Hype um H
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Juli 2022

Hype um H

Von Volker Paulun
Wasserstoff ist das leichteste aller Elemente, verfügt aber über eine hohe Energiedichte pro Masse – und ein hohes Innovationspotenzial für die Dekarbonisierung vieler Branchen. Die Errichtung einer globalen Wasserstoffwirtschaft ist im vollen Gange – aber noch lange nicht am Ziel. Ein Lagebericht.

Im Hamburger Hafen wird sprichwörtlich an der Energiewende gebaut. In dem stillgelegten Kohlekraftwerk Moorburg soll ab 2025 ein Großelektrolyseur mit 100 Megawatt Leistung Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff zerlegen. Die benötigte Energie liefern Wind und Sonne, weswegen der Moorburger Wasserstoff „grün“ und damit CO2-frei sein soll. Der grüne Wasserstoff ist ein wahres Multitalent. Er kann nicht nur Energie für Indus­trie, Haushalte und Mobilität liefern und speichern, sondern auch als Prozessgas eingesetzt werden, zum Beispiel in der Stahl- oder Düngemittelproduktion. Und weil Wasserstoff so vielseitig nutzbar ist, ohne klimaschädliche CO2-Emissionen zu verursachen, werden nicht nur in Hamburg, sondern rund um den Globus unzählige Projekte zu Herstellung, Transport und Lagerung sowie Nutzung auf den Weg gebracht. Selten haben Regierungen, Wissenschaft, Wirtschaft und Umweltverbände so an einem Strang gezogen wie bei diesem Thema.

Basierend auf einer Studie der Unternehmsberatung McKinsey schätzt der Verband Hydrogen Council, bei dem der Schaeffler-­Konzern Lenkungsmitglied ist, dass allein im Bereich der Wasserstoffproduktion aktuell Projekte mit einem Volumen von 500 Milliarden US-Dollar in der Pipeline sind. Und quasi täglich kommen neue Projekte hinzu. Im Jahr 2050 könnten in der Wasserstoffwirtschaft weltweit 2,5 Billionen US-Dollar umgesetzt werden und über 30 Millionen Arbeitsplätze entstehen.

Die Krux mit Transport und Speicherung

Bis es so weit ist, sind aber noch zahlreiche Herausforderungen zu meistern. Das gilt insbesondere für die Bereiche Speicherung und Transport. Beides sind entscheidende Faktoren für eine globale Wasserstoffwirtschaft. Heute schippern wir Öl und Gas von Förder- zu Verbraucherländern oder lassen es durch Pipelines strömen. Wasserstoff will ebenfalls transportiert werden – hier von Ländern, in denen Grünstrom für die Wasserstoffherstellung billig und im Überschuss produziert werden kann, hin zu Regionen mit großem Energiehunger.

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Grüner Wasserstoff wird idealerweise dort produziert, wo es viel und kostengünstigen Strom aus nachhaltigen Quellen gibt© Getty Images

Allerdings ist Wasserstoff als leichtestes aller Elemente sehr flüchtig, was Transport und Speicherung erheblich erschwert. Er lässt sich gasförmig in mehrschichtigen Drucktanks (300 bar beim Transport, 700 bar im Tank) und unterirdischen Kavernen speichern oder in flüssiger Form bei minus 253 Grad in isolierten Kryotanks. Beide Varianten sind technisch aufwendig und energieintensiv. Alternativ lässt sich Wasserstoff beispielsweise in Methan, Synthesegas oder Synthese-Flüssigtreibstoffe umwandeln. Vorteile: Damit wird er einfacher und vielseitiger zu handhaben. Nachteil: Die Wandlung ist energieintensiv. Es braucht einen nicht unerheblichen Überschuss an Grünstrom, um grünen Wasserstoff herzustellen, ihn zu transformieren und ihn dann beispielsweise in einem verbrennungsmotorischen Antrieb mit einem Wirkungsgrad von maximal 40 Prozent energetisch sinnvoll einzusetzen.

