In zukünftigen Energiesystemen werden neben Strom und Mobilität auch alternative Lösungen für die Wärme- und Kälteversorgung eine wichtige Rolle spielen. Darüber hinaus ist man sich einig, dass eine Wasserstoffinfrastruktur entwickelt werden muss, um Wasserstoff als vielseitigen und wertvollen Energievektor zu nutzen. Das Projekt H2HP fokussiert sich dabei auf die Entwicklung einer neuartigen chemischen Wärmepumpe auf Wasserstoffbasis, die den Heiz-/Kühlbedarf der Industrie und von Wohnquartieren adressiert. Für deren Antrieb wird die Druckenergie genutzt, die bei der Druckreduzierung von Wasserstoff aus der Versorgungsleitung oder dem Tank hin zum Verbraucher (z.B. Industrieprozess oder Brennstoffzelle) zur Verfügung steht und bisher nicht genutzt wird. Für den erreichten Wärme- und Kältenutzen wird daher keine weitere Energie aufgebracht und somit insgesamt Energie eingespart. In Zeiten, in denen kein Hochdruckwasserstoff verfügbar ist, kann ein zusätzlicher Kompressor dafür sorgen, dass weiter Wärme und Kälte bereitgestellt wird.
Intelligenter Druckminderer für Industrieprozesse
Bei industriellen Prozessen wird der Metallhydridreaktor als intelligenter Druckminderer zwischen der Versorgungsleitung und dem Wasserstoff verbrauchenden Prozess integriert und erzeugt durch den Druckunterschied einen Wärmepumpeneffekt. Er ermöglicht die Integration von Abwärme, um den Energieverbrauch zu senken. Durch die Verwendung einer anderen Art von Metallhydrid können auch niedrigere Temperaturen erreicht werden, um einen industriellen Kühlprozess zu realisieren.
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Energielösungen für Wohngebäude
Bei Energielösungen für Wohngebäude, die eine Wasserstoffinfrastruktur beinhalten, fungiert der Metallhydridreaktor als intelligenter Druckminderer zwischen einem Wasserstofftank oder einer angeschlossenen Wasserstoffpipeline. Durch die Auswahl eines geeigneten Materials dient er als Wärmepumpe oder Klimaanlage, um die Effizienz der Heizung oder Kühlung von Gebäuden zu erhöhen.
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Metallhydridreaktoren als Kernkomponente
Das Herzstück des H2HP-Projekts ist ein Reaktor, der das thermochemisch aktive Material Metallhydrid beinhaltet und der zwischen die Wasserstoffversorgung (Tank oder Pipeline) und den Wasserstoffverbraucher geschaltet wird. Er ersetzt somit einen konventionellen Druckminderer. Die Beladung und Entladung dieses Reaktors geschieht sehr schnell und zudem in zwei Reaktoren gegenläufig, sodass ein kontinuierlicher Wasserstoffstrom von der Versorgungsleitung zum Verbraucher gewährleistet werden kann.
Somit wird die Funktionsweise eines Druckminderers erreicht, allerdings mit dem Vorteil eines „smarten“ - zusätzlichen Wärmepumpen-Effekts, der durch das thermochemisch aktive Material Metallhydrid erzeugt wird: Bei der Beladung des Reaktors wird Wärme frei, wohingegen bei der Entladung des Reaktors Wärme hinzugefügt werden muss und somit Kälte erzeugt wird. Die frei werdende Wärme kann nun im Winter zum Heizen von Gebäuden oder als Prozesswärme für die Industrie genutzt werden. Im Sommer hingegen kann die Kälte zum Kühlen von Gebäuden oder in Industrieprozessen (z.B. als aktive Kühlung für Lötprozesse oder von Rechenzentren) verwendet werden.
Dieser Wärmepumpeneffekt wird hierbei allein durch die Druckreduzierung erreicht, ohne das dabei Wasserstoff verbraucht wird. Die Energie, die hierbei genutzt wird, steckt im komprimierten Wasserstoff und wurde zuvor durch einen Kompressor bei der Wasserstofferzeugung aufgebracht. In einem konventionellem Druckminderer würde diese Energie dissipiert, also in nicht mehr nutzbare Energie umgewandelt werden. Im H2HP-Projekt hingegen wird sie in Form eines „kostenlosen“ Heiz- oder Kühlpotenzials nutzbar gemacht, sodass im Gesamtsystem große Mengen Energie eingespart werden können.
Flexibilität durch die Wahl des Metallhydrids und eines zusätzlichen Kompressors
Die Klasse der Metallhydride umfasst viele verschiedene Materialien mit unterschiedlichen Reaktionstemperaturen. Somit kann eine geeignete Wahl des Metallhydrids verschiedene Anwendungen adressieren. Beispielweise besitzen manche Metallhydride eine Reaktionstemperatur von -20 °C, womit sie sich für Tiefkühlanwendungen eignen. Auf der anderen Seite sind ebenfalls Metallhydride verfügbar, die eine Reaktionstemperatur von über 300 °C erreichen. Damit ist es zum Beispiel möglich, Prozesswärme für die Industrie bereitzustellen.
Ein weiterer Fokus des Projektes liegt in der Integration eines elektrochemischen Kompressors, der Wasserstoff am Ausgang der Reaktoren wieder an den Eingang zurückkomprimieren kann. Dies kommt zum Einsatz, wenn der Wasserstofftank leer ist oder der Wasserstoffbedarf des Verbrauchers geringer ist als der thermische Bedarf. Somit kann die Wärme- und Kälteerzeugung vom Wasserstoffverbrauch entkoppelt werden, um einen Stand-alone Betrieb als weitere Flexibilisierung zu ermöglichen. Das spezielle elektrochemische Funktionsprinzip des Kompressors kommt ohne bewegte Teile aus und vermeidet so Lärm, Vibrationen und Verschleiß.
Erkenntnisse aus der Entwicklung für mobile Anwendungen nutzen, um das Potential auf stationäre Felder zu übertragen
Für das Projekt gibt es bereits umfangreiche Erfahrungen in der Entwicklung von Metallhydrid-Reaktoren für die thermische Nutzung, insbesondere für die Anwendung als Klimaanlage in Brennstoffzellenfahrzeugen (Link zur H2AC Seite). Da das Potential der thermischen Druckenergienutzung mittels Metallhydriden jedoch über die Anwendung in Wasserstofffahrzeugen hinaus geht und Wasserstoff im stationären Energiesystem an Bedeutung gewinnt, sollen nun ebenfalls diese Anwendungsfelder näher untersucht werden. Das Projekt zielt daher auf eine schnelle Bewertung der Eignung der MH-basierten chem. Wärmepumpe für stationäre Anwendungen ab.
