Reinstwasser, der Wegbereiter für eine nachhaltige und klimafreundliche Energieversorgung

Abbildung 3: EnviroFALK Reinstwasseraufbereitungsanlage

Abbildung 4: EnviroFALK Kreislaufreinigung

Abbildung 1: Power-to-X (PtX)

Abbildung 2: Polymerelektrolytmembran-Elektrolyse

Christopher Lenz, Business Development Manager, EnviroFALK

Erneuerbare Energien: Herausforderungen und Chancen

Die fortschreitende Klimaerwärmung erfordert einen Wandel von endlichen fossilen Brennstoffen zu sauberen, erneuerbaren Energien aus Wasser-, Solar-, Windkraft- und Biogasanlagen.

Wind- und Solarenergie sind dabei die wichtigsten Energieträger der regenerativen Stromerzeugung. Ein großes Problem der zukünftigen Energiewirtschaft durch fluktuierende erneuerbare Energien ist jedoch die Speicherung. Das Stromnetz ist nicht in der Lage, Energie bei Bedarfsmangel zu speichern, was dazu führt, dass die Anlagen abgeregelt werden müssen und somit ineffizient arbeiten. Für die kurzfristige Stromspeicherung des sogenannten Ökostroms kommen zwar bisher Pumpenspeicherwerke und Batterien zum Einsatz, diese reichen jedoch nicht aus, um die Energieversorgung langfristig zu sichern.

Power-to-X (PtX): Die Schlüsseltechnologie für eine bessere CO2-Bilanz

„Power-to-X“ steht als Oberbegriff für Technologien, die es ermöglichen, überschüssigen Strom aus erneuerbaren Energien weiterzuverarbeiten und zu speichern, um somit fossile Energieträger zu ersetzen (Abbildung 1).

– Energieträger Gas - Power-to-Gas (PtG)
– Flüssigtreibstoffe - Power-to-Liquid (PtL)
– Chemische Grundstoffe - Power-to-Chemicals (PtC)

Power to Gas (PtG)

Beim PtG-Verfahren wird überschüssiger Ökostrom zur Erzeugung von sogenanntem „grünem Wasserstoff“ genutzt, der als Energieträger der Zukunft ausschließlich Wasser als Verbrennungsrückstand hinterlässt.

Zum Einsatz kommen hier verschiedene Arten von Elektrolyse-Systemen, sogenannte „Elektrolyseure“, mit denen Wasser mittels elektrischen Stroms in seine chemischen Bestandteile Wasserstoff (H2) und Sauerstoff (O2) gespalten wird. Besonders die „Polymerelektrolytmembran-Elekrolyse (PEM)“ (Abbildung 2) spielt aufgrund ihrer Beständigkeit gegen die Lastwechsel der fluktuierenden erneuerbaren Energien, sowie ihrer hohen Effizienz und schnellen Reaktionszeiten eine große Rolle.

Nach der Elektrolyse wird H2 komprimiert, um ihn speichern und transportieren zu können. Als Energieträger findet grüner Wasserstoff u.a. seinen Einsatz als umweltfreundlicher Kraftstoff in Brennstoffzellen-Fahrzeugen und Industriebetrieben, sowie in weiterverarbeiteter Form als Rohstoff in der chemischen und pharmazeutischen Industrie.

Zum Transport und zur weiteren Nutzung kann Wasserstoff, unter bestimmten Bedingungen, in bereits bestehende Erdgasnetze eingespeist werden. Jedoch ist dies aufgrund seiner geringeren Energiedichte nur in begrenzten Mengen möglich. Für die Einspeisung größerer Mengen wird aus H2 mittels Methanisierung zunächst das brennbare Gas Methan (CH4) erzeugt und anschließend dem Erdgasnetz zugeführt, wo es für Heizzwecke und/oder zur Stromerzeugung genutzt werden kann.

Darüber hinaus können auch gasbetriebene PKWs und LKWs mit grünem Wasserstoff betankt und somit annährend klimaneutral betrieben werden.

