Seewasseranlage in Shandong nutzt Abwärme für günstiges Wasser und grünen Wasserstoff

Ein neues Modell für Wasser und Wasserstoff

China hat in Rizhao, einer Küstenstadt in der Provinz Shandong, eine kompakte, aber ambitionierte Anlage in Betrieb genommen, die Meerwasser und industrielle Abwärme in zwei strategisch wichtige Ressourcen umwandelt: kostengünstiges Süßwasser und grünen Wasserstoff. Nach Angaben der Betreiber produziert die Anlage Süßwasser für etwa zwei Yuan pro Kubikmeter, rund 28 US-Cent. Damit liegt der Preis unter den üblichen kommunalen Wasserpreisen in vielen Städten. Als Koppelprodukt entsteht hochreiner Wasserstoff. Außerdem wird mineralreiche Sole für die Nutzung in der maritimen Chemie konzentriert. Die Anlage läuft seit mehr als drei Wochen kontinuierlich. Das ist ein wichtiger Meilenstein, um die Zuverlässigkeit dieses neuen integrierten Wasser- und Energiesystems zu belegen.

Das Konzept lässt sich einfach beschreiben, ist aber schwierig umzusetzen. Aus einem Ausgangsstoff, Meerwasser, entstehen drei Produktströme. Aus jährlich 800 Tonnen aufbereitetem Meerwasser gewinnt die Anlage rund 450 Kubikmeter Reinstwasser, das sich für die industrielle Kühlung oder den häuslichen Gebrauch eignet, etwa 192.000 Normkubikmeter grünen Wasserstoff und rund 350 Tonnen Sole, die an Chemieunternehmen verkauft werden können. Der Wasserstoff soll etwa 4,2 Kilowattstunden Strom pro Normkubikmeter benötigen. Damit liegt das Verfahren auf dem Niveau moderner Elektrolyseure. Das Besondere an der Anlage in Rizhao: Sie senkt die Wasserkosten, indem sie minderwertige Abwärme aus nahe gelegenen Stahl- und petrochemischen Betrieben nutzt. Diese Wärme entweicht sonst meist ungenutzt in die Luft oder ins Meer.

So funktioniert das System in Rizhao

Die Anlage zur Süßwassergewinnung steht direkt neben energieintensiven Betrieben, in denen kontinuierlich Niedertemperaturwärme anfällt. Diese Wärme treibt einen Trennprozess an, der Meerwasser bei vergleichsweise niedrigen Temperaturen in sehr reines Wasser umwandelt. Geeignete Verfahren sind etwa die Membrandestillation und die Befeuchtungs-Entfeuchtungs-Destillation, die mit Niedertemperaturwärme arbeiten. Ein Teil des Süßwassers geht an Abnehmer, ein anderer Teil versorgt einen Elektrolyseur, der Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff spaltet. Die zurückbleibende konzentrierte Sole kann als Rohstoff für Produkte wie Brom, Magnesiumsalze und Industriesalz dienen. So muss weniger konzentrierte Sole ins Meer zurückgeleitet werden.

Warum minderwertige Abwärme wichtig ist

In der Schwerindustrie gehen große Mengen mittel- und niedrig temperierter Wärme verloren. Stahlwerke und Raffinerien sind typische Beispiele. Wird diese Wärme aufgefangen und zur Wassergewinnung genutzt, entfällt zusätzlicher Strombedarf für die Entsalzung. In Küstenindustrieparks gibt es reichlich Meerwasser und Abwärme; zugleich besteht ein konstanter Kühlbedarf. Werden Entsalzung und Elektrolyse neben großen Wärmequellen angesiedelt, sinken die Betriebskosten und der CO₂-Ausstoß. Außerdem wird weniger Wasser aus der kommunalen Versorgung entnommen, was örtliche Grundwasserleiter und Flüsse entlastet.

Was die Energiekennzahlen bedeuten

Der Energieverbrauch von Wasserstoff wird oft in Strom pro Kilogramm angegeben. Ein Normkubikmeter Wasserstoff enthält etwa ein Neuntel Kilogramm. Bei 4,2 Kilowattstunden pro Normkubikmeter ergibt sich ein Wert von rund 47 Kilowattstunden pro Kilogramm Wasserstoff. Das liegt im Bereich moderner alkalischer Elektrolyseure und PEM-Elektrolyseure mit Protonenaustauschmembran. Die Innovation in Rizhao ist kein außergewöhnlicher Elektrolyseur, sondern die Art, wie die Anlage Kosten und Wasserbedarf senkt: Der Elektrolyseur wird mit einer Meerwasseraufbereitung kombiniert, die mit Abwärme läuft. Der Strom muss weiterhin CO₂-arm sein, damit das Produkt als grüner Wasserstoff gelten kann. Die Wärme ist jedoch deutlich günstiger, weil sie sonst ungenutzt bliebe.

