EXPERTENEMPFEHLUNG FORSCHUNGSNETZWERK WASSERSTOFF
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EXPERTENEMPFEHLUNG FORSCHUNGSNETZWERK WASSERSTOFF
Impressum
Herausgeber
Projektträger Jülich (PtJ)
Forschungszentrum Jülich GmbH
52425 Jülich
Redaktion und verantwortlich für den Inhalt
Forschungsnetzwerk Wasserstoff
Gestaltung und Produktion
Projektträger Jülich (PtJ)
Forschungszentrum Jülich GmbH
52425 Jülich
Stand
August 2021
Bildnachweise:
Titel: ©SmirkDingo – stock.adobe.com
Die Expertenmeinung ist in einem interaktiven Dialogprozess von den Mitgliedern des Forschungsnetzwerks Wasserstoff im
Sommer 2021 erstellt worden.
Die Clustersprechenden möchten sich bei den Teilnehmenden des Konsultationsprozesses ausdrücklich bedanken, ohne deren
Engagement es nicht möglich gewesen wäre, die Expertenempfehlung zu erstellen.
Gefördert durch:
aufgrund eines Beschlusses
des Deutschen BundestagesINHALT
Zusammenfassung 3
1. Erzeugung von Wasserstoff und Folgeprodukten 4
2. Infrastruktur und Systemintegration 6
3. Nutzung 8
4. Sicherheit, Akzeptanz und nachhaltige Markteinführung 10
Abkürzungsverzeichnis 12ZUSAMMENFASSUNG
Als Bestandteil der Nationalen Wasserstoffstrategie H2-Transport wirtschaftlich verbessern. In Form syn-
(NWS) wurde das Forschungsnetzwerk Wasserstoff am thetischer Kraftstoffe, insbesondere im Langstrecken-
30. September 2020 gegründet. Mit seinen mehr als verkehr zu Luft, See und zum Teil auf der Straße, sind
1.500 Mitgliedern aus Wissenschaft, Wirtschaft und sie die einzig plausible nachhaltige Alternative zu fossi-
Verbänden deckt es die gesamte deutsche Wasser- len Energieträgern.
stoffkompetenz im Bereich der angewandten Energie-
forschung ab. Infrastruktur und Systemintegration
Forschung zur H2-Infrastruktur stellt das
Für die Netzwerkarbeit wurden in einem Konsul- zentrale Bindeglied zwischen Erzeugung und
tationsprozess vier Themencluster eingerichtet: Er- Nutzung sicher. Erst im Kontext der Sektorenkopplung
zeugung von Wasserstoff und Folgeprodukten, Infra- kann durch ein effektives Zusammenwirken der
struktur und Systemintegration, Nutzung sowie Sicher- Strom-, Gas- und H2-Infrastruktur das Potenzial von H2
heit, Akzeptanz und nachhaltige Markteinführung. Als zur Flexibilisierung und Dekarbonisierung des Gesamt-
ein erstes Ergebnis haben die Mitglieder des For- energiesystems angemessen erschlossen werden.
schungsnetzwerks eine Expertenempfehlung vorge- Die H2-Speicherung sowie die Transport- und Verteil-
legt, die sie im September 2021 an die Bundesregie- Infrastrukturen sind das Rückgrat einer ganzjährig re-
rung übergeben haben. Das Ziel der Experten- silienten Gesamtenergieversorgung. Das dahingehend
empfehlung ist, den Forschungsbedarf entlang der ge- optimierte Design der H2-Infrastruktur muss durch wei-
samten Wertschöpfungskette der Wasserstoffwirtschaft tere systemanalytische Forschung erarbeitet werden.
bis 2025 zusammenzufassen. Eine umfassende For-
schungsagenda, welche die Netzwerkmitglieder aktuell Nutzung
vorbereiten, wird die vorliegende Empfehlung er- Die stoffliche und energetische Nutzung
gänzen und als gebündeltes Fachwissen in den Stake- von H2 wird in allen Sektoren (Industrie, Haushalte/
holder-Prozess des Projekts „H2-Kompass“ einfließen. Quartiere, Metallerzeugung, Mobilität zu Land, zu
Damit werden die Netzwerkmitglieder wesentlich dazu Wasser und in der Luft) geprüft und birgt ein enormes
beitragen, die Grundlagen für eine Wasserstoff-Road- Potenzial, Treibhausgasemissionen zu reduzieren. Für
map der Bundesregierung zur Forschungs- und Inno- die Nutzung des H2 stehen eine Vielzahl von Techno-
vationspolitik zu erarbeiten. logien zur Verfügung. Es ist essenziell, dass die For-
schung weiterhin technologieoffen erfolgt und H2 in
Um die in der NWS anvisierten Ziele zu erreichen, ist allen Sektoren als Lösungsoption untersucht wird. Nur
eine schnelle Markteinführung und breite Industriali- so werden die Reduktionspotenziale optimal gehoben
sierung bewährter Technologien mit einhergehender werden können.
Skalierung in den kommenden Jahren erforderlich.
