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Klimaschutz mit Wasserstoff Schlüsseltechnologie der Energiewende: Wie kann Wasserstoff massentauglich werden?

| Redakteur: Alexander Stark

Deutschland und die Europäische Union streben an, bis zum Jahr 2050 klimaneutral zu werden. Dabei soll die Bevölkerung sicher mit Energie versorgt werden und die Industrie wettbewerbsfähig bleiben. Eine Schlüsselrolle spielen dabei Wasserstofftechnologien: Sie müssen entwickelt und in großem Maßstab marktgängig gemacht werden.

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Solarmodule, die Wasserstoff statt Strom erzeugen, funktionieren ähnlich wie ein künstliches Blatt.
Solarmodule, die Wasserstoff statt Strom erzeugen, funktionieren ähnlich wie ein künstliches Blatt.
(Bild: Forschungszentrum Jülich)

Jülich – Warum Wasserstoff für die Energiewende so wichtig ist, wird schnell klar, wenn man auf die Aufgaben blickt, die er übernehmen soll. Wasserstoff soll die fossilen Brennstoffe großflächig ersetzen, als Speicher für erneuerbare Energien dienen, Mobilität ermöglichen und die verschiedenen Energiesektoren miteinander koppeln - und das alles möglichst effizient und kostengünstig.

Die Erwartungen sind also hoch. Entsprechend breit ist die Forschung zu diesem Thema aufgestellt. So auch am Forschungszentrum Jülich. Die dort erforschte Spannbreite deckt die gesamte Wertschöpfungskette ab. Sie reicht von den Grundlagen bis zur Anwendung und von der Herstellung über den Transport bis zur Nutzung. Auch die Frage nach den gesellschaftlichen wie wirtschaftlichen Auswirkungen einer so tiefgreifenden Umwälzung des Energiesystems wird untersucht. Unter den vielfältigen Ansätzen finden sich Projekte zur künstlichen Photosynthese, zur Umwandlung des Treibhausgases Kohlendioxid in „grünes Synthesegas“ oder zur Nutzung einer „flüssigen Pfandflasche“ für Wasserstoff. Und in einem groß angelegten Praxistest wird der gesamte Forschungscampus selbst zu einem Reallabor für die Energiewende.

Herstellung: Kostengünstig und nachhaltig

Die Polymer-Elektrolyt-Membran (PEM)-Elektrolyse kommt ohne bedenkliche Chemikalien aus, hat einen einfacheren Systemaufbau und kann Wasserstoff mit wesentlich höheren Stromdichten und Wirkungsgraden erzeugen. Damit eignet sie sich besonders für die Stromspitzen regenerativ gewonnener Energie: Die PEM-Elektrolyse soll es künftig ermöglichen, Wasserstoff aus "grünem" Strom in großen Mengen herzustellen. Noch ist dies aufgrund der hohen Anlagenkosten zu teuer, weswegen die Jülicher Wissenschaftler kostengünstige, alternative Materialien entwickeln.

Eine andere vielversprechende Technologie für die zukünftige Produktion von Wasserstoff ist die Hochtemperatur-Dampfelektrolyse (SOEC). Sie hat das Potential, sehr kostengünstig und effizient zu sein, insbesondere wenn Abwärme mit hohen Temperaturen genutzt werden kann. Das Verfahren ist jedoch noch nicht so weit entwickelt wie andere Elektrolyse-Arten – so müssen etwa Leistung und Stabilität des Prozesses noch verbessert werden. Der Fokus der Forschung in Jülich liegt vor allem auf der Verbesserung der Lebensdauer der Elektroden bei der Wasser-Elektrolyse.

Die Hochtemperatur-Co-Elektrolyse verwandelt dagegen einen Klimakiller zum Rohstoff. Die im Projekt Power-to-X erforschte Technologie wandelt das schädliche Treibhausgas Kohlendioxid mithilfe regenerativ erzeugten Stroms in „grünes Synthesegas“ um: ein Gemisch aus Kohlenmonoxid und Wasserstoff und einer der wichtigsten Ausgangsstoffe für die Herstellung von Kraftstoffen und die chemische Industrie. So könnte sie dazu beitragen, die Emission von Treibhausgasen signifikant zu reduzieren.

Eine Alternative zur Elektrolyse ist die künstliche Photosynthese: Solarmodule, die Wasserstoff statt Strom erzeugen, funktionieren ähnlich wie ein künstliches Blatt: Sie wandeln Sonnenenergie in chemische Energie um, indem sie Wasser in Sauerstoff und Wasserstoff aufspalten. Für den wirtschaftlichen Betrieb müssen Kosteneffizienz und Wirkungsgrad der solaren Wasserstofferzeugung jedoch noch weiter verbessert werden. Die Jülicher Silizium-Mehrfachstapelsolarzelle beruht auf der Dünnschicht-Technologie, die mit deutlich weniger Material als die herkömmliche Wafer-Technologie auskommt und sich damit kostengünstiger herstellen lässt.

