Wasserstoff meets Wasseraufbereitung

Mit der „Neuen Weststadt“ ist in Esslingen am Neckar Deutschlands erstes nahezu klimaneutrales Wasserstoffquartier entstanden. Hier wird aus überschüssigem Ökostrom vor Ort „grüner Wasserstoff“ erzeugt und für die Nutzung im Stadtviertel, in der Mobilität und der Industrie aufbereitet. Die bei der Wasserstofferzeugung anfallende Abwärme aus dem Elektrolyseur gelangt über ein Nahwärmenetz ins Quartier und wird dort als Heizwärme genutzt. Damit der dortige Heizkreislauf von Beginn an vor Korrosion geschützt und auf reibungslosen energieoptimierten Betrieb eingestellt ist, galt es, 65 000 l Anlagenwasser nach VDI 2035 aufzubereiten.

120 000 m², 100 % klimaneutral, 85 t jährliche Wasserstoffproduktion – diese Zielvorgaben soll das neue Klimaquartier zukünftig erfüllen. Dafür haben die Stadt Esslingen und das Steinbeis Innovationszentrum (SIZ) Energieplus Stuttgart in Zusammenarbeit mit ihren Projektpartnern ein zukunftsorientiertes ganzheitliches Energiekonzept auf die Beine gestellt, das als nationales Leuchtturmprojekt vom BMWi und BMBF gefördert wird. 

Vom Güterbahnhof zum „Wasserstoff-Umschlagplatz“
Auf dem Areal des alten Güterbahnhofs wurden in der „Neuen Weststadt“ fünf Gebäudekomplexe im KfW 55-Effizienzstandard errichtet, die 480 Wohnungen, Büro- und Gewerbeflächen sowie einen Neubau der Hochschule Esslingen umfassen. Über PV-Anlagen auf den Dachflächen und Blockheizkraftwerke werden die dortigen Mieter mit Strom versorgt. Alles, was davon nicht direkt im Quartier genutzt wird, sowie weiterer überschüssiger erneuerbarer Strom aus lokaler und überregionaler Erzeugung wandert direkt in einen Elektrolyseur. Mit einer Leistung von 1 MWel ist er das Herzstück der Energie- und Technikzentrale des Quartiers und erzeugt mit Power-to-Gas-to-Power-Technologie (P2G2P) „grünen Wasserstoff“. Vereinfacht ausgedrückt, wird dabei Wasser mit Hilfe von Strom durch Elektrolyse in seine Bestandteile Wasserstoff und Sauerstoff zerlegt. Wasserstoff gilt als Schlüsseltechnologie der Energiewende: Er erzeugt bei seiner Verbrennung keine schädlichen CO₂-Emissionen und lässt sich zudem in großen Mengen erzeugen, transportieren und vor allem: Speichern. Dazu wurde im Klimaquartier ein eigener Wasserstofftank eingebaut, so dass der hier erzeugte Wasserstoff zwischengelagert werden kann. Bis zu 85 t Wasserstoff sollen im Klimaquartier Esslingen künftig hergestellt werden. Das entspricht dem Jahresstromverbrauch von 726 Drei-Personen-Haushalten oder 280 000 l Öl.

Kopplung der Sektoren Strom, Wärme, Kälte und Mobilität
In der „Neuen Weststadt“ Esslingen wird ein ganzheitliches Konzept dieser Art erstmals im städtischen Kontext umgesetzt und soll nicht nur eine hohe erneuerbare Eigenversorgung sichern, sondern auch die Gesamteffizienz des Energiesystems steigern. Wird etwa Strom im Stadtquartier benötigt, lässt sich der Wasserstoff klimaneutral in Blockheizkraftwerken schnell und einfach rückverstromen. Zur saisonalen Langzeitspeicherung und Dekarbonisierung des Gassektors wird der produzierte Wasserstoff zusätzlich in das Erdgasnetz der Stadt eingespeist. Darüber hinaus soll er für die Nutzung in Indus­trie und Mobilität außerhalb des Quartiers bereitgestellt werden. Hierzu sind die Errichtung einer H2-Abfüllstation, einer H2-Tankstelle und einer Gasnetz-Einspeisestation im Quartier geplant.
Auch für die Wärmeversorgung des Quartiers ist gesorgt, denn beim Elektrolyseprozess entsteht neben Wasserstoff auch jede Menge Abwärme. Diese wird ebenfalls gleich weiter genutzt und in ein Nahwärmenetz eingespeist, das den Bedarf für Heizung und Warmwasser der Gebäude deckt. Für ganzjährig optimales Wohnklima kann durch das Einbinden von Adsorptionskälte-Anlagen im Sommer auch Kühl­energie bereitgestellt werden. 
Zur Wärmeversorgung hat jedes Gebäude zusätzlich einen Spitzenlastkessel sowie ein Blockheizkraftwerk erhalten, die mit 100 % Ökogas betrieben werden. Damit in diesem Wärmekreislauf von Anfang an ein energieffizienter und reibungsloser Betrieb gesichert ist, galt es, die Anlagenwasserqualität nach den Vorgaben der VDI 2035 einzustellen. Die Green Hydrogen Esslingen GmbH holte sich dafür die Pethea Service GmbH ins Boot.

