Wasserstofftanks und Wasserstoffbehälter für Umweltfreundliche Energiegewinnung
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Wasserstofftechnologien

Wasserstoff kann als Energiespeicher ein wichtiger Baustein für eine gelungene Energiewende werden. Der gasförmige Energieträger ist – in Kohlenwasserstoffen oder in Wasser gebunden  grundsätzlich überall frei verfügbar. Er kann vielseitig eingesetzt werden, ob als Treibstoff für Fahrzeuge, als Brennstoff für Heizungen oder als Rohstofflieferant für industrielle Prozesse. Dabei setzt er keine klimaschädlichen Treibhausgase frei und reagiert mit Sauerstoff zum Beispiel in einer Brennstoffzelle zu Wasser.

Es wird zwischen grauem und grünem Wasserstoff unterschieden. Wasserstoff, der aus fossilen Rohstoffen (zum Beispiel Erdgas) gewonnen wird beziehungsweise bei dessen Herstellung mehr klimaschädliche Gase emittiert als gebunden werden, wird allgemein grauer Wasserstoff genannt. Wasserstoff der mittels erneuerbarer Energie hergestellt wird, wird grüner Wasserstoff genannt. Dieser könnte dazu beitragen, den Ausstoß klimaschädlicher Gase in Verkehr, Industrie und Energiesektor deutlich zu reduzieren.

Oberstes Ziel der Bundesregierung im Rahmen des 7. Energieforschungsprogramms ist es deshalb, grünen Wasserstoff in Deutschland und auch im Ausland zu nutzen und die Technologien marktfähig zu machen. Auch der Export solcher Technologien ist essenziell, um die Technologieführerschaft Deutschlands auf dem Energiemarkt weiter auszubauen.

Dazu müssen die Kosten für die Herstellung von erneuerbarem Wasserstoff gesenkt und die Produktion deutlich gesteigert werden. Komponenten und Systeme zur Wasserstofferzeugung sollen ökologisch und wirtschaftlich optimiert und serientauglich produziert werden. Effiziente und langlebige Elektrolyseure sollen die nationale Produktion von grünem Wasserstoff steigern.

Für die chemische Industrie und weitere große Abnehmer wird derzeit Wasserstoff meist aus fossilen Kohlenwasserstoffen hergestellt. Das derzeit wichtigste Verfahren zur Herstellung von Wasserstoff ist die sogenannte Dampfreformierung. Grundstoffe hierfür sind meistens Erdgas oder Leichtbenzin, aber auch Biogas und Biomasse können als Ausgangsmaterial verwendet werden. Wasserstoff lässt sich auch biologisch, also mithilfe von anaeroben Mikroorganismen durch Fermentation, herstellen. In einem speziellen Bioreaktor verstoffwechseln zum Beispiel  sogenannte Archaeen unter sauerstoffarmen Bedingungen Biomasse zu Wasserstoff. Dieser Prozess funktioniert bislang allerdings nur unter Laborbedingungen.

Demgegenüber steht die Wasserelektrolyse, bei der Wasser mittels elektrischen Stroms in seine Bestandteile Wasserstoff und Sauerstoff aufgespalten wird. Dieses Verfahren ist energieaufwändig und entsprechend teurer als Verfahren auf Basis von Erdgas. Die Wasserelektrolyse lohnt sich nur dann, wenn ausreichend günstiger Strom verfügbar ist. Aus diesem Grund ist diese Technologie hauptsächlich in Kombination mit Wind- oder Photovoltaik-Anlagen interessant, da für die Elektrolyse lokale Stromüberschüsse verwendet werden können. Überschussstrom kann in Form von Wasserstoff über lange Zeit gespeichert, bei Bedarf wieder verstromt werden oder auch direkt als Wasserstoff genutzt werden.

