Wasserstoff-Forschung am Institut für Turbomaschinen und Fluid-Dynamik

Wasserstoff-Forschung am Institut für Turbomaschinen und Fluid-Dynamik

PROJECTS

   

Turbomaschinen für zukünftige Energiewandlungssysteme

Wasserstoff-Forschung am Institut für Turbomaschinen und Fluid-Dynamik (Leibniz Universität Hannover)

Für die Umsetzung der Energiewende spielt erfolgreiche Forschung an Universitäten und Hochschulen eine entscheidende Rolle. Denn die Forschung sorgt für technologische Innovation und hilft dabei, Lösungen für komplexe Herausforderungen zu finden. Zudem trägt die Forschung dazu bei, neue oder verbesserte Produkte und Verfahren zu entwickeln, welche die Wettbewerbsfähigkeit steigern und neue Märkte erschließen können. Dies gilt speziell im Kontext Wasserstoff, da der Aufbau der Wasserstoffwirtschaft noch in den Startlöchern steht. Doch wie sieht die Wasserstoff-Forschung konkret aus? Wir haben beim Institut für Turbomaschinen und Fluid-Dynamik (TFD) der Leibniz Universität Hannover nachgefragt, wie die Forschung im Themenfeld Wasserstoff am Institut abläuft

„Die Verwendung von Wasserstoff im Mobilitätssektor ist aktuell sehr gefragt: Insbesondere in Bereichen, in denen eine Elektrifizierung nur schwer möglich ist – also z.B. im Schwerlast-, im Zug- oder Flugverkehr – kann der Einsatz von Wasserstoff für die notwendige Dekarbonisierung des Verkehrs sorgen“, so Prof. Seume, Leiter des Instituts für Turbomaschinen und Fluid -Dynamik (TFD).

Sogenannte Turbomaschinen sind in diesem Kontext wichtige Komponenten, um den Wirkungsgrad und die Leistungsdichte bei der Wasserstoff-Nutzung zu verbessern und demzufolge Emissionen zu reduzieren. Das Institut für Turbomaschinen und Fluid-Dynamik (TFD) der Leibniz Universität Hannover forscht dazu an vielfältigen Projekten, in denen der effiziente Wasserstoff-Einsatz geprüft wird – sei es chemisch umgesetzt in der PEM-Brennstoffzelle oder verbrannt in Wasserstoff-Motoren und Flugzeugtriebwerken. Die vielfältigen Forschungsgebiete im Kontext Wasserstoff betont auch Dr. Dajan Mimic, Gruppenleiter Axialverdichter im TFD: „Die Themen Wasserstoff und Turbomaschinen sind vielfältig verknüpft. Die Anwendungsmöglichkeiten reichen von Wasserstoff-betriebenen Gasturbinen über Brennstoffzellen-Luftversorgungssysteme bis hin zur vollständigen Integration von Brennstoffzellen in hybride Flugtriebwerksarchitekturen.“

Wasserstoff im Fokus zahlreicher Forschungsprojekte

Die Vielfältigkeit der Wasserstoff-Forschung wird auch bei einem Blick auf die Forschungsprojekte deutlich, die am TFD umgesetzt werden. Im Jahr 2021 wurde das vom Land Niedersachsen geförderte Forschungskonsortium „Nachhaltige Wasserstoff-Verbrennungskonzepte (WaVe)“ gestartet. Im Rahmen des Projektes untersucht das TFD Möglichkeiten der sogenannten Hochaufladung von Wasserstoff-Motoren. Motivation ist es, die Verbrennungstemperaturen durch einen großen Luftüberschuss zu reduzieren und dadurch Stickoxidemissionen nahezu gänzlich zu vermeiden. Hierdurch können saubere Wasserstoff-Verbrennungsmotoren entwickelt werden, die den schadstofffreien Einsatz von Wasserstoff im Mobilitätssektor gewährleisten. Um dieses Ziel zu erreichen, muss der Motor mit einem hocheffizienten Aufladesystem ausgestattet werden, welches die notwendige Luft zur Verfügung stellt. Dafür wird am Institut ein Axialverdichter mit einem Spitzenwirkungsgrad über 80% entwickelt und zukünftig experimentell erprobt. Das Projekt wird voraussichtlich im April 2024 abgeschlossen. Beim NWN wurde das Projekt „WaVe“ auf der folgenden Seite beschrieben.