Kann Wasserstoff direkt aus dem Meer gewonnen werden?

Die direkte Meerwasserelektrolyse, bei der Elektrolyseure ohne vorgeschaltete Entsalzung mit Meerwasser betrieben werden, ist ein aktives Forschungsgebiet. Besonders interessant ist das Verfahren für den Einsatz auf See: Windparks und Plattformen könnten Wasserstoff direkt auf dem Meer erzeugen und ihn über Pipelines oder per Schiff an Land bringen. Die Herausforderung liegt in der Chemie. Meerwasser enthält viel Chlorid und Sulfat sowie organische Stoffe. In herkömmlichen Zellen wird an der Anode häufig die Chlorentwicklung begünstigt. Das korrodiert Bauteile und erzeugt unerwünschtes Chlor. Sand, Biofouling und Ablagerungen verkürzen ebenfalls die Lebensdauer der Anlagen. Um diese Probleme anzugehen, testen Forschungsteams neue Katalysatoren, die Chloridangriffen widerstehen, poröse Separatoren, die Ionen abhalten, die Nebenreaktionen auslösen, sowie Konstruktionen, die Chlor aus der Reaktionszone fernhalten. Eine schwimmende Demonstrationsanlage vor der chinesischen Küste hat bereits gezeigt, dass ein membranbasiertes System auch bei rauer See betrieben werden kann: Es isoliert für die Elektrolyse eine Schicht aus sauberem Wasser und bezieht zugleich Meerwasser als Ausgangsstoff.

Zwei Wege, ein Ziel

Es gibt zwei Hauptwege, den Ozean mit der Wasserstofferzeugung zu verbinden. Beim ersten wird Meerwasser entsalzt und anschließend ein herkömmlicher Elektrolyseur betrieben. Beim zweiten wird der Elektrolyseur so angepasst, dass er mit Meerwasser oder mit Wasser arbeitet, das während des Betriebs ausreichend gereinigt wird. Die Anlage in Rizhao ähnelt im kleinen Maßstab dem ersten Weg, allerdings mit einer Besonderheit: Statt für die Wasseraufbereitung große Elektropumpen und die Hochdruck-Umkehrosmose einzusetzen, nutzt sie Wärme aus der Nachbarschaft. Offshore-Windparks und abgelegene Windstandorte könnten den zweiten Weg bevorzugen, weil dort Platz und Wartungsmöglichkeiten begrenzt sind. Küstenindustrieparks könnten den ersten Weg vorziehen, weil dort Abwärme verfügbar ist und sich sowohl Wasser als auch Wasserstoff erzeugen lassen, die von der Industrie abgenommen werden können. In Laboren und Pilotanlagen bringen korrosionsbeständige Katalysatoren, neue Membranen und membranlose Konzepte beide Ansätze voran.

Von der Pilotanlage zum industriellen Maßstab: Kosten und Ausbau

Ein Wasserpreis von zwei Yuan pro Kubikmeter sorgt für Aufmerksamkeit. Er liegt unter vielen städtischen Wassertarifen und umfasst einen Aufbereitungsgrad, den viele Industriekunden sonst selbst herstellen müssten. Geringere Wasserkosten machen die Wasserstoffproduktion in wasserarmen Provinzen attraktiver, denn für den Schutz der Elektrolyseure wird in der Regel sehr reines Wasser benötigt. Werden Wasser und Wasserstoff gemeinsam produziert, verteilen sich die Investitionskosten zudem auf zwei Produkte. Einnahmen aus Chemikalien auf Solebasis können einen Teil der Betriebskosten ausgleichen.