Dies sollte durch die Anhebung des technologischen Sicherheit, Akzeptanz und
Reifegrads (TRL) aus dem Prototypenstatus in nachge- nachhaltige Markteinführung
wiesen wirtschaftliche Systeme geschehen. Hierzu Für einen nachhaltigen, sicheren Betrieb ent-
sollten Wissenschaft, Industrie, Prüfeinrichtungen und lang der Wertschöpfungskette müssen die Forschungs-
Verbände eng zusammenarbeiten sowie neue Förder- ergebnisse zügig in international einheitliche Normen,
formate weiterentwickelt werden. Standards und Prüfrichtlinien überführt beziehungswei-
se bestehende Vorgaben auf die neuen Technologien
Erzeugung von H2 und Folgeprodukten angepasst werden. Um die wirtschaftliche und gesell-
Die Optimierung und Industrialisierung der schaftliche Akzeptanz zu erhöhen, müssen Kriterien für
Verfahren zur Wasserelektrolyse sowie der H2- Nachweise zur nachhaltigen Erzeugung, Transport und
Gewinnung aus alternativen Quellen sind wichtig für Sicherheit von H2 festgelegt werden. Für eine nach-
die Erreichung der mittelfristig anvisierten Erzeugungs- haltige Markteinführung müssen klare Standards zur
kapazitäten. Parallel sind disruptive Verfahren mit sozialen, ökologischen und ökonomischen Nachhaltig-
noch niedrigem TRL zu verfolgen, die über ein hohes keit entwickelt werden. Zudem ist ein verstärkter Aus-
Potenzial an Effizienzsteigerungen verfügen. H2-basierte tausch zu den methodischen Herausforderungen der
Folgeprodukte können viele in der chemischen In- Lebenszyklusbewertung von H2 im Energiesystem erfor-
dustrie benötigten Grundstoffe klimaneutral ersetzen. derlich.
Aufgrund ihrer hohen Energiedichte können sie den
31. ERZEUGUNG VON WASSERSTOFF UND FOLGEPRODUKTEN
Motivation der Effizienz bieten. Für alle diese Verfahren ist es
grundlegend relevant, neue Materialsysteme (Kataly-
Die Erzeugung von CO2-armem Wasserstoff sowie satoren, Membranen, Elektrodenmaterialien, Werk-
wasserstoffbasierten Folgeprodukten sind wichtige stoffe) schnell zu entwickeln und zu skalieren.
Säulen in der Transformation des Rohstoff- und Energie-
systems für eine nachhaltige Gesellschaft. In Summe Die Entwicklung einzelner Technologien muss zudem
existieren verschiedene Verfahren zur Herstellung durch eine systemische Optimierung ergänzt werden.
CO2-armer, stofflicher Energieträger und Grundstoffe, Dies beinhaltet insbesondere folgende Aspekte:
die auf dem Weg zur Klimaneutralität langfristig oder
als Brückentechnologien eine entscheidende Rolle • Ökonomische und ökologische Analyse der
spielen. gesamten Wertschöpfungsketten
Beim Wasserstoff fokussiert sich die Nationale Wasser- • Ganzheitliche Optimierung der Erzeugungs-
stoffstrategie auf die Erzeugung von grünem Wasser- prozesse für Wasserstoff und Folgeprodukte,
stoff durch Wasserelektrolyse, welche regenerativ er- wie der Integration von Wärme- und Stoffströmen
zeugten Strom nutzt. Ferner können alternative und der dynamischen Betriebsführung
photokatalytische, photobiologische und solarthermo-
chemische Prozesse sowie Verfahren unter Einsatz von • Integration der Erzeugungsanlagen in das Energie-
Biomasse zur regenerativen Wasserstofferzeugung system durch Optimierung der elektrischen
genutzt werden. Weitere Pfade zur CO2-armen Herstel- Systemtechnik (Kostenreduktion der Technik und
lung von sogenanntem blauem und türkisem Wasser- Wirtschaftlichkeitsverbesserung des Betriebs)
stoff auf Basis fossiler Energieträger werden derzeit
intensiv untersucht. • Standardisierung und Harmonisierung von
Bauteilen sowie Anpassung bestehender Normen
Im Bereich der Folgeprodukte werden Technologien zur und Standards an zukünftige Anforderungen und
Umwandlung in andere, wasserstoffbasierte Energie- für einen weltweiten Einsatz
träger adressiert, die die Speicher- und Transportfähig-
keit erhöhen. Insbesondere in der Luft- und Seeschiff- Erzeugung von grünem Wasserstoff durch Elektrolyse
fahrt sowie zu Teilen im Schwerlastverkehr sind nach-
haltige flüssige Kraft- und Treibstoffe bislang Zur H2-Erzeugung durch Elektrolyse stehen Verfahren
alternativlos, um auf absehbare Zeit Klimaneutralität mit unterschiedlichen TRL zur Verfügung. Die alka-
zu erreichen. Auch in der Stahl- und chemischen Indus- lische Wasserelektrolyse (AEL) zählt zu den etablierten
trie müssen bestehende Produktionsabläufe zur Her- Verfahren mit hohem TRL. Sie benötigt kaum kritische
stellung von Zwischen- und Endprodukten umgestaltet Ressourcen und kann bereits heute in großen Stück-
werden. zahlen mit hoher Leistung produziert werden. FuE-
Bedarf besteht noch an Materialien und Komponenten
Forschungs- und Entwicklungsbedarfe für hohe Drücke und Temperaturen, angepassten Zell-
designs und bei der Serien- und Massenfertigung. Die
Gemäß der NWS der Bundesregierung sollen bis zum alkalische Membran-Elektrolyse (AEMEL) hat trotz ge-
Jahr 2030 H2-Erzeugungsanlagen mit einer Gesamt- ringem TRL ein hohes Potenzial, kompakte Elektrolyse-
leistung von fünf GW errichtet werden. Dies erfordert einheiten mit hoher Dynamik zu entwickeln. Hier ist es
eine breite Industrialisierung und schnelle Umsetzung notwendig, dass Komponenten (Membranen, Kataly-
praxistauglicher Technologien. Die großskalige, wirt- satoren) weiterentwickelt, die Langzeitstabilität erhöht
schaftliche Implementierung dieser Verfahren setzt im und Zellstapel und Anlagenkonzeptionen skaliert werden.