Der Wirkungsgrad im Fokus

Beim Einsatz von Wasserstoff spielt der Wirkungsgrad eine entscheidende Rolle. Das Institut widmet sich daher speziell der Verbesserung des Wirkungsgrads von Brennstoffzellen – genauer gesagt von PEM-Brennstoffzellen. Hierzu wurden in dem Projekt „ARIEL“ die Aggregate zur Luftversorgung der Kathode (ARIEL) optimiert.

Im Projekt ARIEL untersuchtes Aufladesystem für PEM Brennstoffzellen. Quelle

Im Projekt „REZEBT“ wurde wiederum ein Rezirkulationsgebläse entwickelt, welches ungenutzten Wasserstoff vom Austritt der Brennstoffzelle zum Eintritt zurück befördert. Dadurch wird der Wasserstoffbedarf reduziert und sowohl die Lebensdauer als auch die Effizienz der Brennstoffzelle deutlich erhöht. Die PEM-Brennstoffzellen sollen in der Leistungsklasse 80 – 200kW elektrischer Leistung eingesetzt werden. Der Hauptanwendungsfall ist daher im Pkw- und Schwerlastverkehr – aber auch auf Schienen-, Maritime- und Luftfahrtanwendungen ist das Wissen übertragbar.

REZEBT: Neuartiges Wasserstoff-Rezirkulations-Gebläse zur Effizienzsteigerung von Brennstoffzellen, Quelle

Im Exzellenzcluster SE²A (EXC 2163) wird das bisher generierte Wissen angewendet und erweitert, um den Einsatz von PEM-Brennstoffzellen auch in der Luftfahrt zu ermöglichen. Die Herausforderungen, welche der niedrige Umgebungsdruck bei großen Flughöhen mit sich bringt, werden durch innovative Verdichterkonzepte bewältigt. So werden z.B. Mechanismen der aktiven Strömungsbeeinflussung durch Lufteinblasung und Grenzschichtabsaugung untersucht und perspektivisch mit gezielter Befeuchtung und Kühlung der Gasströmung kombiniert.

Wissenschaftlicher Nachwuchs kann wichtige Erfahrungen sammeln

Um auch den wissenschaftlichen Nachwuchs im Umgang mit Wasserstoff zu schulen und wichtige Erfahrungen sammeln zu lassen, begleitet das TFD zudem ein Team von Studierenden beim Aufbau eines wasserstoffbetriebenen Multikopters. In dem von der Region Hannover geförderten Projekt wird ein Multikopter mit einem Durchmesser von über 2 Metern konstruiert und erprobt, welcher eine Abflugmasse von fast 25kg hat. Durch den Einsatz von Wasserstoff erreicht der Multikopter längere Flugzeiten, als mit konventionellen Lithium-Ionen Akkus derzeit möglich sind. Weitere Informationen dazu finden sich hier und hier.

Konstruktiver Entwurf des Multikopters, welcher mit einer Brennstoffzelle mit einer Leistung von 2,4 kW betrieben wird.

Mehr zu diesen und weiteren Wasserstoff-Forschungsprojekten des Instituts:

HyNEAT

HyNEAT

PROJECTS

HyNEAT – Hydrogen Supply Networks‘ Evolution for Air Transport

Die Dekarbonisierung des Flugverkehrs stellt eine besondere Herausforderung dar, da eine Elektrifizierung nur schwer möglich ist. Der Einsatz von Wasserstoff und seiner Derivate bietet jedoch das Potenzial, in Zukunft klimafreundlich fliegen zu können. Hierzu gilt es zunächst, entsprechende Antriebstechniken zu entwickeln und serienreif zu machen, die auf dem Einsatz von Wasserstoff basieren. Darüber hinaus muss jedoch auch die Infrastruktur im Bereich der Flughäfen weiterentwickelt werden, sodass die Versorgung mit Wasserstoff an Flughäfen gewährleistet ist. Genau dieser Herausforderung stellt sich das vom BMBF geförderte Projekt „HyNEAT“, das verschiedene Universitäten – unter anderem aus Hannover, Braunschweig und Clausthal – in einem Forschungsverbund umsetzen.

Während im Individualverkehr und insbesondere im ÖPNV schon zahlreiche Technologien zur Dekarbonisierung zur Verfügung stehen und immer breiteren Einsatz finden, steht die Dekarbonisierung des Flugverkehrs noch in den Startlöchern. Da die Elektrifizierung von Flugzeugen nur schwerlich und nur bei kleineren Flugzeugen umzusetzen ist, rücken andere Lösungen in den Fokus – so z.B. auch der Einsatz von Wasserstoff. Zentral für den Erfolg sind zunächst effiziente Antriebssysteme, welche die Nutzung von Wasserstoff ermöglichen; darüber hinaus braucht es jedoch auch die infrastrukturellen Voraussetzungen, um die Energiewende im Flugverkehr zu realisieren.

