Wasserstoff

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.

In der Wasserstoff-Nutzung nehmen Brennstoffzellen eine wichtige Rolle ein. Sie wandeln die gespeicherte Energie so um, dass beispielsweise Elektromotoren sie nutzen können. Vor allem in Last- und Langstreckenfahrzeugen, in denen ein batterieelektrischer Antrieb zu hohen Kosten führen würde, bietet sich dieser Einsatz an. So ließe sich der Lastverkehr dekarbonisieren.

Bei stationären Brennstoffzellen hingegen kann auch die Abwärme genutzt werden, insbesondere zum Heizen. So könnte die Kraft-Wärme-Kopplung künftig von Innovationen im Brennstoffzellenbereich profitieren. Der geringe Wartungsaufwand und die reduzierten Schadstoff- und Lärmemissionen ermöglichen den Einsatz von Brennstoffzellen in Gebäuden. Gerade dann, wenn eine unterbrechungsfreie oder Notstrom-Versorgung gewünscht werden, bieten sich Brennstoffzellen mit ihrer guten Regelbarkeit an. Hohe Wirkungsgrade und der wasserstoffbasierte Betrieb machen größere Anlagen aber auch für die Sektorkopplung zwischen Strom- und Wärmemarkt interessant.

Wichtige Forschungsthemen sind derzeit Materialien und Komponenten wie Katalysatoren und Bipolarplatte, robuste Fertigungsverfahren, die Umweltverträglichkeit und Recycling. Insbesondere auf der Industrialisierung liegt derzeit das Augenmerk zahlreicher Forschungsprojekte. Einige vielversprechende Ergebnisse stehen bereits vor der Marktreife.