Mit Windenergie ins Solarzeitalter – Offshore Windparks zur Wasserstofferzeugung

 von Frank Richert, GEO mbH, Enge-Sande

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Jede Diskussion um Energie verwandte Themen wie z.B. Luftverschmutzung, Klimaveränderung oder Versorgungssicherheit erwecken das Thema der zukünftigen Energieträger. In diesem Zusammenhang fällt immer öfter der Begriff Wasserstoff oder Wasserstoffwirtschaft. Die Idee der Wasserstoffwirtschaft ist an sich nicht neu und wurde zuerst im Zusammenhang mit Atomstrom erwähnt. Etwas später kam die Idee der solaren Wasserstoffwirtschaft hinzu. Wasserstoff ist genau wie Elektrizität ein Energieträger, der mit hoher Effizienz und null oder nahezu null Emissionen genutzt werden kann. Zur Zeit findet Wasserstoff größtenteils Anwendung in der chemischen Industrie. Für den Energiesektor stellt Wasserstoff heutzutage noch keinen bedeutenden Energieträger dar. Wasserstoff lässt sich auf verschiedenen Wegen herstellen und kann die herkömmlichen Energieträger in allen ihren Anwendungen ersetzen. So kann Wasserstoff im mobilen Bereich als Energieträger für den Transport, im stationären Bereich für die Erzeugung von Wärme und Elektrizität eingesetzt werden und im portablen Bereich die Versorgung von z. B. Notebooks übernehmen. Fast alle großen Autohersteller entwickeln zur Zeit Fahrzeuge, die mit Wasserstoff betrieben werden können und gehen von einer Markteinführung der Wasserstofffahrzeuge im Jahr 2004 bis 2010 aus. Eine nahezu identische Entwicklung findet im Bereich der Hausenergieversorgung statt, wo führende deutsche Unternehmen die Markteinführung der Brennstoffzelle vorbereiten. Daneben wird Wasserstoff von der Verkehrswirtschaftlichen Energiestrategie, einem Zusammenschluss mehrer Automobilkonzerne, Mineralölunternehmen und der deutschen Regierung, langfristig als der wichtigste Energieträger der Zukunft für den Transportsektor gesehen. Neben der Zukunftsaussichten für Wasserstoff, ist Wasserstoff als alternative Energieableitung vom Windpark in Zeiten knapper Netzkapazitäten ein weiteres attraktives Kriterium. So kann der im Windpark erzeugte elektrische Strom über die Elektrolyse unter der Zunahme von Wasser benutzt werden, um Wasserstoff zu erzeugen. Der Wasserstoff kann dann entweder über Pipelines oder netzungebunden mit Schiffen ans Festland transportiert werden. Somit besteht neben der Anbindung an das elektrische Netz und der damit einhergehenden Probleme wie Netzkapazität, Ausbau der Netzkapazitäten, Genehmigung von Kabeln im Wattenmeer und Zeitbedarf für den Netzausbau eine weitere Möglichkeit die im Offshore Windpark erzeugte Energie abzuführen. Zudem werden während der Erzeugung von Wasserstoff auf Basis von Elektrolyse und Windkraft im Gegensatz zu anderen Wasserstoffherstellungsverfahren keine CO₂ Emissionen verursacht. Vor diesem Hintergrund hat GEO eine Studie in Auftrag gegeben.

Sinn und Zweck dieser Studie ist es zu untersuchen, ob Kriterien existieren, die eine Durchführung der Offshore Wasserstoffproduktion unmöglich erscheinen lassen. Dazu wurde eine Grobauslegung und eine grobe Kostenkalkulation durchgeführt, um konzeptionelle, technische und wirtschaftliche Aspekte des Konzeptes mit in die Untersuchung einzubeziehen.

Durchgeführt wurde die Untersuchung an einem modellhaften Offshore Windpark, um die grundsätzlichen relevanten Rahmenbedingungen festzulegen. Von diesem Offshore Windpark ausgehend wurden auf Basis der Elektrolyse zwei Varianten zur Wasserstoffproduktion untersucht. Die erste Variante sieht den Transport des erzeugten Wasserstoffs über eine Hochdruckwasserstoffpipeline an Land vor. In einer weiteren „Pipeline-Variante“ wurde eine anschließende Verflüssigung des Wasserstoff an Land miteingeschlossen. Im Gegensatz zur „Druckgaspipeline - Variante“ wurde bei der zweiten Variante die Offshore-Verflüssigung des Wasserstoffs miteinbezogen. Das bedeutet, dass der erzeugte Wasserstoff vor dem Transport auf der Offshore Plattform verflüssigt wird. In Abbildung 1 ist die prinzipielle Unterteilung der untersuchten Varianten dargestellt.

Abb. 1: Untersuchte Varianten der Offshore Wasserstofferzeugung.

