HyGrid – Mobile, autarke Kleinkraftwerke auf Wasserstoffbasis

Warum brauchen wir eine neue Lösung?

Ob beim Wiederaufbau der Ukraine oder für das Gelingen der globalen Energiewende – die Versorgungssicherheit gehört zu den zentralen Herausforderungen unserer Zeit. Schließlich verursachen vor allem länger andauernde, großflächige Stromausfälle oft großes Leid für die Betroffenen und gravierende Schäden für die Wirtschaft.
Um solche Notlagen künftig zu verhindern und zugleich dafür ausreichend gerüstet zu sein, sind innovative Lösungen gefragt. Eine Schlüsselrolle könnten dabei mobile, leicht transportier- und installierbare Microgrids spielen, wie sie das Fraunhofer-Institut für Werkzeugmaschinen und Umformtechnik (IWU) unter der Leitung von Dr. Ulrike Beyer und Dr. Mario Lindner entwickelt: Als mobile Kleinkraftwerke speichern die sogenannten »HyGrids« erneuerbare Energien verlustarm in Form von Wasserstoff und geben den Strom bei Bedarf flexibel wieder ab.  

Was macht das Projekt einzigartig?

Dank seines modularen Aufbaus lässt sich ein »HyGrid« flexibel an den individuellen Bedarf anpassen und dank des Plug-and-Play-Ansatzes vor Ort schnell in Betrieb nehmen. Für den sicheren Transport per Lkw oder Schiff sind alle Komponenten des Microgrids stabil in einem Hochseecontainer verbaut. Dadurch eignet sich das System ausgezeichnet für den mobilen Einsatz in Krisengebieten und kann immer dort helfen, wo die Not am größten ist.
Je nach Konfiguration arbeitet das »HyGrid« im Bereich von wenigen bis zu mehreren hundert kW. Eine Variante für Einfamilienhäuser, Schulen, Verwaltungsgebäude oder Quartiere mit mehreren Dutzend Bewohnern sollte üblicherweise in einem 10- oder 20-Fuß-Container Platz finden. Für den Bedarf eines Krankenhauses oder Feldlazaretts braucht es in der Regel eine größere Lösung im 40-Fuß-Container oder mit externen Drucktanks.

»HyGrid« arbeitet mit unterschiedlichsten erneuerbaren Energiequellen zusammen, etwa mit Solar-, Wind-, Wasser-, Geothermie-, Bio- und Meeresenergieanlagen. Die Basiskonfiguration enthält keinen Stromerzeuger. Bei Bedarf kann dieser aber als zusätzliches Modul Teil des »HyGrid«-Baukastens werden, zum Beispiel in Form von vorinstallierten Solarpanels auf dem Container-Dach.
Ein zentrales Anliegen der Forscherinnen und Forscher besteht in einer standardisierten Konstruktion und einer automatisierten Produktion der Komponenten, um die Kosten bei gleichbleibend hoher Fertigungsqualität signifikant zu senken. Auf lange Sicht soll ein Microgrid mit 10 kW nicht mehr als 100.000 Euro kosten. Dafür gilt es, Wasserstoffsysteme als zentrale Kostentreiber deutlich günstiger herzustellen und ihre Lebensdauer weiter zu verbessern. 

Wie funktioniert die neue Lösung?

Sobald der grüne Strom am Microgrid eingeht, erzeugen dessen Elektrolyseure Wasserstoff: Ein Katalysator spaltet dazu mithilfe einer anionen- (AEM) oder protonendurchlässigen Membran (PEM) Wasser (H₂O) in die beiden Gase Wasserstoff (H₂) und Sauerstoff (O₂). Der Wasserstoff wird komprimiert und in Tanks so lange verlustarm gespeichert, bis die Anlage bei Bedarf entweder automatisch oder nach manuellem Start mit der Verstromung beginnt: Nun reagiert H2 in Brennstoffzellen zu H₂O und setzt dabei Energie frei. Das Wasser zirkuliert auf diese Weise in einem Kreislauf, was den Bedarf auf ein Minimum reduziert. Ein 10-kW-Microgrid verbraucht im Dauerbetrieb beispielsweise nur rund einen Liter Wasser pro Monat.
Die Prozesse, die im Microgrid ablaufen, bringen zwei nützliche Nebeneffekte mit sich. Zum einen erzeugen Elektrolyseure und Brennstoffzellen eine Abwärme von rund 80 bis 100 °C, ideal zum Beheizen eines Gebäudes oder zum Erzeugen von Warmwasser. Darüber hinaus entsteht als »Abfallstoff« der Elektrolyse hochreiner Sauerstoff der Qualitätsstufe 9.5. Dieser könnte in Krankenhäusern beim Beatmen von Patienten oder beim Aufbereiten von Brauchwasser durch Ozonierung helfen. 

Wem nutzt die neue Technologie?

Dank des hochgradig skalierbaren Ansatzes adressiert »HyGrid« alle, die sich oder andere autark und krisensicher mit sauberer Energie versorgen und dafür eine kleine oder mittelgroße Erneuerbare-Energie-Anlage betreiben wollen. Zunächst soll »HyGrid« jedoch in der Ukraine dabei helfen, eine stabile, autarke Stromversorgung wiederherzustellen: In der ersten Phase dürften die Wasserstoff-Microgrids vor allem für die Energieversorgung wichtiger öffentlicher Einrichtungen in Konfliktregionen zum Einsatz kommen. Wenig später sollen Gewerbeeinrichtungen und gegebenenfalls Hochleistungsanwendungen folgen, für die lokal zu wenig Strom zur Verfügung steht. Wenn die Komponentenpreise sinken, würde die neue Technologie auch für Bauträger und private Bauherren zunehmend interessant.

Warum fördert die Fraunhofer-Zukunftsstiftung das Projekt?

„HyGrid“ wurde im Rahmen des Förderprogramms „Rebuilding Ukraine – resilient and sustainable“ unterstützt. Die Fraunhofer-Zukunftsstiftung ermöglicht und begleitet damit Forschungsprojekte, die in Kooperation mit deutschen und ukrainischen Partnern Technologien für den Einsatz in der Ukraine entwickeln.
Die Kleinkraftwerke könnten dort kurzfristig eine flexible Notstromversorgung bereitstellen, mittelfristig den Wiederaufbau fördern und zugleich den Anteil von erneuerbarer Energie am Gesamtenergiemix erhöhen. Langfristig wäre der sukzessive Ausbau eines dezentralen Netzes aus »HyGrid«-Einheiten ein großer Schritt hin zu der krisensicheren, stabilen und belastbaren Infrastruktur, die die Ukraine dringend braucht.
Nicht zuletzt könnte die neue Technologie dazu beitragen, die Energiewende in Deutschland und darüber hinaus auf Erfolgskurs zu steuern, die Infrastruktur auch hierzulande krisensicherer aufzustellen und für den Ernstfall mobile, autarke und nachhaltige Backup-Energiesysteme zu schaffen.