Wesentlichen voraus, dass die Kosten durch Effizienz-
steigerung und Lebensdauererhöhung sinken sowie Die PEM-Wasserelektrolyse (PEMEL) befindet sich der-
industrielle Herstellverfahren etabliert werden. zeit in der großskaligen Markteinführung. Sie weist
eine hohe Flexibilität und Leistungsdichte sowie eine
Daneben besteht dringender Bedarf an der Weiterver- geringe Komplexität des Gesamtsystems auf, ver-
folgung disruptiver Ansätze mit bislang geringem TRL, wendet aber kostenintensive und teilweise kritische
die jedoch das Potenzial einer deutlichen Erhöhung Materialien. Diese gilt es in Zukunft zu reduzieren oder
4zu substituieren. Fragen zur industriellen Produktion Erzeugung von blauem und türkisem Wasserstoff
und zum Recycling müssen gelöst werden.
Blauer Wasserstoff wird aus fossilen Rohstoffen gewon-
Die Hochtemperaturelektrolyse (HTEL) auf Basis von nen, indem das CO2 abgeschieden und gespeichert
Festoxidzellen oder protonenleitenden, keramischen wird. Türkiser Wasserstoff wird über die Methanpyro-
Zellen wandelt verdampftes Wasser in Wasserstoff lyse aus fossilem Erdgas oder aus biogenen Quellen
beziehungsweise Gasgemische aus Wasserdampf und (wie Biogas) hergestellt. Der Kohlenstoff liegt anschlie-
Kohlendioxid direkt in Synthesegas um. PEMEL und HTEL ßend als elementarer Feststoff vor. Die für die Pyrolyse
zählen zu den effizientesten Verfahren unter den Elek- notwendige Energie kommt aus regenerativen Quellen.
trolysetechnologien und lassen sich auf der Modul- Beide Ansätze erfordern einen verhältnismäßig gerin-
ebene im System nahezu identisch integrieren. FuE- gen Energieaufwand, bieten die Möglichkeit zu einem
Bedarf besteht vor allem bei den Materialien (Erhöhung schnellen Hochlauf einer H2-basierten Energieversor-
Leistungsdichte, Robustheit und Lebensdauer), dem gung und können innerhalb kurzer Zeit zu einer THG-
Scale-Up der Stacks und der Entwicklung vollautomati- Minderung beitragen. FuE-Bedarf besteht darin, Pyro-
sierter Herstellungsprozesse. lyse-Prozesse in den Demonstrationsmaßstab zu über-
führen und CCU-Verfahren sowie Verfahren der dauer-
Erzeugung von grünem Wasserstoff durch alternative haften und sicheren Lagerung von CO2 zu entwickeln.
Herstellverfahren
Erzeugung von wasserstoffbasierten Folgeprodukten
Die photoelektrochemischen und photokatalytischen,
die solarthermochemischen und die photobio- Die Produktion nachhaltiger synthetischer Grund- und
logischen Prozesse wandeln solare Energie direkt in Kraftstoffe auf Basis von klimaneutral erzeugtem
Wasserstoff oder andere chemische Energieträger um. Wasserstoff, Kohlenstoff oder Synthesegas (H2/CO) ist
Sie haben das Potenzial, grünen Wasserstoff beson- ein wichtiger Baustein, um die Klimaziele zu erreichen.
ders effizient und kostengünstig herzustellen. Die Ver- Produkte wie Methan, Methanol, Ammoniak, Olefine
fahren weisen aber einen allgemein geringeren TRL und Ether sind zentrale Elemente in der zukünftigen
auf. Ziele der Forschung sind, den Wirkungsgrad und Chemie- und Kraftstoffindustrie. Zudem können sie,
die Langzeitstabilität zu erhöhen. Dies gelingt durch wie auch Liquid Organic Hydrogen Carriers (LOHC), als
effiziente und stabile Materialien (Absorber), kosten- Trägermedium für Wasserstoff dazu beitragen, den
günstige Konzepte zur Skalierbarkeit der Zellen und Transport von Wasserstoff effizienter und sicherer zu
Reaktoren sowie durch die Optimierung photoelek- gestalten. In der Luft- und Seeschifffahrt sowie zu
trischer Systemaspekte und der Solarkonzentratoren Teilen im Schwerlastverkehr sind flüssige chemische
beziehungsweise die Wärmerückgewinnung bei solar- Energieträger aufgrund ihrer hohen Energiedichte auf
thermochemischen Systemen. absehbare Zeit alternativlos.
Erzeugung von grünem Wasserstoff aus Biomasse und FuE-Bedarf für die Erzeugung wasserstoffbasierter
biogenen Reststoffen Folgeprodukte besteht daher in der schnellen industri-
ellen Umsetzung marktfähiger Gesamtprozessketten.
