ARGE Wasserstoff-Initiative-Vorpommern

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1 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 BSB 5 /d durch angeschlossene Einwohner zuzüglich einer Menge von m 3 /a Fäkalschlamm verarbeitet. Ab dem Jahr 2002 wird aufgrund einer Erhöhung der Abwassermenge der Festanschlüsse die Schmutzfracht auf einen Wert von 660 kg BSB 5 /d zuzüglich einer Fracht von max. 164 kg BSB 5 /d durch zwei Campingplätze ansteigen. Ab dem Jahr 2005 werden weitere 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.

2 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 / m 3 H 2 realisierbar. Setzt man folgende Werte an, so könnten sich interessante wirtschaftliche Perspektiven für diese Anlagentechnologie ergeben.

3 Kapitaldienst nach Abzug der möglichen steuerlichen Abschreibungen ,00 jährlich jährliche Nutzungsdauer von h H 2 Abnahme Nm 3 jährlich O 2 Abnahme Nm 3 jährlich Stromkosten jährlich Stromertrag aus PV-Anlage jährlich Instandhaltungskosten jährlich Angenommener H 2 Preis 3,50 je m 3 Angenommener O 2 Preis 0,75 je m 3 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.

4 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 KW p H 2 Erzeugung: 10 Nm³/h H 2 Reinheit: 99,999 % H 2 Speicherdruck: 281 bar abs. H 2 Abgabedruck: 210 bar abs. O 2 Erzeugung: 5 Nm³/h O 2 Reinheit: 97 % O 2 Speicherung: 60 bar abs. Reichweite Bus: Leistung: Belegung: max. Geschwindigkeit: > 180 km 60 KW 24 Personen 80 km/h

5 ARGE Wasserstoff-Initiative-Vorpommern Solarer Wasserstoff in Mecklenburg - Vorpommern Photovoltaik - Anlage elektrische Energie aus Sonne HOGEN - PEM - Elektolyseur Sauerstoffgas Wasserstoffgas O 2 -Verdichter H 2 -Verdichter O 2 -Speicher H 2 -Speicher Klärwerk Belebungsbecken Bus Ansicht Brennstoffzellen