Hzwei Blogbeitrag

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1. MĂ€rz 2024

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Titelbild: Die runden Wasserstoffzellen im SpeicherbehÀlter

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Bildquelle: water stuff & sun
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Die Suche nach dem idealen H2-Speicher

Interview mit Thomas Korn, CEO von water stuff & sun

Das Start-up water stuff & sun hat eine neue Technologie entwickelt, die eine sichere und einfache Speicherung von Wasserstoff ermöglichen soll. Kernkomponente ist dabei ein Mikroventilsystem. Ein Druckregler steuert die Wasserstoffabgabe schrittweise von 1.000 bis hinunter zu wenigen bar. Über die Funktionsweise und die Herausforderungen hat HZwei mit Thomas Korn, dem CEO von water stuff & sun, gesprochen.

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HZwei: Herr Korn, das Speichern und Betanken von Wasserstoff ist ein anspruchsvolles Thema. Wie lösen Sie das Problem?

Korn: Die Speicherung von Wasserstoff in konventionellen Druckgasspeichern ist heute kompliziert und teuer. Es gibt einen Zielkonflikt zwischen Performance, Sicherheit und Kosten. Wir lösen den Zielkonflikt auf eine überraschende Weise: Anstelle weniger, großer und zylindrischer Behälter sind wir mit unserer Technologie in der Lage, die identische Wasserstoffmenge in vielen, tennisballgroßen, runden Druckbehältern aus Kohlefaser zu speichern. Durch das Mikroventilsystem aus Silizium, das in jeder Druckspeicherkugel verbaut ist, agieren alle identisch und zeitgleich, wie ein großer Tank. Der Aufwand für die Sicherheit von Wasserstoffspeichern kann signifikant reduziert werden, wenn die Energiemenge in vielen kleinen Behältern aufgeteilt ist. So sparen wir im Verhältnis zu einem Standarddrucktank fast die Hälfte des Kohlefasermaterials ein. Diese kugelförmigen Hochdruckspeicher nennen wir Sfeers.

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So werden Wasserstoffzellen beliebig skalierbar und in Wasserstoffbatterien flexibler Bauform integriert. Grüner Wasserstoff wird so für eine Vielzahl von mobilen und stationären Anwendungen wie Lkw, Drohnen und Flugzeugen nutzbar. Die nächste Generation dieser Energiespeicher wird im Vergleich zur Lithium-Ionen-Batterie um 95 Prozent leichter und bis zu 30-mal günstiger sein – und das bei gleicher Energiemenge, die transportiert werden kann.

EES Ausstellung Sheers Kopie
Eine runde Sache: eine Sfeer-Kugel auf der EES-Fachmesse in München

Wie funktioniert die Wasserstoffbatterie?

Wasserstoffbatterien sind Niederdruck-Wasserstoffspeicher, in denen die mit bis zu 1.000 bar befüllten Sfeers integriert sind. Die Gehäuse der Wasserstoffbatterien sind für niedrige Drücke ausgelegt und können somit ideal auf vorhandene Bauräume unterschiedlichster Mobilitätsprodukte angepasst werden. Bei Wasserstoffentnahme sinkt der Druck im Gehäuse der Wasserstoffbatterie ab und aktiviert das Mikroventilsystem aller Sfeers, nachdem ein mechanisch programmierter Umgebungsdruckbereich unterschritten wird. Diese geben nun Wasserstoff frei und stellen zusammen die benötige Energiemenge eines Wasserstoffmotors oder einer Brennstoffzelle bereit.

Der Druck in der Wasserstoffbatterie steigt wieder über den Aktivierungsdrucklevel an, der durch den Fertigungsprozess der mikromechanischen Komponenten festgelegt wird. Nach dem Erreichen des Drucklevels schließen alle Mikroventile. Der Druck in der Batterie bleib konstant oder reduziert sich wieder, falls der Verbraucher weiterhin Wasserstoff entnimmt. Der Aktivierungsdruck ist auf den Versorgungsdruck der Verbraucher eingestellt. Die Wasserstoffbatterie ist quasi ein Niederdruckspeicher, jedoch mit der Kapazität eines Hochdruckspeichers.