Genau diesen infrastrukturellen Voraussetzungen widmet sich ein Forschungsverbund aus deutschen Universitäten in dem Projekt HyNEAT. Hierzu soll zunächst der Wasserstoffbedarf (bzw. der Bedarf an flüssigem Wasserstoff – LH2) der Luftfahrt analysiert werden. Dies erfolgt in einem übergeordneten Ansatz, der das Luftfahrtsystem und dessen Entwicklung allgemein modelliert. Im zweiten Projektteil wird ein mathematisches Optimierungsmodell entwickelt, das den Einfluss verschiedener Wasserstoff-Preise auf die Streckenplanung und die jeweils abgenommene Wasserstoffmenge von Airlines beschreibt. Die Erkenntnisse aus dem ersten Teilprojekt sollen in diesen Prozess mit einfließen.

Die Berechnungen und Simulationen können dann eine Orientierung und Planungsgrundlage bieten, mit welchem Wasserstoffbedarf bei welchen Preisen an den Flughäfen gerechnet werden kann. Hieraus werden anschließend LH2-Bereitstellungsketten modelliert, welche die relevanten Komponenten für die Wasserstofferzeugung, -komprimierung und -verflüssigung sowie den Transport und die Speicherung miteinbeziehen und optimale Bereitstellungsnetzwerke ermitteln.

Mehr zum Projekt gibt es hier. 

Quelle: HyNEAT

Project partner

  • Leibniz Universität Hannover
    • Institut für Elektrische Energiesysteme (Koordination)
    • Institut für Festköperphysik
    • Institut für Umweltökonomik und Welthandel
  • Technische Universität Braunschweig
    • Institut für Automobilwirtschaft und Industrielle Produktion
    • Institut für Mathematische Optimierung
    • Junior Research Group „Overall System Evaluation”
  • Technische Universität Clausthal
    • Professur für Aufbereitung, Recycling und Kreislaufwirtschaftssysteme
  • Technische Universität Hamburg
    • Arbeitsgruppe Resilient and Sustainable Operations and Supply Chain Management
  • Technische Universität München
    • Lehrstuhl für Anlagen- und Prozesstechnik
  • Institut für Luft- und Kältetechnik Dresden
  • Pro Aviation Consult GmbH

Weitere Informationen zu den Projektpartnern gibt es hier.

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    Im Gespräch mit Boris Richter

    Im Gespräch mit Boris Richter

    ©STORAG ETZEL

    Beim Projekt H2Cast in Etzel, Niedersachsen, wird die Speicherung von Wasserstoff in Salzkavernen getestet, die zuvor für Erdgas genutzt wurden. 

    Der Schlüssel für Versorgungssicherheit: Energiespeicher

    Fast täglich berichteten die Medien vergangenen Winter von den Füllständen deutscher Gasspeicher. Erstmals kam das Thema Speicher und ihre Bedeutung ins Bewusstsein der Bevölkerung. Insbesondere Für die Energiewende sind Speicher von enormer Bedeutung. Allein im Jahr 2021 wurden 5,8 TWh Erneuerbare Energien abgeregelt, um das Netz nicht zu überlasten. Das entspricht dem jährlichen Stromverbrauch von mehr als 1,5 Mio. Haushalten.

    Im Gegensatz zu Strom kann Wasserstoff kostengünstig und vor allem langfristig gespeichert werden. Speicher spielen für die künftige Energieversorgung deshalb eine wichtige Rolle. Darüber sprachen wir für diese Ausgabe zum Thema Speicher mit Boris Richter, Geschäftsführer der STORAG ETZEL GmbH, dem größten unabhängigen Betreiber von Kavernenspeichern in Deutschland.

    NWN: Aktuell speichern wir in Deutschland große Mengen Gas in unterirdischen Kavernen für den Winter. Künftig wollen wir weg vom Erdgas bzw. LNG und möglichst viele Prozesse elektrifizieren. Brauchen wir die Kavernenspeicher dann noch in ihrem aktuellen Umfang?

    Boris Richter: Die Kavernen haben die Aufgabe Energie, z.B. in Form von Gas zu speichern. Genau dann, wenn Energie in großen Mengen, z.B. im Winter aus dem Fernleitungsnetz entnommen werden, unterstützen die Speicher und decken die Bedarfsspitzen durch Ausspeichern von Gas zusätzlich ab. Die Speicher haben eine Pufferfunktion. Ein Import von Energie, z.B. über den Seeweg per LNG-Tanker erfolgt ja auch diskontinuierlich, also punktuell über eine kurze Zeit. Damit sind Kavernenspeicher zusätzlich gefordert und müssen ihre Funktion erfüllen.

