17. August 2020

Ein All­round-Ta­lent in den Start­lö­chern

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DLRmagazin
 Anlage zur Wasserstoffversorgung im DLR Köln
An­la­ge zur Was­ser­stoff­ver­sor­gung im DLR Köln
Bild 1/5, Credit: DLR (CC-BY 3.0)

Anlage zur Wasserstoffversorgung im DLR Köln

Das In­sti­tut für An­triebs­tech­nik nutzt die­se An­la­ge, um neue, spar­sa­me und leis­tungs­star­ke Ga­stur­bi­nen für Luft­fahrt und Ener­gie­tech­nik zu ent­wi­ckeln und zu tes­ten.
H2ORIZON im DLR Lampoldshausen
H2ORI­ZON im DLR Lam­polds­hau­sen
Bild 2/5, Credit: DLR (CC-BY 3.0)

H2ORIZON im DLR Lampoldshausen

Die H2ORI­ZON-An­la­ge des DLR in Lam­polds­hau­sen soll mit­tels Elek­tro­ly­se "grü­nen" Was­ser­stoff pro­du­zie­ren. Die Ener­gie da­zu kommt aus dem na­he ge­le­ge­nen Wind­park, der von dem Pro­jekt­part­ner ZEAG Ener­gie be­trie­ben wird. Der er­zeug­te Was­ser­stoff soll dann im Block­heiz­kraft­werk, für Brenn­stoff­zel­len­fahr­zeu­ge oder für Ra­ke­ten­trieb­werks­tests an den Prüf­stän­den des Stand­orts ein­ge­setzt wer­den.
Konzept für ein Wasserstoff-Flugzeug
Kon­zept für ein Was­ser­stoff-Flug­zeug
Bild 3/5, Credit: DLR (CC-BY 3.0)

Konzept für ein Wasserstoff-Flugzeug

So könn­te ein zu­künf­ti­ges Flug­zeug aus­se­hen, das mit Was­ser­stoff an­ge­trie­ben wird.
Mobilität mit Wasserstoff
Mo­bi­li­tät mit Was­ser­stoff
Bild 4/5, Credit: © DLR. Alle Rechte vorbehalten

Mobilität mit Wasserstoff

Am DLR in Ol­den­burg ist be­reits seit zwei Jah­ren ein Was­ser­stof­f­au­to als Dienst- und For­schungs­fahr­zeug im Ein­satz. Der Hyun­dai ix35 Fuel Cell bringt 100 Ki­lo­watt Leis­tung auf die Stra­ße – und das na­he­zu ge­räusch­los und oh­ne schäd­li­che Emis­sio­nen.      
Reaktor zur thermischen Wasserstofferzeugung
Re­ak­tor zur ther­mi­schen Was­ser­stof­fer­zeu­gung
Bild 5/5, Credit: DLR (CC-BY 3.0)

Reaktor zur thermischen Wasserstofferzeugung

Die­ser Re­ak­tor nutzt die Ener­gie von Son­nen­strah­lung, um Was­ser­stoff zu er­zeu­gen. Er steht im Hoch­leis­tungs­strah­ler Syn­light des DLR Jü­lich.

Wasserstoff hat als Energieträger ein enormes Potenzial. Das DLR arbeitet daran, ihn umfassend nutzbar zu machen.

Beitrag aus dem DLRmagazin 165

Die Poleposition im Periodensystem der Elemente hat er bereits inne. Mit der Ordnungszahl eins steht Wasserstoff ganz oben in der Tabelle. Wird er bald auch Champion der Energie- und Verkehrswende? Das Zeug dazu hat er: Er besitzt viel Energie, verbrennt sauber, kann gut transportiert werden und lässt sich über lange Zeit zuverlässig lagern. Das DLR ist dabei in allen Bereichen der Wasserstoffforschung und entlang der ganzen Prozesskette aktiv. Mit der Erfahrung aus mehreren Jahrzehnten arbeiten seine Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler daran, die Möglichkeiten dieses Allround-Talents unter den Energieträgern zu nutzen.

