Mit Volldampf voraus: Wo Wasserstoff schon seinen Einsatz findet
Der European Green Deal gibt die Richtung vor: Die Wirtschaft der EU soll nachhaltig werden. Wasserstoff, insbesondere grüner Wasserstoff, spielt eine zentrale Rolle bei der Erreichung dieser Ziele. Das hat die EU in ihrer Wasserstoffstrategie 2020 festgelegt. Auch wenn der Kern einer Wasserstoffwirtschaft, nämlich die wirtschaftliche Produktion großer Mengen erneuerbaren – dem sogenannten grünen – Wasserstoffs, noch viel Engagement, Entwicklungsarbeit und Investitionen benötigt – die Entwicklung von Anwendungen für Wasserstoff läuft weltweit auf Hochtouren. Wenn die Herausforderungen bei Produktion und Logistik einmal gelöst sind, warten viele, längst marktreife Anwendungen.
Die Dekarbonisierung der Industrie ist ein wichtiger Baustein des Green Deal. Die EU plant, die CO2-Emissionen ihrer Industrien signifikant zu reduzieren, und Wasserstoff wird zu einem Schlüsselelement in diesem Prozess. In der Stahl- und Zementproduktion beispielsweise, zwei der Industrien, die am meisten CO2 ausstoßen, kann Wasserstoff fossile Brennstoffe ersetzen. Allein die Eisen- und Stahlindustrie ist heute für 7-9 Prozent der direkten globalen CO2-Emissionen verantwortlich. Ein weiterer Sektor, bei dem die EU große Hoffnungen mit Wasserstoff verbindet, ist die Mobilität. Die Kommission will die Emissionen des Verkehrssektors bis 2050 um 90 Prozent senken – neben dem Batterie-elektrischen Pkw wird Wasserstoff für den Güter- und Schienenverkehr sowie die Luftfahrt eine entscheidende Rolle spielen. Und auch in der Gebäudewärme soll Wasserstoff seinen Platz finden: Wasserstoff kann Erdgas in der Energieversorgung ersetzen, was die CO2-Emissionen verringert. Derzeit ist der Gebäudesektor für etwa 17-18 Prozent der globalen CO2-Emissionen verantwortlich.
Zwischen 2025 und 2030 soll Wasserstoff nach dem Willen der EU zu einem festen Bestandteil eines integrierten Energiesystems werden. Dazu müssen Elektrolyseure für erneuerbaren Wasserstoff mit einer Kapazität von mindestens 100-120 GW installiert werden, die in der EU bis zu 10 Mio. Tonnen grünen Wasserstoff erzeugen, so die politischen Ziele.
In Deutschland fördert das Bundesministerium für Bildung und Forschung mit den Kopernikus-Projekten eine der größten Forschungsinitiativen zum Thema Energiewende. Das Projekt Ariadne erforscht und analysiert dabei verschiedene Energiewende-Strategien, unter anderem mit Wasserstoff, und erarbeitet daraus Maßnahmen für die Politik. Adrian Odenweller forscht im Rahmen von Ariadne am Potsdam-Institut für Klimafolgenforschung und beurteilt die Situation von Wasserstoff: „Wasserstoff steht in Konkurrenz mit anderen Energieträgern. Dabei ist es letztendlich eine Preisfrage, wer die zusätzlichen Kosten für die energieintensive Produktion von grünem Wasserstoff trägt. Damit grüner Wasserstoff wettbewerbsfähig wird braucht es Förderprogramme, regulatorische Sicherheit sowie einen langfristig hohen CO2-Preis.“
„Wir beobachten, dass viele Akteure noch etwas zurückhaltend sind, um einen First-Mover Disadvantage zu vermeiden. Dazu kommt eine gewisse Investitionsunsicherheit, weil teilweise politische und rechtliche Rahmenbedingungen noch nicht ganz abgesteckt sind oder gänzlich fehlen. Durch Zögern besteht allerdings auch die Gefahr, dass man den Markt anderen überlässt. Zurücklehnen halte ich daher für sehr gefährlich. Letztendlich muss sich jeder Akteur überlegen: Wie stelle ich meine Energieversorgung und Prozesse auf möglichst umweltfreundliche Alternativen um, sodass weniger Treibhausgasemissionen entstehen?“, sagt Dr. Fabian Pfaffenberger, Geschäftsführer des Zentrum Wasserstoff.Bayern (H2.B). Die vom Freistaat Bayern initiierte Koordinationsstelle soll die landesweite Wasserstoffwirtschaft stärken und Akteure national beziehungsweise international vernetzen. Das H2.B ist auch seit Beginn ideeller Träger des HYDROGEN DIALOGUE in Nürnberg.
