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Die treibende Kraft

Wasserstoff weckt große Erwartungen. Er soll die Energiewende sichern. Zugleich sollen Wasserstofftechnologien zu einem neuen Exportschlager Deutschlands werden. Das Potenzial ist vorhanden, meinen auch Jülicher Forschende. Sie beschäftigen sich mit allen Aspekten des Hoffnungsträgers.

Der Hoffnungsträger

Wasserstoff ist das kleinste und leichteste chemische Molekül. Beim Umbau des Energiesystems spielt er aber eine gewichtige Rolle.

Deutschland soll beim Wasserstoff zum globalen Vorreiter werden. So sieht es die Nationale Wasserstoffstrategie der Bundesregierung vor. Wasserstoff gilt dabei nicht nur als zentrales Element, damit Deutschland seine Klimaziele bis 2050 erreicht. Er gilt auch als der dringend benötigte Baustein, um Elektrizität, Verkehr, Industrie und Wärmeversorgung zu vernetzen und zu optimieren. Deutschland soll sich international eine Spitzenposition bei Wasserstofftechnologien sichern und damit der deutschen Wirtschaft neue Absatzmärkte eröffnen. Bundesforschungsministerin Anja Karliczek spricht in Anlehnung an die Raumfahrt sogar vom Auf bau eines „Cape Canaveral  des Wasserstoffs“ in Deutschland.

Wasserstoff ist attraktiv, weil sich damit Strom aus erneuerbarer Energie speichern lässt. Denn der grüne Strom wird sehr unstetig erzeugt: Der Wind bläst mal kräftig, mal gar nicht. Auch die Sonne scheint nicht immer gleich stark. Überschüssiger Strom, der nicht sofort im Netz benötigt wird, ließe sich nutzen, um Wasserstoff zu erzeugen. „Dieser kann über lange Zeiträume gespeichert und dann genutzt werden, etwa wenn Windstille herrscht“, sagt Prof. Olivier Guillon vom Jülicher Institut  für Energie- und Klimaforschung  (IEK-1).

Wasserstoff

Wasserstoff ist allerdings nicht nur wegen dieser Speicherfunktion  wesentlich für die Energiewende. Er bietet einen Ausweg aus einem Dilemma: Es ist nämlich nicht abzusehen, dass jemals alle Flugzeuge,  Schiffe und Lkw mittels Batterien elektrisch angetrieben werden können. „Wir müssen aber im Verkehrssektor aus der klassischen Versorgung mit Diesel oder Benzin aussteigen, wenn wir in Deutschland 2050 nur noch so viel Treibhausgase in die Atmosphäre ausstoßen wollen, wie wir ihr entnehmen“, sagt Prof. Detlef Stolten,  der sich am IEK-3 mit Energiesystemen beschäftigt. Die Lösung könnten Brennstoffzellen sein – klimafreundliche Antriebe, die „grünen“ Wasserstoff nutzen.

Doch damit nicht genug: Wasserstoff kann auch der chemi-schen Industrie bei einer schwierigen Umstellung  helfen. Denn sie ist auf Kohlenstoffquellen angewiesen, um etwa Medikamente und Kunststoffe zu produzieren. Solange sie dafür auf Erdöl oder Erdgas zurückgreift, führt dies zu einer schlechten Klimabilanz. „Aus grünem Strom lassen sich mit sogenannten Power-to-X-Technologien Wasserstoff – und wenn etwa CO2  hinzukommt – kohlenstoffhaltige Gase erzeugen. Diese könnten Erdöl und Erdgas ersetzen, um Basis-Chemikalien für die Industrie und flüssige Kraftstoffe etwa für die Luftfahrt zu produzieren. Auf diese Weise koppelt Wasserstoff die Sektoren Strom, Industrie und Verkehr miteinander“, betont  Prof. Rüdiger Eichel, Experte für Elektrochemie am IEK-9.

Allerdings gilt es noch einige Hindernisse aus dem Weg zu räumen: Bei der Erzeugung, Speicherung und Nutzung von Wasserstoff geht viel Energie verloren, was die Kosten in die Höhe treibt. Ebenfalls teuer ist die Infrastruktur, um den Wasserstoff sicher zu transportieren und zu tanken. Zudem gibt es mit manchen Wasserstofftechnologien bislang kaum Betriebserfahrungen.

