Wasserstoff nutzen

Brennstoffzellen für eine grüne Zukunft

Strom und Wärme könnten noch wesentlich energieeffizienter und klimafreundlicher produziert werden. Wasserstoff ist ein idealer Speicher für Energie und viele Unternehmen, entwickeln bereits konkrete Projekte, in denen Grüner Wasserstoff eine Schlüsselrolle spielt. Im Mittelpunkt der SOFC-Units der Robert Bosch GmbH und dem FlexEhome-Verbundvorhaben unter der Koordination des Hermann-Rietschel-Instituts stehen Brennstoffzellen, die gespeicherten Wasserstoff zurück in Strom und Wärme verwandeln können.

Viele Forschungs- und Entwicklungsaktivitäten haben ihren Schwerpunkt in den letzten Jahren auf Batterien gelegt, die Strom zwar speichern, aber keine Energie wandeln können. Im Rahmen einer nachhaltigen Energiewende hat sich die Forschung zunehmend mit Brennstoffzellen als hocheffiziente Energiewandler beschäftigt.

„Eine wasserstoffbasierte Brennstoffzelle verspricht eine höhere industrielle Wertschöpfung als eine Batterie. Sie ist eine wichtige Brückentechnologie beim Übergang von fossilen Brennstoffen zur Zukunftsenergie Wasserstoff“, fasst Dr. Gregor Kampwerth vom Projektträger Jülich (PtJ) zusammen.

Vielfältige Einsatzmöglichkeiten in Städten, Unternehmen ...

Rund 400 Millionen Euro will die Robert Bosch GmbH bis 2024 in sogenannte SOFC-Technologie (Solid Oxide Fuel Cell) investieren. Die hocheffizienten Festoxidbrennstoffzellensysteme könnten in kompakten Brennstoffzellengeräten, unter anderem in Form kleiner dezentraler, vernetzbarer Kraftwerke, in Städten, Fabriken, Gewerbe und Handel, Rechenzentren und im Bereich Elektroladeinfrastruktur zum Einsatz kommen. Der Markt für die dezentrale Energieproduktion wird Schätzungen von Bosch zufolge bis 2030 ein Volumen von 20 Milliarden Euro erreichen. Bis 2022 sollen unter realen Bedingungen 80 SOFC-Units, 30 davon bereits in Betrieb, bis zur Markreife getestet werden. Bevor 2024 die Serienfertigung startet, sind diese Testbetriebe ein wichtiger Bestandteil im Prozess, damit Fehler eliminiert werden können.

Die neuen Brennstoffzellen sind wahre Alleskönner: Durch ihren neuartigen Keramik-auf-Metall-Aufbau sind sie effizient, vielseitig und sehr flexibel. Dr. Markus Ohnmacht vom SOFC-Projekt der Robert Bosch GmbH ist begeistert: „In diesem Gerät können nahezu alle Brennstoffe verwendet werden: Wasserstoff, Wasserstoffträger und Kohlenwasserstoffe – und das mit einem überragenden Wirkungsgrad. Das ist das Herausragende an dieser Technologie“. Mit einem Gesamtwirkungsgrad von mehr als 85 Prozent ist die Festoxid-Brennstoffzelle jedem anderen Energiewandler deutlich überlegen. Derzeit können die SOFC-Units mit umweltfreundlichem Biogas oder Erdgas betrieben werden. Für Städte und Ballungszentren mit hohem Energiebedarf können SOFC-Anlagen die Energieversorgung nachhaltig sicherstellen – und das ohne Stickoxid-, Partikel- oder CO₂-Emissionen.

... Und zuhause

Auch in immer mehr Eigenheimen kommen Brennstoffzellen zum Einsatz. Bei dem Projekt FlexEhome spielen sie eine zentrale Rolle. Die Vision der Verbundpartner ist ein netzdienliches Einfamilienhaus, das seinen gesamten Verbrauch an Strom, Heizwärme und Warmwasser selbst decken kann – unabhängig vom Wetter und der Jahreszeit. Strom mit einer Solaranlage auf dem Hausdach zu erzeugen, ist eine der umweltfreundlichsten und kostengünstigsten Möglichkeiten, um ein Haus mit Energie zu versorgen.