Aus der Nische: Stromerzeugung vor Ort
Hohe Autarkie und geringer Wartungsaufwand machen Brennstoffzellen zu einem robusten System für die dezentrale Stromerzeugung: Wenn sich jedes Jahr zehntausende Hard-Rock-Fans auf den Weg in den Norden Deutschlands machen, um beim Wacken Open Air gemeinsam zu feiern, ahnen sie wahrscheinlich nicht, dass die Stromversorgung auf dem Festivalgelände mittlerweile teilweise CO2-frei durch Brennstoffzellen sichergestellt wird.
„Die Veranstalter wollen ihren Besuchern mehr und mehr nachhaltige Lösungen bieten, denn die Energieversorgung ist bei vielen Open Air Festivals heute noch auf Diesel aufgebaut. Mehrere 10.000 Liter Diesel Verbrauch pro Wochenende sind da keine Seltenheit bei Großveranstaltungen“, berichtet Björn Ledergerber vom Brennstoffzellen-Hersteller SFC Energy, aus Brunnthal bei München.
Anders ist es in Wacken. Das Festival ging eine Kooperation mit GP Joule ein, einem Spezialisten für die Entwicklung und Implementierung nachhaltiger Energiekonzepte. Zum Einsatz kommen zwei H2 Genset von SFC Energy. Das sind umweltfreundliche, vielseitige und mobile Stromgeneratoren, die auf Wasserstoff-Brennstoffzellen-Technologie basieren und insbesondere in Gebieten ohne herkömmliche Stromversorgung zum Einsatz kommen. Während des Festivals nutzt GP JOULE diese Einheiten, um ihre Container mit notwendiger Energie für Beleuchtung, Strom und Heizung zu versorgen. Und auch der benötigte Wasserstoff für diesen Prozess stammt aus dem eFarm-Projekt in Nordfriesland, einem vollständig regenerativen Wasserstoffprojekt.
Dabei geht es nicht nur darum, für die Besucher ein „nachhaltigeres“ Festivalerlebnis zu schaffen. „Brennstoffzellen bieten wirtschaftliche Vorteile. Bei einer Nutzung von 5 bis 15 Jahren sind Brennstoffzellen weniger wartungsintensiv als Dieselgeneratoren. Weitere Vorteile haben die Systeme auf Veranstaltungen natürlich bei Lärm- und Abgas-Emissionen“, sagt Ledergerber.
Weniger öffentlichkeitswirksam aber durchaus entscheidend kann der Einsatz von Brennstoffzellen zur Stromerzeugung bei kritischen Infrastrukturen sein: Mobilfunkmasten im ländlichen Raum oder bei Naturkatastrophen, die mit einer Brennstoffzelle versorgt werden, sind – vielfach kombiniert mit Solarmodulen – eine verlässliche und wartungsarme Lösung. „Dieser Markt ist nicht klein“, weiß Ledergerber, „Auf diesem Milliardenmarkt werden einige hunderttausend Motoren im Jahr verbaut und installiert.“
Wasserstoff in der Luftfahrt
Einen signifikant höheren Anteil an den weltweiten CO2-Emissionen als die Stromversorgung kritischer Infrastrukturen hat die Luftfahrt. Ihr Anteil am durch Menschen verursachten Klimawandel beträgt 3,5 Prozent. Immerhin ein Drittel davon entfällt auf CO2-Emissionen. Nicht zuletzt deshalb gibt es viele Projekte weltweit, die den CO2-Ausstoß der Fliegerei verringern wollen. Neben Bio-Kraftstoffen ist die Nutzung von Wasserstoff und hybrid-elektrischen Antrieben in der Entwicklung. Im Kleinen gelingt das schon jetzt mit beachtlichem Erfolg – und der Nutzung einer Brennstoffzelle von SFC Energy.
