Wasserstoff als Energiespeicher Aus Solarstrom und Wasser wird H2 sowie Strom und Wärme

Autor / Redakteur: Ulrike Ostler / Johann Wiesböck

Alle denken bei Wasserstoff an Autos – „Wir nicht“, sagt Markus Ostermeier, der zusammen mit seinem Bruder Peter mindestens eine Sektorenkopplung zum Ziel hat – in einer Anlage: die Stromerzeugung mittels Photovoltaik, das Wandeln in und das Speichern von überschüssiger Energie als Wasserstoff, das Nutzen der Abwärme zum Heizen, sowie des Sauerstoffs und des H2 in Laboren, Kläranlagen und Gabelstaplern.

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Peter (links) und Markus Ostermeier stehen vor ihrer Anlage, die mittels Elektrolyse von Wasser und Grünstrom als Energiespeicher funktioniert.
Peter (links) und Markus Ostermeier stehen vor ihrer Anlage, die mittels Elektrolyse von Wasser und Grünstrom als Energiespeicher funktioniert.
(Bild: Ulrike Ostler)

Zwei Ingenieure, zwei Brüder: Peter und Markus Ostermeier haben zum 15. April 2021 die Ostermeier H2ydrogen Solutions GmbH gegründet. Zwei ihrer Systeme waren im Mai bereits verkauft, zwei weitere gehen bis zum September in Betrieb.

Das Besondere an den Anlagen ist die kompakte, zum Transport geeignete Bauweise, etwa zwei 19-Zoll-Racks groß (19“ x 405 Millimeter x 13 Höheneinheiten), modular aus Standardkomponenten aufgebaut und mit einem Sicherheitskonzept versehen, das die beiden Entwickler zum Patent angemeldet haben. Der Schrank fasst mindestens eine Batterie, einen Stromwandler, eine Elektrolyse-Einheit mit Wasseraufbereitung, einen Druckspeicher und eine Brennstoffzelle sowie eine Steuereinheit und Netzteile. Zum Betrieb wird Wasser in Trinkwasserqualität benötigt sowie Strom, etwa aus einer Photovoltaikanlage.

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In den Sommermonaten wird gespeichert, derzeit in Druckgasbehältern, wie man sie auch für andere Gase, wie zum Beispiel Stickstoff, verwendet. Am wirtschaftlichsten sind zurzeit 50-Liter-Behälter. Auf 300 bar komprimiert, passt gut 1 kg Wasserstoff in eine Flasche.

Die Einsatzgebiete

Der Speicher lässt sich verwenden, um an Tagen ohne Sonne, daraus Strom zu erzeugen. Dafür ist die Brennstoffzelle gedacht, wenngleich auch ein Verbrennungsmotor wie zum Beispiel ein Wankelmotor denkbar wäre, so die Ostermeiers. Bei der Rückverstromung des Wasserstoffs entsteht zusätzlich Wasserdampf, der in die Umgebung geleitet wird. Der Strom aus der Brennstoffzelle fließt über den Stromwandler in die Batterie, die wiederum ein Firmen- oder Stadtteilnetz speist – ein geschlossener Kreislauf.

Klar, dass sich mit dem Wasserstoff aus der Elektrolyse auch andere Verwendungszwecke verbinden lassen. Mit einem Kilogramm Wasserstoff kann ein Gabelstapler drei bis vier Stunden fahren. In den USA gibt es bereits 15.000 Gabelstapler, die mit Brennstoffzellen ausgerüstet sind, und sich mit einer PV-Anlage auf dem Dach oder dem Firmengelände auftanken ließen, BMW setzt in der Leipziger Produktion Wasserstoff-Stapler ein. Stahl lässt sich in Wasserstoffatmosphäre vergüten, Margarine mit Wasserstoff härten, Glasoberflächen werden mit über 2.000 Grad Celsius-Wasserstoffflammen behandelt …

Peter Ostermeier will die Anlage auf jeden Fall im eigenen Unternehmen einsetzen. Mit der ca. 60 kWp großen PV-Anlage auf dem Dach des Firmengebäudes lassen sich etwa 75 Prozent des Bedarfs eines Arbeitstages zeitgleich decken. Der Rest und die Stromerzeugung am Wochenende sind also übrig. Die Wasserstoffanlage ist in 10 Sekunden zuschaltbar und kann je nach Konfiguration zwischen 1 bis 100 kW „verarbeiten“.

