Alle denken bei Wasserstoff an Autos – „Wir nicht“, sagt Markus Ostermeier, der zusammen mit seinem Bruder Peter mindestens eine Sektorenkopplung zum Ziel hat – in einer Anlage: die Stromerzeugung mittels Photovoltaik, das Wandeln in und das Speichern von überschüssiger Energie als Wasserstoff, das Nutzen der Abwärme zum Heizen, sowie des Sauerstoffs und des H2 in Laboren, Kläranlagen und Gabelstaplern.

Zwei Ingenieure, zwei Brüder: Peter und Markus Ostermeier haben zum 15. April 2021 die Ostermeier H2ydrogen Solutions GmbH gegründet. Zwei ihrer Systeme waren im Mai bereits verkauft, zwei weitere gehen bis zum September in Betrieb.

Das Besondere an den Anlagen ist die kompakte, zum Transport geeignete Bauweise, etwa zwei 19-Zoll-Racks groß (19“ x 405 Millimeter x 13 Höheneinheiten), modular aus Standardkomponenten aufgebaut und mit einem Sicherheitskonzept versehen, das die beiden Entwickler zum Patent angemeldet haben. Der Schrank fasst mindestens eine Batterie, einen Stromwandler, eine Elektrolyse-Einheit mit Wasseraufbereitung, einen Druckspeicher und eine Brennstoffzelle sowie eine Steuereinheit und Netzteile. Zum Betrieb wird Wasser in Trinkwasserqualität benötigt sowie Strom, etwa aus einer Photovoltaikanlage.

In den Sommermonaten wird gespeichert, derzeit in Druckgasbehältern, wie man sie auch für andere Gase, wie zum Beispiel Stickstoff, verwendet. Am wirtschaftlichsten sind zurzeit 50-Liter-Behälter. Auf 300 bar komprimiert, passt gut 1 kg Wasserstoff in eine Flasche.

Die Einsatzgebiete

Der Speicher lässt sich verwenden, um an Tagen ohne Sonne, daraus Strom zu erzeugen. Dafür ist die Brennstoffzelle gedacht, wenngleich auch ein Verbrennungsmotor wie zum Beispiel ein Wankelmotor denkbar wäre, so die Ostermeiers. Bei der Rückverstromung des Wasserstoffs entsteht zusätzlich Wasserdampf, der in die Umgebung geleitet wird. Der Strom aus der Brennstoffzelle fließt über den Stromwandler in die Batterie, die wiederum ein Firmen- oder Stadtteilnetz speist – ein geschlossener Kreislauf.

Klar, dass sich mit dem Wasserstoff aus der Elektrolyse auch andere Verwendungszwecke verbinden lassen. Mit einem Kilogramm Wasserstoff kann ein Gabelstapler drei bis vier Stunden fahren. In den USA gibt es bereits 15.000 Gabelstapler, die mit Brennstoffzellen ausgerüstet sind, und sich mit einer PV-Anlage auf dem Dach oder dem Firmengelände auftanken ließen, BMW setzt in der Leipziger Produktion Wasserstoff-Stapler ein. Stahl lässt sich in Wasserstoffatmosphäre vergüten, Margarine mit Wasserstoff härten, Glasoberflächen werden mit über 2.000 Grad Celsius-Wasserstoffflammen behandelt …

Peter Ostermeier will die Anlage auf jeden Fall im eigenen Unternehmen einsetzen. Mit der ca. 60 kWp großen PV-Anlage auf dem Dach des Firmengebäudes lassen sich etwa 75 Prozent des Bedarfs eines Arbeitstages zeitgleich decken. Der Rest und die Stromerzeugung am Wochenende sind also übrig. Die Wasserstoffanlage ist in 10 Sekunden zuschaltbar und kann je nach Konfiguration zwischen 1 bis 100 kW „verarbeiten“.

Dabei fungiert eine Batterie, egal ob Lithium-Ionen oder Bleisäure-Batterie, als Schnittstelle zwischen PV-Stromerzeugung und Elektrolyse . Sie kann entweder direkt mit der PV-Anlage oder über ein Hausstromnetz angebunden werden und dient als Pufferspeicher, der geringe Mengen und kurzfristige Stromüberschüsse zwischenspeichert. Sobald die Batterie ihren maximalen Füllstand erreicht hat, derzeit 5 kWh, startet die Erzeugung von Wasserstoff mittels des überschüssigen Stroms.