Levitum hat es sich zum Ziel gemacht die weltweit reichweitenstärkste eVTOL-Drohne unter 25 kg Startmasse zu bauen. Das Team bestehend aus Master- und Bachelorstudenten der Technischen Universität München setzt dabei auf Brennstoffzellen und Highpower Hybrid Batterien. „Bei Start und Landung nutzen wir Hybrid-Batterien, weil wir dabei das Fünffache an Leistung brauchen. Im Horizontalflug, wenn dann weniger Energie gebraucht wird, kann die Brennstoffzelle mit dem Überschuss an Energie die Batterien wieder aufladen“, erklärt Cornelius Kauffmann, Mitgründer von Levitum. Ihr Prototyp „Mercurius I“ soll ohne Auftanken über 300 km weit fliegen. Für die hohe Reichweite sorgt der Wasserstoff. „Die meisten Drohnen, die momentan gebaut werden, werden überwiegend mit Batterien betrieben. Batterien haben allerdings das Problem, dass sie pro Energie, die sie speichern ziemlich schwer sind. In der Luftfahrt kostet jedes zusätzliche Gewicht mehr Energie und limitiert Reichweiten sowie Flugzeiten. Mit Wasserstoff und der Brennstoffzelle hat unsere Drohne das Zwei- bis Dreifache an Energie pro Gewicht auf dem gesamten Antriebsstrang und dadurch auch eine deutlich höhere Reichweite“, erklärt Kauffmann.
Doch nicht nur gewichtstechnisch bietet Wasserstoff Vorteile: „Gerade in Anwendungsfällen, wo man eine hohe Auslastung von Drohnen hat, müssen elektrisch betriebene Drohnen 60-90 Minuten am Boden stehen, um wieder aufgeladen zu werden. Unser Wasserstofftank ist in unter fünf Minuten auftankbar, das kann den Einsatz wirtschaftlicher machen als mit Batterie“, erklärt Kauffmann.
Und auch im Großen, der Passagierluftfahrt, stehen die Zeichen für Wasserstoff gut – zum Beispiel mit dem Projekt „328H2-FC“, einer Initiative unter der Führung des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt (DLR), in Zusammenarbeit mit H2FLY, Deutsche Aircraft, Diehl Aviation und sechs weiteren Partnern. Ziel des Projekts ist die Entwicklung eines Brennstoffzellensystems mit einer Leistung von eineinhalb Megawatt für den Einsatz in der Luftfahrt, speziell in Regionalflugzeugen mit 40 Sitzen. Dieses Vorhaben hat Anfang 2022 erhebliche Unterstützung erhalten, als das Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz (BMWK) eine Förderung von rund 30 Millionen Euro zur Verfügung stellte.
Prof. André Thess, Leiter des DLR-Instituts für Technische Thermodynamik, unterstreicht die Bedeutung dieser Entwicklung: „Mit einer Brennstoffzelle, die mehr als ein Megawatt Leistung erzeugt, stoßen wir das Tor zur klimaneutralen Passagierluftfahrt auf ohne CO2-Emissionen. Am DLR-Standort Stuttgart werden wir die neue Technologie ausführlich testen, bevor wir in die Flugzeugintegration und erste Flugtests einsteigen. Bis zum Ende des Jahrzehnts könnten solche Passagiermaschinen bereits im kommerziellen Betrieb sein.“
Parallel dazu wird im DO 228 FFC-Projekt ein Antriebssystem für kleinere Flugzeuge mit bis zu 18 Passagieren entwickelt, das eine 600-Kilowatt-Brennstoffzelle mit einer Gasturbine kombiniert.
Größter Hebel für die Dekarbonisierung: Industrielle Prozesswärme
Einen anderen Ansatzpunkt sieht Daniel Gosse, Leiter Marketing und Akademie bei Bosch Industriekessel. Das Unternehmen stellt seit über 150 Jahren Dampf- und Heißwasserkessel für die Erzeugung von Prozesswärme her. Über 120.000 Dampf-, Heißwasser- und Heizkessel wurden weltweit geliefert – die neusten als Hybrid-Lösungen für die Nutzung konventioneller Energieträger gemeinsam mit Wasserstoff oder auch als reine Wasserstoff-Anlagen. „Rund 44 Prozent des gesamten Energiebedarfs kommt in Deutschland aus Industrie und Gewerbe. Laut Statistischem Bundesamt gehen über 53 Prozent davon in thermische Prozesse“, sagt Gosse. „Das heißt runtergebrochen auf die CO2-Emissionen reden wir von einem Viertel des deutschen Energiebedarfs. Dadurch hat Deutschland mit einigen Tausend Anlagen in der Industrie einen gewaltigen Hebel für die Energiewende.“
Durch die Optimierung und Dekarbonisierung der Prozesswärme könnten die CO2-Emissionen signifikant reduziert werden, ist Gosse überzeugt. Prozesswärme spielt eine zentrale Rolle in vielen industriellen Prozessen, insbesondere in der Lebensmittel-, Chemie- und Baustoffindustrie. Diese Branchen sind ihrerseits für erhebliche Anteile des Energieverbrauchs und des CO2-Ausstoßes verantwortlich.