Die Elektrolyse gilt als vielversprechendste Technologie, um grünen Wasserstoff wirtschaftlich herzustellen. Allerdings braucht es dazu langlebige, flexible Anlagen, die Schwankungen in der Erzeugung durch Erneuerbare-Energie-Anlagen aushalten können. Das heißt, die Materialien müssen robust, die Steuerung automatisch sein. Zudem sollen großtechnisch-industrielle Produktionsprozesse wirtschaftlich und ökologisch so optimiert werden, dass Komponenten und Systeme zur Wasserstofferzeugung serientauglich hergestellt werden können.

Wasserstoff kann sowohl für die Langzeitspeicherung von grünem Strom als auch zur Weiterverarbeitung in Industrie, Verkehr und Wärmeversorgung dienen. Dazu sind neue Technologien und Konzepte notwendig, um die großen Mengen des Gases sicher über kurze oder lange Zeiträume möglichst verlustfrei zu speichern. Elementarer Wasserstoff lässt sich beispielsweise als Gas unter hohem Druck, als stark gekühlte Flüssigkeit oder eingelagert in Metallhydriden oder adsorptiven Trägermaterialien wie Nanoröhren speichern. Er kann aber auch chemisch gebunden als Methanol, in Form eines flüssigen, organischen Trägers (Liquid Organic Carrier, LOHC) oder transkritisch gespeichert werden.

Die größte Herausforderung bei der Speicherung von Wasserstoff ist die Wirtschaftlichkeit. Denn nicht nur die Herstellung des Gases kostet Energie, sondern auch die Speicherung an sich: So sind für die Kompression etwa zwölf Prozent und für die Verflüssigung von Wasserstoff sogar 20 Prozent der im Wasserstoff gebundenen Energie notwendig. Daher sind insbesondere als Langzeitspeicher eher solche Technologien geeignet, die besonders große Mengen des flüchtigen Gases halten können.

Für die Langzeitspeicherung in Gigawatt-Elektrolyse-Speicher-Anlagenparks sind insbesondere unterirdische geologische Formationen wie Salzkavernen, Höhlen oder poröses Gestein (Porenspeicher) denkbar. Dazu muss das Potenzial sowie notwendige technische Installationen zur Isolierung solcher geologischer Formationen untersucht  werden. Gleichzeitig müssen Genehmigung, Bau und Betrieb solcher Anlagen geregelt und Risiken erfasst werden. Zudem entwickeln Forscherinnen und Forscher neuartige flüssige oder feste Materialien, mit denen Wasserstoff auf molekularer Ebene gespeichert werden kann.

Damit Wasserstofftechnologien möglichst zeitnah in den Markt gelangen, müssen sie in realitätsnahem Umfeld getestet, validiert und optimiert werden. Dabei wird geprüft, wie leistungs- und wie wettbewerbsfähig ein Verfahren auch im internationalen Vergleich ist. Anlagen müssen auf ihre Langlebigkeit und Robustheit geprüft und mit realistischen Problemen und Anforderungen konfrontiert werden. Dazu braucht es je nach untersuchtem Vorgang große Pilotanlagen, Feldtests oder auch realitätsnahe Simulationen.

Als Teil der Sektorkopplung beziehen Demonstrationsprojekte neben der technologischen Validierung immer auch rechtliche, volks- und betriebswirtschaftliche Zusammenhänge sowie Akzeptanzfragen mit ein. Lebenszyklusanalysen helfen schließlich dabei, Konzepte und Wertschöpfungsketten in der zentralen und dezentralen Energiewirtschaft zu betrachten.

Nationales Innovationsprogramm Wasserstoff (NIP)

Um die Innovationen in diesem  Bereich weiter voranzutreiben und Erfolge schneller in die Praxis zu überführen, hat die Bundesregierung 2020 die Nationale Wasserstoffstrategie veröffentlicht. 

Teile des Forschungsbereichs der Wasserstofftechnologien sind eingebunden in das Regierungsprogramm Nationales Innovationsprogramm Wasserstoff- und Brennstoffzellentechnologie (NIP 2).

Grafische Darstellung der Erde mit Lichtern, Globus
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