    Aus dem erneuerbaren Strom von der Nordsee will man künftig Wasserstoff herstellen, der dann z.B. in Etzel gespeichert werden kann. Warum speichern wir den erneuerbaren Strom nicht direkt in großen Batterien und speisen den Strom später ins Netz, wenn wir ihr benötigen?

    BR: Rein vom Wirkungsgrad macht es absolut Sinn, die Elektronen direkt zu speichern. Allerdings sind Akkumulatoren derzeit viel zu klein in ihrer Kapazität. Eine Gaskaverne mit Methanmolekülen kann eine Terrawattstunde Energie speichern. Damit kann eine kleine Stadt problemlos mit Energie für ein ganzes Jahr versorgt werden. In Etzel sind aktuell 51 Gaskavernen in Betrieb.

     

    Wasserstoff lässt sich auch überirdisch in mobilen Tanks speichern. Wo ist der Vorteil der unterirdischen Speicherung?

    BR: Das Volumen einer Kaverne ist sehr viel größer als ein gewöhnlicher Tank. Im Schnitt sind die Kavernen in Etzel zwischen 300.000 m³ und 600.000 m³ groß. Das Gasmedium kann mit bis zu 200 bar komprimiert und somit viele Millionen Kubikmeter Gas in eine Kaverne gespeichert werden. Man würde viele hunderte Tanks an der Oberfläche und damit enorm viel Fläche benötigen.

     

    Künftig wollen Sie in Etzel auch Wasserstoff speichern. Im Projekt H2Cast rüstet Storag Etzel bereits eine Kaverne dafür um. Wo stehen Sie aktuell bei dem Projekt?

    BR: Aktuell haben wir einen Dichtheitstest mit Wasserstoff positiv abgeschlossen und werden im Herbst weitere Erprobungen durchführen. Es werden weitere Bauarbeiten über- und untertage durchgeführt.

    „Wir wollen den niedersächsischen Standort Etzel „H2-ready“ machen, d.h. vorbereiten auf den absehbaren Hochlauf der Wasserstoffwirtschaft, der helfen wird, die deutsche Industrie zu dekarbonisieren, sprich CO2-freier und klimafreundlicher zu gestalten. Auf diese Weise wird die Versorgungssicherheit mit CO2-freier Energie in Zukunft gewährleistet. Der Standort ist dabei für Nordwesteuropa von entscheidender Bedeutung. Die Energiewende braucht ab spätestens dem Jahr 2030 diese Großspeicher, da H2-Angebot und -Nachfrage zeitlich und räumlich auseinanderliegen werden. Den Standort zukunftsfähig für nachfolgende Generationen aufzustellen, das ist unser Ziel!“

    Boris Richter

    Kaufmännischer Geschäftsführer, Storag Etzel

    Der Großteil der deutschen Vorhaben für Wasserstoffspeicherung liegt in Niedersachsen. Warum gibt es insbesondere hier so viele Speicher?

    BR: Kavernen sind bergmännisch angelegte, also künstliche Hohlräume in Salzformationen. Man benötigt demzufolge neben der Technologie auch einen Lagerstättenkörper aus Salz. Gewöhnlicherweise sind dies Salzstöcke oder Salzkissen. Diese Salze sind vor ca. 270 Millionen Jahre im Erdzeitalter des Perms entstanden. Ein Meer ist in mehreren Schritten ausgetrocknet und Restbestandteile des Meeres, weitestgehend das Salz, hat sich abgelagert. Das damalige Meer entstand aufgrund einer Beckenstruktur, eben im norddeutschen Becken. Damit haben wir den örtlichen Bezug auch gleich hergestellt. Denn ca. 70 Prozent der Salzvorkommen an Land liegen bezogen auf Deutschland in Norddeutschland und weitestgehend in Niedersachsen. Deshalb gibt es hier in Niedersachsen viele Kavernenspeicher, weil eben viel Salz unter unseren Füßen vorhanden ist.

     

    Was sind die größten Herausforderungen bei der unterirdischen Speicherung von Wasserstoff?