Dabei fungiert eine Batterie, egal ob Lithium-Ionen oder Bleisäure-Batterie, als Schnittstelle zwischen PV-Stromerzeugung und Elektrolyse . Sie kann entweder direkt mit der PV-Anlage oder über ein Hausstromnetz angebunden werden und dient als Pufferspeicher, der geringe Mengen und kurzfristige Stromüberschüsse zwischenspeichert. Sobald die Batterie ihren maximalen Füllstand erreicht hat, derzeit 5 kWh, wird der Strom für die Erzeugung von Wasserstoff verwendet.

Die Wasserstoff- und Stromproduktion

Da für die Elektrolyse passender Gleichstrom notwendig ist, sieht das Ostermeiersche System einen Stromwandler (AC-/DC- oder DC-/DC-Wandler) vor. Er wird zudem benötigt, um den Strom aus der Brennstoffzelle wieder für die Einspeicherung in die Batterie passend zu machen.

Bevor die Aufspaltung des Wassers starten kann, muss dieses gereinigt werden. Die benötigte Wasserqualität für den Elektrolyse-Stack beträgt weniger als 0,1 Microsiemens pro Zentimeter (μS/cm), ist „sauberer als destilliertes Wasser aus dem Supermarkt“, so die Ostermeiers. Das geschieht mithilfe einer Wasseraufbereitung mittels Umkehrosmose und Ionentauscher, wie so mancher Hausbesitzer es durch das Herausfiltern von Kalk kennt. Das entsprechende Pulver muss nach rund 3.000 Betriebsstunden für rund 150 Euro ausgewechselt werden, nach derzeitiger Kalkulation der beiden, einmal pro Jahr. Um die Elektrolyse sofort starten zu können, besitzt die Anlage einen kleinen Wasservorrat von 10 Litern.

Das Herzstück der Wasserstoffbatterie ist die Elektrolyse. Sie besteht selbst aus mehreren Komponenten: neben dem für die Wasseraufbereitung, aus dem Elektrolyserahmen-, dem Elektrolyse-, dem Steuerungs- und dem Kühlmodul. Dieser Aufbau hat zur Folge, dass sich die Elektrolyse der jeweiligen Anwendung entsprechend konfigurieren lässt. So ist in der Grundausstattung ein Elektrolysemodul eingebaut, doch fünf können es nach derzeitigem Stand sein.

Der Elektrolyse-Stack der Baureihe „S30“ von H-Tech Systems
Der Elektrolyse-Stack der Baureihe „S30“ von H-Tech Systems
(Bild: H2ydrogen Solutions GmbH)

Das Elektrolyserahmenmodul ist mit einem oder zwei Fächern für 19-Zoll-Einschübe erhältlich. In der Standardausführung ist es mit Standfüßen ausgestattet und in lichtgrau pulverbeschichtet. Kern des Elektrolysemoduls sind die so genannten Stacks der „S30“-Serie von H-TEC Systems - S30-10, S30-30 und S30-50. (siehe Bild). Die nominale Leistung entspricht 1 kW, 3 kW und 5 kW, die Mean Time To Failure (MTTF) rund 35.000 Betriebsstunden. Markus Ostermeier sagt zur Komponentenwahl: „Der Hersteller hat nach einem Partner gesucht, der die kleinen Stacks in eine Gesamtlösung integriert. Daher ergänzen wir uns ideal.“

Das Elektrolysemodul ist derzeit in zwei Druckstufen erhältlich: 16 oder 25. In der Druckstufe 16 beträgt der Wasserstoffausgangsdruck 15 bar, in der nächsthöheren 20 bar.

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Die Brüder Ostermeier

„Energie sollte dort verwendet werden, wo sie entsteht“, sagt Markus Ostermeier, in griffigem Englisch: „Power to the people!“. Der Diplom-Ingenieur hat an der Technischen Universität Maschinenwesen studiert und 2009 auch dort mit dem Schwerpunkt Gießereiwesen promoviert. Er war Lehrbeauftragter für Produktentwicklung an der TU Ingolstadt und an der Hochschule München. Seit 2013 beschäftigt ihn das Thema „Power to Gas“.