Bei der Produktion von Wasserstoff aus biogenen Hierfür müssen unterschiedliche Teilprozesse ideal
Quellen und Reststoffen werden Verfahren wie die aufeinander abgestimmt werden, um eine wirtschaft-
Fermentation, Reformierung, Vergasung und Plasmalyse liche großtechnische Produktion zu ermöglichen.
genutzt. Sie können in regional geschlossenen Stoffkreis- Neben der Optimierung etablierter Technologien
läufen kosteneffiziente Wasserstoffquellen erschließen. bieten neuartige disruptive Verfahren trotz niedrigem
Durch angeschlossene Technologien zur CO2-Abtren- TRL das Potenzial für deutlich höhere Gesamteffizi-
nung und -Speicherung sowie -Nutzung (CCS/CCU) er- enzen, wie die direkte elektrochemische Synthese von
geben sich effektive Treibhausgas-(THG)-Senken. Methan, Methanol, Ammoniak und Dimethylether
Forschungsbedarf besteht bei der Skalierung solcher An- (DME) sowie solarthermische, photochemische und
lagen auf industriellen Maßstab sowie bei der effizienten biochemische Synthesen.
Eduktaufbereitung und Abtrennung des Wasserstoffs.
52. INFRASTRUKTUR UND SYSTEMINTEGRATION
Motivation • Markteintritt erster Technologieoptionen ist in
allen Bereichen bereits gegeben und sollte parallel
Als Bindeglied zwischen den Erzeugungs- und Nut- zu notwendigen FuE-Maßnahmen verfolgt werden.
zungsorten sowie als Speicher kommt der Wasserstoff-
infrastruktur in einem zukünftigen Energiesystem eine • Kompatibilität sowie Interoperabilität sind zu
zentrale Bedeutung zu. Die H2-Speicher sowie die entwickeln und optimieren, um Synergieeffekte
Transport- und Verteil-Infrastrukturen müssen als vollumfänglich ausschöpfen zu können.
Rückgrat einer Wasserstoffstrategie frühzeitig neuge-
staltet werden, um jene Engpässe und Verzögerungen • Klare Definitionen von Standards und Normun-
von vornherein zu vermeiden, die derzeit den Umbau gen über alle Themenbereiche bilden die Basis
des Stromsektors bremsen. von marktfähigen Technologielösungen.
Zudem kann erst durch ein effektives Zusammenwirken Nachstehend sind für die fünf Themenbereiche die
der Strom- und Gas- beziehungsweise H2-Infrastruktur jeweils wichtigsten FuE-Bedarfe bis 2025 zusammen-
das Potenzial des Wasserstoffs zur Flexibilisierung und gefasst.
Dekarbonisierung des Gesamtsystems vollumfänglich
genutzt werden. Eine optimale sektorenkoppelnde Ge- Transport-Infrastruktur für straßen-, schiffs- und schienen-
samtsystemintegration der Wasserstoff-Infrastruktur gebundenen H2-Transport
ist daher von zentraler Bedeutung.
• Technische Entwicklung der energetisch und
Da sowohl die Infrastruktur als auch die strategische ökologisch sowie wirtschaftlich effizientesten
Gesamtsystemintegration zu frühzeitigen Weichenstel- H2-Transporttechnologien (wie Flüssigwasserstoff
lungen im Transformationsprozess führen, haben beide (LH2), Druckwasserstoff (CH2), synthetische
Felder eine hohe Priorität auf der Forschungsseite. Kraftstoffe, LOHC, Metalle und ihre Hydride, NH3
als H2-Träger)
Forschungs- und Entwicklungsbedarfe
• Weiterentwicklung sowie Optimierung der mobilen
Die FuE-Bedarfe im Bereich der H2-Infrastrukturen H2-Speicherung, Betankungstechnologien/-prozesse
werden in fünf Themenbereiche unterteilt. Überge- und Umfüllungstechnologien/-prozesse
ordnet gilt für alle Bereiche: (wie bedarfsgerechte H2-Qualität, H2-Druck,
kontrollierte H2-Entspannung, Boil-Off-Effekte
• Technologieoffenheit und ein gesamt- beim Transport von LH2)
systemischer Ansatz gewährleisten eine
optimale Nutzung der Technologieoptionen • Neue Ansätze für Sicherheitsbeurteilungen von
und deren Synergien sowie eine schnelle Markt- Druckgefäßen auf Straße, Schiene und Wasser-
einführung und einen effektiven Hochlauf über die straße
gesamte Einsatzbreite der H2-Infrastrukturen.
