Wasserstoff - Eventkalender & Aktuelles 30. Deutscher Ingenieurtag VDI Award "Prädikat Ingenieurskunst" - Technik in Bayern
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NACHRICHTEN AUS TECHNIK, NATURWISSENSCHAFT UND WIRTSCHAFT
04/2021 JUL/AUG
Das Regionalmagazin für und
Wasserstoff
Eventkalender & Aktuelles
30. Deutscher Ingenieurtag
VDI Award „Prädikat Ingenieurskunst“
EDITORIAL
Studieren neben dem Job an der TH Ingolstadt Wasserstoff –
Sekt oder Selters als
Energieträger für den Verkehr?
Foto: privat
Bachelor Elektromobilität Dipl.-Ing. Christoph Huß
Vorsitzender des
Bachelor Wirtschaftsingenieurwesen-Management
VDI Landesverbandes Bayern
Bachelor Fahrzeugtechnik
D
ie Diskussion um den Wasserstoff als Energieträger für Aber viel schwerwiegender sind die mangelnde Diskussion und
mobile Anwendungen wird zum Teil so geführt als wenn die fehlenden politischen Entscheidungen zu den volkswirt-
das Thema ganz neu wäre. schaftlichen Auswirkungen alternativer Energien im Verkehr.
B E N ! Dem ist nicht so: als ich 1983 zu BMW kam, gab es im For- Egal welchen alternativen Energieträger man für den Verkehr
. B E WER schungsbereich schon Wasserstofffahrzeuge. Es ging um die wählt, es wird teurer und es braucht den politischen Willen für
7
H2 Speicherung und um die Anwendung im Verbrennungsmotor. Entscheidungen, um diese Kostensteigerungen gesellschaftlich
IS 31.0
In der zweiten Hälfte der 1990iger Jahre wurde das Thema H2 akzeptabel zu bewältigen. Die höheren Kosten für alternative
B in der Automobilindustrie präsenter. Erste Flotten von Versuchs-
fahrzeugen wurden vorgestellt und der BMW Hydrogen 7 wurde
unter Serienbedingungen am Band gebaut. Die Gefahr von mög-
Energieträger werden Teile der Bevölkerung nicht einfach tragen
können. Es besteht die Gefahr, dass das zu Akzeptanzproble-
men führt. Leider gibt es auch heute nicht den Willen, über diese
lichen Versorgungsproblemen durch die Ölkrise und die Diskus- volkswirtschaftlichen Themen zu diskutieren. Keine politische
sionen um die CO2-Emissionen waren die treibenden Kräfte. Partei tut das, andere ignorieren das Thema und fordern das
Daimler und BMW erkannten, dass die Automobilhersteller das Ende der heutigen Energieversorgung ohne Lösungsvorschläge
Problem der Wasserstofferzeugung und Verteilung nicht alleine für die volkswirtschaftlichen Auswirkungen zu machen.
lösen können. Beide Firmen haben damals die Initiative „Ver-
kehrswirtschaftliche Energiestrategie VES“ ins Leben gerufen. Technisch können und politisch müssen wir unsere Energie-
Ein Zusammenschluss der Automobilindustrie, der Energie- und versorgung auf erneuerbar und CO2-Neutralität umstellen. Der
Ölwirtschaft unter der politischen Führung des Bundesminis- Wasserstoff wird dabei eine Rolle spielen – für den PKW Antrieb
teriums für Verkehr. Diese Initiative gibt es unter einem anderen vielleicht nicht. Für den Güterverkehr hat der Wasserstoff in Ver-
Namen mit zusätzlichen Themen noch heute. Wer mehr dazu bindung mit Brennstoffzellen größere Chancen, zur Herstellung
wissen will kann sich gerne bei mir melden. von synthetischen Kraftstoffen wird er sicher eine Rolle spielen.
Ob Wasserstoff Sekt oder Selters wird hängt davon ab, wie die
Warum konnte sich H2 damals nicht durchsetzen und Politik es schafft über faire, gerechte Regelungen die neuen
wo liegen die Probleme heute? Kraftstoffe gesellschaftspolitisch akzeptabel einzuführen und
Die Gründe liegen nur zum kleinen Teil bei der Autoindustrie. danach ins tägliche Leben zu verankern.
Ja, die Technik ist komplexer als gedacht und die Fortschritte
bei der Batterietechnologie haben die Schwerpunkte verlagert. Viel Spaß bei der Lektüre!
Aber es gab und gibt auch politische Entscheidungen bzw. Nicht
entscheidungen, die die Entwicklung behindert oder z. T. ge-
stoppt haben. Da ist Kalifornien, das den H2 Verbrennungsmotor
nicht als „Zero Emission Technologie“ zertifiziert hat. Damit war
ein Teil der BMW-Entwicklung zu Ende, obwohl nachgewiesen
werden konnte, dass die Umgebungsluft höher belastet war als
die Abgase aus dem H2 Prüfmotor.
www.iaw-in.de Technik in Bayern 04/2021 3
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INHALT
Dolmetscherin?
HOCHSCHULE UND FORSCHUNG
Klimaneutrale PKWs durch Wasserstoff 44
Ralf Kastner, Hochschule München
FAU und THI: Intelligente Verknüpfung von Biogas und Wasserstoff 45
Stefan Schneider, Technische Hochschule Ingolstadt
Wasserstoff
AKTUELLES
Seit im letzten Jahr die Nationale Wasserstoff-
Foto: © thyssenkrupp Steel Europe AG
strategie beschlossen wurde, ist das kleinste VDI BV München: Ingenieurskunst. Aus Liebe zur Technik 26
Element in aller Munde. Aber ist es nur ein VDI BV München: Auftaktveranstaltung „Es werde Licht“ 27
Hype – und warum jetzt – oder kann die Wen-
VDI BV München: VDI Mitgliederversammlung 2021 28
de hin zur CO2-neutralen Energieerzeugung nur
VDI: 30. Deutscher Ingenieurtag DIT 31
mit Wasserstoff gelingen?
VDI BV Bayern Nordost: Operation am Stromversorgungs-Herzen 32
VDE/VDI AK Informationstechnik München: 6G Ära 33
VDI CCG München: Beziehungsorientierter Managementstil 34
VDI München: Augentraining am Arbeitsplatz 35
Stahlherstellung bei 30.000 Grad: Ein Einsatzgebiet für grünen Wasserstoff
VDI Young Engineers München: Zwischen H2 und Zukunftsvisionen 36
Landeswettbewerb Jugend forscht: Lass Zukunft da 37
VDI Netzwerk FiB München: 3D-Druck in der Chirurgie 38
SCHWERPUNKT VDI BG lnnviertel: H2 – künftige Energiequelle für das ChemDelta? 42
VDI BV Bayern Nordost: Der Weg zur Ökosystem-Wirtschaft 46
Wasserstoff wird ein Ermöglicher der elektrischen
VDI BG Donau-lller: Vernetzungsaufgaben beim Klimaschutz 47
Energiewirtschaft06
Gespräch mit Thomas Hamacher
Wasserstoff im künftigen Energiesystem 08 RUBRIKEN
Almut Kirchner
H2 – Anschubfinanzierung aus vielen Quellen 10 Veranstaltungskalender39
Silvia Stettmayer Buchbesprechungen48
Ausstellungstipp49
Offshore Wasserstoffproduktion 12
Felix Knicker Impressum49 Qualifikation
Cartoon50
Grüner Wasserstoff ganz ohne Strom 14 Vorschau50 Spezialisierung
Bettina Falk
Grüner Wasserstoff „made in Wunsiedel“ 16 by-suche.bdue.de
Andreas Schmuderer
Beilagenhinweis – Schultz GmbH & Co. KG
100 MW Elektrolyse in Hamburg 18 Wir bitten um freundliche Beachtung.
Wärme Hamburg
S. 44
Pilotanlage für Liquid Organic Hydrogen Carrier 19
Birka Friedrich VDI Landesverband Bayern
VDI Bezirksverein München, Ober- und Niederbayern e.V.
