Afrika als erfolgreicher Erzeuger und Exporteur von nachhaltig erzeugtem Wasserstoff für eine klimaneutrale Energieversorgung der Zukunft: das ist die Idee hinter dem Projekt »H2Atlas-Africa«. Zentrales Ziel ist es, Standorte im Westen und Süden des Kontinents zu ermitteln, die sich besonders für die Produktion von Wasserstoff mithilfe erneuerbarer Energien eignen. Das Projekt wird mit rund 5,8 Millionen Euro vom Bundesministerium für Bildung und Forschung gefördert. Koordinator ist Dr. Solomon Nwabueze Agbo vom Forschungszentrum Jülich.
»Afrika ist ein Kontinent mit schnellwachsender Bevölkerung und steigendem Energiebedarf. Die Herausforderungen des Klimawandels und einer nachhaltigen, klimaneutralen und sicheren Energieversorgung in Afrika und Europa können wir nur gemeinsam meistern. Länder im Westen und Süden Afrikas bieten dabei ein enormes Potenzial für erneuerbare Energien. Damit lässt sich nachhaltig Wasserstoff produzieren, den wir für die Energiewende brauchen«, erläutert Forschungsstaatssekretär Thomas Rachel MdB. Welche wichtige Rolle Wasserstoff im Energiesystem der Zukunft spielt, zeige die Nationale Wasserstoffstrategie [1]. So soll Wasserstoff die fossilen Brennstoffe großflächig ersetzen, als Speicher für erneuerbare Energien dienen, Mobilität ermöglichen und die verschiedenen Energiesektoren miteinander koppeln – und das alles effizient und kostengünstig.
Wasserstoff als Basis einer nachhaltigen Energiewirtschaft, gewonnen durch Elektrolyse von Wasser mithilfe erneuerbarer Energien: Im Bild eine polymerelektrolytmembran-basierte Stack-Kombination bei der Charakterisierung im Elektrolyse-Teststand.
Copyright: Forschungszentrum Jülich
»Im Forschungszentrum Jülich haben wir bereits vor einigen Jahren die Weichen für die Forschung zu grünem Wasserstoff als Basis einer nachhaltigen Energiewirtschaft gestellt«, erklärt Wolfgang Marquardt, Vorstandsvorsitzender des Forschungszentrums. »Die Jülicher Wasserstoffforschung reicht von den Grundlagen bis hin zu Technologien zur Herstellung, Speicherung und Nutzung des Wasserstoffs in neuen Anwendungsfeldern in Mobilität, Energiewirtschaft und industrieller Produktion. Im Zentrum steht dabei die Frage, wie grüner Wasserstoff in großen Mengen erzeugt werden kann, wie er über weite Strecken und in großen Mengen unter Nutzung bestehender Infrastrukturen transportiert werden kann und wie er mit Power-to-X-Technologien zu synthetischen Kraftstoffen und Industriechemikalien weiterverarbeitet werden kann.«
Wichtigste Partner auf afrikanischer Seite sind die beiden Zentren für Klimaforschung in Ghana (West African Service Centre on Climate Change and Adapted Land Use, WASCAL) und in Namibia (Southern Africa Science Centre for Climate Change and Adaptive Land Management, SASSCAL). Gemeinsam mit Forschenden, Ingenieuren und Technikern vor Ort sollen in den nächsten zwei Jahren potenzielle Standorte für Anlagen ermittelt werden, mit denen erneuerbare Energien – zum Beispiel aus Photovoltaik – erzeugt und damit in Kombination mit Elektrolyseuren Wasserstoff gewonnen werden kann. Dabei werden wissenschaftliche, technologische und wirtschaftliche Aspekte ebenso berücksichtigt wie Umweltschutz, Klimawandel und soziale Komponenten. So dürfen zum Beispiel keine landwirtschaftlichen Flächen und Wasserressourcen genutzt werden, die für die Versorgung der Menschen in Afrika existenziell sind.
Die Ergebnisse des Projekts»H2Atlas-Africa« sind vielseitig einsetzbar: als Orientierungshilfe für den Bau von Pilotanlagen ebenso wie als Roadmap für den Aufbau einer grünen Wasserstoff-Wirtschaft in Ländern südlich der Sahara, die von Politik und potenziellen Investoren genutzt wird. Auf wissenschaftlicher Seite ist ein enger Austausch von Forschenden und Studierenden geplant, ergänzt durch Workshops und Graduiertenschulprogramme, die WASCAL, die RWTH Aachen und das Forschungszentrum Jülich gemeinsam organisieren.