Jülicher Energieforschende arbeiten daran, dem Wasserstoff den Weg zu ebnen.  „Dabei verfügen wir über eine umfassende, ganzheitliche Expertise: Sie reicht von der Grundlagenforschung bis zur Anwendung – angefangen von den Materialien, der Elektrochemie über die Schlüsseltechnologien bis hin zum Systemverständnis, das uns eine technische, gesellschaftliche und wirtschaftliche Bewertung erlaubt“,  sagt Olivier Guillon. Das sei in Deutschland einzigartig, so der Werkstoffwissenschaftler.  Beste Voraussetzungen also, damit Wasserstoff seine Rolle als Hoffnungsträger tatsächlich erfüllen kann.

Die Erzeuger

Elektrolyse-Anlagen produzieren den Wasserstoff. Jülicher Forschende verbessern diese.

Schnell drehen sich die Windräder. Die Produktion grünen Stroms läuft auf Hochtouren. Was davon in diesem Moment die Computer in den Büros, die Haushalte und die Industrie nicht brauchen, lässt sich nutzen, um in Elektrolyse-Anlagen Wasser zu spalten. Auf diese Weise entsteht Wasserstoff, die elektrische Energie wird dabei in chemische Energie umgewandelt. So lässt sich überschüssiger Strom speichern.

„Wir arbeiten an der Optimierung von drei verschiedenen Elektrolyse-Verfahren“, sagt Dr. Martin Müller vom Institut für Energie- und Klimaforschung  (IEK-14). Der Verfahrenstechnik-Spezialist weiter: „Jedes hat seine Stärken  und seine Schwächen. Welches das Rennen macht, ist noch offen und hängt zudem davon ab, ob die Elektrolyse-Anlage beispielsweise direkt an einem Windpark, einer Heim-Photovoltaikanlage oder in einem Chemieverbund installiert ist.“

Typ 1: Die Klassische

Sozusagen von der Stange zu kaufen gibt es Anlagen, bei denen die zentrale Komponente, der Elektrolyt, eine alkalische Flüssigkeit ist. Alkalische Elektrolyse-Anlagen kommen mit kostengünstigen Materialien aus. Ein wesentlicher Nachteil ist ihre geringe Leistungsdichte: Pro Quadratzentimeter Fläche produzieren sie vergleichsweise wenig Wasserstoff. Hoher Platzbedarf und Materialverbrauch sind die Folge. „Alkalische Elektrolyseure gelten gemeinhin als technisch ausgereift, aber wir verfolgen neue Ansätze, um ihre Leistungsdichte zu erhöhen“, sagt Müller. Einer dieser Ansätze beruht auf neuen Trennwänden, die im flüssigen Elektrolyten eingezogen sind, um Minuspol (Kathode) und Pluspol (Anode) elektrisch voneinander zu isolieren.

Typ 2: Die Vielversprechende

Grafik Elektrolyse-AnlageHöhere Leistungsdichten als alkalische Elektrolyseure erreichen Anlagen, bei denen der Elektrolyt nicht aus einer Flüssigkeit, sondern aus einer hauchdünnen Schicht besteht, einer sogenannten Polymer-Elektrolyt-Membran (PEM). Jedoch stehen einer größeren Verbreitung die hohen Kosten der PEM-Anlagen im Weg. „Jülicher Forschende haben verschiedene Teile der Anlage im Visier, um das zu ändern“, sagt Dr. Marcelo Carmo, Elektrochemiker am IEK-14. Wo Jülicher Forschende die Zelle verbessern: 1. PEM-Anlagen benötigen teure und seltene Edelmetalle wie Platin und Iridium. Doch Jülicher Forschende haben kürzlich eine Anode (Pluspol) entwickelt, bei der bereits ein Hauch Iridiumoxid genügt, um hervorragende Ergebnisse zu erzielen. Mit solchen Elektroden könnten sich PEM-Anlagen verwirklichen lassen, die nur noch rund 10 Prozent der bisherigen Iridium-Menge brauchen. 2. Jülicher Wissenschaftler haben die Baueinheit aus beschichteter Membran und Elektroden mittels eines massentauglichen und trotzdem flexiblen Verfahrens hergestellt. Dabei werden die Stoffe für die einzelnen Schichten jeweils in Flüssigkeiten fein verteilt und die so entstandenen Dispersionen mit einer geschlitzten Düse Schritt für Schritt aufgetragen. 3. Ein neues Design von PEM-Elektrolyse- Anlagen mit sehr dünnen Membranen ermöglicht es, das Wasser anders als herkömmlich zuzuführen. Daraus ergibt sich nach Berechnungen eine Verringerung der Investitionskosten um 15 Prozent.
Copyright: Bernd Struckmeyer / SeitenPlan