Die Jagd nach dem besten Wirkungsgrad 20 Westendstr. 199, D-80686 München
Gregor Nies und Sebastien Baur Tel.: (0 89) 57 91 22 00, Fax: (0 89) 57 91 21 61
www.vdi-sued.de, E-Mail: bv-muenchen@vdi.de
Wasserstoff sicher auf die Schiene setzen
Jürgen Heyn
22 VDI Bezirksverein Bayern Nordost e.V. Unsere Fachliste Technik
c/o Ohm-Hochschule, Keßlerplatz 12, D-90489 Nürnberg
Foto: BMW AG
Brennstoffzellen an Bord und Wasserstoff im Tank 23
Tel.: (09 11) 55 40 30, Fax: (09 11) 5 19 39 86
E-Mail: vdi@th-nuernberg.de
gratis für Sie: Bundesver
Übersetze
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DLR und Daimler
VDE Bayern, Bezirksverein Südbayern e.V. - Qualifizierte Sprachprofis für
Integration des Hochvoltbatteriespeichers in den Bauraum der Titelbild: Heimeranstraße 37, D-80399 München 200 technische Fachgebiete
Wasserstoffwirtschaft25 Unterbodenstruktur eines BMW i3, der zukünftig auch für schmale Wasserstofftanks Tel.: (0 89) 91 07 21 10, Fax: (0 89) 91 07 23 09
Der historische Hintergrund von Konrad Schönleber quaderförmige Wasserstoffdrucktanks genutzt werden soll Foto: LInde www.vde-suedbayern.de, E-Mail: info@vde-suedbayern.de - Als PDF erhältlich unter FACHLISTE
TECH
Spezialisierte
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fachliste-technik.bdue.de Dolmetscher/i
nnen für me
4 Technik in Bayern 04/2021 Technik in Bayern 04/2021 5 oder als Printversion über
service@bdue.de
SCHWERPUNKT SCHWERPUNKT
Er wird ein Ermöglicher einer sehr stark zen des Ausbaus erneuerbarer Energien motor. Beim Wasserstoff ist die Bilanz
Wasserstoff wird ein Ermöglicher elektrischen Energiewirtschaft sein. erreichen oder aber in anderen Weltregio-
nen sehr attraktive Systeme zur Wasser-
schon etwas besser, aber das Elektro-
fahrzeug ist einfach am effizientesten.
der elektrischen Energiewirtschaft
TiB: Ist der Wasserstoff dann auch ein stoffherstellung geschaffen werden. Und wenn wir die Energie betrachten, die
Element für die Netzstabilisierung? heute in die Mobilität geht, dann wäre sie
Hamacher: Ja, aber nicht nur. Der Wasser- TiB: Was denken Sie über Wasserstoff im bei einer Elektroflotte um den Faktor 3 - 4
stoff hat mehrere Eigenschaften. Einmal PKW-Bereich? niedriger. Ob es auch im Wärmebereich
brauchen wir ihn, um das Stromsystem Hamacher: Es gibt Graubereiche und einer zum Einsatz von Wasserstoff und synthe-
Seit 2020 existieren milliarden- weltweit nicht so durchgeschlagen und abzusichern. Aber ich brauche ihn auch in dieser Graubereiche ist das Auto. Als wir tischen Treibstoffen kommen wird, lässt
schwere Investitionsprogram- das Problem ist in den Jahren nach der anderen Segmenten, in der chemischen In- diese Diskussion 1995 geführt haben, gab sich heute nur schwer abschätzen.
Jahrtausendwende durch das enorme dustrie werde ich immer noch Grundstoffe es Aussagen, dass wir 2005 mit Brenn-
me wie die „Technologieoffen- Wachstum in China nochmal dramatisch benötigen, und mit Wasserstoff und CO2 stoffzellenautos fahren werden. Damals TiB: Ihr Zwischenfazit für den Wasser
sive Wasserstoff“ des BMWi gestiegen. Hier ist ein Riesen-Emittent kann man Kohlenwasserstoffe syntheti- stand die Frage der Versorgung im Mittel- stoff?
Foto: Silvia Stettmayer
und die „Bayerische Wasser- dazu gekommen, der vorher nicht da war. sieren. Wir werden Schiffe antreiben müs- punkt und kurzfristig hat man damals Hamacher: Man braucht den Wasserstoff
sen und das werden wir nie mit Batterien sehr viel über Methanol nachgedacht, für einige Einsatzgebiete, aber für viele
stoffstrategie“. Wir sprachen
TiB: Ist Wasserstoff der Problemlöser? machen, das gilt auch für interkontinentale der dann zu Wasserstoff reformiert wird. Anwendungen ist der Einsatz der elek-
dazu mit Prof. Dr. Thomas Hamacher: Das muss man sehr genau Flugzeuge. Bei Anwendungen, bei denen Heute ist die rasante Batterieentwicklung trischen Energie wesentlich effizienter.
Hamacher vom Lehrstuhl für beleuchten und realistisch bleiben. Wir Prof. Dr. Thomas Hamacher wir sehr dichte chemische Energieträger dazugekommen. Natürlich haben Batte- Wir werden keine Wasserstoff-Wirtschaft
Erneuerbare und Nachhaltige müssen zuerst ganz andere Hausauf- benötigen, werden der Wasserstoff und rien auch ihre Herausforderungen, was die aufbauen, sondern in Zukunft eine elek-
gaben machen: Wir müssen beispiels- Großteil der Fluktuationen der erneuer- die synthetischen Treibstoffe, die vom Materialien und die Herstellungsverfahren trische Energiewirtschaft mit einem Anteil
Energiesysteme, TU München. Wasserstoff abgeleitet werden, eine große
weise Hochspannungsleitungen bauen baren Energien auszugleichen. Wenn die- betrifft, und es müssen Konzepte entwi- Wasserstoff haben. Wasserstoff ist kein
und Smart Grids entwickeln. Um diese Auf- ses System gut etabliert ist, können wir Rolle spielen. Und deswegen ist es auch ckelt werden, die eine zirkuläre Wirt- Primärenergieträger.
TiB: Herr Prof. Hamacher: Wie erklären gaben kommen wir nicht herum, aber wir auch über Wasserstoff nachdenken. Was- sinnvoll, diese Forschung heute anzuge- schaftsweise ermöglichen. Dieses Kon-
Sie sich diesen enormen Hype um den müssen auch am Wasserstoff arbeiten. serstoff spielt z. B. eine Rolle, wenn wir bei hen, denn diese Entwicklungen werden zept wird durch die aktuellen internatio- TiB. Wo sehen Sie die größte Herausfor-
Wasserstoff? Wenn wir das in die richtige Gewichtung der Windenergie große saisonale Unter- viele Jahre dauern. nalen Bestrebungen und die Ansätze von derung der Energiewende?
Thomas Hamacher: Die Politik braucht bringen, dann haben wir eine gute Energie- schiede haben, die wir nicht ausgleichen
immer positive Botschaften und den Was-
serstoff kann sie momentan positiv beset-
politik. können. Hier kann Wasserstoff sicher hilf-
reich sein.
