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09.06.2022

10:36

Energieversorgung

So will die Industrie grünen Wasserstoff herstellen

Von: Louisa Schmidt

Forschungsinstitute und Industrie entwickeln effizientere Produktionsverfahren für nachhaltigen Wasserstoff. Viele kleine Schritte bringen den Erfolg.

Forscher arbeiten an neuen Methoden, um grünen Wasserstoff günstiger zu produzieren. dpa

Wasserstofftank im Enertrag-Hybridkraftwerk in Brandenburg

Forscher arbeiten an neuen Methoden, um grünen Wasserstoff günstiger zu produzieren.

Köln Nichts weniger, als dem grünen Wasserstoff zum Durchbruch zu verhelfen – mit diesem Ziel tritt Ulrike Beyer an. Geschehen soll das mithilfe einer neuen Referenzfabrik, für die die promovierte Ingenieurin am Fraunhofer-Institut für Werkzeugmaschinen und Umformtechnik IWU in Chemnitz verantwortlich ist. „Wir stellen damit die Weichen für eine Massenproduktion von Elektrolyseuren“, sagt Beyer. Diese Vorrichtungen produzieren unter Einsatz von Ökostrom den begehrten Wasserstoff.

Zumeist sind es Industriekonzerne oder Spezialisten, die in Deutschland den Markt für Elektrolyseure bestimmen. Dazu zählen Siemens Energy, Thyssen-Krupp und Linde, aber auch das Dresdener Start-up Sunfire. „Diese Hersteller produzieren die Anlagen aber bisher nur in Kleinserien“, sagt Beyer. „Durch eine Massenfertigung werden die Produktionskosten stark sinken.“ Das Fraunhofer-Projekt stellt eine Kostenreduzierung von gut einem Viertel in Aussicht.

Die Hersteller müssen umbauen. „Dafür brauchen sie andere Maschinen und neue, automatisierte Produktionsabläufe“, erläutert Beyer. Hier setzt die Referenzfabrik an. Zusammen mit anderen Fraunhofer-Instituten testen die Chemnitzer Herstellungsverfahren und entwickeln Anlagen, die Großserien fertigen können. Der Fokus liegt auf der effizienten Herstellung einzelner Komponenten. Auf einer Onlineplattform können künftig Interessenten aus der Industrie virtuell ihre eigene Fertigung planen und sich mit anderen Marktteilnehmern vernetzen.

Auf dem Weg zur klimaneutralen Wasserstoffwirtschaft sind Fortschritte in der Produktion unerlässlich. Bisher wird Wasserstoff in Deutschland üblicherweise durch die sogenannte Dampfreformierung von Erdgas gewonnen. Man spricht dann von grauem Wasserstoff.

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    Mit Elektrolyseuren lässt sich das Element nachhaltiger herstellen. Sie spalten Wasser in seine Bestandteile Sauerstoff und Wasserstoff auf, und zwar mithilfe von Strom. Stammt der aus Solar- oder Windkraftanlagen, entsteht grüner Wasserstoff. Benötigt würde er, hilft er doch als Alternative zum Erdgas, dessen Anteil als Energielieferant sinken soll.

    Grafik

    Noch ist der Markt relativ klein. Laut Internationaler Energieagentur waren 2020 weltweit 0,3 Gigawatt Elektrolysekapazitäten für Wasserstoff installiert. Allein in Deutschland sollen es bis 2030 nach den Plänen der Bundesregierung zehn Gigawatt sein. Quer durch Deutschland arbeiten Industrie und Wissenschaft mit Hochdruck daran, die Produktion von grünem Wasserstoff zu verbessern.

    Dabei geht es nicht nur um neue Herstellungsverfahren. Forscher versuchen auch, teure und umweltschädliche Materialien zu ersetzen oder den Wirkungsgrad von Elektrolyseuren zu erhöhen. Denn der Ökostrom, den diese benötigen, ist knapp und teuer.
    Elektrolyseverfahren optimieren – das ist das Ziel von Martin Müller, Abteilungsleiter am Forschungszentrum Jülich. Vergleichsweise neu sind PEM-Elektrolyseure, wie etwa Linde sie herstellt. In den Anlagen trennt eine haardünne Membran zwei Kammern, durch die während der Elektrolyse positiv geladene Teilchen diffundieren. In der einen Kammer entsteht der Sauerstoff, in der anderen der Wasserstoff. Müllers Team arbeitet daran, möglichst dünne Membranen in Zellen einsetzen zu können.

    „Wir steigern dadurch die Leistungsdichte dramatisch“, sagt Müller. „Die Anlagen werden kleiner und damit günstiger in der Herstellung.“ Jedoch beschränken die dünnen Membranen die Haltbarkeit. „In Experimenten müssen wir noch herausfinden, unter welchen Bedingungen sie lange genug halten.“ In rund drei Jahren soll die Technik praxisreif sein.

    Eine weitere Stellschraube ist die Wahl der Materialien. Um die Reaktion in Gang zu setzen, sind bei der PEM-Elektrolyse bisher Edelmetalle wie Iridium nötig, eines der seltensten Metalle der Welt. „Dieses könnte durch die anstehende Massenproduktion noch knapper werden“, sagt Müller. Ein neues Design der PEM-Elektroden habe nun den Bedarf an Iridium um 80 Prozent gesenkt.