Das Konzept erhöht die Sicherheit und reduziert gleichzeitig den Materialaufwand. Nachdem vorhandene Bauräume durch die Freiformfähigkeit ideal genutzt werden, übertreffen Wasserstoffbatterien konventionell Drucktanks hinsichtlich volumetrischer und gravimetrischer Energiespeicherdichte.

Die Mikroventiltechnik kommt aus der Satellitentechnik. Wie werden diese hergestellt?

Satelliten haben einen Gasantrieb, der die Position im Kommunikationsfenster sicherstellt. Aufgrund des wirtschaftlichen Drucks, Satelliten zunehmend kleiner und leichter zu bauen, hat man in der Industrie bereits in frühen Jahren Mikrosystemtechnik zur Steuerung von Gasen zum Einsatz gebracht. Unsere Innovation liegt in der Entwicklung von mikromechanischen Schaltelementen, die keine elektrische Energie zur Steuerung benötigen, sondern passiv durch den Umgebungsdruck gesteuert werden. Wie in der Halbleitertechnik werden hochindustrialisierte Fertigungsprozesse genutzt, die auf großen Silizium-Wafern Tausende identische Bauteile hervorbringen können. Ventile, Gaskanäle und der fünfstufige Druckregler werden in vier Schichten Silizium hergestellt und zusammengefügt. Alle Bauteile des Chips werden in eine Größe von 4 x 4 x 2,5 mm integriert.

Wie sind Sie auf die Idee der kugelförmigen Hochdruckbehälter gekommen?

Die Erfindung der Technologie stammt von Prof. Lars Stenmark, der im Ångström Labaratory der Universität Uppsala Mikrosystemtechnik unterrichtet hat und bereits frühere Erfindungen in der Luft- und Weltraumindustrie zur Anwendung brachte. Als er mir von seiner Erfindung zur Wasserstoffspeicherung erzählte, war ich Feuer und Flamme. Ein physikalischer Wasserstoffspeicher, der zwei vorhandene Technologien kombiniert und den Zielkonflikt zwischen Sicherheit, Kosten und Performance von Wasserstoffspeichern löst – da konnten wir nicht widerstehen und haben im Januar 2017 die Firma water stuff & sun gegründet.

WWS Ventilsystem Kopie
Ein Blick ins Labor zeigt den Testaufbau zur Evaluierung des Mikrochips

Gibt es schon einen Prototyp?

Im Clean Room im Ångström-Labor in Uppsala haben wir bereits Prototypen von Schaltventilen und das Kernelement des Ventilsystems, den Druckregler, hergestellt und getestet. Wir haben ebenfalls einen Sfeers-Protoyp aus Kohlefaser in einem Berstversuch untersucht und unser Simulationsmodell mit den Ergebnissen validiert. Aktuell bauen wir den ersten Systemprototyp einer Wasserstoffbatterie mit drei Sfeer-Zellen auf. Mit dem Prototyp und dessen Einsatz in einer Mikro-Mobility-Anwendung werden wir im ersten Halbjahr 2024 den technischen Reifegrad 5 erreichen. Ab diesem Zeitpunkt beginnen wir mit mehreren Herstellern, Wasserstoffbatterien für spezifische Mobilitätsprodukte zu entwickeln und im nächsten Schritt zu industrialisieren. Das Interesse in der Industrie ist groß. So konnten wir bereits mit einem Flugzeughersteller und dem DLR ein gemeinsames Förderprojekt einreichen. Gemeinsam mit dem Partnerunternehmen Keyou entwickeln wir Wasserstoffbatterien zur Um- und Nachrüstung von Lkw und Bussen. Auch das Interesse eines Minenmaschinenherstellers und eines Lkw-OEM konnten wir bereits erregen.

Nochmals zurück zum Tankvorgang. Sie planen, die Speicher auszutauschen?

