Projektstart Nachhaltiger Kreislauf für die Wasserstoffproduktion

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Wie lässt sich Wasserstoff nachhaltiger produzieren und zugleich die Abhängigkeit von knappen Rohstoffen verringern? Genau daran arbeitet das Forschungsprojekt „Circupem“: Es will die PEM-Elektrolyse in eine Kreislaufwirtschaft überführen und so die Wasserstoffproduktion ressourcenschonender, transparenter und langfristig robuster machen.

Die Wertschöpfungskette von Wasserstoff nachhaltiger gestalten und die Abhängigkeit von kritischen Rohstoffen reduzieren – das sind Ziele eines neuen Forschungsprojekts mit Beteiligung der Fachgruppe „Advanced Systems Engineering“ vom Heinz Nixdorf Institut (HNI) der Universität Paderborn. Wasserstoff ist ein vielfältig einsetzbarer Energieträger und -speicher und soll langfristig fossile Rohstoffe wie Erdöl oder -gas ersetzen. Er wird u. a. für die Herstellung von Ammoniak, das für Düngemittel benötigt wird, in der Stahlindustrie und im Schwerlasttransport verwendet. Außerdem kann er überschüssigen Wind- und Solarstrom speichern, was besonders bei dem Ausbau von erneuerbaren Energien ein Vorteil ist. Bisher kann Wasserstoff jedoch noch nicht vollkommen nachhaltig produziert werden. Dem Problem möchten die Projektpartner unter der Leitung der Ruhr-Universität Bochum mit ihrem Konzept entgegenwirken und langfristig eine nachhaltige Wertschöpfungskette in der Industrie verankern.

„Circupem“ , so der Projektname, wird seit Anfang Januar vom Europäischen Fonds für regionale Entwicklung (Efre) im Rahmen des Innovationswettbewerbs „Green Economy.IN.NRW“ mit rund 2,9 Millionen Euro gefördert. Damit unterstützen das Ministerium für Wirtschaft, Industrie, Klimaschutz und Energie des Landes Nordrhein-Westfalen und die Europäische Union Projekte aus der Region, um eine nachhaltige Transformation zu gestalten. Der Förderzeitraum umfasst drei Jahre.

Wasserstoff als Energieträger

Das Bundeswirtschaftsministerium hat in seiner nationalen Wasserstoffstrategie festgelegt, dass Wasserstofftechnologien bis 2030 als Kernelemente der Energiewende etabliert werden sollen, um dadurch die Kohlenstoffdioxid-Emissionen (CO₂) vor allem in Industrie und Verkehr zu verringern. Der Großteil des Wasserstoffs auf der Erde ist im Wasser gebunden und muss deshalb hergestellt bzw. aufbereitet werden. „Circupem“ konzentriert sich auf die sogenannte PEM-Elektrolyse (PEM – „Protonen-Austausch-Membran“). Dabei wird Wasser (H₂O) mithilfe von Strom in Wasserstoff (H₂) und Sauerstoff (O) zerlegt. Wenn ausschließlich Strom aus erneuerbaren Energien genutzt wird, entsteht sogenannter „grüner“ Wasserstoff. Bei diesem Verfahren kann Zeit und Energie gespart werden, da Maschinen nicht lange vorheizen müssen, sondern schnell an- und ausgeschaltet werden können. „Das Problem ist jedoch, dass für die PEM-Elektrolyse kritische und teure Rohstoffe wie Iridium, Platin und Titan benötigt werden, die nur begrenzt verfügbar sind und größtenteils importiert werden müssen. Dies führt zu Abhängigkeiten und Unsicherheiten entlang der Wertschöpfungskette“, sagt Julia Vehmeyer, wissenschaftliche Mitarbeiterin am HNI.

Nachhaltiges Konzept für die Praxis

Neben dem HNI und der Projektleitung an der Ruhr-Universität Bochum sind weitere Projektpartner beteiligt. Dazu gehören das Fraunhofer-Institut für Umwelt-, Sicherheits- und Energietechnik (Umsicht) sowie die Unternehmen Direct Matter und Heraeus Precious Metals. Zusätzlich bestehen Vereinbarungen mit Akteuren, die in die Produktion von Wasserstoff involviert sind und dadurch möglichst die gesamte Wertschöpfungskette abbilden.

Die Projektpartner entwickeln ein Konzept, mit dessen Hilfe die Rohstoffe idealerweise vollständig wiederverwendet werden sollen und die Wertschöpfungskette widerstandsfähig gestaltet wird. Die PEM-Elektrolyse soll entsprechend in eine „Kreislaufwirtschaft“ („Circular Economy“) überführt werden. Dieses Wirtschaftsmodell zielt darauf ab, Komponenten und Materialien so lange wie möglich im Umlauf zu halten, um den Ressourcenverbrauch zu minimieren. Das gelingt mit zirkulären Geschäftsmodellen, die verschiedene Faktoren beinhalten: Unter anderem werden Produkte und Prozesse so konzipiert, dass Materialien in einem Kreislauf wiederverwendet und wiederaufbereitet werden können. Außerdem wird der digitale Produktpass optimiert, der Informationen über Materialien, Herstellung, Nutzung und Entsorgung digital bündelt. Das soll Transparenz über die gesamte Lieferkette schaffen.

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Die Wissenschaftler am HNI analysieren im ersten Schritt das bestehende Wertschöpfungssystem und leiten daraus Anforderungen an ein zirkuläres Produkt-, Prozess- und Geschäftsmodell-Design ab. Dabei werden auch Anforderungen an einen digitalen Produktpass zur Unterstützung von Transparenz und Rückverfolgbarkeit entlang des Lebenszyklus berücksichtigt. Darauf aufbauend entwickeln sie gemeinsam mit den Projektpartnern in iterativen, also sich wiederholenden und schrittweise verfeinernden Arbeitszyklen verschiedene Geschäftsmodellansätze. Diese werden sowohl qualitativ als auch quantitativ bewertet, beispielsweise durch Simulationen, und im Hinblick auf ihre Umsetzbarkeit und Wirtschaftlichkeit für Unternehmen analysiert. Abschließend werden Handlungsempfehlungen abgeleitet, ein integriertes Gesamtsystem konzipiert und potenzielle Pilotprojekte initiiert. „Die Ergebnisse des Projekts sollen praktisch in Unternehmen angewendet werden, die Wasserstoff herstellen. Unser Gesamtziel ist, dass das Konzept auch in der Industrie verankert wird. Damit leisten wir einen wichtigen Beitrag zur Entwicklung einer nachhaltigen Produktion von Wasserstoff, die möglichst ohne eine Abhängigkeit von kritischen Rohstoffen auskommt“, erklärt Projektleiter Sven Hennemann von der Ruhr-Universität Bochum.

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