Wir werden keine Wasserstoff-Wirtschaft aufbauen, sondern eine elektrische
zen. Natürlich gibt es viele gute Ansätze TiB: Welches zentrale Problem sehen Sie Energiewirtschaft mit einem Anteil Wasserstoff
und wahrscheinlich greift man die Ideen beim Wasserstoff? TiB: Wie könnte ein Masterplan für die zu
auch schneller auf, als vor Jahren bei der Hamacher: Das zentrale Problem sehe ich künftige Energiewirtschaft aussehen? TiB: Wie sehen Sie den Import von Wasser Volkswagen, Daimler und BMW immer Hamacher: Für mich ist die Schlüsselfrage,
Elektromobilität, bei der man mittlerweile in der Erzeugung des Wasserstoffs aus Hamacher: Das Ganze muss man in Stu- stoff generell und z.B. aus Nordafrika? realistischer. Es beschleicht einen das Ge- ob wir in der Lage sind, das Problem der
gut Schritt fasst. Die Politik tut sich mit Strom. Strom ist der hochwertigste Ener- fen sehen. Wir werden zunächst unser Hamacher: Wenn wir den Import von Was- fühl, dass diese Schlacht schon geschla- Klimaveränderung wirklich anzunehmen
dem Ausbau der Stromleitungen und der gieträger, den wir haben. Und den müssen System hochfahren und dann 60 - 70 % serstoff betrachten, ist er sehr teuer im gen ist. Das Elektroauto wird nicht wieder und dann auch den Mut haben, die not-
Windenergieanlagen sehr schwer und war wir jetzt degradieren, indem wir daraus Erneuerbare Energien haben. Zuerst wird Vergleich zum Gaspreis, der bei 2ct /kWh verschwinden. Und der Wandel ist da. Und wendigen Umstrukturierungen durchzu-
damit nicht sehr erfolgreich. Jetzt ist der einen chemischen Energieträger machen. der Stromsektor mit erneuerbaren Ener- liegt. Bis der Wasserstoff diesen Preis insbesondere in länd lichen Regionen ist führen und auch unbequeme Maßnahmen
Wasserstoff, der aus Chile, Marokko und Wir müssen das ganze System umdrehen, gien bedient, dann kommen die Sektoren erreicht, ist es noch ein sehr weiter Weg. die Erzeugung von regenerativem Strom zu vermitteln. Zauberworte sind immer
Australien kommt, die Lösung. Dieses denn bisher wurde Strom aus chemischen Wärme und Verkehr. Aber wir müssen Ganz wichtig wird sein, dass man den Ent- und die Möglichkeit des Ladens gegeben. unsichtbar und dezentral, aber diese
Springen auf das Thema Wasserstoff und Energieträgern gemacht. Die entscheiden- natürlich langfristig alle Sektoren berück- wicklungsgedanken dieser Projekte für die Konzepte lassen sich nicht mit einer er-
der Wunsch, Wasserstoff sei der Problem- de Frage ist, warum wir nicht einfach da, sichtigen, den Verkehrs- und den Wär- Region betont und sich nicht nur auf den TiB: Gibt es weitere Graubereiche? neuerbaren Zukunft des Energiesystems
löser, ist sehr interessant. wo wir das können, den Strom nutzen. Das mesektor und die Prozesswärme. Die Export konzentriert. Momentan sehe ich Hamacher: Ja, z. B. den Schwerlastverkehr, vereinbaren. Wenn wir hier nicht klar und
Ein Aspekt, den man auch beachten muss muss die oberste Leitlinie einer effizienten Grundstoffe in der chemischen Industrie die Möglichkeit, in Algerien, in Namibia der relativ lange Strecken zurücklegt. nüchtern vorangehen, dann werden wir
ist, dass die Politik und die Öffentlichkeit zukünftigen Energiewirtschaft sein. müssen aus neuen Quellen kommen. Das und auch in Regionen in Süd- oder Mittel- Hier kann man sich gut vorstellen, dass das Problem nur durch massive Importe
von der Fridays for Future-Bewegung über- heißt, wir müssen viel mehr an Erneuerba- amerika große Mengen an regenerativer die Lastwagen mit Wasserstoff betrie- lösen können. Auch in dieser Richtung ist
rascht wurden. Das hat die Nachhaltigkeit TiB: Wie stellen Sie sich diese Strom ren Energien aufbauen, als nur zum Ersatz Energie zu produzieren, ohne Mensch und ben werden, im Gegensatz zu einem vieles möglich, aber diese Lösung müssen
schlagartig zu einem ganz großen Thema nutzung vor? des Stroms notwendig wären, sodass wir Natur zu stören. Ob es dann Wasserstoff Lieferfahrzeug, das im Stadtgebiet Waren wir teuer bezahlen.
gemacht, auf das man von politischer Sei- Hamacher: In unserem Projekt „Microgrid Kapazitäten bekommen, die wir zur Was- oder Strom ist, wird sicher durch die öko- transportiert. Das wird ein Elektrolast-
te reagieren musste. Man hat das Gefühl, COSES“ widmen wir uns genau dieser Fra- serstofferzeugung nutzen können. Und nomischen Randbedingungen entschie- wagen sein. Das Interview führten
als beginne die Klimadiskussion erst jetzt, gestellung. Denn es ist viel effizienter aus wir brauchen für die Momente, in denen den, wobei Sie heute für den Wasserstoff Sie können eine einfache Rechnung auf- Fritz Münzel und Silvia Stettmayer
als wäre man jetzt zum ersten Mal auf Strom über eine Wärmepumpe Wärme weder Wind noch Sonne verfügbar sind, eher einen Investor finden würden, als für machen: Angenommen, wir wollen beim
dieses Klimaproblem so richtig gestoßen. zu erzeugen, als aus Strom Wasserstoff eine Back-up-Leistung. Das kann der den Strom, denn dafür wären auch noch Benzinmotor bleiben, und das Benzin syn- Informationen
Das ist natürlich nicht wahr, denn ein Teil und den dann in Wärme umzuwandeln. Wasserstoff wahrscheinlich leisten. Der große Investitionen auf europäischer Sei- thetisch herstellen. Dann brauchen wir
der heutigen Überlegungen wurde schon Deswegen eröffnet eine Kombination der Wasserstoff wird ein wichtiges, aber aller te nötig. Der Import von Wasserstoff wird wirklich sehr große Mengen an Energie, Lehrstuhl für Erneuerbare und Nachhaltige
Energiesysteme
Ende der 1980er Jahre angestellt, wie z. B. Bereiche Strom und Wärme – inklusive der Voraussicht nach, nicht das zentrale Ele- sicher kommen. Dies hängt davon ab, wie denn der Benziner ist ja vergleichsweise www.ei.tum.de/ens/homepage/
eine Energiebesteuerung. Natürlich hat es Elektromobilität – die Möglichkeit, einen ment einer zukünftigen Energiewirtschaft. schnell wir in unseren Regionen die Gren- ineffizient verglichen mit dem Elektro-
6 Technik in Bayern 04/2021 Technik in Bayern 04/2021 7
Wasserstoff und Derivate konzentriert in Strom,
SCHWERPUNKT SCHWERPUNKT
Industrie und (Güter-)Verkehr
Quelle: Prognos AG, Wuppertal-Institut, Öko-Institut e.V., «Klimaneutrales Deutschland 2045»,
Wasserstoff im künftigen
wenn dieser nicht gut elektrifiziert werden Wasser
kann und sich möglicherweise räumliche monetä
im Auftrag von Agora Energiewende, Agora Verkehrswende, Stiftung Klimaneutralität
Synergien mit Wasserstoff produktion kein Lüc
oder Eff
Energiesystem
ergeben.