Speicherung und Transport: eine flüssige Pfandflasche für Wasserstoff

Um kurzfristig als Energieträger verfügbar zu sein, muss Wasserstoff sicher gespeichert und zuverlässig transportiert werden können. Das kann in unterirdischen Speichern geschehen, im bereits vorhandenen Erdgasnetz, oder mithilfe neuer Technologien – wie die LOHC-Technologie, die von Wissenschaftlern des Forschungszentrums entwickelt wurde.

Prinzip des Liquid Organic Hydrogen Carrier (LOHC)
Prinzip des Liquid Organic Hydrogen Carrier (LOHC)
(Bild: Forschungszentrum Jülich/Seitenplan)

Dazu binden sie den Wasserstoff an eine organische Trägerflüssigkeit („liquid organic hydrogen carrier“, kurz LOHC) . Die Trägerflüssigkeit dient den Forschern als eine Art flüssige Pfandflasche für Wasserstoff. Schon ein einziger Liter bindet über 650 Liter Wasserstoff. Von ihrer Handhabung und den physikalischen Eigenschaften her ist die ölige Substanz üblichen Kraftstoffen recht ähnlich und lässt sich mit Tanklastern und Zügen einfach und gefahrlos transportieren.

Nutzung: Brennstoffzellen mit Rekorden

Brennstoffzellen wandeln Wasserstoff in elektrische Energie um und sind für die zahlreiche Anwendungen interessant, etwa für den Antrieb von Lastwagen, Schiffen und PKW, für Blockheizkraftwerke oder die Stromversorgung netzferner Geräte. Wissenschaftler des Forschungszentrums arbeiten daran, den Wirkungsgrad, die Langlebigkeit und die Leistungsfähigkeit von Brennstoffzellen zu verbessern.

Keramische Hochtemperatur-Brennstoffzellen erreichen die höchsten Wirkungsgrade und gelten als besonders wartungsarm. Die hohe Betriebstemperatur stellt aber auch große Anforderungen an die verbauten Materialien. 5 bis 10 Jahre müssen Hochtemperatur-Brennstoffzellen dabei laufen, damit der Einsatz wirtschaftlich werden kann. Die Jülicher Festoxid-Brennstoffzelle („Solid Oxide Fuel Cell“, kurz SOFC) erreichte in einem Langzeitexperiment eine deutlich längere Laufzeit, die in etwa der Strommenge entspricht, die ein Einfamilienhaushalt in einem Jahr verbraucht.

Reversible Brennstoffzellen („reversible Solid Oxide Cell“, kurz R-SOC) können dagegen nicht nur Strom erzeugen, sondern lassen sich auch für die Herstellung von Wasserstoff durch Elektrolyse nutzen. Sie können also Elektrizität in Form von Wasserstoff zwischenspeichern und diesen zu einem späteren Zeitpunkt wieder rückverstromen. Jülicher Wissenschaftler haben ein hochgradig effizientes Brennstoffzellen-System entwickelt, das einen elektrischen Wirkungsgrad im Wasserstoffbetrieb von über 60 Prozent erzielt. Die reversible Brennstoffzelle aus Jülich kommt auf eine Leistung von 5 Kilowatt, womit in etwa der Stromverbrauch zweier Haushalte gedeckt werden könnte.

Metallgestützte Festelektrolyt-Brennstoffzellen bieten im Vergleich zu den bereits etablierten keramikgestützten Brennstoffzellen spezifische Vorteile. Sie sind hocheffizient, kostengünstiger herzustellen und mechanisch stabil. Ihre technische Entwicklung ist jedoch noch nicht vollends ausgereift. Der Fokus Jülicher Forschung liegt daher auf der gezielten Weiterentwicklung und auch der Herstellung neuer Elektrodenwerkstoffe.

Systemanalyse: Das Energiesystem der Zukunft

Entscheidungen in der Energiewirtschaft, der Energiepolitik und der Forschungsförderung wirken sich über lange Zeiträume hinweg aus. Um die Chancen und Risiken neuer Technologien frühzeitig zu erkennen, modellieren Jülicher Systemanalytiker daher künftige Infrastrukturen – und binden dabei Wasserstofftechnologien ein.

Vergleichs-Szenario: Umstieg auf erneuerbare Energien mit Batterie und Brennstoffzelle
Vergleichs-Szenario: Umstieg auf erneuerbare Energien mit Batterie und Brennstoffzelle
(Bild: H2 Mobility / Forschungszentrum Jülich, Robinius et al.)

