Angesichts der dringenden Notwendigkeit, eine Dekarbonisierung, d.h. eine Reduzierung von CO2-Emissionen durch den Einsatz kohlenstoffarmer Energiequellen, zu realisieren, sowie die Energiesicherheit zu garantieren, richten sich die Erwartungen verstärkt auf die Nutzung von Wasserstoff zur Erzeugung von elektrischem Strom, da hierbei keine CO2-Emissionen anfallen. Dieser Beitrag erforscht die Zukunft der Stromerzeugung mittels Wasserstoff, angeführt von Japans Technologien im Bereich Wasserstoff-Gasturbinen.
Bild: Mitsubishi Power kann auf eine große Zahl von Lieferungen von Gasturbinen der Serien M501J bzw. M501JAC ins Ausland verweisen. Unter Nutzung von Technologien zur Wasserstoffverbrennung können die bestehenden Turbinen so modifiziert werden, dass sie auf wirtschaftliche Weise die Stromerzeugung mittels Wasserstoff unterstützen. (Foto: MHI)
Um eine Wende hin zur Dekarbonisierung zu verwirklichen, während gleichzeitig die Energiesicherheit – Grundlage für alle gesellschaftlichen Aktivitäten – gewährleistet wird, ist es von entscheidender Bedeutung, im Sektor der Energietransformation Karbonneutralität zu verwirklichen, insbesondere bei der Stromerzeugung, die für einen großen Teil der CO2-Emissionen verantwortlich ist. Da Wasserstoff keinerlei CO2 emittiert, wenn er als Brennstoff verwendet wird, ist davon auszugehen, dass er eine Schlüsselrolle bei der Dekarbonisierung mittels thermischer Kraftwerke zur Stromerzeugung spielen wird. Der Zwischenbericht über die Saubere Energie-Strategie, der von der Regierung Kishida im Mai 2022 veröffentlicht wurde, ruft zudem zur Errichtung einer Wasserstoff-Lieferkette auf, zur Ausweitung der Nutzung von Wasserstoff sowie zur Förderung der Entwicklung einer entsprechenden Infrastruktur.
Thermische Stromerzeugung ist heute für den größten Teil der weltweiten Stromversorgung verantwortlich. Bei der Stromerzeugung mittels Gas-und-Dampf-Kombikraftwerken (GTCC) – eines der bestehenden Verfahren zur thermischen Stromerzeugung – wird Strom durch das Verbrennen von Brennstoffen erzeugt, die dabei Wellen antreiben, die wiederum einen Generator rotieren lassen. Mitsubishi Power, ein Tochterunternehmen für Energielösungen von Mitsubishi Heavy Industries, Ltd. (MHI), das weltweit den größten Marktanteil bei Gasturbinen zur Stromerzeugung hält (Quelle: 2022-Q2 gas turbine market share per OEM; research by McCoy), treibt die Entwicklung einer Gasturbine voran, die mit Wasserstoff betrieben werden kann, um auf diese Weise Strom zu erzeugen.
Bild: MORIKAWA Tomoko entwickelt Gasturbinen. Nach ihrem Studienabschluss in Luft- und Raumfahrttechnik ließ sie sich von der Kraft industrieller Gasturbinen sowie deren Potenzial, einen Beitrag für die Gesellschaft zu leisten, faszinieren, als sie an einer Besichtigungstour bei MHI teilnahm. Sie entschied sich daraufhin, in das Unternehmen einzutreten. (Foto: MHI)
MORIKAWA Tomoko, leitende Engineering-Managerin der Abteilung Entwicklung von Gasturbinen, Energiewende und Power HQ, erklärt: „Wenn man auf die Stromerzeugung mittels GTCC schaut, erreichen wir bereits signifikant reduzierte CO2-Emissionen im Vergleich zu auf konventionelle thermische Weise erzeugtem Strom dank der höheren Effizienz (durch einen größeren erzeugten Output bei weniger Brennstoff). Nichtsdestoweniger streben wir an, die CO2-Emissionen noch weiter zu senken, indem wir Wasserstoff – einen karbonfreien Treibstoff – mit Erdgas vermischen. Auf diese Weise wollen wir letztendlich alle CO2-Emissionen mittels einer 100%-Wende hin zu Wasserstoff eliminieren.“
Einer der Vorzüge von Wasserstoff-Gasturbinen liegt darin, dass sie relativ einfach sowie kosteneffizient aus bereits existierenden gasbetriebenen Kraftwerken in mit Wasserstoff betriebene Anlagen umgewandelt werden können. Ein Teil der besonderen Stärke von Mitsubishi Power liegt in der Expertise des Unternehmens in Wasserstofftechnologie begründet, die aus der eigenen Entwicklung von Raketentriebwerken stammt. Die Verifizierung der Technologie für 100%ige Wasserstoffverbrennung für Gasturbinen der 40 MW-Klasse soll im Haushaltsjahr 2023 erfolgen, während die kommerzielle Nutzung für 2025 angestrebt wird. Brenntests von Gasturbinen der 400 MW-Klasse, die eine 50:50-Mischung von Wasserstoff und Erdgas nutzen, wurden ebenfalls bereits erfolgreich durchgeführt. Ziel ist es, bis zum Haushaltsjahr 2030 die 100%ige Wasserstoffverbrennung kommerziell einzuführen. Falls der vollumfängliche Betrieb von Wasserstoff-Gasturbinen in der Lage wäre, die Nachfrage nach Wasserstoff signifikant zu steigern sowie die Produktionskosten von Wasserstoff zu senken, könnte die Stromerzeugung mittels Wasserstoff noch schneller Verbreitung finden als bisher angenommen.