[1] https://ap-verlag.de/nationale-wasserstoffstrategie-globale-fuehrungsrolle-bei-wasserstofftechnologien-sichern/61031/
Themenseite Wasserstoff:
https://www.fz-juelich.de/portal/DE/Forschung/EnergieUmwelt/wasserstoff/_node.html
Nationale Wasserstoffstrategie: Globale Führungsrolle bei Wasserstofftechnologien sichern
Das Bundeskabinett hat am 10.6.2020 die Nationale Wasserstoffstrategie beschlossen. Wasserstoff ist entscheidend für die Dekarbonisierung wichtiger deutscher Kernbranchen wie der Stahl- und Chemieindustrie, aber auch des Verkehrssektors. Zugleich können sich Wasserstofftechnologien zu einem zentralen Geschäftsfeld der deutschen Exportwirtschaft entwickeln.
Zur konsequenten Umsetzung und Weiterentwicklung der Strategie wird eine flexible und ergebnisorientierte Governance-Struktur geschaffen. Im Mittelpunkt steht dabei die Einrichtung eines Nationalen Wasserstoffrates, dessen Mitglieder vom Bundeskabinett ernannt wurden.
Wasserstoff als Schlüsselrohstoff für eine erfolgreiche Energiewende
Der Bundesminister für Wirtschaft und Energie, Peter Altmaier: »Mit Wasserstoffstrategie stellen wir die Weichen dafür, dass Deutschland bei Wasserstofftechnologien die Nummer 1 in der Welt wird. Die Zeit für Wasserstoff und die dafür nötigen Technologien ist reif. Wir müssen daher jetzt die Potenziale für Wertschöpfung, Beschäftigung und den Klimaschutz erschließen und nutzen. Denn Wasserstoff wird ein Schlüsselrohstoff für eine erfolgreiche Energiewende sein. Er wird als Energieträger der Zukunft sowohl in Deutschland als auch weltweit einen wichtigen Beitrag zur Erreichung der Klimaziele leisten. Dabei wird Deutschland eine Vorreiterrolle einnehmen, wie wir es vor 20 Jahren bereits mit der Förderung der Erneuerbaren Energien getan haben.«
Förderung von »grünem Wasserstoff«
Bundesumweltministerin Svenja Schulze: »Die Nationale Wasserstoffstrategie wird Deutschland doppelten Schub verleihen – für den Klimaschutz und für die nachhaltige Erholung unserer Wirtschaft nach der Corona-Krise. Grüner Wasserstoff bietet uns die Chance, Klimaschutz in den Bereichen voranzubringen, wo wir bisher noch keine Lösungen hatten, zum Beispiel in der Stahlindustrie oder im Flugverkehr. Das funktioniert, weil die Strategie vor allem auf die Förderung von ›grünem Wasserstoff‹ ausgerichtet ist. Dafür habe ich mich stark gemacht, denn gut fürs Klima ist auf Dauer nur Wasserstoff aus 100 Prozent erneuerbaren Energien. Klar ist damit auch: Wer Ja sagt zu Wasserstoff, muss auch Ja sagen zu Windenergie. Für grünen Wasserstoff brauchen wir zusätzlichen grünen Strom. Deswegen müssen und werden wir die erneuerbaren Energien konsequent ausbauen. Grüner Wasserstoff bietet die Chance, Klimaschutz mit nachhaltiger Industrie zu verbinden, also zukunftsfeste und krisenfeste Jobs zu schaffen.«
Gesamte Wertschöpfungskette in den Blick nehmen
Der Bundesminister für Verkehr und digitale Infrastruktur, Andreas Scheuer: »Wir brauchen Wasserstoff auch im Verkehrsbereich! Mit unserer Wasserstoffstrategie geben wir den Unternehmen jetzt einen klaren Rahmen vor und machen Investitionsentscheidungen planbar. Mein Ministerium beschäftigt sich seit mehr als einem Jahrzehnt mit der Wasserstofftechnologie und hat über 700 Millionen Euro vor allem in die Forschung und Entwicklung investiert. Jetzt brauchen wir wirtschaftliche Projekte auf dem Markt. Wasserstoff muss für die Menschen erlebbar werden. Genau an dieser Stelle setzt die Strategie jetzt an und nimmt die gesamte Wertschöpfungskette in den Blick – Technologie, Erzeugung, Speicherung, Infrastruktur und Anwendung in Fahrzeugen. Mit den HyLand-Projekten sind wir bereits dabei, in einzelnen Regionen die Wasserstofftechnologie von der Erzeugung bis zur Nutzung vor Ort aufzubauen. Das muss im nächsten Schritt jetzt bundesweit geschehen. Zusätzlich werden wir ein Wasserstoff-Anwendungs- und Technologie-Zentrum für die Zulieferindustrie sowie eine eigene Brennstoffzellproduktion in Deutschland unterstützen und aufbauen. Das bietet eine Zukunftsperspektive für die deutsche Fahrzeugindustrie und sichert viele Arbeitsplätze.«