Wenn aber keine Sonne scheint, muss gespeicherte Energie eingesetzt werden. Im Projekt FlexEhome soll dies das geschlossene Wasserstoffkreislaufsystem aus Brennstoffzelle, Elektrolyseur und Speicher leisten. Neben der effektiven Energieversorgung wird auch ein intelligentes Energiemanagement in das Projekt integriert. Das Leuchtturmprojekt zielt damit auf ein CO₂-neutrales Haus, mit dem in Zukunft jeder sein eigener Energielieferant sein kann.

Für eine emissionsfreie Mobilität ist die Integration des Verkehrs in ein ganzheitliches Energiesystem auf Basis von regenerativen Energien unerlässlich. Auf den ersten Blick scheinen batterieelektrische Antriebe die optimale Lösung für Treibhausgaseinsparungen im Verkehrssektor zu sein. Aber diese Technologie hat ihre Grenzen. Für kürzere Strecken im Straßenverkehr ist sie eine energieeffiziente Lösung und funktioniert bereits hervorragend. Im Langstreckenverkehr in der Luft und auf dem Wasser braucht es jedoch andere technologische Lösungen. Was muss also anders gedacht werden?

Hier kommt Wasserstoff als Energieträger und die Brennstoffzelle als effiziente Technologie zur Stromerzeugung aus Wasserstoff ins Spiel. Der Wettbewerb HyLand – Wasserstoffregionen in Deutschland ist Teil des Nationalen Innovationsprogramms Wasserstoff und Brennstoffzellentechnologie und zielt darauf, integrierte Konzepte zur Erzeugung und Nutzung von erneuerbarem Wasserstoff zu unterstützen. Hiermit sollen regionale Wirtschaftskreisläufe auf der Basis von erneuerbarem Wasserstoff initiiert werden, die auf andere Regionen übertragbar sind. So sollen die geförderten Regionen mit ihren innovativen Ansätzen als Vorbilder für eine flächendeckende Ausbreitung von Wasserstoff als Energieträger im Verkehrsbereich dienen.

Um für jede Region ein bedarfsgerechtes Angebot bereitzustellen, wird der HyLand-Wettbewerb in drei Kategorien ausgeschrieben. Die HyStarter-Regionen werden gezielt auf ihren ersten Schritten durch grundlegende Beratungsleistungen unterstützt. Die HyExperts-Regionen werden in die Lage versetzt, Beratungsleistung einzukaufen, die passgenau den eigenen Bedürfnissen und geplanten Projekten entspricht. Und als Drittes die HyPerformer-Regionen, durch die es ermöglicht wird, direkt in die Erzeugung von erneuerbarem Wasserstoff einzusteigen und Fahrzeugflotten aufzubauen, die diesen Wasserstoff nutzen.

Auf dem Grünen Weg

Gas als Kraftstoff im Personen-, Güter- und Schiffsverkehr zu verwenden, ist noch eher eine Ausnahme. Das Potenzial haben allerdings die 27 Partner von MethQuest erkannt, die in sechs Verbünden erforschen, wie Methan aus erneuerbaren Quellen (EE-Methan) erzeugt, verteilt und in der mobilen oder stationären Anwendung eingesetzt werden kann. „Erneuerbar erzeugte Gase und Kraftstoffe sind Schlüsselelemente für die Energiewende. Wichtig sind sie vor allem für die Bereiche, in denen eine direkte Elektrifizierung nicht möglich ist und die hohe Energiedichten erfordern, beispielsweise die Schifffahrt oder der Fern- und Schwerlastverkehr“, berichtet Dr. Lucas Busemeyer, Verbundkoordinator von MethFuel, dem Verbund zur EE-Methan Erzeugung innerhalb von MethQuest. Im Mittelpunkt des vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie geförderten Projekts steht die optimierte Erzeugung von EE-Methan, auch Power-to-Gas-Prozess (PtG-Prozess) genannt. Dafür müssen flexible und effiziente Anlagen entwickelt werden, die die technologischen Entwicklungen in den Bereichen Elektrolyse, CO₂-Abscheidung und Methanisierung sowie die intelligente Verschaltung der einzelnen Technologien gewährleisten. Bei MethFuel wird der aus Wind- und Solarenergie erzeugte Wasserstoff umgewandelt in Methan. Dieses Grüne Methan könnte dann im Verkehrs- aber auch im stationären Bereich eingesetzt werden.