Bild: Wasserstoff-Gasturbinen von Mitsubishi Power wurden für ein Projekt zur Speicherung von Energie im US-Bundesstaat Utah ausgewählt, bei dem Wasserstoff gespeichert und genutzt wird, der aus erneuerbaren Energien stammt. Es ist geplant, dass das Projekt bis 2045 die Konversion auf 100%ige Wasserstoffverbrennung abschließen wird (Konzeptbild des Projekts). (Grafik: MHI)
Weltweit werden große Erwartungen in die Stromerzeugung mittels Wasserstoff gesetzt. In den Vereinigten Staaten wird das Advanced Clean Energy Storage-Projekt in Utah Wasserstoff aus erneuerbaren Energien nutzen und dafür auf eine Gasturbine der Serie M501JAC von Mitsubishi Power zurückgreifen. Zudem fungiert das US-Energieministerium als Bürge für ein Darlehen in Höhe von 500 Mio. Dollar für dieses Projekt, bei dem der Betriebsbeginn mit einem Anteil von 30% Wasserstoff-Co-Verbrennung für 2025 vorgesehen ist.
Es werden große Mengen von billigem Wasserstoff benötigt, um die Stromerzeugung mittels Wasserstoff voranzubringen, und hierfür muss eine Wasserstoff-Lieferkette errichtet werden. Mitsubishi Power plant, den Betrieb des Takasago Wasserstoff-Parks in seiner Maschinenbau-Anlage in Takasago, Präfektur Hyogo, im Haushaltsjahr 2023 aufzunehmen. Diese Anlage ist weltweit die erste, in der der komplette Prozess von der Wasserstoffproduktion und -speicherung bis zur Stromerzeugung in internen Einrichtungen getestet und bewertet werden kann.
Voller Enthusiasmus meint Morikawa: „Bislang gab es weltweit keine Nutzung von Wasserstoff in einem derart großen Maßstab. Wir machen ständig Fortschritte in Richtung einer Gesellschaft ohne Kohlenstoff, indem wir Wege finden, Wasserstoff zu einer noch besser nutzbaren Energiequelle zu machen. Ich bin davon überzeugt, dass Energie aus Wasserstoff die Welt verändern wird.“
Bild: Der Takasago Wasserstoff-Park, dessen Betriebsbeginn für das Haushaltsjahr 2023 vorgesehen ist, wurde errichtet, um nacheinander die Technologien zu testen und zu bewerten, die bei der Erzeugung von Energie mittels Wasserstoff beteiligt sind: von der Produktion und Speicherung von Wasserstoff bis zur Stromerzeugung. Die Anlage wird weltweit die erste ihrer Art sein, in der ein solcher Versuchsbetrieb an einem Ort stattfinden kann. (Grafik: MHI)
Das Original dieses Beitrags wurde von KIZUNA, dem offiziellen Online-Magazin der Regierung von Japan, übernommen und für NEUES AUS JAPAN ins Deutsche übersetzt. Den Originalbeitrag (in englischer Sprache) finden Sie hier: https://www.japan.go.jp/kizuna/2022/08/hydrogen_power_generation.html
