Grüner Wasserstoff gilt als Schlüsselelement für eine nachhaltige Energiezukunft und die Dekarbonisierung unterschiedlichster Industriezweige. Die Herstellung von Wasserstoff mit Hilfe von erneuerbarem Strom aus Wasserelektrolyseuren, insbesondere Protonenaustauschmembran-Elektrolyseuren (PEM), gewinnt immer mehr an Bedeutung. Dabei fällt bei diesen electrochemischen Systemen beträchtliche Abwärme an, welche bislang häufig ungenutzt in die Umwelt frei gegeben wird. Die Integration von effizienten Systemen zur Abwärmerückgewinnung und deren Nutzung zur Stromerzeugung durch organische Rankine-Zyklen (ORC) stellt eine innovative Möglichkeit dar, die Gesamtenergieausbeute deutlich zu verbessern und den ökologischen Fußabdruck weiter zu reduzieren. Die PEM-Elektrolyse ermöglicht es, Wasser bei moderaten Temperaturen zwischen 60 und 80 °C zu spalten und dabei sehr reinen Wasserstoff sowie Sauerstoff zu produzieren.
Obwohl die PEM-Technologie aufgrund ihrer schnellen Reaktionszeiten und Kompaktheit große Vorteile bietet, geht ein Teil der zugeführten elektrischen Energie in Form von Abwärme verloren. Besonders bei großanlagen mit einer Leistung von mehreren Megawatt kann diese thermische Energie erheblich sein. Ein beispielhafter Betrieb an einer Anlage mit 20 MW Leistung zeigt, dass bis zu etwa 27 Prozent der zugeführten elektrischen Leistung als Wärme abgegeben werden. Diese Abwärme effektiv zu nutzen, ist entscheidend für eine nachhaltige und wirtschaftlich rentable Wasserstoffproduktion. Ein vielversprechender Lösungsansatz ist die Kopplung der PEM-Elektrolyse mit einem organischen Rankine-Zyklus.
Im Gegensatz zum klassischen Wasserdampf-Rankine-Zyklus, der hohen Temperaturen und Drücken bedarf, arbeitet der ORC mit organischen Arbeitsstoffen wie R245fa, die bei niedrigeren Temperaturen verdampfen. Diese Eigenschaft macht ORC-Anlagen ideal für die Nutzung von Abwärme, die im Bereich von 60 bis 80 °C verfügbar ist. In einem geschlossenen Kreislauf wird das organische Arbeitsmedium zunächst in einem Verdampfer durch die vom Elektrolyseur abgegebene Wärme erhitzt und verdampft anschließend. Der Dampf treibt eine Turbine an, die Strom erzeugt. Anschließend kondensiert das Medium wieder und wird durch eine Pumpe zurück zum Verdampfer geleitet, um den Kreislauf zu schließen.
Modellrechnungen mit dem Prozesssimulationsprogramm Aspen Plus zeigen eindrucksvoll, dass durch die Integration eines ORC-Systems in eine 20 MW PEM-Anlage eine zusätzliche elektrische Leistung im mittleren fünfstelligen Bereich in Kilowattstunden generiert werden kann. Diese wiederum deckt nicht nur den Kühlbedarf der Elektrolyseure, sondern liefert auch überschüssige Energie, die ins Netz eingespeist oder für andere Zwecke genutzt werden kann. Die Optimierung der ORC-Anlage ist hierbei ein wesentlicher Schritt. Durch gezielte Steuerung von Parametern wie Arbeitsflüssigkeitsmassenstrom, Druckverhältnissen und Temperaturen gelingt es, die Turbinenleistung zu maximieren und den Pumpenenergieaufwand zu minimieren. Das Ergebnis ist eine Steigerung der Wirkungsgrade um mehrere Prozentpunkte im Vergleich zu Systemen ohne Abwärmenutzung.
Die Rückführung der Kühlwasserströme in einem geschlossenen Kreislauf hat den zusätzlichen Vorteil, dass Umweltbelastungen durch Kühlwasser reduziert werden. Die kontinuierliche Kühlung der PEM-Stapel auf einem optimalen Arbeitspunkt trägt zudem zur längeren Lebensdauer der empfindlichen Membranen und Katalysatoren bei. Die Implementierung eines ORC-Systems macht die Wasserstoffproduktion insgesamt robuster und ressourcenschonender, da thermische Energie nicht mehr einfach in die Umwelt abgegeben wird, sondern einen messbaren Beitrag zur Stromerzeugung leistet. Die Auswahl des passenden Arbeitsmediums im ORC ist ein wichtiger Faktor für Effizienz und Betriebssicherheit. R245fa hat sich im aktuellen Studienkontext als besonders geeignet erwiesen, da es niedrige Viskosität und geeignete thermodynamische Eigenschaften bei moderaten Betriebstemperaturen aufweist.
