Green
Industrial
Hydrogen

Während der Projektlaufzeit von 36 Monaten wurden alle Ziele und Meilensteine des Projekts mit nur geringen Abweichungen erreicht. Ein flexibler und dynamisch einsetzbarer Prototyp mit einer Nennelektrolyseurleistung von 150 kWAC,EC (40 Nm³H2/h) und einer maximalen Leistung von 200 kWAC,EC (50 Nm³/h) wurde erfolgreich konzipiert und gefertigt. Die Prototypanlage wurde im Juni 2017 aufgebaut und an eine Wasserstoffaufbereitungsanlage angeschlossen, um die Anforderungen des integrierten Hüttenwerks in Bezug auf H2-Reinheit und Druck zu erfüllen. Es wurde ein Wirkungsgrad des HTE von 78 %LHV,EC (ohne Trocknung und Verdichtung) gemessen. Dies hing mit dem Wirkungsgrad der bidirektionalen Leistungselektronik von 88 % zusammen, verglichen mit den vorgeschriebenen 94 %, die zu einem HTE-Wirkungsgrad von 84 %LHV,EC führen würden.

Darüber hinaus zeigte der Betrieb der Brennstoffzelle (FC für fuel cell) die Brennstoffanpassungsfähigkeit des Systems: Betrieben mit Erdgas im Brennstoffzellenmodus erreichte das System die Nennleistung von 25 kWAC,NG-FC und einen maximalen AC-Wirkungsgrad von 52 %LHV,NG-FC bei 80 % Auslastung (20 kWAC,NG-FC). Mit Wasserstoff betrug die Nennleistung 30 kWAC,H2-FC und der maximale AC-Wirkungsgrad 48 %LHV,H2-FC. Der reversible HTE wurde für typisch dynamische Zyklen getestet, die sich aus dem Lastmanagement und dem Netzausgleich ergeben.

Der Prototyp wurde ca. 10.000 Stunden lang im Elektrolyse-, Brennstoffzellen- oder Hot-Standby-Modus betrieben. Es wurden mehrere Optimierungen auf Hardware- und Softwareebene durchgeführt, sowohl für den reversiblen HTE als auch für die Wasserstoffverarbeitungseinheit. Insgesamt wurden im Elektrolysebetrieb ca. 90.000 Nm³ Wasserstoff erzeugt, wovon mehr als 41.000 Nm³ mit einer Qualität von 3,8 bei 10 bar(g) für Glühprozesse im integrierten Hüttenwerk in Salzgitter verwendet wurden.

Zellen und Stacks wurden optimiert und z. B. auf Degradation und mechanische Eigenschaften auf Zell- und Stack-Ebene getestet, was zu Materialverbesserungen und optimierter Stack-Integration führte. Aufgrund von Verunreinigungen und Ausfällen des Prüfstandes wurde der vorgesehene 10.000 Stunden dauernde Stack-Test nach 8.300 Stunden abgebrochen. Ein anderer Stack erreichte unter optimierten Testbedingungen Degradationsraten, die weit unter dem Projektziel von <1 %/kh für mehr als 5.000 Stunden lagen. Mehr als 80.000 ultraschnelle Lastzyklen (direktes Ein- und Ausschalten des Stroms) auf Zellebene und mehr als 16.000 Zyklen auf Stack-Ebene wurden ohne erhöhte Auswirkungen auf die Degradationsrate durchgeführt.

In begleitenden Studien wurden die Kostenstruktur der Technologie, potenzielle Geschäftsmöglichkeiten und die Umweltleistung bewertet. Auf Grundlage aller Ergebnisse wurde ein umfassender Nutzungsplan erstellt, der die Grundlage für die Entwicklung des HTE hin zu einem marktfähigen Produkt legt.

GrInHy hat auf wissenschaftlichen Konferenzen, internationalen Messen und eigenen Wasserstofftechnologie-Workshops ein hohes Maß an öffentlicher Aufmerksamkeit erreicht. Das Projekt erreichte zahlreiche politische Entscheidungsträger, Forscher und mögliche Kunden und tauschte seine Ergebnisse mit anderen FCH2-JU-Projekten aus. Aufgrund seiner Ergebnisse wurde GrInHy für die FCH JU Awards 2018 "Best Project Innovation" nominiert.

Das Konsortium hat ein reversibles HTE-System entwickelt, das in Bezug auf Größe, Effizienz, Betrieb und Brennstoffflexibilität weltweit führend ist und erstmals in eine industrielle Umgebung integriert wurde. Einzigartig ist, dass das HTE-System vom Elektrolyseur- auf den Brennstoffzellenbetrieb umschalten kann und dabei entweder Erdgas oder Wasserstoff als Brennstoff verwendet. Sogar die mögliche Nutzung von Prozessgasen aus der Stahlproduktion wurde untersucht und nach zusätzlichen Reformierungs- und Reinigungsschritten für geeignet befunden.

Die wichtigsten Auswirkungen von GrInHy sind Machbarkeitsstudie der Technologie sowie ihre Potenziale in einer industriellen Umgebung und die Nutzung der Projektergebnisse zur Verbesserung des Technology Readiness Levels von HTE. Die meisten Ergebnisse werden direkt in das Nachfolgeprojekt GrInHy2.0 einfließen, das bereits im Januar 2019 gestartet ist.

Der Prototypbetrieb von GrInHy hat gezeigt, dass ein elektrischer AC-Wirkungsgrad von 84 %LHV,EC auf Basis von Dampf aus Abwärme möglich ist. Dies bedeutet einen um ca. 25 % höheren elektrischen Wirkungsgrad im Vergleich zu Niedertemperatur-Elektrolyseuren. Dieser Stromverbrauch von unter 40 kWhAC pro kg Wasserstoff soll in GrInHy2.0 verifiziert werden. Da die Stromkosten langfristig einen Anteil von etwa 70-80 % an den Gesamtkosten haben, ist der HTE eine Schlüsseltechnologie, um die wirtschaftliche Machbarkeit der Wasserstofferzeugung aus erneuerbaren Energien zu erreichen.

GrInHy hat eine umfassende Scale-up-Studie der HTE durchgeführt, um die Multi-MW-Klasse zu erreichen und die Kosten innerhalb der nächsten fünf Jahre auf weniger als 1.000 €/kWAC,EC zu senken. In GrInHy2.0 wird der weltweit erste HTE der MW-Klasse im integrierten Hüttenwerk in Salzgitter betrieben.

Mit dem Betrieb der nächsten HTE-Prototypengeneration in Salzgitter werden die SZFG und die SZMF auch verstärkt alternative Wege der Stahlerzeugung untersuchen, die CO₂-Emissionen direkt vermeiden (Carbon Direct Avoidance). Ein vielversprechender Ansatz ist das SALCOS-Konzept von Salzgitter, das Kohlenstoff mit Hilfe von Wasserstoff reduzieren und somit zu einer CO₂-Reduktion von bis zu 95 % oder mehr als 150 Millionen Tonnen CO₂ pro Jahr in der EU 28 führen soll. In diesem Zusammenhang sind GrInHy und GrInHy2.0 eine technologische Vorstudie für eine energieeffiziente Wasserstofferzeugung, die der Stahlindustrie in Zukunft grünen Wasserstoff liefert.