    Parallel arbeiten Forscher aus Jülich daran, zwei andere Elektrolyseverfahren zu verbessern: die alkalische und die Hochtemperatur-Elektrolyse. „Jedes dieser Verfahren hat Vor- und Nachteile“, sagt Müller. Die alkalische Elektrolyse wird beispielsweise in der Chemieindustrie zur Chlorerzeugung genutzt. „Ein Vorteil ist, dass sie mit vergleichsweise günstigen Katalysatormaterialien auskommt“, sagt Müller.

    Die bestehenden Systeme müssten aber an den Betrieb bei schwankenden Strommengen und höheren Leistungen angepasst werden. Hochtemperatur-Elektrolyseure sind vor allem dann geeignet, wenn dafür in der Industrie Abwärme genutzt werden kann. „Dann sind sie sehr effizient“, sagt Müller. Die Größe der Anlagen sei aber zurzeit noch begrenzt, Leistungen im Megawattbereich seien deshalb selten.

    Effizienzrekord dank Abwärme

    Der Stahlhersteller Salzgitter betreibt auf seinem Gelände den nach eigenen Angaben weltweit größten Hochtemperatur-Elektrolyseur. Die Anlage stammt vom Dresdener Hersteller Sunfire und läuft bei 850 Grad Celsius. Die hohen Temperaturen erzeugt Wasserdampf. Der wiederum wird mithilfe der Abwärme der Stahlherstellung gewonnen. Der Elektrolyseur habe einen Rekord-Wirkungsgrad von 84 Prozent erreicht, vermeldeten die beiden Unternehmen unlängst.

    Einen anderen Weg geht Wolfgang Weigand. Der Professor für Anorganische Chemie an der Uni Jena arbeitet an einer Alternative zur elektrolytischen Gewinnung von Wasserstoff. Als Vorbild dient die Natur, genauer: Hydrogenasen. Diese Enzyme können in Organismen Wasserstoff produzieren. Sie kommen in Einzellern vor, etwa in Grünalgen. Im Labor hat Weigands Team die aktiven Zentren dieser Enzyme nachgebildet. Sie dienen als Biokatalysatoren. Mit Sonnenlicht bestrahlt, entsteht Wasserstoff.

    Die chemische Reaktion selbst läuft ganz ohne Strom ab. Revolutionär an dem Verfahren ist aber etwas anderes. „Der große wissenschaftliche Durchbruch war, dass wir größere Mengen Wasserstoff herstellen konnten, ohne teures Platin oder hochgiftiges Kadmium und Selen zu verwenden“, sagt Weigand.

    Es gibt noch viele Hürden. „Wir stecken mit der Forschung noch in den Kleinkinderschuhen“, sagt Weigand. Denkbar sei ein Einsatz im kleinen Maßstab in zehn bis 15 Jahren – etwa an Orten ohne Anschluss ans Strom- oder Wasserstoffnetz. „Wenn Brennstoffzellen kleinere Apparate mit Energie versorgen sollen, könnte die Methode den nötigen Wasserstoff liefern.“

    Viel Arbeit bei Brennstoffzellen

    Brennstoffzellen verwandeln Wasserstoff wieder in Strom. Sie könnten etwa den Kohleausstieg abfedern – weil sie auch nachts Strom produzieren, wenn Solaranlagen keine Energie liefern. In Flugzeugen könnten Brennstoffzellen fossile Antriebe ersetzen – der Triebwerkshersteller MTU etwa arbeitet schon daran. Fraunhofer-Ingenieurin Beyer will mit der Referenzfabrik auch die Produktion von Brennstoffzellen voranbringen. Eine noch größere Herausforderung als bei Elektrolyseuren, sagt sie. „Die Kosten für Brennstoffzellen müssen in den nächsten Jahren dramatisch sinken, damit man sie wirtschaftlich nutzen kann.“

    In Chemnitz untersuchen Forscher auch verschiedene Verfahren für eine schnellere und günstigere Herstellung von Bipolarplatten – 800 Stück davon sind in einer Brennstoffzelle verbaut. Erfolgreich getestet wurde das sogenannte kontinuierliche Walzprägen. Damit lassen sich pro Minute doppelt so viele Platten herstellen wie bislang üblich in der Industrie, erläutert Beyer.

    Die dafür nötige Maschine bauen die Wissenschaftler virtuell nach. Das Ziel: Die Plattform soll die Produktionskette für alle Komponenten mit optimierten Herstellungsverfahren abbilden. Wird eine höhere Lebensdauer für eine Komponente angestrebt, berechnet das System die Auswirkungen auf die Produktionskette.

    „Wir können auch bewerten, ob die Produktion sinnvoll und wirtschaftlich ist“, sagt Beyer. Der Bund unterstützt das Fraunhofer-Projekt mit 22 Millionen Euro. Auf der Hannover Messe hat Beyer das Projekt erstmals einem breiten Publikum vorgestellt. Bald sollen Verträge mit Industriefirmen unterzeichnet sein. Einen Anlauf der Elektrolyseur-Massenproduktion hält Beyer binnen drei Jahren für realistisch, und sie wäre damit ihrem Ziel ein Stück näher.

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