Förderung von Forschung und Innovation zum grünen Wasserstoff weiter intensivieren
Die Bundesministerin für Bildung und Forschung, Anja Karliczek: »Zu einem Innovationsland gehört auch, ambitionierte Ziele für eine international wettbewerbsfähige Wasserstoffwirtschaft zu formulieren. Das ist uns mit der Nationalen Wasserstoffstrategie gelungen. Die langen Verhandlungen haben zu einem guten Ergebnis geführt. Grüner Wasserstoff ist der Energieträger der Zukunft. Wir wollen bei dieser Zukunftstechnologie vorne in der Welt dabei sein. Je früher und beherzter wir einsteigen, desto größer ist unsere Chance, dass der Aufbau einer Wasserstoffwirtschaft zu einem neuen Jobmotor in Deutschland wird. Mit der Verabschiedung der Strategie fällt nun der Startschuss für eine ebenso ambitionierte Umsetzung. Wir brauchen eine nachhaltige Energieversorgung aus erneuerbaren Energien, wenn wir bis 2050 klimaneutral sein wollen. Wir werden die Förderung von Forschung und Innovation zum grünen Wasserstoff weiter intensivieren: von der Erzeugung, über Speicherung, Transport und Verteilung bis hin zur Anwendung. Bis 2023 stellen wir dafür zusätzlich 310 Millionen Euro zur Verfügung. Das wird uns Rückenwind geben, damit Deutschland um den Weltmeistertitel beim grünen Wasserstoff erfolgreich mitspielen kann.«
Das saubere Öl von morgen
Der Bundesminister für wirtschaftliche Zusammenarbeit und Entwicklung, Dr. Gerd Müller: »Der Klimawandel ist längst die Überlebensfrage der gesamten Menschheit. Mit der Wasserstoffstrategie machen wir einen Quantensprung hin zu CO2-neutralen Kraftstoffen und damit zu einer globalen Energiewende. ›Grüner‹ Wasserstoff und seine Folgeprodukte wie Methanol können das saubere Öl von morgen werden. Vor allem Länder in Nordafrika sind geeignete Produktionsstandorte, da hier die Sonne nahezu unbegrenzt scheint. Gemeinsam mit Marokko entwickeln wir jetzt die erste industrielle Anlage für ›Grünen Wasserstoff‹ in Afrika. Damit schaffen wir dort Arbeitsplätze für die vielen jungen Menschen, stärken die Technologieführerschaft in Deutschland und helfen, die internationalen Klimaziele wirksam zu erreichen.«
Die Strategie ist hier abrufbar.
Wasserstoff ist ein wesentlicher Baustein der Energiewende
Die Energiewende gehört zu den großen Herausforderungen der Gesellschaft: 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.
Vom Detail bis zum großen Ganzen
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 Jülicher Forschung zu diesem Thema aufgestellt. Ihre 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 Potenzial, 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.
Lesen Sie hier mehr Informationen auf den Seiten des Institut für Energie- und Klimaforschung – Grundlagen der Elektrochemie (IEK-9)
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.
Pressemeldung »CO2 – vom Klimakiller zum chemischen Rohstoff«
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.
Pressemeldung »Vom Blatt zum Baum: Künstliche Photosynthese im großen Maßstab«
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).
Copyright: 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.
Pressemeldung »Aus dem Labor auf die Schiene«
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.
Pressemeldung »Hochtemperatur-Brennstoffzelle erreicht mehr als 11 Jahre Lebensdauer«
Reversible Brennstoffzellen (»reversible Solid Oxide Cell«, kurz rSOC) 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.
Pressemeldung »Reversible Brennstoffzelle bricht Wirkungsgrad-Rekord«
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.
Weitere Informationen
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.
Copyright: 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.
Pressemeldung »Batterie oder Brennstoffzelle?«
Copyright: 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.