• Methodenentwicklung zur zerstörungsfreien
• Fokus der FuE-Maßnahmen liegt auf Erhöhung Prüfung von H2-Speichern (Materialprüfung)
der Wirtschaftlichkeit, Versorgungssicherheit, sowie die H2-Qualitätssicherung
Nachhaltigkeit und Resilienz durch Optimierung,
Weiterentwicklung und Innovation sowie einem Pipelinetransport Verteilnetz
verbesserten Verständnis der zukünftigen
Systemausgestaltung und Betriebsführung. • Materialforschung zur Identifikation und Entwicklung
von H2-kompatiblen Werkstoffen für Leitungen,
• Zeitnahe Umsetzung der notwendigen FuE- Armaturen und Anlagen mit Berücksichtigung der
Maßnahmen ist erforderlich, da H2-Infrastrukturen Hauptbelastung (Druck- und Temperaturzyklen)
eine wesentliche Basis einer Wasserstoffwirtschaft und der Permeation von Wasserstoff
darstellen und frühe Fehler bei technischen
Weichenstellungen volkswirtschaftliche teure • Entwicklung von Materialien für die Gasseparation
Lock-In-Situationen hervorrufen können. und von geeigneten Beschichtungsverfahren zur
6Ertüchtigung von bestehenden Gasleitungen für • Weiterentwicklung zur Anhebung der TRL von
Wasserstoff oberirdischen Hochdruck-, Feststoff- und Flüssig-
speichern sowie chemischen Speichern und deren
• Entwicklung von sicheren Umstellungsprozessen Zusammenspiel (multimodale Speicher) zur
und Strategien für die Transformation von Erreichung der notwendigen Skalierung und
konventionellen Gasnetzen zu Wasserstoffnetzen. Kostenreduktion
Dabei kann neben reinen Wasserstoffleitungen
auch die H2-Beimischung zum Erdgas berück- Gesamtsystemmodellierung/-integration
sichtigt werden.
• Entwicklung von Simulationswerkzeugen für eine
• Gasbeschaffenheitsmessungen für die Über- integrierte Systemplanung mit technologieoffener
wachung des Gas-Mischverhältnisses in den Infrastrukturmodellierung im Viereck von Versor-
Leitungen und Gasdetektion bei möglichen gungssicherheit, Wirtschaftlichkeit, Nachhaltigkeit
Leckagen und Resilienz
Pipelinetransport Gas- und Fernleitungsnetze • Technologien und Konzepte zur dezentralen
Kopplung aller Energiesektoren mit der H2-
• Materialforschung zur Identifikation und Ent- Infrastruktur unter Einbezug verteilter Rückver-
wicklung von H2-kompatiblen Werkstoffen für stromungsansätze (wie H2-Kraft-Wärme-Kopplung
Leitungen, Armaturen und Anlagen mit Berück- (KWK))
sichtigung der zyklischen Parameter Druck und
Temperatur und der Permeation von Wasserstoff • Open-Science-Modellierung der Transport- und
Verteilnetze in Verbindung mit optimierenden
• Weiterentwicklung zur Anhebung der TRL von Modellierungen zur ganzheitlichen Sektoren-
relevanten Anwendungen, beispielsweise Ver- kopplung (Strom, H2, grüne Kohlenwasserstoffe,
dichter (mechanische und elektrochemische Wärme) und der Energienachfrage (Mobilität,
Verdichter), Gasaufbereitung und Sensorik sowie Logistik, Industrie, Gewerbe, Gebäude)
Messtechnik, um die notwendige Skalierung und
Kostenreduktion zu erreichen • Entwicklung von Transformationsstrategien
(global bis lokal, zentral vs. dezentral) sowie
• Im Bereich der Verdichter und deren Antriebe Roadmaps, welche unterschiedliche Szenarien
bestehen Entwicklungsbedarfe für die neuen und Marktentwicklungen berücksichtigen (wie
Anforderungen des H2-Transports mit hohen Sektorenkopplung mit H2, Transformations-
Volumenströmen. kosten, Betreibermodelle für H2-Infrastruktur)
Mittel- und großskalige H2-Speicherung Als Fazit und Zusammenfassung sind die Wasserstoff-
verteilung, -speicherung und -systemintegration der
• Entwicklung von geologischen Speichern und Lebensnerv resilienter klimaneutraler Energiesysteme.
entsprechenden Strategien ihrer Transformation Daher kann und sollte der Markteintritt durch die
zu H2-Speichern. Dabei sind verschiedene Themen- Skalierung marktfähiger und bekannter Technologien
aspekte wie Mikrobiologie, Eignungsprüfung, zeitnah erfolgen, während gleichzeitig systemanaly-
Zementation/Komplementierung und Gasreini- tische Forschungen helfen, das Systemdesign zu opti-
gung zu berücksichtigen. mieren, um bestmögliche Weichenstellungen im Trans-
formationsprozess sicherzustellen. Die aufgeführten
• Entwicklung und Erprobung von Betriebsstrategien FuE-Bedarfe sind bis 2025 essenziell, um die öko-
für H2-Speicher, um die veränderten Randbedin- nomische Attraktivität der Speicher-, Transport- und
gungen in Bezug auf dynamische Fahrweise und Systemtechnologien durch Weiterentwicklung und
thermodynamische Eigenschaften zu berück- Innovation zu steigern.
sichtigen
73. NUTZUNG
Prinzipiell kann Wasserstoff überall dort eingesetzt werden andere erst in einigen Jahren Serienreife er-
werden, wo heute fossile Brennstoffe genutzt werden. reichen. Nachfolgende Tabelle fasst den Entwicklungs-
Die technische Reife der Anwendungen variiert jedoch stand der Technologien anhand der TRL zusammen,
deutlich: Während einige bereits industrialisiert sind, die mit reinem Wasserstoff betrieben werden sollen.