    BR: Wir müssen viele technische, aber auch genehmigungsrechtlichen Fragen beantworten. An aller erster Stelle stehen die Sicherheit und der Schutz der Bevölkerung, unserer Mitarbeiter und unserer Anlage im Vordergrund. Da wir ein Bergbaubetrieb sind, unterliegen wir dem Bergrecht und unsere Genehmigungsbehörde ist das LBEG in Clausthal-Zellerfeld. Das Bergamt ist unsere Aufsichtsbehörde und prüft sehr gewissenhaft unsere Anträge.

     

    Über H2Global soll Ende 2024 erstmals grüner Wasserstoff nach Deutschland importiert werden. In den kommenden Jahren gehen die ersten Großelektrolyseure ans Netz. In Niedersachsen werden bald große Menge Wasserstoff entstehen und anlanden. Bis wann brauchen wir funktionsfähige Wasserstoffspeicher?

    BR: Wir gehen davon aus, dass ab 2027/2028 Wasserstoffspeicher benötigt werden und der Markthochlauf für Wasserstoff erfolgt. Dies bedeutet aber auch, dass die Kavernenspeicher auch entsprechend mit Wasserstoffleitungen angeschlossen sind. Die Infrastruktur dafür muss aufgebaut sein, sonst funktionieren Speicher nicht. Die Leitungen sind sowas wie Lebensadern, in denen die Energie transportiert wird.

     

    In unserem künftigen Energiesystem aus Erneuerbaren Energien müssen wir große Mengen Wasserstoff einspeichern, um Versorgungssicherheit gewährleisten zu können. Angenommen wir rüsten alle bestehenden Kavernenspeicher um – reichten die aktuellen Kapazitäten für den künftigen Speicherbedarf überhaupt aus?

    BR: Wenn für die Industrie komplett Erdgas durch Wasserstoff ersetz werden soll und wir davon ausgehen, dass dies über Dekaden erfolgt, dann wird der derzeitige Speicherhohlraum nicht ausreichen. Denn betrachtet man das energetisch, so hat Wasserstoff fast viermal weniger Energie als Erdgas. Bedeutet also, um dieselbe Energie zu speichern, bedarf es viermal mehr Speichervolumen. Man bedenke auch, dass neben dem Wasserstoffspeicherbedarf auch noch der Speicherhohlraum, wenn auch abnehmend für Erdgas bereitgestellt werden muss.

     

    Über welche Größenordnung sprechen wir beim künftigen Speicherbedarf?

    BR: Aktuelle Studien sehen den Speicherbedarf für Wasserstoff im Jahr 2050 bei 74 Terrawattstunden.

     

    Wie lange wird es dauern, entsprechende Kapazitäten aufzubauen?

    BR: In Etzel benötigen wir ca. zwei bis vier Jahre, um bestehende Kavernen für die Wasserstoffspeicherung umzurüsten und etwas länger, um an 24 neu geplanten Lokationen neue Wasserstoffkavernen im Salzstock zu errichten. Die bergrechtlichen Genehmigungen, um neue Kavernen zu bauen haben wir bereits. Den Nachweis, dass Wasserstoff problemlos in Kavernen gespeichert werden kann, erbringen wir die kommenden Jahre mit unseren Partnern im H2CAST Forschungsprojekt. Das Projekt ist durch das Land Niedersachsen und den Bund gefördert.

     

    Vielen Dank, Herr Richter. 

    Clean Hydrogen Coastline

    As part of the Clean Hydrogen Coastline project, industry partners in the Northwest region plan to build 400 megawatts of electrolysis capacity by 2026.

    Hydrogen storage in Krummhörn

    In Krummhörn, Uniper is testing the construction and operation of an underground hydrogen storage facility.

    Hydrogen drying by absorption

    Bilfinger is currently developing a demonstration plant for hydrogen drying in Cloppenburg. Drying is necessary in order to be able to convert the hydrogen back into electricity after storage (e.g. in caverns) or to feed it into the grid.

    H2Marsch

    Der Zugang zu Wasserstoff wird sukzessive zu einem zentralen Standortfaktor. In der Region Wesermarsch hat sich daher die Allianz „H2Marsch“ gebildet, welche die Versorgung der Region mit Wasserstoff sicherstellen will. Hierdurch sollen nicht nur 6.000 Arbeitsplätze gesichert, sondern perspektivisch auch 240.000 Tonnen CO2-Emissionen pro Jahr reduziert werden.

    Sector coupling for own consumption

    Sector coupling for captive use - OGE's KRUH2 pilot project focuses on this aspect in hydrogen production, storage and use.