Der breite Einsatz von Wasserstoff als Wassers
2045,
Energieträger im motorisierten Individual
verkehr erscheint nicht sinnvoll, da in 64% de
importie
der Gesamtbilanz der batterieelektrische
Kein Wa
Antrieb bereits heute energetisch (und
Gebäud
wirtschaftlich ohnehin) günstiger ist
W
Alle Bed
asserstoff ist in den letzten bei- tischen (strombasierten) flüssigen oder tisch teuer» und sollte daher nur zu sol- und derzeit weitere schnelle Fortschritte
importie
den Jahren verstärkt als Ergän- gasförmigen Brenn- und Treibstoffen, chen Verwendungszwecken eingesetzt durchlaufen werden. Ähnliches gilt für
PtL Nutz
zung in einem dekarbonisierten die auch unter den Abkürzungen PtG werden, in denen Alternativen kaum vor- den Einsatz in der Gebäudeheizung – hier TWh) un
Energie- und Wirtschaftssystem in den (Power-to-Gas) und PtL (Power-to-Liquid) handen oder noch teurer sind. gibt es energetisch und wirtschaftlich
Gesamt
Blick gerückt. Manchmal erscheint die zusammengefasst werden. günstigere Alternativen, die weit weniger ist 422
Zuschreibung künftiger Rollen allerdings 2) Handhabung: Die Wasserstoffmolekü- komplizierten Infrastruktur- und Handling- Rolle von Wasserstoff im dekarbonisierten Energiesystem
von starkem Wunschdenken getrieben – Die Herausforderungen bei Wasserstoff le sind sehr leicht und klein, damit diffun- aufwand erfordern. Quelle: Prognos. Wuppertal Institut, Öko-Institut, Klimaneutrales Deutschland 2045, im Auftrag von Agora Energiewende, Agora Verkehrswende, Stif
dahinter steckt zumeist die Hoffnung, der liegen in zwei Punkten: dieren sie durch die meisten Materialien. In den Szenarien «klimaneutrales Deutsch- System
3
doch eher stromdominiert, denn Rückverstromung – auch die Brenn-
Wasserstoff könne die Rolle von Erdöl- 1) Produktion: Wasserstoff ist sehr reak- Wasserstoff ist sehr reaktiv und explosiv, land» und «klimaneutrales Deutschland es ist angesichts der Wirkungsgrad - stoffzellen können und müssen noch
produkten oder Erdgas einnehmen, und tiv und kommt daher in der Natur prak- gasförmig bis zu einer Temperatur von bis 2045», die wir gerade gemeinsam mit verluste bei jedem Umwandlungsschritt weiter entwickelt werden, und sicher
daher müsse sich im Grundsatz nicht viel tisch nur in gebundener Form z. B. als ca. -253 °C. Es ist daher eine Herausfor- dem Wuppertal-Institut und dem Öko- natürlich sinnvoll, den kostbaren grünen werden sich spezifische Technologien
ändern. Es ist sinnvoll, hier basierend auf Wasser oder in Kohlenwasserstoffen vor. derung, ihn sicher zu transportieren und Institut im Auftrag von Agora Energie- Strom so weit als möglich direkt energe- für spezifische Einsatzzwecke heraus-
den physikalischen Eigenschaften und Re- Aus diesen muss er unter erheblichem zu speichern. Jeder Speichervorgang ist wende et al. fertiggestellt haben, wurde tisch zu verwenden. mendeln.
striktionen eine realistische Einschätzung Einsatz von Energie wieder abgespalten mit zusätzlichem Energieaufwand ver- für 2050 bzw. 2045 ein Einsatz von Was- Daher ist es günstig, die Aktivitäten
zu entwickeln – denn es hat seine physi- werden. Nur wenn Wasser unter Einsatz bunden. Seit Jahren wird an verschieden serstoff für diese Zwecke in Höhe von ca. Dennoch wird Wasserstoff, wie oben einerseits noch breit zu halten, um techno-
kalischen, technischen und wirtschaft- von Strom aus erneuerbaren Energien Speicheroptionen für unterschiedliche 15 % des Primärenergieverbrauchs be- ausgeführt, eine deutliche Rolle in einem logieoffene Entwicklung zu ermöglichen,
lichen Gründe, weshalb er nicht schon elektrolysiert wird, kann der entstandene Anwendungszwecke geforscht. Unter an- rechnet. Das sind ungefähr 270 TWh, klimaneutralen Energie- und Wirtschafts- andererseits zu bündeln und gut zu ver-
längst eine Rolle im Energiesystem spielt. Wasserstoff als «grün» und klimascho- derem von der Entwicklung dieser Optio- dabei fällt der grösste Verbrauchsanteil system spielen. Damit sich das recht- netzen, damit das Wissen möglichst
nend bezeichnet werden. Bei Abspaltung nen werden die Anwendungen abhängig im Stromsektor an. Allerdings wird nur zeitig entwickeln kann, sind praktisch in schnell in Aktivitäten auf Marktebene
Eigenschaften und Herausforderungen von Wasserstoff aus fossilen Kohlenwas- sein, in denen Wasserstoff schliesslich ungefähr ein Drittel der erforderlichen allen Bereichen der Kette weitere Entwick- umgesetzt werden kann.
Wasserstoff als möglicher stofflicher serstoffen (meistens Methan), die nicht breiter eingesetzt werden kann. Menge inländisch produziert, der Rest wird lungsschritte und vor allem Kostendegres- Dazu braucht es aber zumindest für eine
Energieträger oder -speicher «verbrennt» ganz so energieaufwendig ist und heute Diese Herausforderungen haben bislang importiert – vor allem aus den windstar- sionen, die über «Lernkurven» entstehen, Übergangszeit eine Unterstützung mit
kohlenstofffrei zu Wasser und entlässt zur Produktion von Wasserstoff für chemi- verhindert, dass Wasserstoff als Energie- ken westlichen Ländern (siehe Grafik). erforderlich. Das betrifft die Schritte: politischen Instrumenten. Dazu gehört
somit bei der «Energieproduktion» kein sche Prozesse eingesetzt wird, entsteht träger entwickelt und eingesetzt wird. Wasserstoffproduktion in Kombination auch eine Einbindung der Leistungen,
Kohlendioxid in die Atmosphäre. Die Ener- Kohlenstoff oder Kohlendioxid. Wenn die- Rolle der Infrastruktur zur Unterstützung mit fluktuierender erneuerbarer Strom- die Wasserstoff für das Stromsystem er-
giedichte bezogen auf die Masse liegt ses in die Atmosphäre gelangt, kann der Mögliche Einsatzzwecke im Energie- des Wasserstoffeinsatzes produktion – welche Anlagen- und Aus- bringen kann, ins Marktdesign.
zumindest in den Grössenordnungen der- Wasserstoff nicht als klimafreundlich be- und Wirtschaftssystem An der Umrüstung und Umwidmung eini- legungskombinationen sind für wel- Es ist eine Menge zu tun, und mit der Was-
jenigen von Kohlenwasserstoffen – bezo- zeichnet werden. Er wird dann als «grau» Der Einsatz in der Stahlindustrie sowie ger Leitungen aus dem Ferngas-Übertra- chen Einsatzzweck optimal? serstoffstrategie als Rahmensetzung wer-
gen auf das Volumen ist sie geringer, aber bezeichnet. Wenn der Kohlenstoff oder in Raffinerien und der Ersatz des «grau- gungsnetz wird bereits gearbeitet. Dabei Verfolgung der verschiedenen Spei- den gerade die ersten Weichen gestellt.
bleibt immer noch interessant genug. das Kohlendioxid abgeschieden und dau- en» Wasserstoffs in der Chemieindustrie sind angesichts der veränderten Dichte, cher- und Transportoptionen, wie z. B.