Das Meer als Experimentierraum

Die Speicherung und vor allem der Transport von Grünem Wasserstoff sind wichtige Punkte bei der Diskussion um die Verwendung des klimafreundlichen Energieträgers. Neben Methan gibt es noch ein anderes interessantes aus Wasserstoff hergestelltes Folgeprodukt: Grünes Ammoniak. „Grünes Ammoniak, das mit erneuerbarer Energie hergestellt wird, ist eine echte Alternative zu fossilen Brennstoffen“ findet Angela Kruth vom Leibniz-Institut für Plasmaforschung und Technologie e. V. Greifswald, Sprecherin und Koordinatorin von Campfire – Wind und Wasser zu Ammoniak: Maritimer Kraftstoff und Energiespeicher für eine emissionsfreie Zukunft. Elektrokeramische Dünnschichtmembranen, die zum Beispiel in der Batterietechnik ihre Anwendung finden können, sind ein Teil des Projekts. Die Membranen schaffen die Möglichkeit für neue Energieumwandlungs- und Speichertechnologien, die die Lebensdauer von PtG-Anlagen erhöhen könnten.

Eine Energiewende kann nur stattfinden, wenn auch die Schifffahrt – oder besser gesagt die Meere allgemein – CO₂-frei bleiben, was auch die Fortbewegung unter der Meeresoberfläche miteinschließt. Ein neuartiges modulares und unbemanntes Unterwasserfahrzeug, wie das Large Modifiable Underwater Mothership (MUM), könnte einen Schritt in Richtung maritime Energiewende bedeuten.

Wie in einem Baukasten können einzelne Module zusammengesetzt und ausgetauscht werden, je nach Aufgabengebiet in der Industrie oder der Forschung. Das Unterseeboot kann mehr als 2.000 Kilometer mit der durch Wasser- und Sauerstoff betriebenen Proton-Exchange-Membrane-Brennstoffzelle zurücklegen. Dabei muss bedacht werden, dass „die Brennstoffzelle Unterwasser betrieben werden muss, das bedeutet, der Sauerstoff, genau wie der Wasserstoff, muss zusätzlich mittransportiert werden“, erklärt MUM-Verbundkoordinator Willem Hendrik Wehner. Erste Tests des Systems wurden nach intensiver Konzeptionsphase bereits erfolgreich durchgeführt und schon 2024 könnte dieses System in den Weltmeeren anzutreffen sein. Eine Verkehrswende birgt die Chance für eine höhere Lebensqualität von Mensch und Natur. Warum sollte man diese große Chance nicht jetzt schon nutzen – zum Wohle der Welt.

Auf 3.700 Quadratmetern kann man drei olympische Schwimmbecken anlegen und sie mit einer chemischen Verbindung aus Sauerstoff und Wasserstoff – gemeinhin: Wasser – füllen. Oder man kann auf dieser Fläche das Herzstück eines weltweit einmaligen Großprojekts zur CO₂-Nutzung mithilfe Grünen Wasserstoffs installieren.

Schwimmbecken wird man auf dem Gelände des Duisburger Stahlwerks von thyssenkrupp vergeblich suchen. Stattdessen findet man hier seit 2018 das Technikum des Forschungsprojekts Carbon2Chem, in dem Laborergebnisse unter industriellen Praxisbedingungen getestet werden. Wenn der Plan der 18 Bündnispartner aus Wissenschaft und Industrie aufgeht, sollen künftig 20 Millionen Tonnen Kohlenstoffdioxid im Jahr weniger in die Atmosphäre geblasen werden, das entspricht mehr als drei Prozent des gesamten CO₂-Ausstoßes in Deutschland. Der Schlüssel dafür: Die bei der Stahlproduktion entstehenden Hüttengase sollen nicht länger ausschließlich verbrannt, sondern für neue chemische Stoffe genutzt werden. Doch dafür müssen die Beteiligten tief in die technologische Trickkiste greifen.