Pressemeldung »Kostengünstige Wege zum klimaneutralen Energiesystem«
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 iNEW 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« (iNEW) eine offene Innovations-Plattform aufgebaut. iNEW 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.
Pressemeldung »Vom Klimakiller zum Rohstoff der Zukunft«
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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Themenseite Wasserstoff
Wasserstoff ist ein wesentlicher Baustein der Energiewende
Institute:
Institut für Energie- und Klimaforschung
Werkstoffsynthese und Herstellungsverfahren (IEK-1)
Werkstoffstruktur und -eigenschaften (IEK-2)
Techno-ökonomische Systemanalyse (IEK-3)
Institut für Energie- und Klimaforschung, Photovoltaik (IEK-5)
Grundlagen der Elektrochemie (IEK-9)
Modellierung von Energiesystemen (IEK-10)
Systemforschung und Technologische Entwicklung (IEK-STE)
Helmholtz-Institut Erlangen-Nürnberg für Erneuerbare Energien (IEK-11)
Helmholtz-Institute Münster: Ionics in Energy Storage (IEK-12)
Modellierung und Simulation von Werkstoffen in der Energietechnik (IEK-13)
Elektrochemische Verfahrenstechnik (IEK-14)
Zentralinstitut für Engineering, Elektronik und Analytik
Engineering und Technologie (ZEA-1)
Energiewende: So wird der Umstieg auf Wasserstoff konkret
Durch den Umstieg auf Brennstoffzellenautos lässt sich der CO2-Ausstoß maßgeblich verringern. Die benötigte Wasserstoff-Infrastruktur könnte sich als Schlüssel erweisen, um fossile Energieträger künftig stärker durch erneuerbare Energien zu ersetzen. Für den Aufbau der kompletten Infrastruktur für den deutschen Pkw-Straßenverkehr wären Investitionen in der Höhe von 61 Milliarden Euro erforderlich, schätzen Wissenschaftler des Forschungszentrums Jülich.
Zum Vergleich: Über den relevanten Zeitraum von 40 Jahren verteilt lägen die jährlichen Ausgaben damit unter den derzeitigen jährlichen Investitionen in das deutsche Erdgasnetz.
Wind und Sonne liefern weder gleichmäßig Energie, noch zu dem Zeitpunkt, zu dem diese gerade benötigt wird. Der massive Ausbau erneuerbarer Energien erfordert daher Lösungen, um zeitweilige Überschüsse zu verwerten und zu speichern. »Mithilfe von Elektrolyseuren kann man Lastspitzen nutzen, um aus Wasser Wasserstoff herzustellen, der sich ähnlich wie Erdgas unproblematisch und günstig in unterirdischen Salzkavernen lagern lässt«, erläutert Professor Detlef Stolten vom Jülicher Institut für Energie- und Klimaforschung (IEK-3).
Pipelines in der Länge von 42.000 Kilometer und rund 10.000 neue Wasserstoff-Tankstellen wären nötig, um 75 Prozent der Pkw-Fahrzeuge mit Wasserstoff zu versorgen. Insgesamt müssten für Elektrolyseure, Pipelines, Wasserstoff-Tankstellen und die Erschließung von Kavernen rund 61 Milliarden Euro aufgebracht werden. Verteilt über die gesamte Aufbauphase von 40 Jahren wären die jährlichen Ausgaben damit im Schnitt niedriger als die heutigen Investitionen in das Erdgasnetz: Die 633 Verteilnetzbetreiber in Deutschland haben alleine im Jahr 2013 rund 2 Milliarden Euro für den Erhalt und Ausbau des Erdgasnetzes ausgegeben.
Die Kosten für den Wasserstoff wären vergleichbar mit heutigen Kraftstoffkosten. Sie lägen – abhängig von der Vergütung des genutzten Stroms – umgerechnet nur wenige Cent pro Kilowattstunde unter oder über den heutigen Benzinpreisen. Auch in Sachen Komfort müssten Autofahrer keine Abstriche machen. Innerhalb von drei Minuten ist ein Brennstoffzellen-Pkw vollgetankt. Die Reichweite beträgt bis zu 700 Kilometer.
Investitionsbedarf für Wasserstoff-Infrastruktur
Copyright: Forschungszentrum Jülich
Wegbereiter für Fortschritte beim Klimaschutz
»Mithilfe von Wasserstoff als Speicher könnte man einen großen Teil der fossilen Kraftwerke durch Windkraft ersetzen«, erklärt Detlef Stolten. In ihrem Szenario gehen die Forscher von insgesamt 170 Gigawatt elektrischer Leistung onshore und 59 Gigawatt offshore im Jahr 2050 aus.