Darüber hinaus ist Wasserstoff auch als erhaft aus dem Kreislauf entfernt wird, durch «bunten» adressieren einen großen höheren Reaktivität und Diffusion des organische Lösungsmittel, Metallhydri- Dr. Almut Kirchner
Reduktionsmittel bei der Produktion von spricht man von «blauem» oder «türki- Teil der Prozessemissionen, sowie einen Wasserstoffs gegenüber dem Erdgas ei- de, Hochdruck, Tiefkühlung, Kombina- Prognos AG
Roheisen in der Stahlindustrie interes- sem» Wasserstoff. Der zweite Hauptsatz Teil der mit in diesen Branchen entste- nige Herausforderungen im Anlagenbau tionen, Ammoniak. Je nach Einsatzart Zur Autorin
sant. Auf diese Weise kann der Einsatz der Thermodynamik kann auch hier nicht henden Energieemissionen. Allerdings und bei den Materialien zu meistern. Die- können verschiedene Speicheroptionen
von Koks ersetzt werden und die bei der umgangen werden – sowohl bei der Pro- sind in der Industrie insbesondere die se Teile des Ferngasnetzes werden beim angepasst sein. Im (Schwer-)Verkehr Dr. Almut Kirchner ist Direktorin bei der Prog-
nos AG und leitet dort den Bereich «Energie-
Eisenproduktion entstehenden Prozess duktion von Wasserstoff als auch bei der Kosten eine erhebliche Herausforderung. Transport über längere Strecken eine werden sichere Speicher mit relativ und Klimaschutzpolitik» sowie das Kompe-
emissionen sozusagen an der Quelle Oxidation zur Energiegewinnung (Brenn- Hier werden für die Umsetzung starke Rolle spielen und das Kernstück eines hoher Energiedichte benötigt – bei sta- tenzzentrum Modelle. Ihre Arbeitsschwerpunk-
te liegen in den Bereichen modellgestützte
vermieden werden. Auch in Raffinerie- stoffzelle oder Direktverbrennung) sind und passgenaue flankierende politische Wasserstoffnetzes bilden. tionären Anwendungen in der Industrie
langfristige Prognosen und Szenarien von
prozessen sowie in einigen Prozessen Wirkungsgradverluste bei den eingesetz- Unterstützungsinstrumente benötigt. können eher Druck- oder Kältespeicher Gesamtenergiesystemen. Dabei besonders
der Grundstoffchemie kommt bislang ten Prozessen und Anlagen unvermeid- Längerfristig kann Wasserstoff im Strom- Erforderliche Entwicklungsschritte für zum Einsatz kommen. untersuchte Fragen sind ökologische und
ökonomische Auswirkungen der Energieerzeu-
«grauer» Wasserstoff zum Einsatz, der lich. Um eine Kilowattstunde Energie aus system für den Betrieb von Backup-Kraft- die Integration von H2 ins Energiesystem Direkte Transportoption in Pipelines. gung und des Energieverbrauchs, System- und
perspektivisch durch «bunten» ersetzt Wasserstoff zu erzeugen, müssen zuvor werken und zum Ausgleich der saisona- Ob die Anteile von Wasserstoff im künfti- Hier sind im Gesamtsystem mit Ein- Infrastrukturfragen, Technologieentwicklung,
werden muss. ungefähr zwei Kilowattstunden – idealer- len Differenzen eine Rolle spielen. gen Energiesystem den Begriff «Wasser- und Ausspeicherung, Verdichtern etc. Energiepolitik, Versorgungssicherheit und Ver-
wundbarkeit sowie Wirkungen energie- und
Darüber hinaus ist (grüner) Wasserstoff weise an grünem Strom – hineingesteckt Sehr wahrscheinlich ist ein Einsatz im stoffwirtschaft» rechtfertigen, wird sich noch einige Optimierungs- und Siche- klimapolitischer Instrumente.
einer der Ausgangsstoffe von synthe- werden. Wasserstoff ist also «energe- Schwerverkehr sowie im Schienenverkehr, zeigen. Wahrscheinlich ist das künftige rungsaufgaben zu erledigen.
8 Technik in Bayern 04/2021 Technik in Bayern 04/2021 9
SCHWERPUNKT SCHWERPUNKT
Politische Strategien, Ziele und Nutzenpotenziale
Wasserstoff – Anschubfinanzie-
rung aus vielen Quellen netzwerk Wasserstoff, das wichtiger Im- Mit grünem H2 produzierte Produkte
pulsgeber für die Forschungs- und Inno- sind teurer und international nicht mehr
vationspolitik im Wasserstoffbereich mit wettbewerbsfähig, weshalb auch die For-
G
ut ein Jahr ist vergangen, seit im Wasserstoff als alternativen der Bundesregierung. Im Rahmen des Fokus auf Anwendungsnähe und Praxis derung nach sog. Differenzverträgen an-
Juni 2020 die Bundesregierung Energieträger etablieren Programms fördert der Bund Unterneh- transfer sein soll. [3] hält. Diese Carbon Contracts for Differnce
im Rahmen des Corona-Konjunk- Wasserstoff als Grundstoff für die men und Forschungseinrichtungen, die (CCfD) gleichen die Mehrkosten des Um-
turpakets 2020 die „Nationale Wasser- Industrie nachhaltig machen neue Technologien und Lösungen für die Stand der NWS im Juni 2021 stiegs auf klimaneutrale Prozesse aus und
stoffstrategie“ (NWS) verabschiedete und Transport- und Verteilinfrastruktur Energiewende erarbeiten und unter realen Etliche Vorhaben der NWS haben schon werden zwischen Staat und Unternehmen
damit den Startschuss für den Aufbau weiterentwickeln Bedingungen und in industriellem Maß- große Fortschritte erzielt, u.a.: geschlossen. [6]
einer kompletten Wertschöpfungskette Wissenschaft fördern, Fachkräfte stab umsetzen. Im März 2021 wurde das Förderkon- Zu guter Letzt gibt es auch noch Differen-
für klimaneutralen Wasserstoff gab. Seit- ausbilden zepts „H2 Global“ umgesetzt, das zen mit der EU-Kommission, die im Gegen-
dem entstanden und entstehen vielfältige Transformationsprozesse gestalten Nationales Innovationsprogramm Wasser sich unter Federführung der Stiftung satz zur NWS auch „blauen“ Wasserstoff
Wasserstoffinitiativen, eingebettet in eine und begleiten stoff- und Brennstoffzellentechnologien H2Global der Erzeugung von grünem als (Übergangs-) Technologie befürwortet.
Vielzahl nationaler und europäischer För- Deutsche Wirtschaft stärken und (NIP) Wasserstoff (H2) und dem Import von Und so reißt seit gut einem Jahr die Dis-
derprogramme. Hier ein kurzer Überblick: weltweite Marktchancen für deutsche Die Förderung von Forschung und Ent- grünem Wasserstoff und Power-to- kussion über die Rolle des Wasserstoffes
Unternehmen sichern. [1] wicklung der Brennstoffzellen- und Was- X-Produkten (PtX) nach Deutschland für die Energiewende nicht ab.
Die Nationale Wasserstoffstrategie NWS serstofftechnologien durch das Bundes- widmet. In Partnerländern soll sich mit
Hauptelemente der NWS sind die Bereit- Dieser Markthochlauf soll im Rahmen wirtschaftsministerium ist in das „Natio- dem Aufbau der Wasserstoffexport- Silvia Stettmayer
stellung von 7 Mrd. Euro für den Markt von „Important Projects of Common nale Innovationsprogramm Wasserstoff- wirtschaft gleichzeitig eine lokale Was- Redaktion TiB
hochlauf von Wasserstofftechnologien in European Interest (IPCEI)“ für Wasser- und Brennstoffzellentechnologien“ (NIP) serstoffwirtschaft als Säule der lokalen
Deutschland und 2 Mrd. Euro für den Auf stofftechnologien und -systeme auf euro- eingebettet. Ziel des bis 2025 laufenden Energiewende entwickeln. [4] IPCEI
bau von Internationalen Partnerschaften. päischer Ebene vorangetrieben werden Programms NIP2 ist es, Innovationen Ende Mai haben das Bundeswirt- „Important Projects of Common European Inte-
Kernpunkte des Markthochlaufs sind: (siehe Kasten rechts). beim Markteintritt zu unterstützen und schaftsministerium und das Bundes- rest” (IPCEI)
Wasserstoff wettbewerbsfähig machen die derzeit noch nicht marktfähigen verkehrsministerium 62 Wasserstoff-
Mit den „Important Projects of Common Euro-
einen „Heimatmarkt“ für Wasserstoff- Reallabore der Energiewende Innovationen für künftige Anwendungen Großprojekte ausgewählt, die im Rah- pean Interest” (IPCEI) hat die Europäische Kom-
technologien in Deutschland entwickeln, Die Reallabore der Energiewende sind weiterzuentwickeln. men eines gemeinsamen europäischen mission ein Programm geschaffen, über das
Ausnahmen vom strengen Verbot der staatlichen
Importen den Weg bereiten Teil des 7. Energieforschungsprogramms Neben der NWS haben viele Bundesländer Wasserstoffprojekts (sog. Wasserstoff-
Beihilfen möglich sind. Ziel ist es, ein abgestimm-
Initiativen zur Förderung von regenera- IPCEI) mit über 8 Mrd. Euro an Bundes- tes Vorgehen zwischen EU-Staaten zu fördern
tiven Energien und der Brennstoffzellen- und Landesmitteln staatlich gefördert und auf diese Weise schwerwiegende Marktstö-
Welche Wege zur Erzeugung von Wasserstoff gibt es? rungen zu beheben und besondere gesellschaft-
und Wasserstofftechnologie gestartet, in werden sollen. liche Herausforderungen anzugehen. Das „IPCEI
Die verschiedenen Erzeugungsrouten für Wasserstoff (H2) werden in der aktuellen Diskussion durch die
Bayern wurde das Zentrum Wasserstoff. Anfang Juni haben das BMBF und das Wasserstoff“ soll unter Berücksichtigung der
Zuordnung von Farben voneinander unterschieden.