Die Stromkosten für Wasserstoff hängen von der Energiequelle ab. Bei rund 47 Kilowattstunden pro Kilogramm kostet der Strom etwa 1,40 bis 2,35 US-Dollar pro Kilogramm, wenn der Kilowattstundenpreis bei drei bis fünf US-Cent liegt. Anlagen, Wartung und Finanzierung kommen hinzu; diese Kosten fallen je nach Projekt sehr unterschiedlich aus. Rizhao ist eine kleine Anlage, zeigt aber ein Modell, das sich in den Küstenregionen Chinas ausbauen lässt. Das Land verfügt über dicht besiedelte Industriegebiete mit reichlich Abwärme. Damit eignen sich Standorte in Stahlindustriezentren in Shandong, Hebei und Jiangsu für eine Umsetzung des Konzepts mit größeren Anlagen.

Auch die Stromversorgung verbessert sich. Eine Ultrahochspannungsleitung verbindet inzwischen große Wind- und Solarparks in westlichen Provinzen mit Verbrauchszentren im Osten. Neue Leitungen binden zusätzliche Kapazitäten in Gansu an das Stromnetz an, das Shandong versorgt. Der Zugang zu kontinuierlich verfügbarem erneuerbarem Strom würde es ermöglichen, die Elektrolyseure einer künftigen Anlage nach dem Vorbild von Rizhao auszubauen und den Wasserstoff CO₂-arm zu halten, wenn die Abwärme allein den Bedarf nicht decken kann.

Warum das für Regionen mit Wasserknappheit wichtig ist

Wasserstoff ist ein wasserhungriger Energieträger, wenn Wasser knapp ist. Für die Herstellung eines Kilogramms Wasserstoff werden in der Regel etwa neun Liter sauberes Wasser benötigt. Analysten erwarten, dass die zusätzliche Wasserstoffnachfrage in den kommenden zehn Jahren Milliarden Kubikmeter Süßwasser erfordern wird. Entsteht dieser Mehrbedarf in trockenen Regionen, belastet das die Versorgung, sofern Meer- und Abwasser nicht stärker genutzt werden. Forschungsergebnisse deuten darauf hin, dass sich durch die Kombination von Entsalzung und Elektrolyse sowie die Rückgewinnung von Abwärme aus Brennstoffzellen und Elektrolyseuren die Energiekosten insgesamt um einige Prozent senken lassen. Wird das Wasser an der Küste gewonnen und ansonsten ungenutzte Wärme eingesetzt, bleibt das Wasser im Landesinneren für Landwirtschaft und Städte verfügbar; zugleich sinkt der Energiebedarf zumindest geringfügig.

Auch die Umweltplanung ist wichtig. Wenn Sole nicht sachgerecht eingeleitet wird, kann sie marine Ökosysteme schädigen. Das Modell in Rizhao mindert dieses Risiko, indem die Sole für die chemische Produktion verkauft wird und so weniger ins Meer gelangt. Auch die Meerwasserentnahme muss sorgfältig geplant werden, um Meereslebewesen zu schützen. Am besten wird das Wasser mit geringer Fließgeschwindigkeit durch feine Rechen angesaugt. Die Entnahmestellen sollten zudem dort liegen, wo es nur wenige Fische und Larven gibt. Das sind keine nachrangigen Fragen. Sie sind entscheidend, um Genehmigungen und die Unterstützung der Bevölkerung zu erhalten, wenn immer mehr Küstenindustrieparks Entsalzung und Elektrolyse miteinander verbinden wollen.

China baut ein Ökosystem für Wasserstofftechnologie auf

Hinter Projekten wie dem in Rizhao stehen eine wachsende Fertigungsbasis und ein Netzwerk von Partnern. In Tianjin versorgt eine große Elektrolyseurfabrik, die inzwischen vollständig unter der Kontrolle eines europäischen Unternehmens steht, jedes Jahr den Markt mit alkalischen Modulen im Umfang von mehreren Hundert Megawatt. Die Anlage hat ihre Automatisierungs- und Qualitätssicherungssysteme verbessert und bereits Ausrüstung für einige der größten laufenden Wasserstoffprojekte geliefert. Die vollständige Kontrolle ermöglicht schnellere Anpassungen am Design, eine engere Abstimmung der Logistik und eine bessere Qualitätssicherung bei internationalen Aufträgen.

Jarle Dragvik, Vorstandsvorsitzender von HydrogenPro, beschrieb den Wandel als Möglichkeit, die Kapazitäten auf die Nachfrage großer Projekte auszurichten.

Es geht darum, die Abläufe zu vereinfachen und eine kosteneffiziente Aufstellung zu schaffen, die für Großprojekte gerüstet ist.

