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GET – GREEN EFFICIENT TECHNOLOGIES – Deutsche Sprache

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„GET – GREEN EFFICIENT TECHNOLOGIES“ ist die neue unabhängige Medienplattform für Energie­versorgung, Effizienzsteigerung und alternative Energieträger und -speicher. In der Industrie gibt es nach wie vor ein hohes Potential, Energie einzusparen. Effizienz ist nicht nur für die Wirtschaftlichkeit eines Unternehmens wichtig, sondern zielführend und ressourcen­schonend. Die Bedeutsamkeit von Effizienz, vor allem in der Energieerzeugung, welche Rolle dabei Wasserstoff, Industrieprozesse, die Ressourcen- und Kreislaufwirtschaft spielen, wie Energie gespeichert werden kann und vieles mehr finden Sie in der neuen GET. „GET – GREEN EFFICIENT TECHNOLOGIES“ ist eine Publikation der PuK. Das Fachmedium wird 2023 in deutscher Sprache am 25. Mai und 7. November als Print- und Digitalausgabe und am 5. Juli und 29. November in englischer Sprache ausschließlich als digitale Ausgabe erscheinen.

Leitartikel Speicher ist

Leitartikel Speicher ist das LOHC auf der Basis des Butyltoluols oder Dibenzyltoluols (es kann selbst mit Schweißbrennern nicht entflammt werden) oder der Magnesium-Hydrid-Speicher von Fraunhofer (Dresden). Beide sind vergleichbar speicherdicht (LOHC 2,1 KWh/Kg, MgH 2 1,6 KWh/Kg). Die LOHC braucht Wärme, um den Wasserstoff herauszulösen, während auf das Magnesium-Hydrid nur Wasser getropft werden muss, um den Wasserstoff frei zu bekommen. Letzteres ist aber eher brennbar, hochviskos und daher schwer zu pumpen. Daher ist dieses Speichermedium eher für kleine Einheiten geeignet, wo vorab gefüllte Kartuschen eingesetzt werden können. Der Nachteil dieser Speichermedien ist, dass beim Einspeichern immer zentral, also in einer professionellen Einspeisestelle, Abwärme entsteht, die man unbedingt nutzen sollte, aber die Speicherung im Magnesium-Hydrid nicht Zuhause durchführen kann. Im Wirkungsgrad Strom zu Strom sind beide vergleichbar. Man muss also nur unterscheiden, welche Methode zu welchem Prozess und welcher Anwendung besser passt. Also verfügen wir über Speichermethoden, die uns helfen, eine Wasserstoffgesellschaft zu realisieren. Geräte für den Wandel Im Kern der Wasserstoffgesellschaft stehen die Elektrolyse- und Brennstoffzellen. Derzeit sind die mit Polymer-Exchange-Membran (PEM) die häufigsten eingesetzten Typen. Die für den „Hausgebrauch“ bessere Technik scheint aber die Feststoffoxid-Brennstoffzelle zu sein. Diese kann sowohl als Brennstoffzelle als auch Elektrolysezelle betrieben werden. Sie kann also Wasserstoff als auch daraus Strom erzeugen. Der Wechsel der Betriebsart hat sogar den Vorteil einer längeren Lebensdauer des Gerätes. Diese Gerätetechnik hat den Vorteil, dass sie einen sehr guten Wirkungsgrad hat und zugleich eine hohe Abwärmetemperatur. Mit dieser Abwärme kann der Wasserstoff aus der LOHC herausgelöst werden (Abb. 1, Winterbetrieb, patentiert). Verfügt z.B. ein Hausbesitzer über ein solches Gerät, könnte Zuhause Wasserstoff produziert werden (Abb. 1, Sommerbetrieb). Also könnte man im Sommer Energie von der Photovoltaik in Wasserstoff wandeln und in LOHC einspeichern, um im Winter über die LOHC und mit Hilfe der Brennstoffzelle damit Strom zur Verfügung zu haben. Der Hydrier- Apparat dafür ist einfach zu bauen. Wie also könnte eine solche Wasserstoffgesellschaft aussehen? Zweifellos vielerorts kleinteilig und mit einer dezentralen Struktur. Jedoch muss auch unterschieden werden, wo welcher Energiebedarf besteht. Großindustrie Da die Stromversorgung solcher Firmen heute funktioniert, wird sie auch in Zukunft funktionieren. Wenn ein stofflicher Bedarf für Wasserstoff z.B. bei der Chemie besteht, dann profitiert diese mit Sicherheit am meisten von den Ammoniakimporten. Je näher die Produktion an der stofflichen Nutzung von Ammoniak oder Wasserstoff liegt, desto mehr profitiert sie. Die maschinenbauliche Industrie hingegen braucht bevorzugt Strom, der sicher zum großen Teil von den Windfeldern kommt. Trotzdem sollte die gesamte Industrie auch PV aufs Dach bauen und damit eine gewisse Selbstversorgung anstreben. Ein Teil des Stromes könnte auch als Strom oder Wasserstoff oder eingespeicherter Wasserstoff aus der Umgebung (PV) kommen und so für eine gewisse Versorgungssicherheit sorgen. Ein Teil der nötigen Prozesswärmen könnten auch so erzeugt werden, dass der Strom von privat zur Abb. 1: SOFC-Brennstoff-Elektrolysezelle mit der aus LOHC Wasserstoff herausgelöst und anschließend direkt verstromt (Winterbetrieb), aber auch Wasserstoff produziert werden kann (Sommerbetrieb): A Anode, E Elektrolyt, K Kathode. (patentiert) 8 GREEN EFFICIENT TECHNOLOGIES 2022