Da die Möglichkeit besteht den flüssigen Wasserstoff über unterschiedliche Transportmittel an Land zu transportieren, erfolgte eine Unterteilung der „ Offshore - Flüssigwasserstoff - Variante“ in drei weitere Varianten. Untersucht wurden in diesem Zusammenhang der Transport des flüssigen Wasserstoffs in Containern auf Containerschiffen, der Transport mit Spezialschiffen, sogenannten Barges wie sie für das Euro – Quebec Projekt entwickelt wurden und der Transport des flüssigen Wasserstoffs mit Tankschiffen.

Die Elektrolyse ist ein Verfahren, bei dem Hilfe von elektrischer Energie Wasser in seine Bestandteile Wasserstoff und Sauerstoff zerlegt wird. Wie in Tabelle 1 zu sehen ist, beträgt der Anteil der Elektrolyse an der weltweiten Wasserstoffproduktion gerade 1 %. Den weitaus größten Anteil an der Wasserstoffproduktion hat die Reformierung von Erdgas gefolgt von der Wasserstoffgewinnung aus Schweröl. Desweiteren kann aus der Tabelle entnommen werden, dass die derzeitigen Verfahren zur Herstellung von Wasserstoff mit Ausnahme von der Elektrolyse auf fossilen Energieträgern beruhen. Das bedeutet, dass bei der Herstellung von Wasserstoff auf Basis dieser Verfahren CO2 entsteht und kein Beitrag zur globalen Senkung der CO2-Emissionen geleistet wird. Die Herstellung von Wasserstoff mit Hilfe der Elektrolyse bleibt nur dann CO2-frei, wenn der benötigte Strom aus erneuerbaren Energien bereitgestellt wird, wie es der Fall bei der Wasserstoffproduktion in Offshore Windparks ist. Der so erzeugte Wasserstoff wird als solarer Wasserstoff bezeichnet.

Tab. 1: Wasserstofferzeugung weltweit

Quelle: ifmo 1999

Ausgegangen wird bei der Auslegung und Berechnung von einem Offshore Windpark mit einer elektrischen Leistung von 400 MW und einer Entfernung zur Küste von 60 km. Die Elektrolyseanlage wird auf einer Offshore Plattform eingerichtet und ist modular aus den zur Zeit größten verfügbaren Elektrolyseuren aufgebaut. Die Wasserversorgung der Elektrolyseure erfolgt über eine Meerwasserentsalzungsanlage. Vor dem Hintergrund der elektrischen Leistung des Windparks, der zusätzlichen elektrischen Verbraucher und der verfügbaren Elektrolyseurgröße ergibt sich ein Bedarf von ca. 100 Elektrolyseeinheiten. Für den Transport des Wasserstoffs in den „Pipeline-Varianten“ wird eine Wasserstoffpipeline mit einem Durchmesser von ca. 20 cm benötigt. Der gasförmige Wasserstoff wird für den Transport in der Pipeline auf den erforderlichen Transportdruck durch einen Kompressor gebracht.

Für die zusätzliche Verflüssigung des Wasserstoffs unter Offshore Bedingungen muss berücksichtigt werden, dass die Verflüssigungsanlagen einen hohen Raumbedarf sowie einen hohen Bedarf an elektrischer Energie haben, die ebenfalls durch den Offshore Windpark zur Verfügung gestellt wird und dann aber verglichen mit den GH2 Varianten bei der Wasserstoffproduktion fehlt. Es werden Verflüssigungsanlagen benötigt, die eine Kapazität von ca. 156 t/d haben. Aufgrund der Anforderungen der Komponenten in den betrachteten Varianten, kommt es je nach Variante zu einer unterschiedlichen Ausgestaltung der Offshore Plattform, womit auch die Kosten für die Plattform unterschiedlich ausfallen können, da im wesentlichen Fläche und zu tragendes Gewicht für die Investitionskosten einer Plattform entscheidend sind. Beispielhaft ist der folgenden Abbildung die Anordnung der Komponenten für die Pipeline-Variante dargestellt.

 Abb. 2: Offshore Plattform für die Pipeline-Variante.

Die Berechnung der Wasserstoffgestehungskosten aus den oben erläuterten Varianten ergibt, dass die Variante mit Druckgaspipeline die geringsten Gestehungskosten erzielt. Die Pipeline Variante bleibt sogar mit anschließender onshore Verflüssigung unter den Gestehungskosten der beiden Offshore Verflüssigung Varianten. Mehr als das doppelte gemessen an den Gestehungskosten der Pipeline Variante betragen die Gestehungskosten der Container Variante. Die günstigere der beiden Offshore Verflüssigung Varianten ist die Variante, die Barges zum Transport des erzeugten Wasserstoffs einsetzt. Nicht miteingeschlossen in die Berechnung der Gestehungskosten ist die Variante mit dem Tankerschiff, da diese durch die hohen Investitionen für die Schiffe und die Infrastruktur sowie durch die für diese Transportart geringe Menge an Transportaufkommen in den Gestehungskosten über den anderen Alternativen liegen. Bei diesem Vergleich muss erwähnt werden, dass die vier in Abbildung 3 dargestellten Varianten nicht direkt miteinander verglichen werden können, weil die Varianten die Anlandung von Wasserstoff in unterschiedlicher Form und an unterschiedlichen Orten  berücksichtigen. 