Typ 3: Die Hitzige

Während alkalische und PEM-Elektrolyseanlagen üblicherweise bei rund 80 Grad Celsius betrieben werden, benötigt das dritte Elektrolyseverfahren mehr als 650 Grad Celsius. Bei diesen sogenannten SOE-Anlagen (Solid Oxide Electrolysis, Festoxid-Elektrolyse) muss die hohe Betriebstemperatur auch aufrechterhalten werden, wenn gerade kein Strom zur Verfügung steht. Denn das Hoch- und Runterfahren würde noch mehr Energie kosten – dabei würde außerdem das Material schneller ermüden. Wirtschaftlich interessant ist die Technik dennoch: „Die SOE-Anlagen eignen sich sehr gut, um die Wärme zu nutzen, die bei vielen Prozessen in der Industrie anfällt. Sie wandeln dann den Strom äußerst effizient in die chemische Energie des Wasserstoffs um“, erläutert Prof. Ludger Blum vom IEK-14. Die Jülicher Forschenden haben SOE-Elektrolyseure durch verschiedene Verbesserungen in den letzten Jahren zuverlässiger und langlebiger gemacht.

Der flüssige Träger

Ein Verfahren des Helmholtz-Instituts Erlangen-Nürnberg ermöglicht es, Wasserstoff sicher und einfach zu speichern und zu transportieren. Ab 2022 wird es in Jülich im Alltagsbetrieb getestet.

Der Wasserstoff strömt aus dem Elektrolyseur – ein farb- und geruchloses Gas, leichter als Luft. Aber wohin nun damit?  Es muss gelagert und transportiert werden, bevor es zu einem späteren Zeitpunkt oder an einem anderen Ort genutzt werden kann. Damit es nicht zu viel Platz einnimmt, verdichtet man es üblicherweise und lagert es in Druckbehältern, unterirdisch in Salzkavernen oder kühlt es auf unter minus 240 Grad Celsius, sodass der Wasserstoff flüssig wird. Doch es gibt eine Alternative: 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.

Grafik LOHC

Im gleichen Reaktor kann der Wasserstoff wieder abgespalten werden, sobald er später für die Stromerzeugung oder zur Betankung von Brennstoffzellen-Fahrzeugen gebraucht wird. An LOHC gebunden, lässt sich der Wasserstoff nicht nur sicher in Stahltanks lagern, sondern auch in klassischen Tanklastern, Kesselwagen oder Tankschiffen transportieren. Das Verfahren beruht auf Forschungsarbeiten eines Teams um Prof. Peter Wasserscheid am Helmholtz-Institut Erlangen-Nürnberg, einer Jülicher Außenstelle.

Ab 2022 wird auf dem Jülicher Forschungsgelände eine welt- weit einmalige LOHC-Anlage im täglichen Betrieb erprobt. Sie wird Teil des „Living Lab Energy Campus“, eines Reallabors für zukünftige Energiesysteme auf dem Jülicher Forschungscampus. Die LOHC-Anlage wird an ein Blockheizkraftwerk gekoppelt und nutzt die dort anfallende Abwärme für das Freisetzen des Wasserstoffs aus der Trägerflüssigkeit. Beim Einspeichern des Wasserstoffs wird wiederum Wärme frei, die in das Nahwärmenetz des Forschungszentrums fließt.