    CHESS - Development of a hydrogen infrastructure in the Wesermarsch region

    As part of the CHESS (Compressed Hydrogen Energy Storage Solution) project in Huntorf (Wesermarsch district), EWE and Uniper want to jointly convert their respective existing gas and electricity infrastructures. The aim is to build a new hydrogen infrastructure on site quickly, efficiently and cost-effectively.

    Green Wilhelmshaven

    In the Green Wilhelmshaven project, the import of hydrogen by means of ammonia is made possible on a large scale; at the same time, however, green hydrogen is also produced on site by electrolysis. This will build capacities that together could cover 10-20% of the hydrogen demand of all of Germany in 2030.

    Endless Energy Centre Schaumburg

    In Bückeburg, the largest, and so far the only completely self-sufficient office building in Germany is being built on three floors with around 1000m².

    Energiemodul der Zukunft

    Für eine erfolgreiche Transformation und Energiewende braucht es qualifizierte Fachkräfte – sei es in der Planung, im Handwerk oder in der Industrie. Im Rahmen des Projekts „Energiemodul der Zukunft“ (EmZ) will das Technologiezentrum Nordenham daher jungen Menschen aufzeigen, welche Anforderungen im Bereich der Erneuerbaren Energiesysteme bestehen und exemplarisch darstellen, wie die Energieversorgung des Technologiezentrums auf Erneuerbare umgestellt werden kann. Hierzu soll auch Wasserstoff zum Einsatz kommen, wofür das Projekt vom Land Niedersachsen gefördert wird.

    Im Gespräch mit Boris Richter

    Das NWN im Gespräch mit Boris Richter, Geschäftsführer von Storag Etzel, zur Bedeutung von Wasserstoff-Speichern für die Energiewende.

    In conversation with Lars Eichhorn

    In conversation with Lars Eichhorn

    Credit DBT Inga HaarQuelle: LUH

    ©Technology Salon, Leibniz University

    Innovation Lab "Sustainable Hydrogen Combustion Concepts" (WaVe)

    More than 20 research teams in Lower Saxony are working on solutions for the hydrogen economy. Many of them within the framework of the five innovation labs coordinated by the EFZN.

    A contribution to the stronger networking of science and industry was the presentation of the EFZN hydrogen competence paper. The paper is a "performance showcase" of the Hydrogen Lower Saxony Research Alliance, which has been in existence since 2018.

    The NWN took the publication as an opportunity to talk to Lars Eichhorn, research associate at the Institute for Technical Combustion and researcher in the WaVe innovation laboratory.

    Mr. Eichhorn, you work in one of the five innovation labs in Lower Saxony. What does the WaVe deal with?

    Eichhorn: The Innovation Lab is working on sustainable hydrogen combustion concepts (WaVe) in three projects. One project is concerned with hydrogen engines in vehicles. It is investigating which concepts and adapted components can be used to run existing commercial vehicle engines on hydrogen. The second project is investigating how natural gas can be replaced by hydrogen in a gas-fired power plant. In the third project, on which I am personally working, we want to show that hydrogen can be used to provide primary control power in gas and steam power plants. The short-term power increase of a steam turbine required for this is generated with additional process steam, which is the reaction product of hydrogen-oxygen combustion.

    Why can't such processes be electrified?

    Eichhorn: In this and many other applications, temperature levels beyond 500 degrees Celsius are required. Especially in the production of ceramics, glass, or cement, the heat demand is very high. Here, thermal utilization is significantly more efficient than electrical utilization of hydrogen.

    They are trying to make this combustion even more efficient here. How does that work?

    Eichhorn: The handling of the very hot hydrogen-oxygen flame, which burns at atmospheric pressure and temperatures above 3000 °C, is particularly demanding. For this purpose, we are developing a burner that can withstand the thermal load and ensure optimum mixing of the gases as well as reliable stabilization of the flame. The focus is on reducing the combustion temperature to a technologically controllable level.

    And you do that with water?

    Eichhorn: Correct. In many cases, water vapor is used for this, which is added to the combustion; what is challenging is the quantities required. In our research approach, the flame is cooled with liquid water, which is atomized by the oxygen and enters the combustion chamber as a water-oxygen spray. Within the combustion chamber, the mixing and oxidation of the hydrogen takes place. In initial tests with the new burner, the flame temperature was reduced to below 2000 °C thanks to the innovative concept. Other advantages of using liquid water are the smaller pipe cross-sections in the supply line compared with vaporized water and the fact that no primary energy is required to produce steam. This makes this technology much more flexible and quicker to use.

    But steam can already be produced relatively quickly. Where do we need this time flexibility?  