Grüner Wasserstoff als alternativer Brennstoff für Prozesswärme hat das Potenzial, fossile Brennstoffe in industriellen Prozessen zu ersetzen. In verschiedenen Regionen weltweit, besonders in Industrieparks und Gebieten mit intensivem Energieaufkommen, werden derzeit Pilotprojekte durchgeführt. Ein Beispiel hierfür ist im fränkischen Wunsiedel, wo ein Elektrolyseur mit einer Kapazität von 8,75 MW installiert wurde. Abnehmer für den erzeugten grünen Wasserstoff ist die regionale Wirtschaft – von der Glas- und Keramikindustrie über Transportunternehmen und Automobilzulieferbetrieben. Überschüssiger Wasserstoff wird künftig in einem 5 MW Heizkessel zur Wärmeversorgung und für die Trocknung von Holz in einem benachbarten Sägewerk verwendet. Darüber hinaus ist geplant, Fernwärme mit Elektromobilität und einer dezentralen Energieversorgung in der Kommune zu kombinieren.
Wasserstoff dient hier auch als effizienter Energiespeicher. Denn eine Herausforderung für die Energieversorgung in der Praxis ist die wechselnde Verfügbarkeit von regenerativer Energie, beeinflusst durch Wetter, Tageszeit und Jahreszyklus. An sonnigen und windigen Tagen kann Strom mit einem Wirkungsgrad von über 99 Prozent direkt für Anwendungen hoher Temperaturen in Anlagen und bei der Produktion eingesetzt werden. Während der kälteren Monate, an Tagen mit geringerem Energieangebot sowie nachts ist dann meist eine ergänzende, CO2-neutrale Energiequelle erforderlich. „Dabei ist Wasserstoff ein möglicher Speicher, um diese Volatilität auszugleichen und einen Puffer zu schaffen“, sagt Prof. Dr. Ulrich Ulmer, Professor für Wasserstoffinfrastruktur an der Technischen Hochschule Nürnberg Georg Simon Ohm.
So einfach die Nutzung von Wasserstoff im Industriekessel klingt, ganz ohne technische Anpassungen lassen sich Dampfkessel nicht mit Wasserstoff betreiben. Die spezifischen Eigenschaften von Wasserstoff bei der Verbrennung insbesondere in Bezug auf Volumen, Temperatur und Abbrandgeschwindigkeit erfordere spezielles Know-how, weiß Gosse. Die Wasserstoffbrenner sind komplex und benötigen eine ausgeklügelte Steuerung. Um die NOx-Emissionen beim Verbrennen von Wasserstoff zu reduzieren, wird Abgasrezirkulation verwendet, bei der sauerstoffarmes Abgas mit Verbrennungsluft gemischt wird, was die Flammentemperatur verringert. Flammenrückschlagsicherungen verhindern Rückzündungen in Brennstoffleitungen. Da noch keine festen Vorschriften für Wasserstofffeuerungen in Industriekesseln existieren, muss jede Anlage einzeln geprüft werden, einschließlich Explosionsschutz und Werkstoffauswahl. Abgastechnologien für Erdgas können auch für Wasserstoff angewendet werden, und die Brennwerttechnik kann grundsätzlich eingesetzt werden, um die Energieeffizienz weiter zu erhöhen.