Die Kraftquellen

Dank Jülicher Forschung werden Brennstoff- zellen kostengünstiger und leistungsfähiger.

Durch Pipelines strömt der Wasserstoff hin zu Blockheizkraft- werken und Tankstellen. LOHC-Laster versorgen kleine Orte, die nicht an die Leitungssysteme angeschlossen sind. Um das Maximum der gespeicherten Energie wieder freizusetzen, kommen  Brennstoffzellen zum Einsatz. Sie erzeugen Strom aus dem Wasserstoff. Dazu benötigen sie zusätzlich Sauerstoff, als Abgas entsteht lediglich Wasser. In den Blockheizkraftwerken erzeugen sie Strom für Wohnsiedlungen, wobei die dabei anfallende Wärme ebenfalls genutzt wird. Das erhöht den Wirkungsgrad. In Fahrzeugen treiben die Brennstoffzellen Motoren an.

Für Blockheizkraftwerke (BHKW) besonders gut geeignet sind sogenannte SOFC-Brennstoffzellen. SOFC steht für Solid Oxide Fuel Cell (Festoxid-Brennstoffzelle). Dieser Typ wandelt den Wasserstoff äußerst effizient in Strom um. Da SOFC-Brennstoffzellen in BHKW im Dauerbetrieb laufen können, entfällt ein häufiges Hochfahren der Anlage auf die notwendige Betriebstemperatur von rund 700 Grad Celsius, das Energie kostet und die Materialien belastet. Damit sich Brennstoffzellen wirtschaftlich betreiben lassen, müssen sie möglichst lange halten. Jülicher Forschende haben mit einer selbstentwickelten SOFC-Brennstoffzelle bewiesen, dass solche Zellen im Dauereinsatz mehr als zehn Jahre einwandfrei funktionieren. „Das hätte anfangs aufgrund der hohen Betriebstemperatur und den sich daraus  ergebenden Materialanforderungen kaum jemand gedacht“, sagt Prof. Ludger Blum vom IEK-14.

Grafik H2-Tankstelle

Jülicher Forschende haben darüber hinaus ein Festoxid-System im Labormaßstab entwickelt, das sie innerhalb von zehn Minuten hin- und herschalten können: zwischen einem Elektrolyse-Modus, in dem es mit Strom Wasserstoff produziert, und einem Brennstoffzellen-Modus, in dem es aus Wasserstoff Strom erzeugt. „Wenn man eine Anlage je nach Bedarf als Elektrolyseur oder als Brennstoffzelle betreiben kann, braucht man statt zwei Anlagen nur eine, um vor Ort Elektrizität in Form von Wasserstoff zwischenspeichern und zu einem späteren Zeitpunkt rückverstromen zu können. Das hilft, erhebliche Kosten zu sparen“, erläutert Blum. Solche reversiblen Zellen bieten sich zudem für einen Einsatz in abgelegenen Stationen auf Inseln oder Bergen an. Noch sinkt die Leistung der reversiblen Zelle mit zunehmender Betriebszeit  recht schnell – insbesondere im Elektrolyse-Modus. Aber die Forschenden arbeiten daran, das zu ändern. Sie sind zudem dabei, ihre Erkenntnisse aus dem Labormaßstab auf größere Anlagen zu übertragen.

Ein anderes Jülicher Team hat zusammen mit Forschenden der TU Wien die Leistungsdichte sogenannter metallgestützter SOFCs innerhalb von wenigen  Jahren um mehr als 200 Prozent gesteigert. „Entscheidend war, dass wir die Struktur der elektrochemischen Funktionsschichten und die Zellarchitektur systematisch optimiert haben“, sagt Privatdozent Dr. Martin Bram vom IEK-1. Für metallgestützte SOFCs interessieren sich Autohersteller, die sie in Elektroautos als Range Extender („Reichweitenverlängerer“) einsetzen möchten, um damit laufend  die Fahrzeugbatterie zu laden. Metallgestützte SOFCs sind für diesen Zweck besonders geeignet, weil sie Stößen und Vibrationen  am Fahrzeugboden besser standhalten als die üblichen vollkeramischen Brennstoffzellen.