Für saubere Mobilität, die effiziente Versorgung mit Strom und Wärme, als Speicher zum Ausgleich schwankender erneuerbarer Energien, als Grundlage für alternative Treibstoffe oder als Prozessgas in der Industrie – Wasserstoff ist als Energieträger sehr vielseitig, über die Sektorengrenzen hinweg einsetzbar und bietet so große Synergiepotenziale. Nachhaltig und wirtschaftlich erzeugter Wasserstoff ist deshalb ein zentraler Baustein, um den Ausstoß vor allem des schädlichen Treibhausgases CO2 in den Bereichen Energie, Verkehr und Industrie massiv zu senken und dadurch dem Klimawandel zu begegnen. Der Aufbau einer sektorenübergreifenden und möglichst globalen Wasserstoffwirtschaft eröffnet gleichzeitig enorme Chancen für neue Technologien und Geschäftsmodelle.

Essenzielle Farbenlehre: grauer, blauer und grüner Wasserstoff

Wasserstoff kommt auf der Erde praktisch nur in chemisch gebundener Form vor, zum Beispiel in Wasser, Methan oder Biomasse. Um ihn als Energieträger nutzen zu können, muss der Wasserstoff zunächst aus diesen Verbindungen herausgelöst werden. Dies geschieht mittels Energie in Form von Strom oder Hochtemperaturwärme. Der sogenannte "graue" Wasserstoff wird vorwiegend aus Erdgas gewonnen, aktuell macht er etwa 95 Prozent der weltweiten Produktion aus. Dabei entstehen erhebliche CO2-Emissionen. Beim "blauen" Wasserstoff trennt man diese Treibhausgase ab und speichert sie – oder man stellt Wasserstoff mittels Elektrolyse her und setzt dabei auf Strom aus Kernkraft. Nachhaltig und klimaneutral ist nur "grüner" Wasserstoff. Bei seiner Herstellung kommen Wasser sowie Energie aus Sonnen-, Wind-, Wasserkraft oder Biomasse zum Einsatz. Bisher galt seine Produktion in relevanten Mengen als zu teuer. Prof. Dr. Karsten Lemmer, Vorstandsmitglied des DLR für die Bereiche Energie und Verkehr, ist zuversichtlich, dass sich dies in Zukunft ändern wird: "Zunächst muss der Ausbau der erneuerbaren Energien voranschreiten. Außerdem sollten kurzfristig große Elektrolysesysteme in Deutschland installiert werden. Damit gehen wir die ersten Schritte auf dem Weg, grünen Wasserstoff wettbewerbsfähig zu machen."

Wege zu grünem Wasserstoff: Elektrolyse und solare Verfahren

Um Wasserstoff in großindustriellem Maßstab herzustellen, forscht das DLR vor allem an zwei Methoden: der Elektrolyse und solarthermischen Verfahren. Die Elektrolyse ist die am weitesten entwickelte Technologie und bereits kommerziell verfügbar. Ihr Prinzip ist seit über 200 Jahren bekannt: Wasser wird mit Hilfe von Strom in Wasserstoff und Sauerstoff gespalten. Drei Verfahren stehen aktuell im Mittelpunkt: die alkalische, die Protonen-Austausch-Membran- und die Hochtemperatur-Elektrolyse. Das DLR entwickelt alle drei Verfahren weiter. Aktuell gibt es in Deutschland eine installierte und mit erneuerbarem Strom gespeiste Elektrolyseleistung von insgesamt 30 Megawatt. Für den Umstieg auf eine Wasserstoffwirtschaft müssten diese Kapazitäten massiv ausgebaut werden. Eine Studie der Nationalen Organisation Wasserstoff- und Brennstoffzellentechnologie (NOW) geht von einem Ausbau der installierten Elektrolyseurleistung auf 137 bis 275 Gigawatt bis zum Jahr 2050 aus. Dafür werden sowohl kleinere, dezentrale Elektrolyseanlagen – beispielsweise an Tankstellen – als auch zentrale, großtechnische Elektrolyseure mit besonders hohen Wirkungsgraden benötigt.

