Wasserstoff für eine dekarbonisierte Zukunft
Die Klimaerwärmung, aber auch die wirtschaftliche und damit politische Abhängigkeit von Energieimporten hat Europa dazu bewogen, in 2019/20 den Green Deal abzuschließen. Das Ziel ist - grob - das CO2 Reduktionsziel von 2030 zu erreichen und die Eigenversorgung mit Regenerativer Energie drastisch zu erhöhen.
Da Wind- und Solarstrom regional unterschiedlich verteilt generiert wird (Spanien prädestiniert für Strom, Küstenländer wie Dänemark, England und Schweden für Wind), benötigt man neben Transportleistung auch Speichermöglichkeiten.
Die Lithium Ionen Technik erlaubt zwar stationäre Speicherkapazitäten im MWh Bereich. Doch wirklich große Mengen Strom können auf einfachere Weise in einem Wasserstoff-Kreislauf gespeichert (und transportiert) werden. Davon zumindest ist der europäische Zusammenschluss "Hydrogen Europe" überzeugt,
Die Aufgaben, die zu bewältigen sind, können mit folgenden Oberbegriffen zusammen gefasst werden:
- Substitution/Reduktion von Platin; Kostenreduktion
- Forschung und Entwicklung in Bezug auf Lebensdauer, Zuverlässigkeit, Effizienz und Robustheit
- Übergang zu Massenfertigung von FC/EC Stacks (Kostenreduktion und Quantität sind Grundvoraussetzung für eine breite Akzeptanz)
- Aufbau einer ausreichenden Elektrolyseleistung (Power-to-Gas)
- Aufbau eines Tankstellennetzes (HRS: Hydrogen Refueling Station)
- Ausbau der Anwendungen (Schwertransport, stationäre Wärme/Stromgewinnung, Strombalancing, etc.)
- Ausbau eines Transportnetzes (gasförmig, verflüssigt, Druckspeicherung, LOHC)
- Kommerzialisierung der Hydrogen-Industrie ähnlich LION-Technik bis hin zu gleichen Standards, Bezahlung, Handel usw.
- Nutzung der "Economy of Scale (Skaleneffekt)" zur massiven Reduktion von Kosten in Produktion, Lagerung und Distribution
- Optimierung der Sektorenkopplung Strom - Wärme - Industrie und Verkehr
Die Webseite der Joint Group listet etliche Industriepartner, Forschungseinrichtungen und regionalen und multilateralen Förderprogramme auf. Die hier gezeigte Liste beschränkt sich auf Industriepartner weltweit. Die Liste erhebt keinen Anspruch auf Vollständigkeit und stellt keine Wertung dar.
Eine der vordringlichsten Aufgaben der deutschen Industrie im globalen Wettrennen um die Führerschaft im Bereich Wasserstoff ist, die massenhafte Herstellung von Brennstoffzellen zu automatisieren. Erst der Wechsel von einer Manufakturfertigung hin zu einer schnellen, fehlerminimierten Fertigung ermöglicht konkurrenzfähige Preise für Brennstoffzellen-Anwendungen. Denn statt 1000 Euro pro kW Leistung muß eher der Wert 500 EUR für 100 kW Leistung erreicht werden. Dann sind Brennstoffzelle und Verbrennermotor in etwa gleichauf mit den direkten Kosten.
Das klingt zunächst viel, denn das bedeutet Herstellkosten von einem Zehntel der heutigen Kosten. Doch das Ziel ist erreichbar - durch Automatisierung, die neben den Fertigungskosten auch die Ausschußquten reduziert kann. Der VDMA hat betreits früh diese Herausforderung erkannt und eine eigene Task-Force-Gruppe gebildet.
Bei 350-400 einzelnen Brennstoffzellen pro Stack sind also Taktzeiten im Bereich von Sekunden erforderlich zur Herstellung von Bipolarplatten und Membran-Elektroden-Einheiten (MEA`s). Auch etliche Fraunhofer-Institute arbeiten mit der Industrie zusammen an entsprechenden Lösungen.
Eine Aussage aus dem September 2020 vom Vicepresident Operations der ältesten Firma, die sich kommerziell mit Brennstoffzellen beschäftigt (Ballard Power), unterstreicht die Aussichten der ganzen Branche:
„Wir haben im April 2019 eine strategische Investition zur Erweiterung der MEA-Produktionskapazität getätigt, die uns auf das erwartete Wachstum der Nachfrage nach Brennstoffzellenmotoren für schwere und mittelschwere Antriebsanwendungen vorzubereitet. Das betrifft Brennstoffzellen für Anwendungen in Bus-, LKW-, Zug- und auch Seeschiffen." (Jyoti Sidhu)
Die Produktionserweiterung ermöglicht die Fertigung von ca. 6 Millionen MEA`s pro Jahr, was einer Leistung von knapp 1,7 Gigawatt entspricht. Produktionsbeginn ist 2021.