Eine weitere Speicher- und Transportmöglichkeit ist die Adsorbtion. Dabei wird das Wasserstoffmolekül an feste oder flüssige Trägermaterialien angekettet. In diesem Zusammenhang wird oft das Kürzel LOHC genannt. Es steht für Liquid Organic Hydrogen Carrier. Bei diesem Verfahren wird Wasserstoff in einer Hydrierreaktion chemisch an ein zähflüssiges Trägermaterial angekettet. Dadurch wird die Wasserstoffnutzung einfacher, sicherer und kostengünstiger, denn das heutige rohölbasierte Energiesystem wäre ohne größere Modifikationen an den neuen Energie-Hoffnungsträger anpassbar.

  • 60–75 %
    beträgt der Strom-zu-Wasserstoff-Wirkungsgrad aktueller Elektrolyseure. Bei der Rückwandlung von Wasserstoff zu Strom in der Brennstoffzelle liegt der Wirkungsgrad zurzeit bei 60–80 %. Bei einem Brennstoffzellenauto kommen am Ende etwa 50 % der getankten Energie am Rad an. Damit liegt ein Wasserstoff-Pkw zwischen Verbrenner (25–45 %) und E-Auto (75–90 %)

    Quellen: sfc.com; auto motor & sport
  • 1–1,5 %
    des produzierten Wasserstoffs verflüchtigt sich laut einer Studie des britischen Energieministeriums in die Atmosphäre, wobei die Hälfte davon auf den Transport und jeweils etwa ein Viertel auf die Produktion und den Verbrauch entfällt. Andere Erhebungen gegen sogar von 10 Prozent Verlust aus. In der Atmosphäre verhindert dieser Wasserstoff den Abbau des hochwirksamen Klimagases Methan. Aber selbst wenn man die pessimistische 10-Prozent-Verlustrate zugrunde legen würde, seien die durch den Wasserstoff erzielten Emissionseinsparungen an ­
    CO2-Äquivalenten laut der Studie immer noch 25-mal so hoch.

„Wasserstoff kann als LOHC transportiert werden wie heute Rohöl- oder Benzinprodukte, beispielsweise in einem Tankschiff oder im Tankwagen eines Zuges. Der gebundene Wasserstoff lässt sich anschließend in entsprechenden Tanks und Tankstellen lagern und verteilen“, erklärt LOHC-Experte Prof. Peter Wasserscheid, Leiter des Instituts für Chemische Reaktionstechnik an der Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg und Direktor des Helmholtz-Instituts Erlangen-Nürnberg für Erneuerbare Energien (HI ERN). „Unser Ansatz ist also eine Wasserstofflogistik im ‚Gewand‘ heutiger flüssiger Kraftstoffe. Und diese Technologie ist nun so weit, dass sie auch industriell genutzt werden kann.“ In 100 Liter LOHC könnte man rund 5,7 Kilogramm Wasserstoff binden. Zum Vergleich: Diese Menge Wasserstoff entspricht dem Tankinhalt des Toyota Mirai, mit dem das Brennstoffzellen-Auto bis zu 1.000 Kilometer zurücklegen kann.

Ein weiterer Vorteil von LOHC: Die volumetrische Energiedichte des Wasserstoffs ist mit 1,9 kWh pro Liter sogar noch etwas höher als bei gasförmigem Wasserstoff aus dem Drucktank (1,56 kWh/l).

Schaeffler treibt LOHC-Technologie voran

Um LOHC tatsächlich wie einen klassischen Flüssigkraftstoff tanken und nutzen zu können, fehlt noch eine entscheidende Schlüsseltechnologie: eine Wasserstoff-Brennstoffzelle, die direkt mit LOHC betrieben werden kann. Und genau diese entwickelt Schaeffler gemeinsam mit der Hydrogenious LOHC Technologies GmbH sowie dem HI ERN. Der Part von Schaeffler besteht in der Fertigung dafür geeigneter Bipolarplatten, bei der das Unternehmen Synergien nutzt und auf Know-how aus bisher entwickelter Brennstoffzellentechnologie zurückgreift. Bipolarplatten erfüllen – bei klassischen Brennstoffzellen ebenso wie bei LOHC-Varianten – als integrierte Baugruppe zwischen zwei Membran-Elektroden-Einheiten eines Brennstoffzellenstapels, dem sogenannten Stack, neben der elektrischen Verbindung der Zellen noch weitere Aufgaben: die Gasverteilung über die Fläche der Platte, die Gastrennung zwischen angrenzenden Zellen, die Dichtung nach außen und die Kühlung des Systems.

