs.
H2 Abgabedruck:
210 bar abs.
O2 Erzeugung:
5 Nm³/h
O2 Reinheit:
97 %
O2 Speicherung:
60 bar abs.
Reichweite Bus:
> 180 km
Leistung:
60 KW
Belegung:
24 Personen
max. Geschwindigkeit:
80 km/h
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A R G E W a s s e rstoff-Initiative-Vorpommern
Solarer Wasserstoff in Mecklenburg - Vorpommern
Photovoltaik - Anlage
e lektrische Energie aus Sonne
H O G E N - P E M - E lektolyseur
Sauerstoffgas
W a s s e rstoffgas
O 2 -Verdichter
H 2 -Verdichter
O 2 - S p e icher
H 2 - S p e icher
Klärw e rk
Belebungsbecken
Bus
Ansicht
Brennstoffzellen