ReNexValue

Project description

Für die grüne Herstellung von Wasserstoff in Elektrolyseuren wird als Wassergrundlage üblicherweise Frischwasser verwendet. Das Frischwasser wird in einem mehrstufigen Prozess zu Reinstwasser aufbereitet, das eine ausreichend geringe elektrische Leitfähigkeit (<<100 µS/cm) für den Elektrolyseprozess aufweist. Die Nutzung von Frischwasser als Ausgangsprodukt führt vor allem in wasserarmen Regionen oder während Trockenperioden zu Nutzungskonkurrenzen. Alternative Wasserquellen wie Abwasser und Prozesswasser rücken daher zunehmend in den Forschungsfokus. Es gilt zu untersuchen, welche Aufbereitungsschritte durchzuführen und wie diese zu konzeptionieren sind, um aus alternativen Wasserquellen Reinstwasser mit einer ausreichend geringen elektrischen Leitfähigkeit für den Elektrolyseprozess herzustellen. Außerdem müssen Konzepte zur effizienten Behandlung und Weiterverwendung der anfallenden nährstoffreichen Konzentrate aus dem Wasser-Aufbereitungsprozess entworfen werden, da diese bislang primär entsorgt werden.

Auf dieser Grundlage setzt sich das Forschungsvorhaben ReNexValue das Ziel, ein sektorübergreifendes, modulares Gesamtsystem zur nachhaltigen Aufbereitung von Abwasser bis hin zu hochwertigem Reinstwasser für die Wasserstoffproduktion zu entwerfen. Ein besonderer Fokus wird dabei auf die Behandlung der Konzentrate aus dem Wasser-Aufbereitungsprozess gelegt, um Nährstoffe und andere wertvolle Elemente zurückzugewinnen und diese der Kreislaufwirtschaft anstatt einer Entsorgung zuzuführen. Hierzu sollen die Prozessketten der weitergehenden Wasseraufbereitung, Reinstwasseraufbereitung, Konzentratbehandlung und Wasserstoffelektrolyse innovativ und intelligent miteinander gekoppelt werden, während Abwärme des Prozesses genutzt und Nähr- und Wertstoffe aus den Konzentraten zurückgewonnen werden. So können Ressourcen geschont und Synergien im Wasser- und Energiesektor geschaffen werden, um kommunale und industrielle Wasser- und Energieinfrastrukturen in Richtung zukunftsfähiger Systeme zu transformieren. Das Forschungsvorhaben definiert dazu die folgenden fünf Grundprinzipien und Projektziele:

1. Ganzheitliche Stoffstromlenkung im Wasseraufbereitungssystem
2. Transformation von Abfallströmen zu Wertstoffquellen
3. Regulatorische Integration und End-of-Waste-Orientierung
4. Funktionale Produktbildung und Ressourceneffizienz
5. Ökonomische und ökologische Bewertung im Systemkontext
   
   
   Neben der theoretischen Auslegung der entsprechenden Systeme sollen diese auch im Realbetrieb erprobt werden. Für den ersten Schritt der weitergehenden Wasseraufbereitung steht dafür eine vollautomatisierte Pilotanlage zur Verfügung, die zur Auslegung auf das Projekt umgebaut wird. Die Anlage besteht aus zwei Containern. Container 1 kombiniert Ozonung mit keramischer Ultrafiltration und Container 2 kombiniert Umkehrosmose und Nanofiltration. Die Pilotanlage ist modular aufgebaut, sodass die Module sowohl parallel als auch in Reihe betrieben werden und die einzelnen Verfahrensstufen bedarfsgesteuert angepasst werden können. Die Pilotanlage wird sowohl am Klärwerk Steinhof in Braunschweig als auch an einem Industriestandort unter realen Abwasserbedingungen betrieben. Das Permeat in Form des vorgereinigten Wassers (Trinkwasserqualität) wird der bestehenden Reinstwasseraufbereitung zugeführt, die im Regelfall mit Frischwasser beschickt wird. Die Reinstwasseraufbereitung als bestehendes Konzept ist dabei nicht Fokus dieses Forschungsprojekts. Die Konzentrate, die neben dem Permeat aus dem Aufbereitungsprozess resultieren, werden der Konzentratbehandlung zugeführt. Diese unterteilt sich in die Eliminierung organischer Mikroverunreinigungen und die selektive Rückgewinnung von Wertstoffen. Für den ersten Bereich stehen die Verfahren Aktivkohle-Biofilter und Ozonung und für den zweiten Bereich die Verfahren Elektrodialyse, Verdampfung und Kristallisation zur Verfügung. Die Verfahrenskette kann dabei modular konfiguriert werden, sodass sie die Konzentratzusammensetzungen beider Abwasserstandorte verarbeiten kann.

Das Reinstwasser, das aus dem vorbehandelten Abwasser hergestellt wurde, wird am bestehenden Projektstandort dem Hydrogen Terminal in Braunschweig dem realen Elektrolyseprozess zugeführt und die Auswirkungen werden untersucht. Neben der Integration des Inputwassers sollen außerdem die Elektrolyse-Nebenprodukte Sauerstoff und Abwärme hinsichtlich ihrer Nutzungspotenziale für weitere Prozessschritte wie die Ozonproduktion, Reinstwasseraufbereitung und Konzentratbehandlung untersucht werden. Die angewandte Forschung am Standort des Hydrogen Terminals zielt auf folgende Fokusbereiche ab:

• Validierung der technischen Leistungsfähigkeit und der H₂-Qualität
• Optimierung der Betriebsweise für hohen H₂-Output bei zugleich robuster Wasserqualität
• Erfassung und Auswertung aller relevanten Energie- und Stoffströme
• Bereitstellung entscheidungsrelevanter Kennzahlen für die Gesamtevaluierung und Übertragbarkeit