Zielsetzungen auf EU-Ebene zum Markthochlauf
Bayern (H2.B) gegründet. [2] BMWi das Projekt „H2-Kompass“ für
Erzeugungsrouten für Wasserstoff (H2) für Wasserstofftechnologien und -systeme ent-
die Erarbeitung einer Wasserstoff- lang der gesamten Wasserstoffwertschöpfungs-
H2 (grün) H2 (grau) H2 (blau) H2 (türkis)
EE-Strom Erdgas Erdgas Erdgas
Für das zweite Element der NWS, den Roadmap gestartet. Hier sollen Daten kette beitragen.
Aufbau der Wasserstoffpartnerschaften und Fakten strukturiert und gebün-
Wasserelektrolyse Dampfreformierung Dampfreformierung Pyrolyse1 oder im Ausland, sollen sich Internationale delt werden, um Fortschritte bei
Plasmalyse2 Quellen
Sauerstoff Kohlendioxid Kohlendioxid Märkte und Kooperationen für Wasser- Wasserstoffinnovationen aufzuzeigen.
Kohlenstoff stoff etablieren, die globale Kooperatio- [1] www.bmwi.de
CO2-Abscheidung (elementar)
nen als Chance begreifen und Qualitäts- Trotz vieler guter Ansätze sind grundsätz- [2] www.bmbf.de/de/nationale-wasserstoffstra-
Quelle: Prognos AG
CO2-Speicher infrastruktur für Wasserstofferzeugung, liche Fragen noch ungeklärt – insbeson- tegie-9916.html
Transport, Speicherung und Verwendung dere was die Transformation im Unterneh- [3] https://h2.bayern/
Wasserstoff (H2) Wasserstoff (H2) Wasserstoff (H2) Wasserstoff (H2)
weiter ausbauen, sichern und Vertrauen mensbereich betrifft. Da günstiger grüner [4] https://h2-global.de/
Quelle: Prognos AG * Aufgrund der Vielfalt der möglichen Kombinationen aus Energiequelle und Erzeugungstechnologie gibt es weitere Erzeugungspfade und
Farbzuordnungen. schaffen. Strom die Voraussetzung für die Wasser- [5] Handelsblatt, 18.05.2021, S.23
Aufgrund der Vielfalt der möglichen Kombinationen aus Energiequelle und Erzeugungstechnologie
2 1,2 Pyrolyse und Plasmalyse sind Verfahren, die elementaren Kohlenstoff abscheiden. Sie befinden sich im Forschungsstadium, sodass sie
Zur Umsetzung und Weiterentwicklung stoff-Elektrolyse ist, beschäftigt die Befrei-
unserer Einschätzung nach kurz- bis mittelfristig keine technologisch reife Option zur Wasserstofferzeugung darstellen.
[6] Handelsblatt, 26.05.2021, S.13
gibt es weitere Erzeugungspfade und Farbzuordnungen.
(1, 2): Pyrolyse und Plasmalyse sind Verfahren, die elementaren Kohlenstoff abscheiden. Sie befin der NWS wird ein Nationaler Wasserstoff ung von der EEG-Umlage nicht nur energie
den sich im Forschungsstadium, sodass sie unserer Einschätzung nach kurz- bis mittelfristig keine rat eingerichtet und seit September 2020 intensive Branchen wie Stahl, Chemie,
technologisch reife Option zur Wasserstofferzeugung darstellen gibt es außerdem noch das Forschungs Zement, Glas, Kupfer und Aluminum. [5] Anlage zur Wasserstoffversorgung im DLR Köln
10 11
Foto: DLR
Technik in Bayern 04/2021 Technik in Bayern 04/2021
SCHWERPUNKT
Rückenwind für die Energiewende
Offshore Wasserstoffproduktion
D
as Erreichen der in der Konferenz In Europa stellt die Offshore-Windenergie einen Engpass darstellt. So muss zur
von Paris (COP21) vereinbarten Kli- eine wichtige Energiequelle zur Produk- Sicherung der Netzstabilität die Strom-
maschutzziele stellt das Energie- tion von grünem Wasserstoff dar. Die einspeisung von EE-Anlagen in großem
Alle Abb.: Tractebel Engineering GmbH
system in Deutschland und Europa vor ge- Offshore-Windenergie liefert langfristig Umfang abgeregelt werden. Im Jahr 2019
waltige Herausforderungen und erfordert günstigen erneuerbaren Strom und bietet betrug die Ausfallarbeit laut Bundes-
eine grundlegende Transformation der ein hohes Ausbaupotenzial insbesondere netzagentur insgesamt 6,5 TWh, davon
Bereitstellung und Nutzung von Energie. im Nordseeraum. So wird das Ausbau- 1,2 TWh aus Offshore-Windenergie. [3]
In zahlreichen Studien wird festgestellt, potenzial in den Anrainerstaaten bis zum Grundsätzlich kann die Abregelung der
dass Wasserstoff den zentralen Energie- Jahr 2030 auf ca. 635 GW installierte Windkraftanlagen jedoch vermieden wer-
träger für den Umbau des Energiesystems Leistung geschätzt. [2] Zudem erreicht den, indem Elektrolyseanlagen als flexible
bildet. Die vielseitigen Eigenschaften von die Stromerzeugung aus Offshore-Wind- Verbraucher genutzt werden. In Kombina-
Wasserstoff als Energieträger, Speicher- kraftanlagen hohe jährliche Volllaststun- tion mit dem hohen Ausbaupotenzial der
medium oder chemischer Grundstoff er- den, welche für den wirtschaftlichen Be- Offshore-Windenergie zur Wasserstoff-
möglichen den sektorenübergreifenden trieb von Elektrolyseanlagen erforderlich produktion ist somit der Anreiz gegeben, Im Vergleich zur Stromübertragung stellt Durch diese Größenordnung der Elektro- duziert werden. Diese Menge ist rech-
Einsatz in Industrie, Mobilität, Wärme- und sind. Die Offshore-Windenergie liefert so- Elektrolyseanlagen zukünftig auch Off die Energieübertragung in Form von Was- lyseanlage wird die benötigte industrielle nerisch ausreichend, um z. B. 290.000
Energieversorgung. Der zukünftige Bedarf mit die richtigen Ausgangsbedingungen shore zu planen und in die Netzanbindung serstoff eine kosteneffiziente Alternative Produktionskapazität erreicht, Skalen- Brennstoffzellen-PKW oder 6.000 Brenn-
an grünem Wasserstoff ist immens und zur zukünftig benötigten Wasserstoff- zu integrieren. dar. Eine Pipeline kann ein Vielfaches effekte bei Anlagentechnik und Platt- stoffzellen-Busse ein Jahr lang mit klima-
wird bis zum Jahr 2050 auf zwischen 155 produktion im industriellen GW-Maßstab. an Energie übertragen, zu geringeren formstruktur führen zu wettbewerbs- freundlichem Kraftstoff zu versorgen. In
und 908 TWh prognostiziert. [1] Um die Dennoch sind die Ausbauziele der Off Netzanbindung von Offshore-Windparks Kosten. Bei Nutzung der Offshore-Wind fähigen Gestehungskosten. Kombination mit einer großtechnischen
erforderlichen Strommengen zur Produk- shore-Windenergie in Deutschland be- heute und morgen energie zur Wasserstoffproduktion ist es Die Anlagentechnik auf der Offshore- Speicheranlage könnten auch industri-
tion des grünen Wasserstoffs per Elektro- grenzt, auf max. 20 GW bis zum Jahr Nach derzeitigem Stand der Technik daher wirtschaftlich sinnvoll, die Elektro- Plattform umfasst neben der modular elle Verbraucher konstant mit grünem
lyse bereitzustellen, ist ein ambitionierter 2030. Begründet vor allem durch die be- werden Offshore-Windparks (OWP) über lyse direkt Offshore in räumlicher Nähe aufgebauten Elektrolyseanlage verschie- Wasserstoff versorgt werden.