Power-to-Liquid (PtL)

Grüner Wasserstoff findet zudem Anwendung in der Herstellung von synthetischen Flüssigkraftstoffen. Bei der PtL-Technologie wird überschüssiger Strom genutzt, um ein Synthesegas aus Wasserstoff und Kohlenstoffmonoxid zu erzeugen, aus dem flüssige synthetische Kraftstoffe (E-Fuels) hergestellt werden. Diese Technologie ermöglicht es, Benzin und Diesel aus Erdöl schrittweise zu ersetzen. Auch synthetische Kraftstoffe für den Luftfahrt- und Schiffsverkehr können damit erzeugt werden. Ein großer Vorteil dieser Technologie ist die Nutzung bestehender Infrastrukturen, wie Tankstellen und Transportsysteme.

Da die synthetische Herstellung von E-Fuels aus Ökostrom die gleiche Menge CO2 bindet wie sie bei der Verbrennung freigibt, werden diese Kraftstoffe als klimaneutral angesehen.

Power-to-Chemicals (PtC)

Bei der PtC-Technologie werden, aufbauend auf dem PtG-Verfahren, aus Ökostrom und der Synthese von Wasserstoff mit CO2 und Stickstoff chemische Grundstoffe hergestellt, die fossile Rohstoffe wie Erdöl und Erdgas ersetzen sollen. Beispiele hierfür sind Kunststoffe, Waschmittel und Additive, die in vielen Industriezweigen von Bedeutung sind.

Reinstwasser: Der unverzichtbare Rohstoff für PtX-Technologien

Reinstwasser spielt eine zentrale Rolle in allen PtX-Technologien, insbesondere bei der Erzeugung von grünem Wasserstoff mittels Elektrolyse. Dieses hochreine Wasser ist nahezu frei von Verunreinigungen, wie organischen Stoffen, Bakterien, Partikeln und gelösten Gasen und weist eine sehr geringe Leitfähigkeit von typischerweise 0,055 µS/cm auf, was es ideal für den Einsatz in sensiblen Prozessen wie der PEM-Elektrolyse macht. Reinstwasser wird aus verschiedenen Ausgangswässern gewonnen, die je nach Herkunft stark in ihrer Qualität variieren können. Diese Vielfalt erfordert eine individuell angepasste Reinstwasseraufbereitung, um alle unerwünschten Mineralstoffe und Gase zu entfernen, die ansonsten die Elektrolyseprozesse stören könnten.

Die Bedeutung von Reinstwasser für die PtX-Prozesse kann nicht genug betont werden: Ohne die richtige Wasserqualität können Salzablagerungen auf den Membranen und Elektroden der Elektrolyseure entstehen und deren Effizienz und Lebensdauer erheblich beeinträchtigen. Daher ist die prozessorientierte Reinstwasseraufbereitung (Abbildung 3) nicht nur ein wesentliches Kriterium, sondern ein kritischer Erfolgsfaktor für die nachhaltige Produktion von synthetischen Brennstoffen.

Vom Rohwasser zum Reinstwasser

Bei der Planung einer Wasseraufbereitungsanlage ist die nahtlose Integration in das PtX-System von entscheidender Bedeutung. Darunter zählen z.B. die standort-orientierte Einplanung in das Gesamtsystem, die steuerungstechnische Verknüpfung über spezifizierte Kommunikationsschnittstellen, einheitliche Fabrikate von Anlagen-komponenten und eine konsistente Dokumentation. Ebenso gilt es bei der Planung einer Wasseraufbereitungsanlage die LCOE (Levelized Cost Of Electricity) zu betrachten, bei denen neben den Investitionskosten auch die laufenden Betriebskosten mit einzubeziehen sind. Hierzu zählen Energie- und Medienverbräuche, Abwassermengen, Betriebsmittel und Servicekosten.

Die Aufbereitung des Rohwassers zur Erzeugung von Wasserstoff mittels Elektrolyse erfolgt in mehreren Verfahrensstufen in spezifischer Reihenfolge, die jeweils an die örtliche Wasserqualität in einem Detailengineering angepasst wird. Dabei kommen verschiedene Verfahrensstufen zum Einsatz, wie:

– Vorfiltration mittels Rückspülfilter, Kiesfilter oder Ultrafiltration
– Entfernung der Härtebildner Calcium und Magnesium mittels Ionentauscher Enthärtungsanlagen (Alternativ Antiscalant-Dosierung zur Härtestabilisierung)
– CO2-Entfernung/-bindung mittels Membranentgasung oder Natronlauge
– Entsalzung um > 98 % mittels Reverse Osmose (RO)
– Vollentsalzung mittels 2. Reverse Osmose Stufe oder Elektrodeionisierung (EDI)
– Prozesswasser-Recyclinganlagen zur kontinuierlichen Entsalzung auf < 0,1 µS/cm und Partikelfiltration auf unter 1 µm
– Entgasungsanlagen zur Restentfernung von H2 und O2
– Prozesswasser-Vorlagesystem mit Lagertank und Druckerhöhungsanlagen
– Prozesswasserkühleinrichtung (optional)