Die Wasserstoff- und Stromproduktion

Da für die Elektrolyse passender Gleichstrom notwendig ist, sieht das Ostermeiersche System einen Stromwandler (AC-/DC- oder DC-/DC-Wandler) vor. Er wird zudem benötigt, um den Strom aus der Brennstoffzelle wieder für die Einspeicherung in die Batterie passend zu machen.

Wasseraufbereitung

Der Aufspaltung des Wassers ist die Aufbereitung / Reinigung vorgeschalten. Die benötigte Wasserqualität für den Elektrolyse-Stack beträgt weniger als 0,1 Microsiemens pro Zentimeter (μS/cm), ist „sauberer als destilliertes Wasser aus dem Supermarkt“, so die Ostermeiers. Das geschieht mithilfe einer Wasseraufbereitung mittels Umkehrosmose und Ionentauscher, wie so mancher Hausbesitzer es durch das Herausfiltern von Kalk kennt. Das entsprechende Pulver muss nach rund 3.000 Betriebsstunden für rund 150 Euro ausgewechselt werden, nach derzeitiger Kalkulation der beiden, einmal pro Jahr. Um die Elektrolyse sofort starten zu können, besitzt die Anlage einen kleinen Wasservorrat von 10 Litern.

Das Herzstück der Wasserstoffbatterie ist die Elektrolyse. Sie besteht selbst aus mehreren Komponenten: neben dem für die Wasseraufbereitung, aus dem Elektrolyserahmen-, dem Elektrolyse-, dem Steuerungs- und dem Kühlmodul. Dieser Aufbau hat zur Folge, dass sich die Elektrolyse der jeweiligen Anwendung entsprechend konfigurieren lässt. So ist in der Grundausstattung ein Elektrolysemodul eingebaut, doch fünf können es nach derzeitigem Stand sein.

Elektrolyserahmenmodul

Das Elektrolyserahmenmodul ist mit einem oder zwei Fächern für 19-Zoll-Einschübe erhältlich. In der Standardausführung ist es mit Standfüßen ausgestattet und in lichtgrau pulverbeschichtet. Kern des Elektrolysemoduls sind die so genannten Stacks der „S30“-Serie von H-TEC Systems – S30-10, S30-30 und S30-50. (siehe Bild). Die nominale Leistung entspricht 1 kW, 3 kW und 5 kW, die Mean Time To Failure (MTTF) rund 35.000 Betriebsstunden. Markus Ostermeier sagt zur Komponentenwahl: „Der Hersteller hat nach einem Partner gesucht, der die kleinen Stacks in eine Gesamtlösung integriert. Daher ergänzen wir uns ideal.“

Das Elektrolysemodul ist derzeit in zwei Druckstufen erhältlich: 16 oder 25. In der Druckstufe 16 beträgt der Wasserstoffausgangsdruck 15 bar, in der nächsthöheren 20 bar.

Die Leistung

Die nominale H2-Produktion beträgt bei den unterschiedlichen Varianten 0,22, 0,66 und 1,1 Norm-Kubikmeter pro Stunde (Nm³/h). Der Prozesswasserverbrauch mit Kondensatrückführung ist in allen drei Ausführungen mit rund 1 Liter pro Norm-Kubikmeter produziertem Wasserstoff (1 l/Nm³) gleich. Markus Ostermeier fügt an: „Eine Autowäsche verbraucht 140 Liter und wir geben das Wasser beim `Verbrennen´ an die Natur zurück.“

Doch nicht jede Wasserstoffqualität ist für jede Anwendung geeignet. In den Standardausführungen von OHS liegt die Wasserstoffreinheit bei 99,95 Prozent. Denn das jetzige Elektrolysemodul ist mit einem Wasserstoffkühler, der im Prinzip wie ein Kühlschrank funktioniert, ausgestattet, der den Wasserstoff am Ausgang mit 5 Grad Celsius gesättigt zur Verfügung stellen kann. Bei Bedarf von trockenerem Wasserstoff, ist die Addition eines zusätzlichen Trocknungsmoduls möglich.