Solarthermische Verfahren der Wasserstoffproduktion versprechen einen höheren Wirkungsgrad, benötigen aber große Flächen. Bei dem Prozess nutzen solarthermische Anlagen die Sonnenenergie, um Wärme zur thermochemischen Wasserspaltung zu produzieren. Das DLR entwickelt Komponenten und Verfahren weiter, um diese Anlagen möglichst effizient, langlebig und industrietauglich zu gestalten. Das neue DLR-Institut für Future Fuels wird hierzu wesentliche Beiträge leisten. Erste Pilotanlagen sind bereits in Betrieb, bis zur Marktreife des solaren Pfads der Wasserstoffherstellung wird es allerdings noch einige Jahre dauern.

Großer Wasserstoffbedarf erfordert nationale Produktion und Import

Um die stark steigende Nachfrage nach grünem Wasserstoff zu bedienen, wird es unabdingbar sein, auch die Kapazitäten im Bereich der erneuerbaren Energien deutlich zu erweitern. Deutschland hat dafür nur begrenztes Potenzial und Fläche. Hinzu kommen Akzeptanzprobleme, wie sie aktuell beispielsweise die Windkraft erfährt. "Wir werden es nicht schaffen, die Menge an grünem Wasserstoff, die für Energiewirtschaft, Industrie und Mobilität benötigt wird, in Deutschland zu erzeugen. Es werden internationale Lösungen gebraucht. Es sollte eine großskalige Wasserstoffproduktion in sonnenreichen Ländern etabliert werden. Solarthermische Verfahren haben das höchste Potenzial, die Produktionskosten drastisch zu senken. Für die Verteilung muss dann eine globale Wasserstofflogistik entstehen", schlussfolgert DLR-Vorstandsmitglied Prof. Dr. Karsten Lemmer.

Innerhalb Europas bieten sich vor allem Gebiete in Spanien, Griechenland oder Süditalien an. Herstellung und Export von Wasserstoff könnten Elemente eines europäischen "Green Deals" und Impulsgeber für die Wirtschaft nach der Corona-Pandemie werden. Auch Staaten in Nordafrika und im Nahen Osten sind in dieser Hinsicht für Deutschland und Europa besonders interessant.

Transportieren, speichern, verteilen: Infrastruktur auf- und umbauen

Neben der Produktion ist auch der wirtschaftliche und zuverlässige Transport von Wasserstoff ein entscheidender Faktor für eine zukünftige Wasserstoffwirtschaft. Dabei geht es sowohl um die Transportwege von den globalen Produktionsorten bis zu Knotenpunkten in den Abnehmerländern als auch um die lokale Verteilung bis zum Endnutzer. Unterschiedliche Ansätze kommen dazu infrage: flüssiger Wasserstoff, die Umwandlung von Wasserstoff in Ammoniak, Methan oder in flüssige organische Wasserstoffträger. Im Moment steht noch nicht fest, welcher dieser Ansätze der wirtschaftlichste sein wird. Für die Strecke zum Endverbraucher wird Wasserstoff wohl weiterhin verflüssigt oder als Gas komprimiert und per Lkw angeliefert werden. Eine weitere Möglichkeit, um Wasserstoff zu transportieren und zu verteilen, ist der schrittweise Umbau des Erdgas- in ein Wasserstoffnetz. Das deutsche Gasnetz besteht aus einem Transportnetz von 40.000 Kilometern und einem Verteilnetz von 470.000 Kilometern. Es verfügt bereits über eine gewisse Wasserstofftauglichkeit. Für einen höheren Anteil an  Wasserstoff müssten Materialien, Komponenten, Betriebsweise und Nutzeranforderungen genau untersucht und optimiert werden.

Ein wesentlicher Bestandteil der gesamten Wasserstoffinfrastruktur werden große Speicher sein. Mit ihrer Hilfe lassen sich saisonale Nachfragespitzen, wie der Beginn der Heizperiode oder Dunkelflauten, sicher abdecken. In Deutschland kommen dafür vor allem Untergrundspeicher in Salzkavernen infrage. Das DLR untersucht die Sicherheit, Wasserstoffqualität und Beständigkeit der eingesetzten Materialien solcher Speicheranlagen. Außerdem erforscht es mögliche Geschäftsmodelle für Produktion und Lagerung und analysiert die Standortpotenziale vor allem im Norden Deutschlands. Dieser eignet sich aus geologischen Gründen besonders für eine solche Infrastruktur.