Parallel arbeitet er momentan noch bei CM Fluids, einem Unternehmen im oberbayerischen Rohrbach bei Pfaffenhofen an der Ilm, das Biogas zu flüssigem Bio-Kohlenstoffdioxid und flüssigem Biomethan verarbeitet und Nutzfahrzeuge mit dem generator-elektrischen Antrieb „CMF drive“ ausstattet. Davor war er mehrere Jahre bei MAN Diesel & Turbo im Kraftwerksanlagenbau und danach bei einem Startup für biologische Methanisierung, bei dem grüner Wasserstoff und CO2 mit Hilfe von Archaeen in grünes Methan umgewandelt wird.

Peter Ostermeier

Diplom-Ingenieur FH Peter Ostermeier ist der Chef des mittelständischen Schweitenkirchener Familienbetriebs Klaus Ostermeier GmbH, ein metallverarbeitendes Unternehmen, das auf die Bereiche Abwurfanlagen, Kamine und allgemein aufs Laserschneiden, Schweißen, Kanten, Runden und Stanzen von Blechen spezialisiert ist. Ehrensache, dass die Schränke für die Wasserstoffherstellung nicht zugekauft, sondern im eigenen Hause gefertigt werden.

Er leitet zudem seit 2013 die Phoenix Thermal Solutions GmbH, in der er im selben Jahr die Mehrheit übernommen hat, um Industrieöfen für die Trocknung von Elektronikkomponenten herzustellen.

Er sagt: „In Ländern mit ganzjährig gleichmäßigem Sonnenschein ist ein Tageszeitenspeicher, der den Strom vom Tag in den Abend und die Nacht speichern kann, ausreichend und Batterien eine gute Lösung. Hierzulande sind jedoch Speicher notwendig, die größere Energiemengen über längere Zeiträume halten können. Wasserstoff (H2) ist hierfür ein idealer Energieträger.“

Die Leistung

Die nominale H2-Produktion beträgt bei den unterschiedlichen Varianten 0,22, 0,66 und 1,1 Norm-Kubikmeter pro Stunde (Nm³/h). Der Prozesswasserverbrauch mit Kondensatrückführung ist in allen drei Ausführungen mit rund 1 Liter pro Norm-Kubikmeter produziertem Wasserstoff (1 l/Nm³) gleich. Markus Ostermeier fügt an: „Eine Autowäsche verbraucht 140 Liter und wir geben das Wasser beim `Verbrennen´ an die Natur zurück.“

Hinter dieser Verblendung befindet sich die Elektrolyseeinheit. Der starre Auslass, der aussieht als ließen sich dort Luftballons aufziehen, ist der Auslass für den Wasserstoff. Zu erkennen sind außerdem die Schneidringverschraubungen und im Fenster der verbaute „S30“-Stack von H-TEC.
Hinter dieser Verblendung befindet sich die Elektrolyseeinheit. Der starre Auslass, der aussieht als ließen sich dort Luftballons aufziehen, ist der Auslass für den Wasserstoff. Zu erkennen sind außerdem die Schneidringverschraubungen und im Fenster der verbaute „S30“-Stack von H-TEC.
(Bild: Ulrike Ostler)

Doch nicht jede Wasserstoffqualität ist für jede Anwendung geeignet. In den Standardausführungen von OHS liegt die Wasserstoffreinheit bei 99,95 Prozent. Denn das jetzige Elektrolysemodul ist mit einem Wasserstoffkühler, der im Prinzip wie ein Kühlschrank funktioniert, ausgestattet, der den Wasserstoff am Ausgang mit 5 Grad Celsius gesättigt zur Verfügung stellen kann. Wird Wasserstoff gewünscht, der trockener ist, wird ein zusätzliches Trocknungsmodul notwendig.