Sollen zukünftig batteriebetriebene Elektroautos oder wasserstoffbetriebene Brennstoffzellenfahrzeuge über unsere Straßen rollen? Beide Technologien stehen derzeit noch am Anfang ihrer Markteinführung. Deshalb ist es wichtig, die Kosten der zukünftigen Infrastruktur frühzeitig abzuschätzen, um nicht in eine technologische Sackgasse zu geraten. Eine Studie der Jülicher Experten zeigt: Diese Kosten hängen stark davon ab, wie viele Fahrzeuge versorgt werden müssen. Ab mehreren Millionen Fahrzeugen ist der Aufbau einer Wasserstoffinfrastruktur günstiger. Beide Technologien sind notwendig, um die Verkehrswende erfolgreich zu meistern."

„Da letztlich nur das 95-%-Ziel annähernd Klimaneutralität bedeutet, empfehlen wir, alle kurz- bis mittelfristig anstehenden Maßnahmen zur Treibhausgasreduzierung bereits heute auf dieses Ziel hin auszurichten“, sagt Prof. Detlef Stolten, Direktor des Instituts für Techno-ökonomische Systemanalyse.
„Da letztlich nur das 95-%-Ziel annähernd Klimaneutralität bedeutet, empfehlen wir, alle kurz- bis mittelfristig anstehenden Maßnahmen zur Treibhausgasreduzierung bereits heute auf dieses Ziel hin auszurichten“, sagt Prof. Detlef Stolten, Direktor des Instituts für Techno-ökonomische Systemanalyse.
(Bild: Forschungszentrum Jülich)

Die zweite Studie der Jülicher Systemanalytiker zeigt im Detail, wie der Umbau des deutschen Energiesystems effizient und wirtschaftlich vorteilhaft gestaltet werden kann: So muss etwa die Produktion der Windkraft- und Photovoltaikanlagen bedeutend gesteigert werden, und Wasserstoff wird zu einem bedeutenden Energieträger. Die Studie basiert auf einer neuartigen Familie von Computermodellen, die die gesamte deutsche Energieversorgung über alle Verbrauchssektoren hinweg abbildet, von der Energiequelle über alle denkbaren Pfade bis zur letztlich genutzten Energie, inklusive der Kosten.

Für das zukünftige Energiesystem werden große Mengen an Wasserstoff benötigt. Es ist abzusehen, dass daher in Zukunft große Mengen an grünem Wasserstoff importiert werden. Im Rahmen vom BMBF-geförderten Projekt „H2 Power-Africa“ arbeitet das Forschungszentrum mit afrikanischen Partnern zusammen. Gemeinsam erforschen sie die Potenziale zur Erzeugung von grünem Wasserstoff im westlichen und südlichen Afrika, unter Berücksichtigung von lokalen Ressourcen und Energiebedarf.

Ausblick: Innovationskraft künftig weiter stärken

Das Forschungszentrum Jülich will künftig seine Rolle bei Innovationsprozessen insbesondere in Hinsicht auf den Strukturwandel in der Region stärken. Beispiele dafür sind die Innovationsplattform I-New und der Living Lab Energy Campus.

Damit neue Technologien schnell ihren Weg in die Anwendung finden und einen Beitrag zum Gelingen des Strukturwandels leisten können, wird mit dem von Jülich koordinierten Forschungsprojekt "Inkubator für Nachhaltige Elektrochemische Wertschöpfung" (I-NEW) eine offene Innovations-Plattform aufgebaut. I-NEW bringt Entwickler und Anwender der Technologien zusammen, damit die Erfahrungen der Nutzer direkt in die Entwicklung zurückfließen können. Neben der RWTH Aachen, die als wissenschaftlicher Projektpartner eingebunden ist, arbeiten unter anderem regional ansässige Unternehmen an dem Projekt mit.

Mit dem Living Lab Energy Campus, kurz LLEC, soll der Jülicher Forschungscampus zu einem Reallabor für die Energiewende werden, in dem neueste wissenschaftliche Erkenntnisse auf ihre Wirksamkeit und Alltagstauglichkeit erprobt werden. Der ganze Forschungscampus wird dabei zu einem großen Experimentierfeld, in dem die Wechselwirkungen zwischen Technik, Energieträgern und Verbrauchern untersucht werden. Durch eine optimierte Kopplung von Energiewandlern, Speichersystemen sowie den Wärme-, Kälte- und Stromnetzen und der aktiven Einbindung der Verbraucherinnen und Verbraucher werden neue Lösungen zur optimalen Nutzung regenerativer Energien in einem bestehenden Energiesystem entwickelt.

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