Klimafreundliche Weltpremiere

Wie in einem überdimensionalen Baukasten fügen sich im Duisburger Technikum unterschiedlichste Technologien zu einem komplexen System zusammen. Ein Teil der Hüttengase, die neben Kohlenstoff unter anderem auch Wasserstoff und Stickstoff enthalten, wird weiterhin verbrannt und versorgt das Hüttenwerk mit Strom und Wärme. Der andere Teil wird gereinigt und in chemische Endprodukte umgewandelt. Dazu zählt neben Ammoniak, das etwa zu Kunstdünger veredelt wird, auch Methanol. Carbon2Chem ist es weltweit erstmalig gelungen, Methanol aus Hüttengasen eines Stahlwerks im laufenden Betrieb herzustellen. Die auch als Methylalkohol bekannte klare Flüssigkeit gilt als wichtiger Baustein klimafreundlicher Kraftstoffe, denen künftig eine tragende Rolle im Flug- und Schwer-lastverkehr zugesprochen wird.

Zur Produktion braucht es neben den gereinigten Hüttengasen allerdings zwei weitere Zutaten: Strom und Wasserstoff. Und für beide nutzt Carbon2Chem erneuerbare Energien. Windkraft- und Photovoltaikanlagen liefern einerseits den nötigen Strom für die chemischen Prozesse. Andererseits versorgen sie eine zwei Megawatt starke Elektrolyseanlage mit Energie, die Wasser in Sauerstoff und Wasserstoff spaltet. Der gewonnene Wasserstoff dient wiederum als wichtiger chemischer Baustein für die Endprodukte Methanol und Ammoniak.

Kreislauffördernd und zukunftsfähig

Rund 135 Millionen Euro stellt das Bundesministerium für Bildung und Forschung seit 2016 und noch bis 2024 für Carbon2Chem bereit, die beteiligten Partner planen zusätzliche Investitionen von insgesamt mehr als 100 Millionen Euro. Gut investiertes Geld, davon ist Dr. Markus Oles, Projektkoordinator und Projektverantwortlicher bei thyssenkrupp Steel, überzeugt: „Carbon2Chem kann einen wichtigen Beitrag zur Dekarbonisierung der Industrie liefern.“ Er plädiert dafür, in Kreisläufen zu denken, also nicht nur die CO₂-Entstehung zu reduzieren, sondern das klimaschädliche Gas auch in großem Stil aufzufangen und wiederzuverwenden. „Wir erproben Carbon2Chem mit den Hüttengasen aus unserem Stahlwerk. In der laufenden zweiten Projektphase geht es aber auch darum, die Technologie auf andere Sektoren auszuweiten“, kündigt Oles an.

Obwohl es weltweit rund 50 Stahlwerke gibt, die den Carbon2Chem-Baukasten nutzen könnten, macht der Blick auf weitere potenzielle Anwender durchaus Sinn. Denn durch den modularen Ansatz können auch andere Industrien Einzeltechnologien wie die Gasreinigung oder Wasserstoffgewinnung nutzen, um klimafreundlicher zu produzieren. Dazu zählt zum Beispiel die Zementindustrie, die rund acht Prozent des weltweiten CO₂-Austoßes verursacht.

So könnte Carbon2Chem tatsächlich zum Gamechanger werden und mithilfe Grünen Wasserstoffs mehrere Ziele gleichzeitig erreichen: den Klimaschutz zu stärken, trotz der ambitionierten Klimaziele die Stahlproduktion in Deutschland zu sichern, zukunftsfähige Grüne Technologien weltweit zu vermarkten und damit den Strukturwandel im Ruhrgebiet weg von fossilen Energieträgern weiter voranzutreiben. Das sollen drei olympische Schwimmbecken erst einmal nachmachen.