Ausbau der Erzeugungskapazitäten der grenzten Leitungskapazitäten im Hoch- Gleich- oder Wechselstromübertragungs- der OWP zu betreiben, anstatt den Strom dene Nebensysteme u.a. zur Meerwasser
Erneuerbaren Energien (EE) notwendig. spannungsnetz, welches bereits heute systeme an das Hochspannungsnetz am zunächst über eine Kabelverbindung an entsalzung, Kühlwasserversorgung, Gas- Weitere Konzepte der
Festland angebunden. Für die deutsche Land zu übertragen. Aufgrund der ver- aufbereitung, Gasverdichtung sowie elek- Offshore-Wasserstoffproduktion
- Strom Nordsee stellt die Hochspannungs-Gleich- miedenen Investitionskosten in die Netz- trische Anlagentechnik. Für den Wasser Neben dem beschriebenen Konzept zur
Offshore-Windpark
- Wasserstoff
strom-Übertragung den Standard dar. anbindung zeigt sich, dass die Offshore- stofftransport von der Offshore-Plattform Offshore-Wasserstoffproduktion auf einer
Die Auslegung der Netzanbindung erfolgt Wasserstoffproduktion effektive Kosten- bis zum Verbraucher an Land eignen sich zentralen Plattform existieren weitere
dabei auf Grundlage der Spitzenlast, was vorteile bietet, je größer die Entfernung Stahl-Rohrleitungen. Konzepte.
2 zu einer ineffizienten Auslastung der In- zur Küste ist. Bereits ab Kabellängen von Die Technologie zur Umsetzung groß- So wird ebenfalls die dezentrale Was-
Offshore H2 frastruktur führt. Dabei stellt die Netzan- deutlich unter 100 km führt die Offshore- technischer Wasserstoff-Produktions- serstoffproduktion direkt an den Wind-
Plattform
bindung einen erheblichen Anteil der Kos- Wasserstoffproduktion zu geringeren plattformen existiert. Die erforderlichen kraftanlagen untersucht. Planungen um-
ten der Offshore-Windenergie dar. Eine Gestehungskosten als Onshore. Unsere Anlagenkomponenten sind am Markt ver- fassen Elektrolyseanlagen im niedrigen
Analyse installierter OWPs zeigt, dass die Studien zeigen, dass der Kostenvorteil bei fügbar, wenngleich grundsätzliche Her- zweistelligen MW Maßstab, die z. B. im
Kosten der Netzanbindung – ausgedrückt 20 % und mehr liegt, wenn die gesamte ausforderungen für großtechnische Elek- Turbinenturm oder im Fall von Floating
in Stromgestehungskosten – zwischen Infrastruktur mitgerechnet wird. trolyseprojekte in den (noch) begrenzten Offshore Windkraftanlagen auf Deck ins-
Offshore-
Anbindungsleitung 16 und 35 €/MWh betragen. [4] Fertigungskapazitäten liegen. Technisch talliert werden sollen. Im Gegensatz zu
Offshore- Technologie Offshore-Wasserstoff lässt sich das von Tractebel entwickelte einer zentralen Installation auf einer ein-
H2-Pipeline
Mit Blick in die Zukunft kommt der effizi- produktionsplattform Konzept aufgrund des modularen Auf- zelnen Plattform, sind jedoch höhere
enten Gestaltung der Netzanbindung eine Die Wasserstoffproduktion Offshore er- baus zwischen 100 und 1.000 MW Leis Investitions- und Betriebskosten für die
zunehmend wichtige Rolle bei der Ent- fordert die Planung einer eigenständigen tung skalieren. Wasserstoffproduktion zu erwarten.
wicklung der Offshore-Windenergie zu: so Plattform, in vergleichbarer Größenord- Die Produktionsleistung ist abhängig Darüber hinaus wird auch die Umrüstung
Gasnetz sieht der Flächenentwicklungsplan für die nung bestehender Konverter-Plattformen. vom projektspezifischen Standort und bestehender Öl- und Gasförderplatt
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Onshore Nordsee zukünftig die Entwicklung von Die Auslegung der Elektrolyseanlage dem Windenergieertrag. Beispielswei- formen zur Produktion von Wasserstoff
Übertragungsnetz
OWPs in den küstenfernen Zonen 2 und orientiert sich an der Anschlussleistung se könnten mit einer 400 MW Offshore- untersucht. Eine Umrüstung verspricht
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3 vor, mit Gesamt-Kabellängen von bis zu der Offshore-Windparks – für Deutsch- Wasserstoffproduktionsplattform mehr wirtschaftliche Vorteile durch die Wei-
Netzanbindungskonzept OWP mit Offshore-Wasserstoffproduktion 300 km. [5, 6] land stellt 400 MW eine übliche Größe dar. als 28 Mio. kg Wasserstoff jährlich pro- ternutzung vorhandener Plattform- und
12 Technik in Bayern 04/2021 Technik in Bayern 04/2021 13
SCHWERPUNKT SCHWERPUNKT
Pipelineinfrastruktur sowie die Verringe- Das Potenzial für die Offshore-Wasser- Quellen nen sind in der Lage, Wasser zu spalten in
rung von Rückbaukosten. Die Machbar- stoffproduktion ist vielversprechend: ins- Wasserstoff und Sauerstoff.
[1] ewi Energy Research & Scenarios gGmbH. de-
keit ist jedoch im Einzelfall zu prüfen. besondere dort, wo ein starker Ausbau na-Leitstudie Integrierte Energiewende – Teil Der gesamte Vorgang der Fotosynthese
der Offshore-Windenergie [1], begrenzte B. Deutsche Energie-Agentur GmbH (dena). kommt zwar nur auf einen Wirkungsgrad
2018
Resumée Kapazitäten des Stromübertragungs von etwa 1 %. Doch bereits 1912 vertrat
Die Kombination von Offshore-Wind netzes [2] sowie eine industrielle Nachfra- [2]
BVG Associates. Unleashing Europe‘s offs- der italienische Chemiker Giacomo Ciami-
hore wind potential – A new resource assess-
energie und Wasserstoffproduktion mit- ge nach grünem Wasserstoff [3] zusam- ment. WindEurope. 2017 cian in einem Aufsatz des Fachmagazins
tels Elektrolyse stellt eine aussichtsreiche mentreffen, bietet das Konzept effektive [3] Bundesnetzagentur für Elektrizität, Telekom-
Science die Meinung, dass der Mensch
Option für die nächste Phase der Ener- Vorteile gegenüber der Onshore-Wasser- munikation, Post und Eisenbahnen; Bundes- diesen Vorgang in einem technischen Ver-
giewende dar. Durch die erzeuger nahe stoffproduktion und kann dazu beitragen, kartellamt. Monitoringbericht 2020. 2021 fahren mit besserem Wirkungsgrad nach-
Fotos: Bettina Falk
Produktion in der Nähe des Offshore- Offshore-Windenergie sinnvoll in das [4] DIW Econ GmbH. Marktdesign für eine effizi- bauen kann. [2] Einhundert Jahre später
ente Netzanbindung von Offshore-Windener-
Windparks kann grüner Wasserstoff kos Energiesystem zu integrieren. gie. 2019
sind wir tatsächlich dazu in der Lage. Quantenpunkte
teneffizient und im industriellen Maßstab Somit bieten sich zukünftig viele Anwen-
[5] 50Hertz Transmission GmbH, Amprion GmbH,
produziert werden – mit Vorteilen für die dungsmöglichkeiten für die Offshore- TenneT TSO GmbH, TransnetBW GmbH. Netz- Realisierung fotokatalytischer
gesamte Netzanbindung. Gegenüber an- Wasserstoffproduktion – nicht nur in entwicklungsplan Strom 2030 – Version 2019 H2-Gewinnung mit Lichtantennen als
– Zweiter Entwurf. 2019
deren Konzepten bietet der Ansatz einer Deutschland, sondern europaweit. Anode und Kathode Erfolgreiche Forschungen seit Tech Co. eine Pilotanlage aus hundert
zentralen Offshore-Wasserstoff Produk [6] Bundesamt für Seeschifffahrt und Hydrogra- Bei der Künstlichen Fotosynthese werden 2011 bekannt solaren Wasserstoffzellen in Betrieb ge-
phie. Flächenentwicklungsplan 2020 für die
tionsplattform zudem wirtschaftliche und Felix Knicker, Projektingenieur deutsche Nord- und Ostsee. 2020 „Lichtantennen“ mittels Nanotechnologie An der Realisierung einer Künstlichen nommen. Die Haltbarkeit wurde schon
technische Vorteile. Tractebel Engineering GmbH hergestellt. Dazu verwendet man lichtak- Fotosynthese haben bereits zahlreiche 2019 mit 1000 Stunden Laufzeit bewie-
tive Nanomaterialien, das sind Halbleiter- Wissenschaftler gearbeitet. Aufsehen sen. Für GEN 2 werden hauchdünne
verbindungen wie Indiumphosphid (InP), in der Fachwelt erreichte 2011 Daniel Träger mit lichtaktiven Nanomaterialien
Galliumarsenid (GaAs) und andere. Sie Nocera vom Massachusetts Institute of beschichtet. Sie haben einen dreifach
werden auf ein Trägermaterial, eine Art Technology (MIT) mit seinem „Artificial höheren Wirkungsgrad gegenüber GEN 1.