Parameter EOM/01/16M EOM/01/16M EOM/01/16M
Abmaße (Breite x Tiefe x Höhe) 19" x 405mm x 13HE 19" x 405mm x 13HE 19" x 405mm x 13HE
Wasserstoff-Produktion 0,22 Nm3/h bzw. 0,02 kg/h 0,66 Nm3/h bzw. 0,06 kg/h 1,1 Nm3/h bzw. 01.kg/h
Wasserstoff-Reinheit 99,95 % 99,95 % 99,95%
(Wasserstoff-)Druck am Auslass 15 bar (a) 15 bar (a) 15 bar (a)
Gewicht ca. 50 kg 50 kg 50 kg
Verbauter Elektrolyse-Stack H-TEC S30/10 H-Tec S3/30 H-TEC S30/50
Benötigte Wasserqualität am Anschluss < 0,1 μS/cm < 0,1 μS/cm < 0,1 μS/cm
Prozesswasserverbrauch (mit Kondensatrückführung) ca. 1 l/Nm³ ca. 1 l/Nm³ ca. 1 l/Nm³
Mastermodul vollständige Steuerung integriert vollständige Steuerung integriert vollständige Steuerung integriert
Stromversorgung Peripherie Kaltgerätestecker (IEC-60320 C14) Kaltgerätestecker (IEC-60320 C14) Kaltgerätestecker (IEC-60320 C14)
Stromversorgung Elektrolyse-Stack Harting HAN 6 Harting HAN 6 Harting HAN 6
Kommunikationsschnittstelle Steuerung 2 x RJ45 (EtherCat) 2 x RJ45 (EtherCat) 2 x RJ45 (EtherCat)
Kommunikationsschnittstelle Netzteil M8 4-polig M8 4-polig M8 4-polig M8 4-polig

Ein oft diskutiertes Problem der Wasserstoffnutzung ist der Wirkungsgrad. Der Wirkungsgrad bei der Ostermeierschen Konstruktion liegt bei 60 Prozent mit der kleinen Anlage, bis zu 65 Prozent bei der großen.

Um den Wirkungsgrad zu erhöhen, lässt sich die sowohl beim Betrieb der Elektrolyse als auch beim Betrieb der Brennstoffzelle freiwerdende Wärme auf einem Temperaturniveau zwischen 40 und 50 Grad Celsius nutzen, sinnvoll bei Nahwärme- und Stadteilnetzen. Auch der Sauerstoff ist in geeignete Anwendungen integrierbar, etwa in der Fischzucht oder in Kläranlagen.

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Die geplante Anwendung

Die nahe Kreisstadt Pfaffenhofen an der Ilm will in ihrer Kläranlage ab Herbst 2021 die Anlage einsetzen. Dazu haben die Stadtwerke mit mehreren Partnern ein Förderprojekt beantragt. Projektpartner sind neben der Ostermeier H2ydrogen Solutions GmbH und den Stadtwerken, die Schott AG, die OTH Regensburg, die FAU Erlangen, die Bürger Energie Genossenschaft Pfaffenhofen an der Ilm und von drei Firmen, die an der Entwicklung eines effizienteren Rieselbettreaktors Interesse haben: Electrochaea GmbH, Microbenergy GmbH (Viessmann Gruppe) und die Micropyros GmbH. Kern ist eine Säule, die mit porösen Glassteinchen von Schott bestückt ist und an der Archaeen ihre Arbeit tun.

Ostermeiers erläutern: „Wir prüfen, ob sich die Dynamik der Wasserstoff- der Methanproduktion synchronisieren lässt und wollen über die Sauerstoffnutzung im Belebungsbecken Energie im Kläranlagenbetrieb einsparen.“

Die Voraussetzungen

Seit 2016 gehört die Mehrheit der Konzessionsanteile von Strom- und Gasnetz in der 28.000-Einwohner-Stadt den dortigen Stadtwerken. Deshalb besteht schon länger ein großes Interesse am Thema ‚Sektorenkopplung‘. Bereits 2016 haben die Stadtwerke das Projekt „Infinity One“ gestartet, bei dem Windenergie aus dem Bürgerwindpark in einer Elektrolyse in Wasserstoff und dann mit Hilfe einer biologischen Methanisierung zusammen mit dem CO2 aus der Kläranlage zu Methan gewandelt werden soll, das sich in herkömmlichen Gasnetz verwenden lässt.

Bei der Methanisierung kommen Archaeen zum Einsatz. Sie werden mit dem CO2 aus dem Klärwerk sowie Wasserstoff aus einem mit Ökostrom betriebenem Elektrolyseur gefüttert und wandeln beides in Methan um. Bisher scheitert das Projekt an der EEG-Umlage, die die Erzeugung zu einem dicken Minusgeschäft konvertieren würde (siehe: Video Bayerischer Rundfunk).