Wasserstoffbatterien müssen nicht im Fahrzeug betankt werden, sie werden an Wechselstationen oder bei kleinen Anwendungen auch mit der Hand getauscht. Entsprechend schnell und kosteneffizient kann so die Betankung stattfinden. Die leeren Wasserstoffbatterien werden an zentralen Kompressorstationen wiederbefüllt und zurück an die Wechselstationen gebracht. Das einfache Handling wird durch den niedrigen Betriebsdruck und die begrenzte Menge von H2 im Gehäuse der Wasserstoffbatterie ermöglicht. Im Vergleich zu konventionellen Hochdruck- oder Flüssigwasserstofftankstellen ist der Aufwand und die Komplexität deutlich reduziert, was die Investitions- und Betriebskosten verringert und somit auch den Wasserstoffpreis. Beispielsweise bei schweren Nutzfahrzeugen müssen einige Hundert Liter Kraftsoff-Energieäquivalent mit Wasserstoff komprimiert, gekühlt und transferiert werden. Der Vorgang kann mit der Wasserstoffbatterie mit einem einfachen Tausch innerhalb von wenigen Minuten erledigt werden.

Sie müssen einiges finanzieren. Wie sehen die nächsten Schritte für Ihre Firma aus?

Der Kapitalbedarf ist bei einem Tech-Start-up immer ein Thema, das ist ein kontinuierlicher Prozess. Gerade haben wir eine neue Finanzierungsrunde gestartet, in der unsere bereits investierenden Partner wie die Kapitalgesellschaft der Kreissparkasse Esslingen-Nürtingen, kurz ES Kapital, das Family Office Besto der Unternehmerfamilien Beyer und Stoll oder die Maschinen- und Werkzeugfabrik Nagel Interesse angemeldet haben. Ich würde von relativ bodenständigen Investoren mit regionalem Bezug sprechen, die schon seit einer frühen Phase mit dabei sind. Das frische Geld soll unter anderem in die schon angesprochene Entwicklung eines Prototyps in der mobilen Anwendung fließen. Die Rohstoffe für die Produktion wie Halbleiterchips sind alle erschwinglich. Kohlefaser und Silizium sind gut auf dem Markt zu bekommen. Das ist ein Vorteil bei der weiteren Skalierung. Wenn alles funktioniert, sehen wir bis 2025 die erste unserer Batterien in einem Fahrzeug oder Flugzeug.

WSS Truck Integration
Die H2-Batterie soll im Lkw einfach und schnell getauscht werden

Wann und wie wird sich der Markt für Ihre Lösung entwickeln?

Die Transformation der Energiesysteme ist im vollen Gange. Infrastruktur für erdgas- und ölbasierte Kraftstoffe und Brennstoffe wird durch Wasserstoff und flüssige Wasserstoffderivate wie Ammoniak, Methanol oder synthetische Kraftstoffe ersetzt. Der Wettlauf um die Technologieführerschaft und letztendlich Energieführerschaft hat längst begonnen. In China und den USA werden aktuell viele Milliarden Euro in Wasserstofftechnologien und deren Infrastruktur investiert, wir Europäer versuchen mit dem Green Deal dagegenzuhalten. Wasserstoffprojekte schießen wie Pilze aus dem Boden. Für uns hat der Markt bereits begonnen, wir schließen aktuell Kooperationsverträge mit ersten Herstellern von Fahrzeugen und Maschinen.

Wo sehen Sie den ersten Markt, der sich entwickeln könnte?

Wir müssen da mehrgleisig fahren und schauen deshalb auch in die USA und in den arabischen Raum. Das Land, das durch Investition die niedrigsten Wasserstoffpreise ermöglichen kann, wird viele Unternehmen und Investments anziehen. Ich hoffe, dass wir in der EU und in Deutschland mit der Greenhouse Gas Quota ein Instrument erhalten, das wettbewerbsfähig ist.

Sie haben eine Auszeichnung bei den World CleanTech StartUPs Awards, kurz WCSA 2023, gewonnen. Was hat die Jury besonders überzeugt?

Erst einmal ist der Award als Plattform ein sehr interessantes Netzwerk. Der WCSA 2023 wurde unter anderem von ACWA Power in strategischer Partnerschaft mit Dii Desert Energy und dem französischen Institut für Solarenergie CEA-INES ausgeschrieben. Die Jury hat das transformative Potenzial der Wasserstoffbatterie gesehen. Die Innovation könnte eine effiziente und flexible Infrastruktur für H2 aufbauen. Die Stromkosten zur Wasserstofferzeugung aus erneuerbaren Energien sind in Dubai sehr gering. Auch deshalb hat uns ACWA nun Ende des Jahres 2023 noch mal eingeladen, unsere Lösung vor Ort zu präsentieren. Das wird sehr spannend.