Andere organische Kältemittel wie R134a, R123 oder R245ca stehen je nach Anlagencharakteristik ebenfalls zur Verfügung, weisen jedoch unterschiedliche Eigenschaften hinsichtlich Umweltverträglichkeit, Toxizität und Marktverfügbarkeit auf. Ein fundiertes Verständnis der thermodynamischen Prozesse ist essentiell, um die Wahl des Arbeitsmediums optimal auf die spezifischen Gegebenheiten der Wasserstoffanlage anzupassen. Die Integration von Abwärmerückgewinnungssystemen in großskalige PEM-Anlagen bietet darüber hinaus positive Effekte hinsichtlich der Wirtschaftlichkeit zukünftiger Wasserstoffproduktionsstätten. Durch die Erhöhung des Gesamtwirkungsgrades und die bessere Nutzung der zugeführten Primärenergie sinken die Produktionskosten pro Kilogramm Wasserstoff. In einem zunehmend wettbewerbsintensiven Markt ist eine effiziente Energienutzung entscheidend für die Marktakzeptanz und Skalierung grüner Wasserstofftechnologien.
Zudem lassen sich bestehende Anlagen durch Nachrüstungen mit ORC-Systemen weiter optimieren und an die steigenden Anforderungen der Energieeffizienz anpassen. Zusammenfassend zeigt sich, dass die Kombination von PEM-Elektrolyse mit organischen Rankine-Zyklen ein vielversprechendes Konzept zur Steigerung der Energieeffizienz in der grünen Wasserstoffproduktion darstellt. Die effektive Rückgewinnung und Umwandlung von Abwärme in nutzbare elektrische Energie harmoniert mit den Zielen der Dekarbonisierung und Ressourcenschonung. Für die Zukunft ist es entscheidend, diese Technologien weiter zu erforschen und in reale industrielle Anwendungen zu überführen. Fortschritte in Materialwissenschaften, Prozesssteuerung und Thermodynamik sowie umfassende techno-ökonomische Analysen werden den Weg ebnen, um großtechnische Anlagen wirtschaftlich rentabel zu gestalten und ihren Beitrag zur Energiewende zu leisten.
Die Entwicklung von nachhaltigen Versorgungsketten für Arbeitsstoffe, die Zirkulation und Wartung der Wärmerückgewinnungssysteme sowie die Integration in bestehende Energiesysteme sind ebenfalls wesentliche Aspekte. Innovative Steuerungstechniken ermöglichen es, die ORC-Anlagen flexibel an unterschiedliche Lastprofile und regenerative Stromquellen anzupassen. Durch intelligente Prozessoptimierung lässt sich die Wasserstoffproduktion mit dynamischen Erneuerbaren Energien effizient synchronisieren, was die Systemstabilität fördert und die Netze entlastet. Zusätzlich zum effizienzsteigernden Effekt können ORC-gestützte Wärmerückgewinnungssysteme einen Beitrag zur Reduzierung von Umweltbelastungen leisten, indem Wärmeverluste gemindert und Primärenergieressourcen nachhaltiger genutzt werden. Die Kombination aus grüner Wasserstofferzeugung und innovativen Abwärmenutzungstechnologien unterstreicht den ganzheitlichen Ansatz, der für die Erreichung der Klimaziele erforderlich ist.
Forschung und Industrie stehen gleichermaßen in der Verantwortung, diese Ansätze praxisnah weiterzuentwickeln und durch Pilotprojekte ihre Vorteile unter realen Bedingungen zu demonstrieren. Durch das zunehmende Interesse an Wasserstoff als Energieträger und Rohstoff gewinnt die Optimierung von Elektrolyseprozessen, insbesondere durch Wärmerückgewinnung, weiter an Bedeutung. Die Konkurrenzfähigkeit grüner Wasserstofftechnologien gegenüber fossilen Alternativen hängt maßgeblich von Innovationskraft und Effizienzsteigerungen ab. Das vorgestellte Konzept einer großskaligen PEM-Anlage mit integrierter organischer Rankine-Kaskade zur Abwärmenutzung erfüllt diese Anforderungen und stellt einen bedeutenden Schritt in Richtung eines nachhaltigen Energiesystems dar. Auf dem Weg zu einer klimafreundlichen Wasserstoffwirtschaft werden umfassende Analysen zu ökonomischen und ökologischen Auswirkungen unverzichtbar sein.