Vielseitig, sicher und praktisch
Als hauseigener Werkskundendienst der perma-trade Wassertechnik GmbH ist das Pethea-Team mit Großanlagen-Projekten dieser Art sowie der fachgerechten Befüllung und Aufbereitung großer und komplex verzweigter Heiz- und Kühlanlagen nach den Vorgaben der VDI 2035, VDI 6044 und AGFW FW 510 bestens vertraut. Das Expertenteam bietet alle Leistungen rund um die Anlagenwasseraufbereitung aus einer Hand – von der Beratung bis hin zur Einbindung angepasster Produktlösungen.
So steht mit der „permaLine“ eine einfache und praktikable Lösung bereit, die das Anlagenwasser im laufenden Betrieb sicher nach den Vorgaben der VDI-Richtlinie 2035 aufbereitet. Dabei können mit einem System alle wesentlichen Schadensverursacher in Heizsystemen – Salze, Säuren und Sauerstoff – unschädlich gemacht werden. Für besonders große Herausforderungen wie im Klimaquartier Esslingen hat perma-trade diese Lösung auch in einer speziell angepassten XXL-Variante umgesetzt. Diese verfügt etwa über extragroße Tiefenfilter und eine besonders leistungsstarke Pumpe und ist dadurch optimal auf die Aufbereitung großer Anlagenvolumina eingestellt.

Aufbereitung in mehreren Projektphasen
Die Wasserprobe vor Ort ergab vor der Aufbereitung eine Gesamthärte von 3 °dH, eine elektrische Leitfähigkeit von 250 µS/cm und einen pH-Wert von 6,5. Um diese Wasserparameter nach den Vorgaben der VDI-Richtlinie 2035 optimal einzustellen, wurden 2023 in einer ersten Projektphase zunächst die bereits zugänglichen Teile des Systemwassers in Pufferspeicher und Verteilernetz aufbereitet, was einem Aufbereitungsvolumen von ca. 50 m³ entsprach. Dafür wurde das mobile „XXL-Gerät“ einfach in den Heizkreislauf eingebunden. Nach Durchströmung des integrierten feinporigen Tiefenfilters mit 1 µm, der selbst kleinste Partikel von Trübstoffen, wie Magnetit, entfernt, wurde das Anlagenwasser über die angeschlossene „permasoft“-Einheit entsalzt. 
In einer zweiten Projektphase widmete sich Pethea der Aufbereitung der Flächenheizkreise der jeweiligen Wohneinheiten. Dafür galt es zunächst den ersten Kälteeinbruch abzuwarten, da die noch ausstehenden 15 m³ Anlagenwasser aus den Flächenheizkreisen der Wohneinheiten erst im laufenden Heizbetrieb zugänglich gemacht werden konnten.

Dauerhaft auf sicheren Anlagenbetrieb eingestellt
Um die Anlagenwasserqualität im Klimaquartier konstant auf dem gewünschten Niveau halten zu können, wurde nach der ersten Aufbereitungsphase ein „permaLine integral“-Gerät fest installiert. Dieses überprüft in regelmäßigen Intervallen die elektrische Leitfähigkeit des Anlagenwassers und schaltet im Bedarfsfall automatisch die Entsalzung zu, um das Anlagenwasser wieder entsprechend aufzubereiten. Da es im Klimaquartier mit einem großen Aufwand verbunden gewesen wäre, die Heizkreise der Fußbodenheizungen zur weiteren Aufbereitung in hunderten Wohneinheiten sukzessive manuell zu öffnen, konnte dies einfach kontinuierlich im laufenden Heizbetrieb umgesetzt werden. In Summe kamen für die beiden Aufbereitungsphasen der gut 65 000 l Anlagenwasser im Klimaquartier drei „PT-PS 100 000 E“ Aufbereitungseinheiten sowie fünf Stück vom Typ „PT-PS 28 000“ zur Entsalzung zum Einsatz.

www.perma-trade.de

Schutz vor Sauerstoffkorrosion 
Um die Anlagen im Klimaquartier von Anfang an umfassend vor Korrosionsrisiken sowie Magnetitschlamm zu schützen, wurde über das fest installierte Integralgeräte auch gleich eine kontinuierliche Sauerstoffzehrung mit eingebunden. Sauerstoff gilt als Korrosionstreiber Nr. 1 und sollte daher idealerweise aus dem Anlagenwasser herausgehalten werden. Mit der Sauerstoffzehrpatrone „OxRed“ hat perma-trade dafür eine praktische Lösung entwickelt: In Kombination mit „permaLine integral“ filtert sie Sauerstoff aus dem System, so dass Sauerstoffkorrosion und der Bildung von Magnetitschlamm wirksam vorgebeugt werden kann. Ein weiterer Vorteil: Im Vergleich zu einer konventionellen Dosierung mit Sauerstoffbindemittel, kommt es dabei zu keinerlei Aufsalzung des Anlagenwassers. Die Leitfähigkeit des Anlagenwassers erhöht sich dabei nicht, ebenso wenig die Wahrscheinlichkeit für mikrobiell beeinflusste Korrosionsvorgänge, da kein Sulfat eingetragen wird.