Prozesswärme und
tische Nutzung für
Stofflicher Einsatz
Industrie: Energe-
Stationär: Einsatz
Stationär: Einsatz
Mobil: Einsatz im
Mobil: Einsatz im
Schienenverkehr
Mobil: Einsatz in
in Gewerbe und
Einsatz im PKW
Einsatz im LKW
der Schifffahrt
in Haushalten
Flugverkehr
Industrie:
Industrie
-dampf
Mobil:
Mobil:
H2-basierte Direkt-
reduktion und TRL 7
Schmelzprozesse
H2-Industrieofen TRL 6 TRL 2-7
H2-Feuerungsanlagen/
Prozesswärme/ TRL 6 TRL 2-5 TRL 4 TRL 6
Brennwerttechnik/
Dampferzeugung
Stationäre H2-Brenn- TRL 4-8
TRL
TRL 3-6
stoffzelle (BZ) 4-8
H2-Gasturbine TRL 6 TRL 4 TRL 4-6 TRL >4
H2-Blockheizkraftwerk TRL 5-6 TRL 8 TRL 3-6
Mobile H2-BZ TRL 3-9 TRL 4-7 TRL 4 TRL 3-6 TRL 1-6
H2-Speichersysteme TRL 7 TRL 4-9 TRL 4-9 TRL 2-5 TRL 4 TRL 3-7
Mobiler TRL 6 TRL 4-6 TRL 4 TRL 5-6 TRL >4
H2-Verbrennungsmotor
Kurz- und mittelfristiger Forschungsbedarf • Rahmenbedingungen und Standortfaktoren zum
H2-Einsatz, Aufbau der Infrastruktur und Versor-
• Technologieentwicklung für sichere und effiziente gungssicherheit
H2-Verbrennung: Brennerentwicklung, Motorent-
wicklung, Flammenüberwachung, Emissionen • Sozioökonomische Bewertung der Verfahrens-
umstellung auf die H2-Anwendung
• Materialverträglichkeitsuntersuchung in H2-
Atmosphäre sowie Gasen aus H2-Verbrennung • Nachhaltigkeit in der gesamten Lieferkette
• Messverfahren, Steuer- und Regelstrategien für • Bewertung zum direkten und indirekten Einsatz
wechselnde Brennstoffbeschaffenheit von gasförmigen sowie flüssigen H2-Trägern
• Lebensdauererhöhung, Stresstestszenarien für Industrie: Stofflicher Einsatz, insb. in der Metallerzeugung
beschleunigte/standardisierte Erprobung
• Stoffliche Nutzung zur Reduktion
• Optimierung der Systemeffizienz und -integration (Einsatz von NH3 und Synthesegas) und für CCU
von H2-Anwendungen
• Rohstoffeinfluss auf Produkteigenschaften und
• Entwicklung von BZ- und KWK-Systemen Prozessbedingungen in H2-basierter Produktion
8• Systemintegration (Prozesssimulation, Regel- • Speicher- und Betankungstechnologien
leistung, Recycling von H2) (Kompression, Kühlung, Massendurchsatz)
Industrie: Energetische Nutzung für Prozesswärme und -dampf • Verbrennungskraftmaschine (VKM) Konzepte
für (Sub)-Zero Emissionen
• Materialuntersuchungen/-Entwicklungen für
Anlagenkomponenten und Feuerfestmaterialien • Wirkungsgradoptimierung (VKM: Tribologie,
Abwärme, Direkteinblasung, Brennverfahren
• H2-Einsatz statt Erdgas/Kuppelgasen in HT-Prozessen inklusive Simulation; BZ: Komponenten)
• Auswirkungen auf Produktqualität,- Kapazität, Mobil: Einsatz im Schienenverkehr
Schadstoffemissionen, Wärmeübertragung,
Effizienz, Ausbringen der Anlage • Untersuchen von bahnspezifischen Anforderun-
gen, bezüglich der wirtschaftlichen Nutzung von H2
Stationär: Einsatz in Gewerbe und Industrie
• Methoden und Technologien zur Um- und
• Optimierte, kostengünstige Betriebsführung, Ausrüstung von Bestands- und Neufahrzeuge
Überwachung von Verbrennungsprozessen beim
Einsatz von reinem H2 • Simulationsmethodik Fahrzeug-Antrieb und
-Kühlung inkl. Hybrid-Energiemanagement
• Elektrochemische Nutzung (BZ): Skalierung in
großvolumige Industrialisierung inkl. Aufbau Mobil: Einsatz in der Schifffahrt
einer Zuliefererlandschaft; Zustandsüberwachung,
interoperable Systemtechnik, lebensdauer- • Systemvergleich H2(-träger)
schonend/netzdienlicher BZ-Betrieb
• Demonstratoren im Schiffseinsatz (Bunkern,
Stationär: Einsatz in Haushalten Tank-/Konvertersysteme, Kraftstoffaufbereitung,
Systemintegration, Hybridisierung dynamischer
• Wirtschaftlich/sozial-ökologische H2-Anwendungs- Anwendungen); Transportschiffe
fälle in Verbindung mit Heizungs-, Lüftungs- und
Klimatechnik • Verbrennung in Kolbenmaschinen, H2-Generierung
an Bord, Direktnutzung in BZ
• Feldtests unter Realbedingungen
• Hybride Nutzung mit anderen Kraftstoffen
Mobil: Einsatz im PKW
Mobil: Einsatz im Flugverkehr
• Simulationsmodelle für H2-Verbrennungsprozesse
• Erhöhung Leistungs-/Energiedichte des BZ-
• Industrialisierung von BZ-Stack, H2-Tanksystemen inklusive Treibstoff-Systems
und Komponenten
• FuE von luftfahrtspezifischen Komponenten
• Materialforschung Substituierung von problema-
tischen Verbindungen knapper Ressourcen (MEA) • Entwicklung und Management des Thermal-