Nachhaltige Wasserstoffmobilität für Straße, Schiene, Luft und Wasser

Grüner Wasserstoff ist dort eine nachhaltige Alternative, wo heute Benzin, Diesel, Kerosin oder Schweröl zum Einsatz kommen. Er bietet gleichzeitig den gewohnten Komfort von großen Reichweiten und schnellen Tankvorgängen. Brennstoffzellen zeichnen sich durch hohe Effizienz aus und verursachen außer Wasserdampf keine Emissionen – im Gegensatz zum direkten Verbrennen von Wasserstoff in Motoren und Turbinen. Das DLR entwickelt spezielle Brennstoffzellen sowie neuartige Wasserstofftanks für den mobilen Einsatz und integriert sie in die jeweiligen Gesamtsysteme, seien es Autos, Busse, Lastwagen, Züge, Flugzeuge oder Schiffe. Wasserstoffbasierte Antriebslösungen haben gegenüber Batteriekonzepten deutliche Vorteile, wenn es darum geht, schwere Lasten über weite Strecken zu transportieren. Brennstoffzellenfahrzeuge für den Individualverkehr sind auf dem Markt bereits erhältlich. Die DLR-Fachleute analysieren deren Markt- und Einsatzpotenziale. Das Konzeptfahrzeug Safe Light Regional Vehicle (SLRV) des DLR wird über einen hocheffizienten Wasserstoffantrieb verfügen und voraussichtlich im Herbst 2020 als Prototyp seine ersten Runden drehen.

Brennstoffzellenzüge sind auf Strecken ohne Oberleitung eine emissionsfreie Alternative zu Dieseltriebwagen. Das DLR hat in einer Studie den Markt für Züge mit hybriden Antriebskonzepten untersucht sowie gemeinsam mit dem Schienenfahrzeughersteller Alstom den weltweit ersten Brennstoffzellentriebzug entwickelt und erprobt. Weitere Züge und Testregionen sollen folgen. Erste Busse mit Brennstoffzelle fahren in Pilotprojekten schon auf den Straßen und mehrere Hersteller entwickeln Lkw mit dieser Antriebsform.

Ein Schwerpunkt des neuen DLR-Instituts für Maritime Energiesysteme liegt auf der Nutzung von Wasserstoff für die Energieversorgung von Schiffen. Die Fachleute forschen an Aspekten wie Lebensdauer, Alltagstauglichkeit und der besonders effizienten Integration solcher Systeme, wenn zum Beispiel auf einem Schiff Strom für den Antrieb und gleichzeitig Kälte für die Kühlung der Fracht gebraucht werden. Gemeinsam mit Unternehmen und Forschungseinrichtungen arbeitet das DLR außerdem daran, die weltweit erste wasserstoffbetriebene Hochseefähre mit Brennstoffzellen vom Stapel laufen zu lassen.

In der Luftfahrt kann Wasserstoff als Treibstoff in modifizierten Gasturbinen zum Einsatz kommen. Dies ist besonders für große Flugzeugklassen interessant, erfordert allerdings die Entwicklung luftfahrttauglicher Wasserstoffspeicher und neuer Brennkammersysteme. Das Fliegen mit Brennstoffzelle und elektrischem Antrieb stellt bisher eine sehr komplexe technische Herausforderung dar, verspricht aber, besonders leise, effizient und emissionsfrei zu sein. Darüber hinaus können flüssige synthetische Treibstoffe auf Wasserstoffbasis das Fliegen deutlich nachhaltiger machen. Ihr Einsatz könnte in Zukunft nicht nur in der Luftfahrt gefragt sein, sondern auch überall dort, wo sich konventionelle Antriebe nicht ohne Weiteres durch klimafreundliche Alternativen wie Batterien oder Brennstoffzellen ersetzen lassen. Antriebskomponenten und Infrastruktur müssen dafür meist nur geringfügig angepasst werden. Im DLR-weiten Querschnittsprojekt Future Fuels untersuchen elf Institute die chemisch-physikalischen Eigenschaften solcher klimaneutralen Treibstoffe sowie deren Leistung, Zusammensetzung und wirtschaftliche Produktionswege.