Reinstwasserqualitäten, die prozessbedingt variieren:

 Hauptmerkmal der EnviroFALK Reinstwasseraufbereitungsanlagen, speziell für Hochdruck- und Hochtemperaturanwendungen, wie der PEM-Elektrolyse, ist die  Kreislaufreinigung (Abbildung 4), die es ermöglicht „verunreinigtes“ Prozesswasser zu recyceln. Eine Technologie, die aktiv zum Umweltschutz beiträgt und die Kosteneffizienz in industriellen Prozessen optimiert. Die Kreislaufsysteme sind speziell darauf ausgelegt, Prozesswasser unter hohem Betriebsdruck von bis zu 50 bar und Temperaturen von über 65 °C, aufzubereiten. Durch den Einsatz modernster Technologien, die für den Dauerbetrieb konzipiert sind, wird eine zuverlässige und wirtschaftliche Aufbereitung des Wassers sichergestellt.

Hochleistungs-Reinstwasserlösungen für maximale Prozesssicherheit und Flexibilität

Bei EnviroFALK dreht sich alles um Lösungskonzepte für die Wasseraufbereitung in Krankenhäusern, Laboren und ausgewählten Industriezweigen. Zudem entwickeln die Experten Reinstwasseranlagen, die Elektrolyseure mit hochreinem Wasser versorgen. Damit ermöglicht das Unternehmen eine zuverlässige und effiziente Produktion von Wasserstoff.

Die Qualität und Verfügbarkeit von Reinstwasser ist entscheidend für den PtX-Prozess. Eine hohe Serviceverfügbarkeit und kurze Reparaturzeiten (Mean Time To Recover - MTTR) sowie eine hohe Systemverfügbarkeit (Service Level Agreement - SLA) sind für Wasseraufbereitungsanlagen unerlässlich. Um Betriebsausfälle zu minimieren, sind Maßnahmen wie Redundanz kritischer Bauteile, optimierte Ersatzteilhaltung, der Einsatz bewährter Komponenten und die genaue Überwachung von Prozessparametern erforderlich. Diese Strategien ermöglichen eine Systemverfügbarkeit von über 99%. EnviroFALK bietet hierfür eine breite Palette an qualitativ hochwertigen Komponenten für ein Maximum an Prozesssicherheit.

Die EnviroFALK-Reinstwasser-Prozesssysteme zeichnen sich durch ihre modulare Bauweise aus, die eine flexible Integration in bestehende Anlagenkonzepte erlaubt. Diese Modularität bietet den Vorteil, dass die verschiedenen Verfahrensstufen je nach räumlichen und prozesstechnischen Anforderungen individuell angeordnet werden können. Ob nebeneinander, übereinander oder in separaten Räumen – die Systeme lassen sich optimal an die jeweiligen Bedingungen anpassen.

Fortschrittliche Reinstwassersysteme für grüne Energie

In den vergangenen Jahren hat EnviroFALK durch die enge Zusammenarbeit mit namhaften Herstellern von Elektrolysesystemen zahlreiche anwendungsorientierte Reinstwasser-Prozesssysteme für PtX-Projekte entwickelt und bereitgestellt.

Von den frühen Anfängen in 2012 bis heute wurden mehr als 100 Reinstwasser-Prozesssysteme in unterschiedlichen Konzepten und Leistungsstufen für verschiedene PtX-Projekte realisiert. Diese tragen heute maßgeblich zur Etablierung von Wasserstoff als nachhaltigen Energieträger und somit zu einer umweltfreundlichen und zeitgemäßen Erzeugung von Energie bei.

