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Wenn in Europa bis 2050 Klimaneutralität erzielt werden soll, muss sich die Schwerindustrie, z. B. die Stahlproduktion, radikal ändern. „Es ist nicht überraschend, dass die Stahlindustrie weltweit mit am meisten Treibhausgasemissionen verursacht, wenn man den Einsatz schwerer, energieintensiver Industrieanlagen bedenkt“, sagt Robert Paulnsteiner, Projektmanager beim Wasserstoffzentrum von VERBUND Energy4Business.
Laut Paulnsteiner liegt die Herausforderung darin, praktische Lösungen zur Reduzierung der CO2-Emissionen zu finden – diese erfordert vollständig neue Technologien. „Die Industrie will sich von fossilen Brennstoffen ab- und erneuerbarer Energie zuwenden. Dafür sind neue Lösungen notwendig, die ein vergleichbares Leistungsniveau bieten“, fügt er hinzu.
Hier setzt das EU-finanzierte Projekt H2Future an. Im Projekt arbeiten Energieversorger, die Stahlindustrie, Technologieanbieter und Forschende zusammen, um zur Dekarbonisierung der Stahlindustrie beizutragen. Dafür soll die Machbarkeit von Wasserstoff aus erneuerbarem Strom zur Versorgung eines Stahlwerkes nachgewiesen werden.
Der Protonen-Austausch-Membran-Elektrolyseur
Im Mittelpunkt des Projekts steht der Protonen-Austausch-Membran-Elektrolyseur (PEM-Elektrolyseur). „Es handelt sich um ein vielversprechendes Verfahren, das derzeit in vielen Industriebereichen erforscht und getestet wird“, erklärt Paulnsteiner. „Statt flüssiger Elektrolyte wird eine feste Polymermembran verwendet, sodass reines Wasser für die PEM-Elektrolyse geeignet ist.“
Paulnsteiner führt weiter aus, wie die Membran als physische Grenze zwischen Anode und Kathode dient und so verhindert, dass sich O2 und H2 vermischen. „Das ermöglicht eine hohe Qualität des Wasserstoffs mit einer theoretischen Gesamteffizienz von bis zu 80 %.“
Das Projekt H2Future wendet dieses Konzept auf die Anforderungen des Stahlwerks an. Hierfür wurde ein großes, 6-Megawatt PEM-Elektrolysesystem im Stahlwerk von voestalpine in Linz (Österreich) entwickelt und verbaut. Der von Siemens, einem der Projektpartner, gebaute PEM-Elektrolyseur ist eine hochentwickelte Anlage, die eine effektive und nachhaltige Wasserstofferzeugung ermöglicht.
„Derzeit ist dies der größte PEM-Elektrolyseur, der in einem Stahlwerk in Betrieb ist, und einer der weltweit größten“, merkt Paulnsteiner an.
Eine tragfähige Möglichkeit, den CO2-Ausstoß der Stahlindustrie zu reduzieren
Im Laufe des Projekts wurden zahlreiche Pilottests mit dem PEM-Elektrolyseur durchgeführt. „Unser Ziel war die Validierung der Verwendung von Elektrolyse als tragfähige Möglichkeit, den CO2-Fußabdruck der Stahlindustrie zu verringern“, erklärt Paulnsteiner.
Mit bis zu 1 200 Kubikmeter erzeugten Wasserstoffs pro Stunde – wesentlich mehr als vergleichbare Systeme derzeit erzielen – ist das Projekt auf einem guten Weg, sein Ziel zu erreichen.
Die Forschenden untersuchen auch das Potenzial des Systems, die allgemeinen Betriebskosten zu senken und neue Einnahmequellen zu eröffnen. „Die PEM-Elektrolyse hat ein gutes dynamisches Verhalten, um sich beispielsweise ohne wesentliche Verzögerung dem Leistungsprofil einer Windkraftanlage anzupassen“, merkt er an. „Die Leistung dieser Technologie wird sich voraussichtlich enorm verbessern und die installierten Kapazitäten um mindestens eine Größeneinheit erhöhen.“
Paulnsteiner erläutert weiter, dass durch die inhärente Flexibilität des Elektrolyseurs, die eine einfache Anpassung des Stromverbrauchs an den tatsächlichen Bedarf ermöglicht, das Angebot von Nebenleistungen ans Stromnetz möglich ist. Das Projekt läuft noch und der Elektrolyseur wird derzeit quasi-kommerziell betrieben.
Ein technologischer Durchbruch
Obwohl die Arbeit noch nicht abgeschlossen ist, zeigen diese Versuche die Machbarkeit der Erzeugung hochwertiger, umweltfreundlicher Wasserstoffenergie für eine umweltfreundliche Stahlproduktion. Die Effizienz des Elektrolyse-Systems wurde ebenfalls erhöht und erreicht Spitzenwerte von bis zu 83 % Gesamteffizienz.
„Wir sind uns sicher, dass unsere hochentwickelte Technologie alles auf den Kopf stellen wird, nicht nur in der Stahlbranche, sondern auch in anderen energieintensiven Industrien“, meint Paulnsteiner abschließend. „Deshalb bereiten wird derzeit ein Nachfolgeprojekt vor, das unseren umweltfreundlichen Wasserstoff anderen industriellen Anwendungen verfügbar machen soll.“
H2Future wurde von der EU und dem Gemeinschaftsunternehmen „Brennstoffzellen und Wasserstoff“ unterstützt.