Schablone (Wafer), mit Hilfe beispielswei- Leaf“, einer handelsüblichen Solarzelle Diese Methode wurde gemeinsam mit
Ein neues Zeitalter der Energiegewinnung hat begonnen se der Gasphasenepitaxie aufgebracht. mit Katalysatoren aus Kobalt und Nickel, der Universität von Iowa entwickelt und
„Künstliche Fotosynthese“:
Der Wafer ist mit fotolithografischen Wirkungsgrad fast 5 %. [3] 2020 haben patentiert. Aktuell wird sie für die industri-
Methoden (Laser) feinst geätzt. So ord- Forscher an der TU Ilmenau und dem elle Umsetzung vorbereitet. Dazu gibt es
nen sich die Moleküle (2-3 Atomlagen) in Fraunhofer ISE mit einer speziellen Tan- eine Kooperation mit InRedox (USA, Long-
Grüner Wasserstoff ganz ohne
dreidimensionalen Strukturen an. Dieses dem-Solarzelle einen Wirkungsgrad von mont, Colorado) für die Beschichtung der
selbstorganisierende Verfahren wird als 25,9 % erreicht. [4] Doch das sind bisher Nanomaterialien und mit der Schmid-
„Epitaxie“ bezeichnet – wie das selbst- nur Laborwerte, die zu Laborbedingungen Group (Deutschland, Freudenstadt) für
Strom
organisierende Kristallwachstum von Mi- erhoben werden konnten. Denn für eine die Entwicklung der Anlagentechnik für
neralien in der Natur. Die jetzt gebildeten technische Nutzung der Fotokatalyse gel- eine industrielle Anwendung. [5, 6]
Strukturen, die „Quantenpunkte“, bilden ten anspruchsvolle Anforderungen: Damit findet möglicherweise noch in
als Kathode und Anode die aktiven Licht- Preiswerte, auch in Zukunft leicht ver- 2021 eine echte Zäsur in der Wissen-
D
ie 2020er sind das Jahrzehnt zum Einsatz. Und das ist auch der große antennen. Ein anorganischer Katalysator fügbare und ungiftige Rohstoffe für die schaftsgeschichte statt. Gelingt es, das
des Wasserstoffs – das verkün- Vorteil der „Künstlichen Fotosynthese“. erniedrigt die „Hemmschwelle“ für die Herstellung von Quantenpunkten oben beschriebene Verfahren in großem
dete das schottische Energiebe- Aber wie genau funktioniert das? Lichtreaktion. Er wird auf die Halbleiter Stabilität von Anode, Kathode und Maßstab umzusetzen, ist damit der Ein-
ratungsunternehmen Wood Mackenzie atome aufgetragen. Katalysator, vor allem gegen O2 und H2 stieg in ein gänzlich neues Zeitalter der
im August 2020 [1]. Wieder eine Stimme Die natürliche Fotosynthese von Pflanzen Bei Bestrahlung mit Licht werden aus den Möglichkeit der Verwendung von ver- Energiegewinnung gelungen: Das Zeit-
mehr, die Wasserstoff als Energieträger Pflanzen haben die Fotosynthese vor 2,5 Halbleiteratomen Elektronen freigesetzt. schmutztem oder salzhaltigem Wasser. alter der Künstlichen Fotosynthese.
der Zukunft erkennt – einer klimafreund- Milliarden Jahre erfunden. Sie nutzen die Bei einer Spannung von über 1,5 Volt – je
lichen Zukunft! Denn bei der Verbrennung Sonneneinstrahlung, um aus dem CO2- nach verwendetem Halbleitermaterial – US-amerikanische Firmen haben das Dipl.-Ing. (FH) Bettina Falk
von Wasserstoff entsteht lediglich sau- Gehalt der Luft sowie Wasser Kohlen- findet nun die fotokatalytische Wasser- Potenzial bereits erkannt
beres Wasser. wasserstoffverbindungen herzustellen: spaltung statt: Doch in den USA gibt es bereits Firmen, Quellen
Um „grünen Wasserstoff“ zu gewinnen, Zucker, Stärke, Proteine und Fette. Damit An der Kathode (negativer Pol, p-Halb- die das Potenzial der Künstlichen Foto- [1] Green hydrogen costs to fall by up to 64 % by
muss Wasser in seine chemischen Be- speichert die Pflanze Sonnenenergie in leiter) wird Wasser zu Wasserstoffgas synthese erkannt haben und mit einer 2040 | Wood Mackenzie
[2] h ttps://science.sciencemag.org/con -
standteile aufgespalten werden. Dazu Form von chemischen Verbindungen. H2 reduziert: 2 H2O + 2e- a H2 + 2 OH- Umsetzung erste Versuche wagen: Die
tent/36/926/385
wurde bislang das Verfahren der strombe- Was bei der natürlichen Fotosynthese au- An der Anode (positiver Pol, n-Halb Firma SunHydrogen ist mit einem Zwei- [3] h ttps://news.mit.edu/2011/ar tificial-
triebenen Elektrolyse (P2G) genutzt. Doch ßerdem zum Einsatz kommt ist der Farb- leiter) wird Wasser zu Sauerstoffgas Stufenplan (GEN 1 und GEN 2) auf dem leaf-0930
[4] h ttps://www.ise.fraunhofer.de/de/presse-
es geht noch besser: Die fotokatalytische stoff Chlorophyll, den wir hier als „Licht- oxidiert: 4 OH- a O2 + 2 H2O + 4 e- Weg zur industriellen Nutzung der fotoka- und-medien/presseinformationen/2020/
Wasserspaltung oder „Künstliche Foto- antenne“ bezeichnen wollen. Denn die talytischen Wasserspaltung: GEN 1 arbei- hoehere-wirkungsgrade-im-tandem-neuer-
synthese“. Denn bei diesem Verfahren absorbierten Photonen des Lichts brin- H2 (Kathode) und O2 (Anode) werden tet mit herkömmlichen, speziell beschich- solarzellenrekord.html
[5] https://sunhydrogen.com
fällt die Stromerzeugung weg. Es kommt gen Elektronen des Chlorophylls in einen durch eine elektronendurchlässige Mem- teten Solarzellen. Im Februar 2021 wurde [6] www.youtube.com/watch?v=oydyQN0Mp8M
lediglich die eingestrahlte Sonnenenergie höheren Energiezustand. Diese Elektro- bran getrennt. von der Firma Suzhou GH New Energy
14 Technik in Bayern 04/2021 Technik in Bayern 04/2021 15
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