Im November wurden wir zudem bei den Global EnergyTech Awards gleich zweimal ausgezeichnet: mit dem „Best CleanTech Solution for Energy“ und zusätzlich dem Sonderpreis „Best Stand Out Performer“. Wir waren die einzigen Gewinner aus Deutschland. Das hilft.

Interviewer: Niels Hendrik Petersen

Thomas Korn WSS CEO Kopie
Thomas Korn

Thomas Korn arbeitet bereits seit 1998 an dem Thema Wasserstoff. Der Ingenieur hat unter anderem bei BMW an der Entwicklung der Brennstoffzelle gearbeitet. 2015 war er Mitgründer des Wasserstoff- Start-ups Keyou in München. Das Start-up water stuff & sun wurde 2017 im oberbayerischen Unterschleißheim gegründet. Die junge Firma hat derzeit 15 MitarbeiterInnen sowie eine Zweigstelle in Uppsala, Schweden.

2 Kommentare

  1. Niels Marquardt

    Sehr geehrter Herr Niels Hendrik Petersen,

    Sie schreiben in Ihrem Beitag folgendes:
    “ Anstelle weniger, großer und zylindrischer BehĂ€lter sind wir mit unserer Technologie in der Lage, die identische Wasserstoffmenge in vielen, tennisballgroßen, runden DruckbehĂ€ltern aus Kohlefaser zu speichern. Durch das Mikroventilsystem aus Silizium, das in jeder Druckspeicherkugel verbaut ist, agieren alle identisch und zeitgleich, wie ein großer Tank. . . .
    Wasserstoffbatterien sind Niederdruck-Wasserstoffspeicher, in denen die mit bis zu 1.000 bar befĂŒllten Sfeers integriert sind. Die GehĂ€use der Wasserstoffbatterien sind fĂŒr niedrige DrĂŒcke ausgelegt. . . . “
    Können Sie mir vielleicht NĂ€heres ĂŒber den Bau dieser „Steers“, der vielen kleinen Druckspeicher-Kugeln aus Kohlefasern, sagen, gibt es vielleicht eine technische Zeichnung, die Sie freigeben können und vor allem : aus welcher Art von Kohlefasern handelt es sich, also wie wird das Kohlefaser-Feststoff-Speichermaterial hergestellt und besteht seine Mikrostruktur aus Grafit-Schichten ? Sind das eventuell noch Firmengeheimnisse, die Sie nicht freigeben können oder gibt es bereits Patente dazu, die Sie veröffentlicht haben ?
    Ich arbeite ebenfalls seit Jahren an H2-Feststoffspeichern und finde Ihren Projektvorschlag hoch interessant.
    FĂŒr nĂ€here Informationen ĂŒber die o.g. technischen Details wĂ€re ich Ihnen sehr verbunden.
    Mit den besten WĂŒnschen fĂŒr den Erfolg Ihres Projekts
    und freundlichen GrĂŒĂŸen,

    Niels Marquardt.

    ——————————————–
    Prof. Dr. Niels Marquardt
    Ruhr-UniversitÀt Bochum
    FakultĂ€t fĂŒr Physik u. Astronomie
    Vormholzstr. 16 A
    44801 Bochum
    Germany
    Tel.: +49 234 701625
    Fax : +49 234 6236 403
    e-mail: niels.marquardt@ish.de
    ——————————————–

    Antworten
  2. Hans-Peter Schmid

    Die Idee des in den sfeers gespeicherten Wasserstoffes ist tatsĂ€chlich unwiderstehlich und clever. Die Entnahme ist „straightforward“. Aber wie kommt der Wasserstoff unter Hochdruck in die Kugeln?
    Die Antwort der Frage bedingt sicher das Speicherwechselprinzip mit zentraler automatisierter BefĂŒllung der Kugeln mit H2 und anschließender AbfĂŒllung der Kugeln in die TankbehĂ€lter – interessante Aufgabe fĂŒr den deutschen Sondermaschinenbau.

    Stimmts, Herr Korn?

    Antworten

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