Die Nachfrage nach Wasserstoff-Dampfkesseln ist groß – „bei jedem, der Wasserstoff verfügbar hat“, sagt Gosse. „Das ist im Moment der entscheidende Faktor. Wir werden oft gefragt, ob wir auch den Wasserstoff liefern können. Das können wir nicht.“ Der Bosch-Mann sieht langfristig das Gasnetz als zentralen Teil der Logistikkette für Wasserstoff. „Der Wasserstoff muss in der Zukunft über die Erdgasleitung kommen. Langfristig sehe ich ein multivalentes Energieszenario, in dem Wasserstoff eine relevante Rolle spielt, weil es als Speichermedium hervorragend geeignet ist. Und zum anderen hat es den Charme, dass wir es über die vorhandene Netzinfrastruktur sehr effizient verteilen können. Mit kleinen Stellschrauben können wir Wasserstoff in die Fläche bekommen.“
Klimapositiver Wodka: Schottische Destillerie setzt auf Wasserstoff
Dass die Kombination aus erneuerbarer Energie, Elektrolyse und Wasserstoff-Dampfkessel funktioniert und zu Produkten mit negativem CO2-Äquivalent führt, beweisen pfiffige schottische Whisky-Brenner. Die Brüder Stirling sind sehr überzeugt von Wasserstoff für ihre Whisky-Destillerie: „Unser umweltfreundlicher, wasserstoffgeeigneter Kessel erzeugt den Dampf, den wir für die Destillation benötigen. Wir destillieren den weltweit ersten klimaschonenden Gin und Wodka, Nadar. Nadar hat eine Klimawirkung von -1,54 CO2e pro Flasche und wird weltweit in nachhaltigen Cocktail-Menüs und klimafreundlichen Getränken eingesetzt“, berichtet Iain Stirling, einer der Brüder, denen das Arbikie Highland Estate gehört, auf dem sich die gleichnamige Arbikie Distillery befindet.
Diese nach eigenen Angaben erste Whisky-Destillerie weltweit, die klimaneutrales (in diesem Fall ja sogar klimapositiven) Hochprozentiges herstellt, ist ein direktes Ergebnis der Klimakonferenz COP26 in Glasgow. Seitdem ist es der Arbikie Distillery gelungen, ein Energiesystem zu implementieren, das vollständig durch grünen Wasserstoff betrieben wird. Das neu installierte System umfasst eine 1-MW-Windturbine, einen Elektrolyseur zur Wasserstoffherstellung, Speichereinheiten und ein Wasserstoffkessel-System. Das ermöglicht es, sich von den konventionellen Destillationsverfahren zu lösen und stattdessen auf den vor Ort erzeugten, emissionsfreien grünen Wasserstoff umzusteigen.
Gefördert wurde dieses Projekt durch die britische Regierung, die mehr als 11 Millionen Pfund bereitstellt, um bis zu vier Spirituosenproduzenten beim Übergang von fossilen Brennstoffen zu Wasserstoff und Biogas zu unterstützen. Diese Maßnahme ist Teil des Wettbewerbs „Green Distillers“, der im Rahmen des Net Zero Innovation Portfolios der britischen Regierung läuft.
„Wir schätzen, dass die Einführung von grünem Wasserstoff unseren CO2-Fußabdruck um bis zu 80 Prozent reduzieren könnte. Wir werden die weltweit erste Brennerei mit grünem Wasserstoff sein und leisten damit Pionierarbeit für eine neue Art der Energieversorgung von Brennereien in Schottland und darüber hinaus“, sagt Iain Stirling. Er sieht großes Potenzial für die Zukunft der Wasserstoff-Nutzung – solange es grüner Wasserstoff ist: „Wasserstoff kann eine saubere Energielösung bieten und ist daher für unsere nationale Energiewende sehr wichtig. Wir haben das große Glück, in Schottland über verschiedene erneuerbare Energiequellen zu verfügen, darunter Wellen- und Windenergie in Hülle und Fülle. Unsere schottische Regierung konzentriert sich sehr auf zukünftige Energiesysteme und vor allem auf erneuerbare Energien und unser Potenzial, unsere europäischen Nachbarn wie Deutschland mit Wasserstoff zu versorgen.“
Die Beispiele zeigen, dass der Blick über den Tellerrand und die Vernetzung von Forschung, Innovatoren, Industrie und Politik entscheidend ist für den Hochlauf der Wasserstoff-Wirtschaft. „Die Plattform für den Austausch und das Vernetzen ist der HYDROGEN DIALOGUE, der am 4. und 5. Dezember 2024 in Nürnberg die globale Wasserstoff-Branche zusammenbringt“, sagt Jasmin Rutka, Director HYDROGEN DIALOGUE bei der NürnbergMesse.