systems inklusive LH2-Tank
• Betriebsstrategie/Hybridauslegung/Systemaufbau/
TCO-Kosten • Gewährleistung Zuverlässigkeit, Lebensdauer und
Nachweisbarkeit der Flugsicherheit
Mobil: Einsatz im LKW
• Treibstoff-Bereitstellung (H2, eFuels),
• Gesamtantriebsstrang-/Fahrzeugoptimierung Betankungstechnologie, Infrastruktur
(Betriebs-/Hybridstrategie, Kühlsystem)
94. SICHERHEIT, AKZEPTANZ UND NACHHALTIGE MARKTEINFÜHRUNG
Motivation • Additive Manufacturing: Einsatz additiver Ferti-
gungstechnologien für Komponenten als Produk-
Die Wasserstoffwertschöpfungskette beinhaltet Themen, tionsansatz (wie Armaturen, Brennstoffzellen)
die weder der Erzeugung noch der Infrastruktur oder
Nutzung zugeordnet werden können, jedoch An- Erforderliche Normung für weltweite Qualitätsstandards
knüpfungspunkte zu allen Technologien in den Be-
reichen besitzen. Daher ist es wichtig, die technischen • Erstellung einer Normungsroadmap zur Beschrei-
Fragestellungen im Kontext der Themenbereiche zu bung eines Handlungsrahmens, der die deutsche
betrachten und die Forschungs- und Entwicklungsbe- Wirtschaft und Wissenschaft im internationalen
darfe miteinander zu kombinieren. Wettbewerb stärkt und innovationsfreundliche
Rahmenbedingungen für die Technologie der
Forschungs- und Entwicklungsbedarfe Zukunft schafft (Bestands- und Bedarfsanalyse)
Als übergeordnete Querschnittsthemen sind die Sicher- • Zertifizierung und Freigabe von Produkten:
heit, Normung und Standardisierung (RCS) sowie Erarbeiten von technischen und regulatorischen
Akzeptanz, Nachhaltigkeit und die Fragestellungen der Rahmenbedingungen für die Zertifizierung,
Markteinführung zu verstehen. Zur Adressierung der Abnahme und Freigabe von Produkten; Berück-
Querschnittsthemen bieten sich Projektkonzepte an, sichtigung von Methoden zur Risikobewertung;
die die gesamte Wertschöpfungskette betrachten. Kombination von Prüfung und Simulation
Sicherheitstechnische Fragestellungen beantworten und Akzeptanz bei verschiedenen Akteuren fördern
Konzepte bedarfsorientiert weiterentwickeln
• Wissenstransfer: Konzepte zur Aus- und Fortbil-
• Leckageüberwachung: Innovative Methoden zum dung von Fachkräften; Information der Zivilgesell-
Bereichsmonitoring, Konzepte zur Sensorauswahl, schaft für ein allgemeines Sicherheitsverständnis;
Sensorkombination und Sensorverteilung, auch Erarbeiten von Bildungsstrategien; Gestaltung der
unter Einsatz von KI Akzeptanzkriterien
• Schutzkonzepte: Leitfäden für spezifische Schutz- • Entwicklung von Kommunikationsstrategien
maßnahmen und Festlegung von Schutzbereichen für negative, medial relevante Einzelfälle im
(wie Zonen, Sicherheitsabstände, Gefahrenbereiche), Zusammenhang mit Wasserstoff
insbesondere für LH2; QRA Werkzeuge
• Akzeptanzforschung mit Zielgruppen unter Berück-
• Verhalten von H2 in Unfallszenarien: Verbesserung sichtigung von ökologischen und geo-politischen
des Verständnisses entsprechender Szenarien Fragen (wie Import: Akzeptanz und Teilhabe der
zur Unterstützung der Entwicklung von RCS; lokalen Bevölkerung in Partnerländern) sowie
Entwicklung von Modellen für Risikominderungs- Akzeptanzveränderung durch den Markthochlauf
potenziale verschiedener Schutzmaßnahmen
• Erstellung eines Risikomodells für die Einführung
• Materialeignung und -kompatibilitäten: Leitfäden und Analyse von Akzeptanzkriterien für Risiken
für die sichere Auswahl geeigneter Materialien;
Entwicklung von Prüfverfahren für die H2-Taug- • Transferforschung aus der Energie- und
lichkeit und Schadensfrüherkennung; Entwicklung Verkehrswende sowie Innovationsforschung
neuer Werkstoffkonzepte; Erweiterung bestehen-
der beziehungsweise Entwicklung neuer Prüfkon- Rahmenbedingungen für Geschäftsmodelle der Zukunft
zepte und Prüfinfrastruktur zur Charakterisierung
des Deformations- und Schädigungsverhaltens • Erarbeitung von Szenarienwelten, um H2-Bedarfe
bei hohen Temperaturen (H2-Verbrennung, mit regelmäßigen Aktualisierungen zu erörtern
H2-Verdichtung, HT-Brennstoffzelle, HT-Elektro-
lyse), Werkstoffbasierte Modelle zur Vorhersage • Erarbeitung eines Marktdesigns zum technolo-
der Lebensdauer von Bauteilen im Kontakt mit H2 gieoffenen Hochlauf von H2
10• Analyse zu Anreizsystemen unter Berücksichtigung Nachhaltigkeit als zentraler Treiber der H2-Wirtschaft