Grüner Wasserstoff für Strom und Wärme

Auch der Energiesektor kann in Zukunft vom Allround-Talent unter den Energieträgern profitieren. Mit Brennstoffzellen und Gasturbinen lassen sich regelbarer Strom und regelbare Wärme erzeugen. Beides ist im Energiesystem von morgen, das auf schwankenden erneuerbaren Quellen beruht, eine zentrale Voraussetzung. So können Verbrauchsspitzen ausgeglichen werden. Dabei gilt es, möglichst hohe Wirkungsgrade zu erreichen.

Für die Umrüstung von bereits sehr effizient arbeitenden Gaskraftwerken auf Wasserstoff sind nur geringe Anpassungen notwendig. Das DLR forscht mit Turbinen- und Kraftwerksherstellern auf dem Gebiet der Brennstoffflexibilität und entwirft Konzepte, wie Gemische aus Erdgas und Wasserstoff möglichst stabil und schadstoffarm verbrennen.

Sektorenkopplung: Erfolgsfaktor Vernetzung

Eine zentrale Rolle in diesem Prozess wird die Sektorenkopplung spielen, also die Vernetzung von Mobilität, Energiewirtschaft und Industrie. Je mehr Technologien und Bereiche eingebunden werden, desto flexibler und stabiler wird das Gesamtsystem sein. Für dessen Nachhaltigkeit ist grüner Wasserstoff entscheidend. Gleichzeitig dürfen Umweltkosten nicht in die Herstellungsphase der benötigten Komponenten vorverlagert werden – und mit Blick auf kritische Ressourcen gilt es, Lösungen für deren Ersatz oder Recycling zu finden. Trotz aller Herausforderungen blickt Prof. Dr. Karsten Lemmer hoffnungsvoll in die Zukunft: "Nur wenn wir vernetzt denken, die Sektoren Strom, Wärme, Mobilität und Industrie zusammen betrachten und ganzheitliche Lösungen finden, kann der Schritt in eine nachhaltige Wasserstoffwirtschaft gelingen."

Prof. Dr. Karsten Lemmer
Prof. Dr. Karsten Lemmer
DLR-Vorstand für die Bereiche Energie und Verkehr.

Kommt jetzt die Wasserstoffwirtschaft?

Wie, warum jetzt und weshalb wir? Mit Wasserstoff gegen die Klimakrise

Prof. Dr. Karsten Lemmer, DLR-Vorstandsmitglied für Energie und Verkehr, im Kurzinterview.

Wasserstoff ist keine neue Entdeckung – warum soll ihm gerade jetzt der Durchbruch gelingen?

Nachhaltig erzeugter Wasserstoff hat das Potenzial, der zentrale Baustein für ein Energie- und Verkehrssystem mit massiv reduzierten Treibhausgasemissionen zu sein. Im Gegensatz zu früher haben wir heute die Technologien und die weltweite Vernetzung – und durch den Klimawandel auch den dringenden Bedarf –, um die Nutzung grünen Wasserstoffs voranzutreiben. Wasserstoff kann direkt genutzt oder gespeichert werden oder die Basis zur Herstellung von flüssigen, nachhaltigen Brennstoffen bilden. Er wird schon lange erfolgreich beforscht, nur sind jetzt mutige Ansätze gefragt, Wasserstoff in großem Maßstab einzusetzen. Dafür hat die Bundesregierung mit der Nationalen Wasserstoffstrategie einen guten Anstoß gegeben. Deutschland kann für eine globale Wasserstoffwirtschaft eine Vorreiterrolle einnehmen. Das ist sowohl für das Klima als auch für den Wirtschafts- und Wissenschaftsstandort ein wichtiger Schritt.

Was brauchen Forschung und Unternehmen für den Aufbau einer Wasserstoffwirtschaft?