    Eichhorn: The aim of primary control power is to provide additional power within seconds to ensure the stability of the power grid. Starting up a steam generator takes too long and is therefore not suitable. Instead, our research approach uses liquid water - without further preparation.

    You also work in a basic research laboratory at the Hydrogen Campus Hannover. What is being studied here?

    Eichhorn: The basic laboratory was primarily created to arouse students' interest in hydrogen in general and in sustainable combustion technology topics in particular. And indeed, although we are experiencing declining attendance at lectures on combustion engines, we are seeing increasing interest on the part of students in hydrogen technologies and alternative fuels. Especially through the lab, we receive some unsolicited applications for our innovative research projects.

    Thank you very much, Mr. Eichhorn.

     

     

     

     

    Adaptation of a combined heat and power plant for future hydrogen operation

    Adaptation of a combined heat and power plant for future hydrogen operation

    PROJECTS

    ©EWE/C3 Visual LabQuelle: Atron

    By converting to hydrogen operation, combined heat and power plants can be operated in an environmentally and climate-friendly manner. ©A-TRON Combined Heat and Power Units GmbH

    Adaptation of a CHP unit using additively manufactured components for future hydrogen operation

    Combined heat and power plants (CHP) offer an efficient heating option, especially for medium-sized to large properties such as hotels, apartment buildings, care facilities or similar buildings. This is because, unlike central gas or coal-fired power plants, CHP units can use almost all of the heat energy generated for heating. Although this can achieve efficiencies of over 90 percent, the combustion of conventional fuels such as natural gas or diesel produces pollutants such asCO2 or particulate matter. In order to make operation climate-friendly, A-TRON Blockheizkraftwerke GmbH and the two institutes ITV and IPeG of Leibniz University want to enable the use of hydrogen in CHP units in a project funded by the state of Lower Saxony - in the long term and in a climate-friendly way.

    A CHP unit offers a form of decentralized energy generation that is particularly suitable for medium-sized and large buildings. It has a combustion engine in which a fuel is burned. The resulting thermal energy can be used almost entirely for heating, allowing high efficiencies of over 90% to be achieved. However, since fossil fuels such as natural gas or diesel are generally used at present, the combustion process still produces pollutants that are harmful to the climate, such asCO2 or particulate matter. In order to be able to use this efficient technology in a climate- and environmentally friendly way in the future, the project partners A-TRON and the Institute for Technical Combustion (ITV) and the Institute for Product Development and Device Construction (IPeG) at Leibniz Universität Hannover are investigating how hydrogen can be used as a fuel in CHP units as part of the project "Adaptation of a CHP unit using additively manufactured components for future hydrogen operation". The focus is not only on the basic feasibility, but in particular on developing hydrogen CHP units that can be used in the long term.

    Innovative approach to enable hydrogen operation

    To this end, two goals are being pursued within the framework of the project: In the first sub-goal, the operation of a CHP with hydrogen is to be made possible in principle. "The first objective is to demonstrate the feasibility of hydrogen use in CHP units. Since this requires changes to the technology, the project will take a highly innovative approach that improves not only the combustion technology but also the thermal boundary conditions." Professor Dinkelacker, managing director of the ITV, explains the project's objectives.

    Since hydrogen is very ignitable, the components used must not become too hot. The aim is therefore to retrofit the combustion engine with suitable components and parts that can be cooled well. Particularly critical here is the engine's cylinder head, which can have locally hot areas - increasing the risk of unintentional ignition. To achieve high efficiency, heat recovery from the exhaust gas must also be improved. The temperature of the exhaust gas is lower than in natural gas engines, which is why a heat exchanger is to be developed to transfer the heat efficiently to the heating circuit.

    Quelle: Atron

    ©A-TRON Combined Heat and Power Plants Ltd.

    Durability of the components is to be increased

    In the second sub-goal, the durability of the hydrogen CHP units is also to be increased. Since not inconsiderable emissions are already produced during the manufacture of the CHP units, they should be used for as long as possible. To this end, the durability of the individual components must be increased - but especially that of the liner, whose service life is the most limited. Wear is to be countered in particular by additive manufacturing (3D printing) of modern components. In addition, wear will be made measurable during operation as part of the project. This can replace the cost-intensive removal of the entire engine, which is currently still necessary for wear measurement (and liner replacement). In addition, more efficient thermal management is made possible.

    Professor Lachmayer, managing director of IPeG, emphasizes the importance of the project for a successful heat transition: "Both hydrogen combustion in CHP units and the integration of additive manufacturing into engine technology are novel. If CHP units can be operated with hydrogen without greenhouse gas emissions, this is a central building block for the heat turnaround."