Leitartikel Industrie geliefert wird und dort damit Wasserstoff erzeugt und eingespeichert wird, um die Abwärmen (Elektrolyse und Hydrierung) zu nutzen. Die LOHC könnte dann wieder an privat geliefert werden, um dort den Strom im Winter zu erzeugen (Abb. 1, links). In gewisser Weise sind so durchaus Synergien zwischen einem Industrieunternehmen und seiner Umgebung denkbar, was auch zu einer besseren Identifikation der Bevölkerung mit dem Unternehmen führen würde. Im Winter ist auch noch die Wärmegewinnung aus reinem Sauerstoff (den wir zukünftig viel zur Verfügung haben werden) und brennbaren Abfallstoffen (Klärschlamm, Altholz,…) eine Möglichkeit sowohl um Strom oder auch damit Wasserstoff oder auch nur Wärme zu erzeugen. Zugleich gibt es Wärmepumpentechniken, die bis zu 300°C Vorlauftemperatur liefern können. Damit sind Wärmepumpen für die Prozesstechnik nun auch eine Alternative. Dezentrale Kleinindustrie Die Kleinindustrie oder auch Mittelstand genannt, ist im ganzen Land verteilt und stellt einen wesentlichen wirtschaftlichen Stabilitätsfaktor dar. Aber auch hier sollte PV überall aufs Dach. Je nach Gebäudehöhe könnten auch Kleinwindräder sinnvoll sein. Der fehlende Teil des Stroms im Sommer wird von den Nachbarn aus dem größeren Umkreis geliefert. Je nach Produktart und genutzter Prozesstechnik kann die Wärme, die bei der Wasserstofferzeugung und Einspeicherung genutzt werde, oder es muss etwas gebaut werden, das die Wärme nutzt (im ländlichen Raum z.B. Destillation, Bäckerei,…). Im Falle der Wärmenutzung heißt das, dass im Winter die Wärme dann nicht mehr ausreicht, dann könnte man auch hier den Sauerstoff vom Sommer speichern (leichter als Wasserstoff speicherbar) und im Winter durch Verbrennungsprozesse mit reinem Sauerstoff (mindestens 600°C heißer) dann Wärme herstellen. Eine weitere Quelle entsteht beim Herauslösen des Wasserstoffs aus der LOHC, die den fehlenden Strom im Winter erzeugen kann. Für die Ergänzung der Wärme wäre auch hier eine Wärmepumpe eine gute Lösung (s.o.). Wird im Winter nur Wärme zum Heizen gebraucht, könnte eine Wärmepumpe auch für die Gesamtheizung zum Einsatz kommen. Der Strom dafür und für die Infrastruktur könnte von der winterlichen Restsonne oder aus dem im Sommer überall gespeicherten LOHC kommen. Auch hier sind Synergien mit der Umgebung denkbar (Umliegende Häuser liefern im Sommer Strom in die Firmen und bekommen beladenes LOHC im Winter zurück), die mit Sicherheit positiv auf das Zusammenleben wirken könnten. Wohnhäuser und Wohngebiete Kernstück einer solchen Versorgung sind die Elektrolyse- und Brennstoffzellen (Abb. 1). Diese sind derzeit noch sehr teuer, aber ein erster Schritt könnte die SOFC-Technik (Feststoffoxid) sein. Da diese sowohl als Brennstoff (B), als auch als Elektrolysezelle (E) betrieben werden können, ist die Investition halbiert. Und wenn diese serientauglich entwickelt sein wird, wird auch der Preis im akzeptablen Rahmen sein. Der Wechsel von E auf B und zurück hat den Vorteil, dass die Zelle länger lebt und damit weiter die Kosten senkt. Sie hat durchaus Wirkungsgrade von Wasserstoff zu Strom von 60 % bis 80%, daher natürlich auch eine Abwärme im Temperaturbereich bis 1000 °C. Richtig genutzt, kann man damit jede Temperatur unter 1000°C erreichen, so auch die Heißwassererzeugung, für das Kochen oder die Heizung. Für letztere ist aber die Energiemenge nicht groß genug, brauchen wir doch mindestens das Dreifache an Wärmeenergie als Strom. Man könnte mit der SOFC-Technik Strom und Heißwasser erzeugen (Winter) und auch Wasserstoff (Sommer). Für die Heizung benötigen wir aber weitere Quellen oder Maßnahmen. Der erste Schritt wäre die Verbesserung der Isolation der Wohneinheit. Der Gewinn, der damit relativ leicht möglich ist, liegt durchaus im Bereich von mindestens 60% Heizöleinsparung. Der nächste Schritt oder auch der einzige Schritt wäre eine Wärmepumpe. Hier empfehle ich eine Erdwärmepumpe, die einen COP-Wert (Coefficient of Performance-Verhältnis Wärmeenergie/ Stromverbrauch) von größer 6 hat. Der Nachbar ärgert sich mit diesem Gerät nicht über das bei Luft/Luft- Wärmepumpen entstehende Geräusch. Hier sind mittlerweile Temperaturen bis 80°C möglich, das heißt, man kann auch normale Heizkörper damit versorgen (Abb. 2). Natürlich ist es auch denkbar, die Wärme aus einem Fernwärmenetz zu beziehen, das z.B. vom einem Energiezentrum Kläranlage gespeist wird. Das Einspeichern der Energie im Sommer ist einfach. Die B/E-Zelle erzeugt Wasserstoff und dieser wird eingespeichert. Im Winter reicht die Abwärme aus dem Brennstoffzellenbetrieb aus, um den Wasserstoff aus der LOHC zu lösen und dann zu verstromen. So ist grundsätzlich eine Abb. 2: Energieversorgungskonzept für Wohnhäuser und Wohngebiete im Falle einer autarken Lösung GREEN EFFICIENT TECHNOLOGIES 2022 9

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