Jetzt muss massiv in Technologien und Demonstration, aber auch weiter in grundlegende Forschung investiert und die Rahmenbedingungen für eine breite Markteinführung geschaffen werden. Wichtig ist zu verstehen, dass es ein internationales Thema ist. Wir werden es nicht schaffen, die Menge an grünem Wasserstoff, die für Energiewirtschaft, Industrie und Mobilität benötigt wird, in Deutschland zu erzeugen. Es werden internationale Lösungen gebraucht. Um außerdem das eigene Erzeugungspotenzial auszuschöpfen und Technologien weiter zu erforschen, muss der Ausbau der erneuerbaren Energien voranschreiten. Außerdem sollten kurzfristig große Elektrolysesysteme in Deutschland installiert werden. Damit kann die Technologieführerschaft auf- und die Verteilinfrastruktur ausgebaut werden. Ergänzend sollte eine großskalige Wasserstoffproduktion in sonnenreichen Ländern etabliert werden. Solarthermische Verfahren haben das höchste Potenzial, die Produktionskosten drastisch zu senken. Für die Verteilung muss dann eine globale Wasserstofflogistik entstehen. Zur Etablierung von wasserstoffbasierten Antrieben in der Mobilität sind neben Kostenbetrachtungen auch die Verbesserung von Infrastruktur und Produktangebot nötig. Und nicht zuletzt muss auch der Gesetzgeber aktiv werden. Nur effektive Markteinführungsinstrumente und Anreizsysteme können dafür sorgen, dass der grüne Wasserstoff seinen Beitrag für die Energie- und Mobilitätswende leisten kann.

Welche Unterstützung kann das DLR beim Aufbau einer Wasserstoffwirtschaft leisten?

Um die Potenziale des Wasserstoffs ausnutzen zu können, muss das Energiesystem in seiner Gesamtheit und mit all seinen Wechselwirkungen betrachtet werden. Hier hat das DLR über viele Jahre eine einzigartige Expertise durch Synergien zwischen Raumfahrt, Luftfahrt, Energie und Verkehr aufgebaut. Forschungsfragen bezüglich Wasserstoff gibt es dennoch reichlich: zukunftsweisende synthetische Treibstoffe, neue Technologien für Transport und Speicherung, Produktionstechnologien aus Wind und Sonne, Systemintegration auf allen Ebenen des Energiesystems, wasserstoffbasierte Sektorenkopplung auch zur Rückverstromung, systemanalytische Technikbewertung und Transformationsstrategien – um nur einige zu nennen. Das DLR forscht deshalb entlang der gesamten Systemkette. Beginnend mit der Herstellung von grünem Wasserstoff durch Elektrolyse oder solare Erzeugung über die Nutzung in Verkehr und Industrie und in der Energiewirtschaft, bietet Wasserstoff Lösungsbeiträge für die Probleme unserer Zeit – von einer grünen Stromversorgung bis zu CO2-freiem Verkehr.

Das Interview führte Denise Nüssle.

Der Beitrag stammt aus dem DLRmagazin 165. Sie erhalten das DLRmagazin im Abo auch kostenfrei nach Hause geliefert. Hier finden Sie alle Ausgaben des DLRmagazins.

Der Nationale Wasserstoffrat

Der Rat besteht aus 26 hochrangigen Expertinnen und Experten aus Wissenschaft, Wirtschaft und Gesellschaft. Die Mitglieder wurden im Juni 2020 vom Bundeskabinett ernannt und verfügen über Expertise in den Bereichen Erzeugung von Wasserstoff, Forschung und Innovationen, Dekarbonisierung von Industrie, Verkehr und Gebäude/Wärme, Infrastruktur, internationale Partnerschaften sowie Klima und Nachhaltigkeit. Der Rat berät und unterstützt den Staatssekretärsausschuss für Wasserstoff durch Vorschläge und Handlungsempfehlungen bei der Umsetzung der Nationalen Wasserstoffstrategie. Prof. Dr. Karsten Lemmer, DLR-Vorstandsmitglied für Energie und Verkehr, ist Mitglied des Wasserstoffrats.

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  • Denise Nüssle
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