Zusammen ist das etwa die fünffache Gesamtleistung der Windkraft von 2016, was einer Verringerung der CO2-Emissionen um insgesamt 20 Prozent entspricht. Weitere 6 Prozentpunkte lassen sich durch den Ersatz konventioneller Pkw einsparen. Zugleich könnten auch die aktuell in der Diskussion stehenden Stickoxide und Feinstäube in Städten deutlich reduziert werden. Denn die Abgase von Wasserstoffautos bestehen lediglich aus Wasserdampf. Zusätzliche Einsparungen wären durch die Einführung entsprechender Busse und Kleintransporter möglich.
Niedrigere Anfangskosten
Der Investitionsbedarf für die Infrastruktur hängt in hohem Maße von den kostenintensiven Elektrolyse-Kapazitäten ab. »Für eine anfängliche Flotte von 10.000 Brennstoffzellenfahrzeugen wären zwar schon ein flächendeckendes Tankstellennetz, aber zunächst nur relativ geringe Elektrolysekapazitäten von etwa 23 MW im Jahr 2025 erforderlich«, erläutert Stolten. Denn zunächst würde nur relativ wenig Wasserstoff benötigt.
Potenzielles Wasserstoff-Pipelinenetz
Copyright: Forschungszentrum Jülich
Um langfristig 75 Prozent der deutschen Pkw – oder geschätzte 33 Millionen Brennstoffzellenautos – zu versorgen, wäre dagegen ungefähr die tausendfache Elektrolysekapazität mit einer elektrischen Gesamtleistung von 28 Gigawatt erforderlich. Das entspricht in etwa der Leistung von 50 Kohlekraftwerken. Die Forscher haben die Kosten im Rahmen einer technoökonomischen Studie erarbeitet und gemeinsam mit Wissenschaftlern beteiligter Institute als Beitrag für das Virtuelle Institut »Strom zu Gas und Wärme« veröffentlicht, das vom Land Nordrhein-Westfalen gefördert wird.
Fachmesse IRES 2017: Pfandflasche für Wasserstoff
Auf der Fachmesse IRES 2017 präsentieren die Jülicher Forscher laufende Forschungsarbeiten zu einem neuartigen Typ von Elektrolyseur, der perfekt zu den fluktuierenden, erneuerbaren Quellen passt. Sogenannte PEM-Elektrolyseure können sich in Sekundenschnelle an abrupte Stromschwankungen anpassen. Der Gehalt an Edelmetallen ist allerdings noch relativ hoch und soll durch die Verwendung innovativer Elektrodenstrukturen reduziert werden.
Wissenschaftler des Helmholtz-Instituts Erlangen-Nürnberg (IEK-11) sind ebenfalls vertreten und stellen Arbeiten zu einer Art »Pfandflasche für Wasserstoff« vor: eine organische Trägerflüssigkeit (»liquid organic hydrogen carrier«, kurz LOHC), die mehr als 650 Liter Wasserstoff pro Liter aufnehmen kann und mit der sich Wasserstoff sicher lagern und transportieren lässt.
Szenario mit regenerativem Wasserstoff für den Straßenverkehr
Copyright: Forschungszentrum Jülich
Originalpublikationen:
Re-energizing energy supply: Electrolytically-produced hydrogen as a flexible energy storage medium and fuel for road transport
Emonts, B.; Schiebahn, S.; Görner, K.; Lindenberger, D.; Markewitz, P.; Merten, F.; Stolten, D.
Journal of power sources 342, 320 – 326 (2017); DOI: 10.1016/j.jpowsour.2016.12.073
Emonts, B.; Grube, T.; Otto, A.; Robinius, M.; Stolten, D.: Mit Wasserstoff zur bedarfsgerechten und sauberen Energieversorgung; in: Broschüre der EnergieAgentur.NRW, Flexibilität: Eine wichtige Säule der Energiewende, 10/2016, S. 11-13
Robinius, M.: Strom- und Gasmarktdesign zur Versorgung des deutschen Straßenverkehrs mit Wasserstoff, in RWTH Aachen University. 2015: Forschungszentrum Jülich GmbH Zentralbibliothek, Verlag
Video: Umwandlungstechnologien für eine nachhaltige Energiezukunft
Länge: 2:37 min.