    State of Lower Saxony supports the project

    The project partners include A-TRON Blockheizkraftwerke GmbH as well as the Institute for Technical Combustion and the Institute for Product Development and Device Construction, two institutes of Leibniz Universität Hannover. The project is being funded by the state of Lower Saxony with just under €800,000 and is scheduled to run until October 2024.

    "As a ministry, we expressly support the project. After all, we need to explore what effective ways there are of converting hydrogen back into electricity and how the heat generated in the process can be used. We also want to get away from fossil fuels as quickly as possible. Hydrogen offers many possibilities for this, and we are also intensively pursuing this in pilot and demonstration projects."

    Christian Meyer, Lower Saxony Minister for Energy and Climate Protection

    While the institutes of Leibniz Universität Hannover want to transfer the knowledge gained to other fields of research following the project, A-TRON GmbH plans to use the new CHP units to supply its current customer base and open up other markets. In this context, Daniel Steck, head of development at A-TRON Blockheizkraftwerke GmbH, emphasizes the opportunities that arise when the hydrogen economy takes off: "Currently, we are already selling environmentally friendly CHP units - e.g. in the form of biogas or sewage gas plants. With this project, however, we want to strategically expand our portfolio. By successfully adapting a CHP to run on hydrogen, we can invest in an important future market and contribute to the development of a greenhouse gas-neutral hydrogen infrastructure."

    Partner

    ©Ahrens Roof Technology
    ©DLR Institute for Networked Energy Systems
    ©DLR Institute for Networked Energy Systems

    The A-TRON Combined Heat and Power Plants Ltd. is an internationally active developer and manufacturer of mini CHP units. Environmentally friendly CHP units are already being sold in the form of biogas or sewage gas plants - the hydrogen CHP unit adds another climate-friendly offering. 

    Logo: © A-TRON Combined Heat and Power Plants Ltd.

     

     

    At the Institute for Product Development and Device Engineering (IPeG), the topics the topics of development methodology, systems engineering, additive manufacturing and optomechatronics are dealt with. The institute realizes integrated product development from the idea to the prototype in their workshops and laboratories.

    Logo: © Institute for Product Development & Device Engineering

    The Institute for Technical Combustion (ITV) conducts research and teaches in the areas of turbulent combustion, spray injection processes, diesel and gas engine combustion processes, and engine tribology. New topics are "sustainable combustion". 

    Logo: © Institute for Technical Combustion

     

     

    Schrand Energy Plant

    Schrand Energy Plant

    PROJECTS

    Source: MU

    Prof. Dr. -Ing. Reckzügel (Professor at Osnabrück University of Applied Sciences, Professor of Innovative Energy Technology and Thermal Energy Technology), Patrick Wösten (Osnabrück University of Applied Sciences, research assistant in the project), Minister Meyer, Jörg Wilke (Managing Director "Northern Institute of Thinking") (second row), Timo Schrand (Managing Director of schrand.energy GmbH & Co. KG), Paul Hoffmann (Project Manager Hydrogen at schrand.energy GmbH & Co. KG.) (second row), Uwe Bartels (Former State Minister)

    Self-sufficient energy system in the building

    In Essen (Oldenburg), the company schrand.energy GmbH & Co. KG is planning a CO2-neutral and energy-autonomous, company-owned new building. The concept called Schrand Energy Plant is developed from the beginning as a modular, reproducible and scalable overall solution in order to be able to transfer it to other buildings.

    The Schrand Energy Plant uses a photovoltaic system to supply renewable energy to the respective company site. The excess energy is then used in a PEM electrolysis unit to split water into hydrogen and oxygen, store these gases temporarily in pressurized gas tanks, and then convert them into electrical power and heat in a hydrogen fuel cell as needed. The Energy Plant is thus intended to provide a total system consisting of energy storage, electrolyzer, fuel cell and hydrogen tank that can be adapted to the respective consumer.

    On March 7, Lower Saxony's Environment and Energy Minister Christian Meyer handed over the funding. Schrand.energy will receive funding of around 2.7 million euros for the implementation and the cooperation partner Osnabrück University of Applied Sciences 230,000 euros. 

    Environment and Energy Minister Christian Meyer: "Renewable energies are essential if we want to protect the climate. Sometimes, however, we have large quantities without being able to store them. The project kills two birds with one stone by combining solar energy and hydrogen technology: surplus solar energy can thus be reused, and hydrogen can be produced with renewable energies. That's good for the climate and your wallet, and it strengthens the local economy with cheap, clean energy."