Abb. 3: Relative Wasserstoffgestehungskosten der untersuchten Varianten.

Auch der Vergleich mit konventionellen Treibstoffen wie Diesel oder Benzin kann nicht ohne Einschränkung gemacht werden, da berücksichtigt werden muss, dass die Kosten für den Wasserstoff keine Steuern und Kosten für den Transport bis zur Tankstelle enthalten. Ferner gilt es in diesen Vergleich den bezogen auf einen Ottomotor besseren Wirkungsgrad einer Brennstoffzelle aber auch die zur Zeit höheren Anschaffungskosten eines mit Wasserstoff betriebenen Autos miteinzubeziehen.

Mit Blick auf die konzeptionelle und technische Durchführbarkeit ist die Studie bei keiner der untersuchten Varianten auf Ausschlusskriterien gestoßen, die eine praktische Umsetzung unrealisierbar machen würden. Offene Fragen bestehen allerdings weiterhin insbesondere bei:

1. den gesetzlichen Regelwerken hinsichtlich Transport und der Wasserstofferzeugung Offshore,

2. bei der Kapazität von Verflüssigern und Elektrolyseuren und

3.  bei der Offshore Verladung von Barges und Containern.

Es existieren keine Verflüssiger mit der hier erforderlichen Größe. Die weltweit größte Verflüssigungsanlage stand in Sacramento und hatte eine Kapazität von 54 t/d LH2. Das Fehlen größerer Anlagen ist nicht auf technische Probleme zurückzuführen, sondern in der geringen Nachfrage an flüssigem Wasserstoff begründet. Zur Zeit werden in Japan im Rahmen eines Forschungsprojektes Verflüssiger mit einer Kapaziät von 300 t LH2/d untersucht. Elektrolyseanlagen existieren ebenfalls nicht in der benötigten Größenordnung. Die zur Zeit größte Anlage hat eine Leistungsaufnahme von 156 MW. Aufgrund der modularen Aufbauweise dieser Technologie kann durch Hinzufügen weiterer Elektrolyseeinheiten die erforderliche Größe erreicht werden.

Im Bereich des Transports von Gasen und auch von Wasserstoff in Pipelines gibt es weltweit Erfahrungen, allerdings ist noch keine Wasserstoffpipeline Offshore verlegt worden. Aufgrund des großen Erfahrungsschatzes mit dem Gastransport, z.B. Erdgas unter onshore und Offshore Bedingungen, wird der Transport von Wasserstoff in einer Offshore Wasserstoffpipeline als technisch möglich angesehen. Problematischer gestaltet sich hingegen der Transport von flüssigem Wasserstoff mit Schiffen. Neben der Errichtung einer Anlege- und Verladestelle an der Plattform muss auf der Plattform ein Zwischenlager für den erzeugten Wasserstoff installiert werden, da in Fällen von starkem Seegang und schlechtem Wetter gerade in Zeiten einer hohen elektrischen Energiegewinnung und somit einer gleichzeitig hohen Wasserstoffproduktion zeitweise kein Schiff anlegen kann, um den erzeugten Wasserstoff in den nächsten Hafen zu transportieren.

Die Studie hat keine Kriterien entdeckt die gegen eine Wasserstoffproduktion in einem Offshore Windpark sprechen. Allerdings gibt es offene Fragestellungen, die durch weitere Untersuchungen geklärt werden müssen, bevor es zu einer Umsetzung eines solchen Projektes kommt. Für die Zukunft gilt es daher auf Basis der Ergebnisse dieser Studie detailliertere Untersuchungen anzufertigen, die offenen Fragestellungen zu bearbeiten und die Entwicklung der Wasserstofftechnologien gemeinsam mit öffentlichen und wissenschaftlichen Institutionen voranzutreiben, da die grundsätzliche Machbarkeit dieses Vorhabens gegeben ist. Die GEO mbH hat dazu eine Wasserstoffstrategie entwickelt und ist derzeit mit der Planung der in Abbildung 4 dargestellten Vorhaben beschäftigt.

Beginnend mit der Anfertigung weiterer Studien, die Planung kleinerer Wind-Wasserstoffvorhaben an Land über die H2 Notstromversorgung eines Offshore Windparks werden praktische Erfahrungen gesammelt und Wissen hinzu gewonnen. Dieser Wissens- und Erfahrungszuwachs ist notwendig und sinnvoll um Planungsfehler bei weiter entfernten Offshore Wind-Wasserstoffprojekten, wie z.B. das Projekt H2-20, das die Wasserstoffproduktion und den Wasserstofftransport in bereits bestehenden Pipelines vorsieht, zu vermeiden.

Abb. 4: Planungsvorhaben der GEO mbH.