Die Errichtung einer der damals weltweit größten, regelflexiblen Wasserstoff-Anlagen mit einer elektrischen Leistung von 6 MW, erfolgte 2015 im Wirtschaftspark Mainz-Hechtsheim. Dort werden heute mittels PEM-Elektrolyseuren von Siemens stündlich bis zu 1.000 Nm³ grünem Wasserstoff aus überschüssiger elektrischer Windenergie erzeugt. Der produzierte Wasserstoff wird vor Ort zwischengespeichert und anschließend in verschiedene Anwendungen, wie Verkehrswesen, Industrie und dem Erdgasnetz zugeführt. Der Rohstoff „Wasser“ wird mit einer 1.000 l/h Reinstwasseranlage bereitgestellt und mittels einer 4.200 l/h Prozesswasser-Kreislaufreinigungsanlage von feinsten Partikeln und gelösten Salzen befreit.

2023 errichtete Air Liquide gemeinsam mit  Siemens Energy am Standort Oberhausen das Projekt „Trailblazer“ – einen 20 MW PEM-Elektrolyseur zur Erzeugung von grünem Wasserstoff. Der Trailblazer versorgt über eine bestehende Wasserstoff-Pipeline Schlüsselindustrien wie Stahl, Chemie, Raffinerien und Verkehr mit 2.900 Tonnen grünem Wasserstoff pro Jahr sowie Sauerstoff. EnviroFALK lieferte hierzu eine Kreislaufanlage mit einer Durchsatzleistung von 30.000 l/h. Die modular aufgebaute Anlage wurde im Herstellerwerk in Leverkusen anschlussfertig vormontiert und konnte somit innerhalb kürzester Zeit vor Ort aufgestellt und in Betrieb genommen werden.

Weitere überzeugende Erfolgsbeispiele:

– Windgas Haßfurt GmbH (PtG-Projekt)
Elektrische Leistung 1,25 MW aus Windenergie, Wasserstofferzeugung ca. 200 Nm³/h, Reinstwasseranlage 300 l/h, Kreislaufreinigung 600 l/h

– Salzgitter Flachstahl (PtG-Projekt)
Elektrische Leistung 2,2 MW aus Windenergie, Wasserstofferzeugung ca. 400 Nm³/h, Reinstwasseranlage 900 l/h, Kreislaufreinigung 4.200 l/h

– Ludwigshafen (PtC-Projekt)
Elektrische Leistung 54 MW Wasserstofferzeugung 8000 t/a, Reinstwasseranlage 10.500 l/h, Kreislaufreinigung 150.000 l/h

PtX-Projekte für ein klimaneutrales Europa

Die Planung innovativer PtX-Projekte ist ein entscheidender Schritt auf dem Weg zu einem klimaneutralen Europa bis 2050. Diese Projekte tragen dazu bei, die Abhängigkeit von fossilen Brennstoffen zu verringern und die Energieversorgung zu diversifizieren. Der erste globale PtX-Atlas, erstellt vom Fraunhofer Institut für Energiewirtschaft und Energiesystemtechnik, zeigt das enorme Potenzial. Insbesondere in Regionen, die reich an erneuerbaren Energiequellen sind. Solche Projekte können nicht nur Europa, sondern auch die globale Energieinfrastruktur transformieren und eine Win-win-Situation für Umwelt und Wirtschaft schaffen.

EnviroFALK hat sich darauf eingestellt, PtX-Projekte mit modernsten Reinstwasseranlagen zu unterstützen und damit die Klimaneutralität weiter voranzutreiben.

Vita Christopher Lenz:

Christopher Lenz, 1994 in Limburg an der Lahn geboren, zeigte schon früh ein ausgeprägtes Interesse für Nachhaltigkeit und Energieeffizienz. Er erlangte seinen Bachelor-Abschluss in Energietechnik im Jahr 2019. Hierbei spezialisierte er sich auf die Wasserstofftechnologie für eine großtechnische Produktionsanlage in Zusammenarbeit mit der Trianel GmbH. Sein Masterstudium in Erneuerbaren Energien schloss er 2021 mit einer Arbeit über eine Multikriterienanalyse für die Wasserstoffwirtschaft ab, die die wirtschaftlichen, ökologischen und technischen Aspekte beleuchtete. Beide Abschlussarbeiten spiegeln sein tiefes Interesse an der Wasserstofftechnologie wider. Als Projektleiter bei Trianel GmbH trug er maßgeblich zu Wasserstoffprojekten bei. Seit 2023 verantwortet Christopher Lenz als Business Development Manager bei EnviroFALK den Bereich Reinstwasseranlagen für PtX-Projekte.