von Aspekten der Sicherheit, Akzeptanz und
Nachhaltigkeit • Durchführung von Lebenszyklusanalysen (LCA;
sLCA; LCC) als Bewertungsmethode der Nachhal-
• Transferforschung aus der Energie- und Verkehrs- tigkeit zur Abbildung des gesamten Lebenszyklus
wende sowie Innovationsforschung und Transfer
auf die Wertschöpfungskette von H2 • Untersuchung aller H2-Produktionspfade hinsicht-
lich ihrer Treibhausgasemissionen und anderer
• Identifikation möglicher Marktnischen mit Umweltwirkungen (LCA)
besonderer Dynamik für den Markthochlauf
• Weiterentwicklung von sozialen Kriterien und
• Untersuchung des Einflusses früherer energie- Schaffung einheitlicher Datensätze im Bereich
wirtschaftlicher Maßnahmen und Beurteilung der sLCA zur transparenten Bewertung von
der Übertragungsmöglichkeit (wie EEG) Technologien
• Analyse der Verträglichkeit von verschiedenen • Untersuchung der ökonomischen Nachhaltigkeit
Regulierungsbedingungen mit internationalem für Akteure und Systeme (LCC), wie für die
Recht Bewertung der Möglichkeiten zum Umgang
mit externalisierten Kosten
• Analyse des Mehrwerts der Produktion von H2
im Hinblick auf Netz- und Systemdienlichkeit • Studien zur Zahlungsbereitschaft für grünen H2
unter Berücksichtigung der Anwendung in
verschiedenen Sektoren Projektformate nach dem Vorbild der Reallabore der Ener-
giewende
• Untersuchung der zu erwartenden Kosten-
entwicklung für die Produktion von H2 und • Schaffen von Projektformaten zur Betrachtung
dessen Transportmöglichkeiten der gesamten Wertschöpfungskette hinsichtlich
Umweltkriterien und Ressourcen
• Analyse der Zahlungsbereitschaft für „grüne“
Produkte • Integration des Projektendes und somit Aspekte
der Kreislaufwirtschaft in die Konzepte von
• Vergleichende Policy-Analysen in den EU-Staaten Projekten
und Erörterung der Vereinheitlichung auf EU-
Ebene zu bestimmten Themen (wie Zertifizierung • Weitere Stärkung transdisziplinärer Forschungs-
grünen Wasserstoffs) ansätze auch in nicht-technische Bereich, wie
Einbindung von Multiplikatoren und Pädagogen
• Einordnung verschiedener Importstrategien vor
dem Hintergrund geopolitischer Entwicklungen • Integration der Möglichkeit von Aus- und Weiter-
und potenziell normativer Zielsetzungen: bildung von Fachkräften
Monitoring der internationalen Energiewirtschaft
im Wandel von Gewinnung von Rohstoffen zu • Citizen Science Projekte zur Einbindung und
Konversion, Analyse der Rolle von Technologien Weiterbildung von Bürgern
und Technologieführerschaft
• Sicherstellung von nachhaltigem Nutzen durch
• Analyse der Rolle der EU in einer sich ent- Fokus auf offene und für Interessierte zugängliche
wickelnden H2-Wirtschaft mit größeren Wahl- Datenbasis
möglichkeiten in Bezug auf mögliche Partner
(wie möglicher Einfluss auf Standards und Werte)
11ABKÜRZUNGSVERZEICHNIS AEL Alkalische Elektrolyse (AFC: Alkaline Fuel Cell) AEMEL Alkalischer Membran-Elektrolyse BZ Brennstoffzelle (FC: Fuel Cell) CCS CO2-Abtrennung und Speicherung (Carbon Capture and Storage) CCU CO2-Abtrennung und Nutzung (Carbon Capture and Utilization) CO2 Kohlenstoffdioxid DME Dimethylether EEG Erneuerbare-Energien-Gesetz EL Elektrolyse FuE Forschung und Entwicklung GW Gigawatt H2 Wasserstoff HT Hochtemperatur HTEL Hochtemperaturelektrolyse KI Künstliche Intelligenz KWK Kraft-Wärme-Kopplung LCA Life Cycle Assessment (s)LCA soziale Lebenszyklusanalysen (Social Life Cycle Assessment) LCC Lebenszykluskostenrechnung (Life Cycle Costing) LH2 Flüssigwasserstoff (Liquid Hydrogen) LOHC Flüssige organische Wasserstoffträger (Liquid Organic Hydrogen Carriers) MEA Membran-Elektroden-Einheit (Membrane Electrode Assembly) NWS Nationale Wasserstoffstrategie NH3 Ammoniak PEMEL Protonen-Austausch- oder Polymer-Elektrolyt-Membran-Elektrolyseur QRA Quick Reaction Alert beziehungsweise Quantitative Risk Assessment RCS Sicherheit, Normung und Standardisierung (Regulations, Codes and Standards) TCO Gesamtkosten des Betriebs (Total Cost of Ownership) THG Treibhausgas TRL Technologischer Reifegrad (Technology Readiness Level) VKM Verbrennungskraftmaschine 12
Gefördert durch: aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages
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