Eine wichtige Anwendung für Brennstoffzellen wird in Zukunft auch die Bereitstellung von Elektrizität UND Wärme sein. In Blockheizkraftwerken mit Kraft-Wärme-Kopplung (CHP) wird durch Nutzung der Abwärme der Wirkungsgrad einer Brennstoffzelle signifikant erhöht. Bei SOFC (Keramik-Brennstoffzellen mit z.T. über 1000°C Betriebstemperatur) spart man so auch Stützenergie ein. Unternehmen wie Viessmann, Powercell, Hydrogenics; Nedstack oder IRD und Sunfire gehen in diese Richtung.
Rahmenbedingungen für die Wasserstoffnutzung
Obwohl Wasserstoff als erstes Element im Periodensystem einige besondere Herausforderungen an das Materialhandling stellt (z.B. hohe Anforderungen an die Dichtigkeit, Gefahr der Materialversprödung durch H2-Diffusion, Explosionsgefahr), existiert bereits eine Jahrzehnte alte Erfahrung im Umgang mit Wasserstoff. Als Grundstoff für viele chemische Prozesse wird Wasserstoff gelagert, durch Pipelines transportiert, tiefgekühlt oder mit Kompressoren verdichtet.
Schaut man einseitig nur auf die noch nicht ausreichende Infrastruktur für Brennstoffzellen-betriebene Fahrzeuge, blendet man erheblich größere Anwendungsgebiete für Wasserstoff aus.
Diese bedienen sich traditionell des Erdgases (Methan), um daraus den für Düngemittelherstellung und Rohöl-Veredelung benötigten Wasserstoff herzustellen. Verfahren zur Speicherung des dabei anfallenden CO2 (CCS) sind zwar aussichtsreich, doch am Ende bleibt es bei der Nutzung von fossilen, endlichen Energieträgern.
Dass die Wasserstoff-Technologie unter dem Label „Grüne Technologie“ noch erhebliche Anlaufschwierigkeiten hat, ist inzwischen in breiten Schichten der Bevölkerung angekommen. Offen wird über das Dilemma diskutiert, dass für die Erzeugung ausreichender Mengen Wasserstoff die inländische Produktionskapazität für grünen Strom nicht ausreicht.
Doch neben dieser eher grundsätzlichen Frage gibt es auch noch eine Menge Detailfragen, die den massenhaften Einsatz von Wasserstoff als allgemein genutzten Energieträger behindern:
- Die Readyness of Technology muß an vielen Stellen noch wesentlich erhöht werden (Automatisierung)
- Der Wasserverbrauch für die Elektrolyse großer Energiemengen ist vor allem in ariden Gebieten mit großer Stromproduktionskapazität problematisch. Zwar scheint die Sonne sehr viel mehr wie in z.B. Deutschland, dafür steht oft nur Salzwasser für die Elektrolyse zur Verfügung. In diesem Umfeld wird geforscht, in wie weit dieses Ionenhaltige Wasser für eine angepasste Elektrolyse genutzt werden kann – ohne zwangsweise zuerst über Umkehrosmose sauberes Süßwasser herzustellen mit der Folge, hoch aufkonzentrierte Salzlauge als „Abfallprodukt“ zu produzieren.
- Verbesserungen der Brennstoffzell-Technologie, um besser mit fluktuierenden elektrischen Strömen zurecht zu kommen. Da Wind- und Solarenergie nicht kontinuierlich zur Verfügung stehen, wäre ein Elektrolyse-System wünschenswert, das einen „breiten optimalen Arbeitspunkt“ hat.
- Es fehlt an nationalen und internationalen technischen Regeln
- Es fehlt an der Verfügbarkeit der Technologie. Neben dem Preis sielt eine große Rolle die Langlebigkeit und Zuverlässigkeit. Neben der Economy of Scale ist ein wichtiges Umfeld die prozess- und qualitätssichere Herstellung von Elektrolyseuren (und Brennstoffzellen).