Ein oft diskutiertes Problem der Wasserstoffnutzung ist der Wirkungsgrad. Der Wirkungsgrad bei der Ostermeierschen Konstruktion liegt bei 60 Prozent mit der kleinen Anlage, bis zu 65 Prozent bei der großen.

Um den Wirkungsgrad zu erhöhen, lässt sich die sowohl beim Betrieb der Elektrolyse als auch beim Betrieb der Brennstoffzelle freiwerdende Wärme auf einem Temperaturniveau zwischen 40 und 50 Grad Celsius nutzen, sinnvoll bei Nahwärme- und Stadteilnetzen. Auch der Sauerstoff ist in geeignete Anwendungen integrierbar, etwa in der Fischzucht oder in Kläranlagen.

Die Gefahren

Wasserstoff wird misstraut, schließlich ist es ein Gas und Gas kann explodieren. Doch Markus Ostermeier beruhigt: „Wasserstoff benötigt wie Mehlstaub, Methan oder andere Gase die richtige Menge Sauerstoff, um zu einer explosiven Mischung zu werden. Wird das zugelassen und trifft gleichzeitig eine Flamme auf das Gemisch, gibt es eine Explosion.“

Was heißt das für Kunden des Wasserstoffspeichers der H2ydrogen Solutions GmbH? Schaffen sich die Anwender eine Bombe an? Und was tun, wenn es brennt?

Für Markus Ostermeier ist es zunächst eine Sache der Gewöhnung, des fach- und sachgerechten Umgangs und der strikten Vermeidung einer explosiven Atmosphäre und der Trennung von Gas und Zündquelle. Zu den ersten beiden Punkten gehört es, die Eigenschaften von Wasserstoff kennenzulernen. Es verbrennt nahezu unsichtbar. Die Flamme ist über 2000 Grad Celsius heiß und vergleichsweise schmal (siehe Video). Und dann kommt es auf den fachgerechten Bau der Anlage am richtigen Standort an.

Wie das Sicherheitskonzept der Anlage genau funktioniert, wollen die Brüder nicht ausführen, nicht bevor das Patent erteilt ist.

Die Zukunftsaussichten

Photovoltaikanlagen, bei denen die EEG-Umlage wegfällt, sind abgeschrieben und können Strom für weniger als 2 Cent pro kWh produzieren. Das sind ideale Stromquellen für die Produktion von grünem Wasserstoff. Da es immer mehr dieser Stromquellen geben wird und da Wasserstoff vielfältig einsetzbar ist, ist es kein Wunder, dass Ideen in diesem Bereich wie Pilze aus dem Boden schießen. Dennoch sehen Ostermeiers für ihr Produkt noch kaum Konkurrenz, wie zum Beispiel Enapter, die Berliner HPS Home Power Solutions GmbH und Lavo aus Australien (https://lavo.com.au/) und Nel in Norwegen. Gleichzeitig ist jetzt der Moment gekommen, um marktreife Produkte in die Anwendung zu bringen.

Obwohl bislang nur drei, in Bälde vier Personen für die Ostermeier H2ydrogen Solutions GmbH arbeiten, kann dank der bestehenden Ostermeier-Firmen die Kapazität am Standort Schweitenkirchen innerhalb kürzester Zeit auf 50 Anlagen pro Jahr hochgefahren werden. Sollte die Nachfrage höher sein, wollen die Gründer Teile der Fertigung auslagern.

Um hier schnell genug unterwegs zu sein, hat das Start-up nach der „Family & Friends“-Finanzierung eine weitere Finanzierungsrunde über die Plattform Companisto initiert. Dabei sollten etwa 1 Millionen Euro zusätzliches Kapital aufgebracht werden. Laut Companisto war der Aufruf derartig erfolgreich, dass die Runde nach weniger als der Hälfte der Zeit beendet worden ist.

Der Firmenstart ist jedenfalls vielversprechend. Obwohl erst Mitte April der Eintrag ins Handelsregister erfolgt ist, sind zwei Anlagen verkauft, und mindestens zwei weitere Anlagen sollen im Herbst in Betrieb gehen. Weitere Anfragen gibt es ebenfalls.

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