Die Wertschöpfer

Jülicher Forschende arbeiten an nachhaltigen Verfahren, um – unter Einsatz von grünem Wasserstoff – Basis-Chemikalien und flüssige Kraftstoffe zu erzeugen.

Die Produktion rollt: Kunststoffe, Lacke, Klebstoffe, Medikamente und Kraftstoffe entstehen in den Fabriken des Chemieparks. Die elementaren Bestandteile dieser Produkte – Wasserstoff, Sauerstoff und Kohlenstoff – stammen bisher meist aus Erdöl und Erdgas. „Power-to-X-Technologien können das ändern. Power steht dabei für nachhaltigen Strom, X für Wertschöpfung“, erläutert der Jülicher Energieforscher Prof. Rüdiger Eichel. Lieferanten der Elemente sind dann Wasser und Kohlendioxid (CO2), das aus Industrieabgasen oder der Atmosphäre abgetrennt wird. Strom aus Wind und Sonne liefert die notwendige Energie, um die Elemente sozusagen neu zu ordnen und daraus  Kraftstoffe oder Basis-Chemikalien zu machen. Die Produktion erzeugt  somit keine klimaschädlichen Gase.

Eichel koordiniert das „Kopernikus-Projekt P2X“, in dem 49 Partner aus Industrie, Wissenschaft und Zivilgesellschaft gemeinsam Power-to-X-Technologien erforschen und weiterentwickeln. Besonders erfolgreich  waren die Forschenden beim Anfangspunkt der Prozesskette: den sogenannten Ko-Elektrolyseanlagen. Diese nutzen Strom nicht nur, um Wasser zu spalten, sondern wandeln zugleich CO2 um. Sie erzeugen eine Mischung aus Kohlenmonoxid und Wasserstoff. Fachleute nennen es Synthesegas, weil es zur Synthese,  also zur Herstellung diverser Chemikalien genutzt werden kann.

Grafik Power-to-X

Die Elektrolyseanlage, die Jülicher Forschende im Projekt P2X entwickelt haben, kann als Besonderheit Synthesegas produzieren, bei dem sich das Mischungsverhältnis von Wasserstoff und Kohlenmonoxid ganz nach Wunsch festlegen lässt. „Das ist entscheidend, damit das Synthesegas die richtige Zusammensetzung für den gewünschten Kraftstoff oder die benötigte Basischemikalie hat“, sagt Eichel. Die P2X-Forschenden entwickeln auch die Anlagen, mit denen  sich das Synthesegas dann zu Kraftstoffen wie synthetischem Diesel oder Kerosin weiterverarbeiten lässt. „So soll die Versorgung mit f lüssigem Kraftstoff für leistungsstarke Fahrzeuge wie Flugzeuge,  Schiffe und Lkw zukünftig erneuerbar gestaltet werden“,  sagt Prof. Ralf Peters vom IEK-14. Er koordiniert die Kraftstoffsyntheseaktivitäten im Verbundprojekt C3-Mobility, in dem 30 Partner aus Wissenschaft und Industrie, darunter viele Autohersteller, an klimaneutralen Kraftstoffen für den Verkehr der Zukunft forschen.

„Die Technologien, die wir in den verschiedenen Projekten entwickeln, wollen wir gemeinsam mit unseren Partnern aus Wissenschaft und Industrie möglichst schnell in die breite Anwendung bringen. Große Chancen bietet hier der Strukturwandel des Rheinischen Braunkohlereviers“, sagt Eichel. Darauf zielt das Projekt iNEW (Inkubator für Nachhaltige Elektrochemische Wertschöpfung), das die Bundesregierung innerhalb ihres Sofortprogrammes für den Strukturwandel mit über 20 Millionen Euro fördert. „Bislang hat sich in Regionen, in denen Kohle, Gas oder Öl gefördert wurde, immer auch energieintensive Industrie angesiedelt. Nun haben wir die Chance, diese Verknüpfung zwischen Energie und Wertschöpfung auf eine nachhaltige Schiene zu setzen“, findet Projektleiter Eichel.

 Frank Frick / effzett - Das Magazin aus dem Forschungszentrum Jülich

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