Ausländische und chinesische Unternehmen vertiefen in China die Zusammenarbeit in den Bereichen Entsalzung, erneuerbare Energien und Wasserstoff. Ein internationaler Entwickler von Wasser- und Energieprojekten hat in Shanghai ein Innovationszentrum eröffnet, das gemeinsam mit Universitäten und Laboren an Photovoltaik, Windkraft, Energiespeicherung, grünem Wasserstoff und Meerwasserentsalzung arbeitet. Auch chinesische Unternehmen exportieren ihr Fachwissen. Eines baut in Ägypten ein grünes Wasserstoffprojekt, das mit Wind- und Solarenergie betrieben werden soll und auf Ammoniakexporte abzielt. Ein anderes arbeitet in Saudi-Arabien an der Planung einer großen Anlage zur Umwandlung von Wasserstoff in Ammoniak mit. Diese Projekte deuten auf eine Lieferkette hin, die Ausrüstung, Dienstleistungen und Betriebswissen für Vorhaben im In- und Ausland bereitstellen kann.

Wie es weitergehen könnte

Für Rizhao und ähnliche Anlagen ist die Zeit die nächste Bewährungsprobe. Ingenieure werden beobachten, ob sich die wärmegetriebenen Membranen zusetzen, sich Ablagerungen in den Leitungen bilden und die Elektrolyseure stabil laufen, wenn die Abwärmeversorgung schwankt. Weitere Betriebsstunden werden zeigen, welcher Wartungsaufwand tatsächlich anfällt und welche Betriebszeiten am besten geeignet sind. Wirtschaftlich kann die Kombination der drei Produktlinien – Wasser, Wasserstoff und Chemikalien aus Sole – Umsatzschwankungen abfedern und die Finanzierung erleichtern.

Auch die Entscheidung zwischen den beiden technischen Wegen dürfte klarer ausfallen. Die direkte Meerwasserelektrolyse könnte sich offshore in Verbindung mit Wind- und Wellenenergie durchsetzen, wo einfache und kompakte Anlagen gefragt sind. Die Entsalzung mit anschließender Elektrolyse könnte dort Vorteile haben, wo viel minderwertige Abwärme anfällt und eine verlässliche Nachfrage nach sehr reinem Prozesswasser besteht. Das Ziel ist in beiden Fällen dasselbe: grüner Wasserstoff zu wettbewerbsfähigen Kosten, ohne knappe Süßwasserressourcen anzuzapfen. Das Pilotprojekt in Rizhao zeigt einen praktikablen Weg dorthin, bei dem zugleich Wärme genutzt wird, die die Industrie derzeit ungenutzt abgibt.

Die wichtigsten Punkte

• Eine Küstenanlage in Rizhao in der Provinz Shandong gewinnt mit industrieller Abwärme aus Meerwasser Süßwasser und grünen Wasserstoff.
• Der angegebene Wasserpreis liegt bei etwa zwei Yuan pro Kubikmeter. Der Energiebedarf für Wasserstoff beträgt etwa 4,2 Kilowattstunden pro Normkubikmeter.
• Bei 800 Tonnen Meerwasser pro Jahr entstehen 450 Kubikmeter Reinstwasser, 192.000 Normkubikmeter Wasserstoff und 350 Tonnen Sole für die maritime Chemie.
• Die Nutzung minderwertiger Abwärme für die Entsalzung senkt den Strombedarf und entlastet die kommunale Wasserversorgung.
• Die direkte Meerwasserelektrolyse macht Fortschritte, doch Herausforderungen bei den Materialien bestehen fort. Deshalb setzen viele Projekte weiterhin auf Entsalzung mit anschließender Elektrolyse.
• Chinas Ultrahochspannungsnetz transportiert neue Wind- und Solarenergie nach Shandong und unterstützt so den Ausbau größerer Elektrolyseurflotten.
• Die Fertigungskapazitäten in Tianjin und neue Innovationszentren in Shanghai zeigen, dass das Ökosystem für Wasserstoff und Entsalzung wächst.
• Exportprojekte in Ägypten und Saudi-Arabien verdeutlichen die internationale Reichweite chinesischen Know-hows in den Bereichen Wasserstoff und Entsalzung.
• Sorgfältig geplante Entnahmestellen und ein gutes Solenmanagement sind entscheidend, um Meereslebewesen beim Ausbau von Küstenprojekten zu schützen.