Chemische Energieträger

Kurz und bündig

Im Topic „Chemische Energieträger“ liegt der Fokus der Jülicher Arbeiten auf der Gewinnung, Speicherung und dem sicheren Transport von Wasserstoff sowie auf entsprechenden Brennstoffzellentechnologien. Zudem entwickeln die Wissenschaftler:innen nachhaltige Power-to-X-Verfahren, um – unter Einsatz von grünem Wasserstoff – Basis-Chemikalien und flüssige, synthetische Kraftstoffe zu erzeugen.

Herausforderungen

80 Prozent des Stromverbrauchs sollen bis 2050 aus erneuerbaren Quellen gedeckt werden. Doch Sonne und Wind stehen nicht immer zur Verfügung. Allein Batteriespeicher werden für die Energiewende nicht reichen. Für saisonale Speicher, die über Wochen oder Monate überschüssigen Strom aus erneuerbaren Quellen zwischenspeichern können, bieten sich Wasserstoffbasierte Lösungen an. Gleiches gilt für chemische Prozesse, bei denen heute noch Erdöl und Erdgas zum Einsatz kommen.

Bei der Erzeugung, Speicherung und Nutzung von Wasserstoff geht jedoch viel Energie verloren, was die Kosten in die Höhe treibt. Ebenfalls teuer ist die Infrastruktur, um den Wasserstoff sicher zu lagern, zu transportieren und zu tanken. Auch gibt es für viele Wasserstofftechnologien bislang kaum langfristige Betriebserfahrungen.

Lösungen

Jülicher Forschende arbeiten auf mehreren Ebenen daran, Wasserstoff als festen Bestandteil der Energiewende zu etablieren: Ihre Expertise reicht von der Grundlagenforschung bis zur Anwendung – angefangen von den Materialen, der Elektrochemie über die Schlüsseltechnologien bis hin zum Systemverständnis.

Der erste Jülicher Arbeitsschwerpunkt deckt die Erzeugung von Wasserstoff mit Hilfe von Elektrolyseuren ab. Diese erzeugen aus Wasser und Strom Wasserstoff und Sauerstoff. Jülicher Wissenschaftler:innen forschen an mehreren besonders vielversprechenden Elektrolyseurtypen: PEM- und Festoxid-Elektrolyseuren, Alkalischen Elektrolyseuren und der Co-Elektrolyse. Hierbei arbeiten sie an einer längeren Betriebsdauer, der Kostenreduktion und Serienreife sowie an einer höheren Effizienz und der Reduktion kritischer Rohstoffe wie Platin oder Iridium.

Als zweites fokussieren sich die Jülicher Forschenden auf die sichere Lagerung und den einfachen Transport von Wasserstoff. Dafür entwickelten sie das sogenannte LOHC-Verfahren. Dabei wird Wasserstoff in einem chemischen Reaktor an eine dieselähnliche und schwer entflammbare organische Trägerflüssigkeit gebunden, den Liquid Organic Hydrogen Carrier, kurz LOHC. Eine weltweit einmalige LOHC-Anlage im täglichen Betrieb wird derzeit auf dem Gelände des Forschungszentrums Jülich erprobt. 2024 wurde ein weiteres Demonstrationsvorhaben gestartet: Die Kombination einer neuartigen Festoxidbrennstoffzelle mit einer Anlage, welche Wasserstoff von seiner LOHC-Trägerflüssigkeit lösen kann. Diese Demonstrationsanlage übernimmt künftig rund 20 Prozent der Wärme- und Stromversorgung eines großen Klinikums in der Stadt Erkelenz.

Um den Wasserstoff möglichst effizient zurückzuverstromen, entwickeln und verbessern Jülicher Expert:innen in einem weiteren Schwerpunkt seit über 30 Jahren verschiedene Typen von Brennstoffzellen. In ihnen reagieren Wasserstoff und Sauerstoff zu Wasser und produzieren dabei Strom. Das Jülicher Portfolio umfasst: Hoch- und Niedrigtemperatur-Brennstoffzellen für den stationären und mobilen Einsatz. So zum Beispiel: Festoxid-Brennstoffzellen (SOFCs), Polymerelektrolytmembran- und Protonenaustauschmembran-Brennstoffzellen oder auch reversible Zellen und metallgestützte SOFCs. Dabei optimieren die Forschenden die Materialien und chemischen Verfahren, die sie in eigenen Prototypen testen. Ziel sind ein hoher Wirkungsgrad und lange Laufzeiten sowie eine Kostenreduktion.

Der vierte Schwerpunkt umfasst nachhaltige Verfahren, um – unter Einsatz von grünem Wasserstoff – Basis-Chemikalien und flüssige, synthetische Kraftstoffe zu erzeugen. Besonders die chemische Industrie kann von den neuen Verfahren profitieren. Elementare Bestandteile von Kunststoffen, Lacken, Klebstoffen, Medikamenten oder Kraftstoffen sind Wasserstoff, Sauerstoff und Kohlenstoff. Bisher stammen diese meist aus Erdöl und Erdgas. Power-to-X-Technologien können das ändern. Die Energie für die Prozesse stammt dabei aus nachhaltigen Quellen, ebenso wie der Wasserstoff, und der benötigte Kohlenstoff wird zum Beispiel aus dem CO₂ der Atmosphäre oder aus Industrieabgasen gewonnen. Besonders interessant sind hierbei die in Jülich entwickelten Co-Elektrolyse-Anlagen. Diese nutzen den Strom nicht nur, um Wasser zu spalten, sondern wandeln zugleich CO₂ um. Sie erzeugen so eine Mischung aus Kohlenmonoxid und Wasserstoff welches als Synthesegas dann zur Herstellung diverser Chemikalien oder auch synthetischem Diesel oder Kerosin genutzt werden kann.

Kontakt

Jülicher Ansprechpersonen

Prof. Dr. Olivier Guillon

Direktor

• Institute of Energy Materials and Devices (IMD)
• Werkstoffsynthese und Herstellungsverfahren (IMD-2)

Gebäude 01.3 /
Raum 232

+49 2461/61-5181

E-Mail

_{Quelle Headerbild: Forschungszentrum Jülich / Ralf Uwe Limbach}