- Die Infrastruktur für einen zügigen Ausbau ist nur an wenigen Standorten mit massiver Unternehmenskonzentrationen der chemischen Industrie vorhanden. Läger, Tankstellen, Pipelines und Kompressoren stehen in nicht ausreichendem Maß für einen zügigen Ausbau zur Verfügung. Die Technologie für das Wasserstoff-Handling ist vergleichsweise teuer und bei weitem nicht so in der Breite etabliert wie die Elektrizität.
Abschließend muß man dennoch festhalten, dass es sich bei der Wasserstoff-Technologie NICHT um eine gänzlich neue Technik handelt. Die Risiken bei der Nutzung von Wasserstoff sind gut bekannt.
Ebenfalls wichtige Rahmenbedingungen für eine weitere Etablierung der Wasserstofftechnik sind auch politische Rahmenbedingungen:
- Anpassung des EEG-Gesetzes für die Herstellung/Nutzung von grünem Wasserstoff (volle Anerkennung von regenerativ hergestelltem Wasserstoff als Energieträger)
- Schaffung rechtlicher Rahmenbedingungen und Regulierungen (z.B. BImSchV)
- Herstellung von Investitionssicherheit (vereinfachte Genehmigungsverfahren, Förderprojekte)
- Schaffung von Anreizen für die Verwendung von Wasserstoff-Anwendungen
- Marktaktivierung (die Forschungsförderung läuft bereits seit ca. 2006)
- Ergänzung des BImSchG §37 um nicht-biogene Kraftstoffe aus erneuerbaren Energiequellen
- Zuverlässige Finanzierung des H2Global Programms für den Hochlauf der heimischen H2-Produktion
- Kooperationen mit anderen Ländern weltweit für eine zukunftssichere Energieimport-Wirtschaft
(09/2021)
Förderprojekte/Leitprojekte Deutschland
H2Giga - führt alle wesentlichen Akteure rund um die Wasserelektrolyse mit dem Ziel zusammen, bis 2030 etwa 5 Gigawatt Produktionskapazität für grünen Wasserstoff zu installieren.
Untersucht werden PEM-Elektrolyse, alkalische Elektrolyse (AEL), Hochtemperatur-Elektrolyse (HTEL) und die Elektrolyse mit anionenleitenden Membranen (AEM).
TransHyDE - Ziel ist eine Wasserstoff-Transport-Infrastruktur für den Wasserstoffbedarf Deutschland zu entwickeln
H2Mare - Wasserstoffproduktion direkt am Offshore-Windpark
Dolphin - Herstellung industrieller Brennstoffzellenstacks mit wenigen, hochmodularer Einzelkomponenten mittels disruptiver Technologien
Promet-H2 - Herstellung von kostengünstigen, massenproduktionsreifen PEM -Wasserelektrolyseuren
Neptune - Großformatige PEM-Elektrolyseure, innovative neue Ansätze
HydroGEN - Untersuchungen von Leistung und Beständigkeit dünner PEM-Membranen mit geringem Medien-Crossover für Wasser-Elektrolyseure
TransHyDE (Campfire) Ammonika-Energietransportsysteme, ZBT Duisburg
Cluster und Forschungsgemeinschaften
- Energy Saxony
- ZSW Ulm
- ZBT Duisburg
- PEM RWTH Aachen
- NOW
- FCHEA (Fuel Cell & Hydrogen Energy Association)
Infosplitter
- Jährlicher Bericht des Energieberatungsunternehmens E4
- 07/2020 Hyundai hat in den vergangenen 7 Jahren 10.000 Wasserstoffautos (Nexo) verkauft
- 07/2019 Toyota Mirai 10.000 mal verkauft
- H2-Bus Projekt (Ballard Power, Hexagon, Wrightbus, Ryse Hydrogen, Everfuel, Nel)
- Aufteilung der gelieferten Megawatt Leistung (gesamt 1,32 GW / in 2020) nach Zell-Typ:
PEM-FC 78%
DMFC 0,03%
PAFC 10%
SOFC 11%
MCFC 7,4%
AFC 0,008% - Hy Store Energy (https://hystorenergy.com/) baut die größte kommerzielle Produktions- und Speicheranlage der USA für Wasserstoff (Clean Hydrogen Hub; Q1/2022)
Breaking Lab - Youtube Kanal
Ein wirklich guter Link zu einem Youtube-Kanal, der so manches erklärt, was dann als Grundlage für eine fundierte Diskussion dienen kann:
Breaking Lab, Jakob, Sience Videos
Elektrolyse: Sauberer Wasserstoff für die Zukunft