Die Gefahren

Die H2-Batterie besteht aus verschiedenen standardisierten Modulen wie Batterie, DC/DC-Inverter, Wasseraufbereitung, Elektrolyse, H2-Speicher und einer Brennstoffzelle und ist lokal anpassbar.
Die H2-Batterie besteht aus verschiedenen standardisierten Modulen wie Batterie, DC/DC-Inverter, Wasseraufbereitung, Elektrolyse, H2-Speicher und einer Brennstoffzelle und ist lokal anpassbar.
(Bild: Markus Ostermeier/Ostermeier H2ydrogen Solutions GmbH)

Wasserstoff wird misstraut, schließlich ist es ein Gas und Gas kann explodieren. Doch Markus Ostermeier beruhigt: „Wasserstoff benötigt wie Mehlstaub, Methan oder andere Gase die richtige Menge Sauerstoff, um zu einer explosiven Mischung zu werden. Wird das zugelassen und trifft gleichzeitig eine Flamme auf das Gemisch, gibt es eine Explosion.“

Was heißt das für Kunden des Wasserstoffspeichers der H2ydrogen Solutions GmbH? Schaffen sich die Anwender eine Bombe an? Und was tun, wenn es brennt?

Für Markus Ostermeier ist es zunächst eine Sache der Gewöhnung, des fach- und sachgerechten Umgangs und der strikten Vermeidung einer explosiven Atmosphäre und der Trennung von Gas und Zündquelle. Zu den ersten beiden Punkten gehört es, sich mit den Eigenschaften von Wasserstoff vertraut zu machen. Es verbrennt nahezu unsichtbar. Die Flamme ist über 2000 Grad Celsius heiß und vergleichsweise schmal (siehe. Video). Und dann kommt es auf den fachgerechten Bau der Anlage am richtigen Standort an.

Wie das Sicherheitskonzept der Anlage genau funktioniert, wollen die Brüder nicht ausführen, nicht bevor das Patent erteilt ist.

Die Zukunftsaussichten

Photovoltaikanlagen, bei denen die EEG-Umlage wegfällt, sind abgeschrieben und können Strom für weniger als 2 Cent pro kWh produzieren. Das sind ideale Stromquellen für die Produktion von grünem Wasserstoff. Da es immer mehr dieser Stromquellen geben wird und da Wasserstoff vielfältig einsetzbar ist, ist es kein Wunder, dass Ideen in diesem Bereich wie Pilze aus dem Boden schießen. Dennoch sehen Ostermeiers für ihr Produkt noch kaum Konkurrenz, wie zum Beispiel Enapter, die Berliner HPS Home Power Solutions GmbH und Lavo aus Australien (https://lavo.com.au/) und Nel in Norwegen. Gleichzeitig ist jetzt der Moment gekommen, um marktreife Produkte in die Anwendung zu bringen.

Obwohl bislang nur drei, in Bälde vier Personen für die Ostermeier H2ydrogen Solutions GmbH arbeiten, kann dank der bestehenden Ostermeier-Firmen die Kapazität am Standort Schweitenkirchen innerhalb kürzester Zeit auf 50 Anlagen pro Jahr hochgefahren werden. Sollte die Nachfrage höher sein, wollen die Gründer Teile der Fertigung auslagern.

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Um hier schnell genug unterwegs zu sein, hat das Start-up nach der „Family & Friends“-Finanzierung eine weitere Finanzierungsrunde über die Plattform Companisto initiert. Dabei sollten etwa 1 Millionen Euro zusätzliches Kapital aufgebracht werden. Laut Companisto war der Aufruf derartig erfolgreich, dass die Runde nach weniger als der Hälfte der Zeit beendet worden ist.

Der Firmenstart ist jedenfalls vielversprechend. Obwohl erst Mitte April der Eintrag ins Handelsregister erfolgt ist, sind zwei Anlagen verkauft, und mindestens zwei weitere Anlagen sollen im Herbst in Betrieb gehen. Weitere Anfragen gibt es ebenfalls.

* Ulrike Ostler ist Chefredakteurin bei DataCenter-Insider.

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