„Die Energie von morgen ist Wasser, das durch elektrischen Strom zerlegt worden ist.“

Jules Verne 1874 in seinem Roman „Die geheimnisvolle Insel“

Zum Status quo des LOHC-Gemeinschaftprojekts sagt Prof. Peter Wasserscheid, der nicht nur Direktor des HI ERN ist, sondern auch Mitbegründer und Wissenschaftsbeirat bei Hydrogenious: „Momentan lässt sich diese Onboard-Technologie noch nicht unter der Motorhaube eines Kleinwagens unterbringen, aber sehr wohl in den entsprechenden Technikräumen eines Zugs oder eines Schiffs. Unser Ziel ist es, diese Einheiten immer leistungsfähiger zu machen, immer kleiner, immer kompakter. Und das kann dann in Zukunft durchaus Richtung Lkw, Bus, Baumaschine, Forstfahrzeug oder Minenfahrzeug gehen, perspektivisch bis hin zu Kleinlastwagen oder großen Pkw.“

Wasserstoff-Technologien industrialisieren

Wie immer man Wasserstoff auch transportiert, wandelt oder nutzt: Erst einmal muss er hergestellt werden. Das 1,5-Grad-Szenario der Internationalen Organisation für erneuerbare Energien (IRENA) prognostiziert für das Jahr 2050 eine Elektrolyseur-Kapazität von etwa 5.000 Gigawatt, wodurch genügend Wasserstoff zur Verfügung stehen würde, um zwölf Prozent des weltweiten Energiebedarfs zu decken. Es würden also weltweit 50.000 Groß-Elektrolyseure vom Format der Anlage in Hamburg-Moorburg entstehen müssen.

Um dies zu gewährleisten, sind technologische Innovationen und eine schnelle Einführung dieser von entscheidender Bedeutung. Ebenso wichtig ist es, möglichst schnell eine wettbewerbsfähige Wirtschaftlichkeit der Produktion von CO2-freiem Wasserstoff zu erreichen. Ein Schlüssel zum Erfolg ist hier zum einen die Bereitstellung von ausreichend und günstigem grünem Strom durch den Ausbau erneuerbarer Energien. Dass grauer Wasserstoff, also der, der mit fossiler Energie hergestellt wird, heute nur ein Viertel so viel kostet wie grüner, zeigt den Handlungsbedarf in diesem Bereich. Ein anderer Schlüssel zum Erfolg: Kostensenkungspotenziale mit Blick auf Skalierung und Markthochlauf der Technologien.

Schaeffler will dabei basierend auf seinem breit gefächerten technologischen Know-how wichtige Beiträge leisten. „Wir sind durch unsere Industrie- und Automotive-Sparte optimal aufgestellt, um das Thema Wasserstoff auf einer breiten Basis anzugehen. Wir haben hier einen einzigartigen Wettbewerbsvorteil, zumal es in vielen Bereichen der Wasserstofftechnologie noch an einer industrialisierten Zulieferer-Landschaft fehlt“, sagt Dr. Stefan Gossens, Vice President Hydrogen Strategy bei Schaeffler. „Wir sind mit einer großen Bandbreite an Geschäftsaktivitäten bereits mit vielen potenziellen Wasserstoff-Kunden in Kontakt. Ein großer Vorteil ist unsere Stärke in der Industrialisierung, die uns die schnelle Überführung von Innovationen in die Großserienproduktion ermöglicht – und das in bester Qualität.“

„Wir sind überzeugt, dass Wasserstoff eine entscheidende Rolle für die nachhaltige Mobilität der Zukunft spielen wird. Der Aufbau einer Wasserstoffwirtschaft und die Umstellung auf nachhaltige Energieressourcen werden maßgeblich von der Industrialisierung verlässlicher Lieferketten für die neuen Technologien abhängen.“

Klaus Rosenfeld, Vorsitzender des Vorstands der Schaeffler AG
Starke Verbindungen beschleunigen Innovationen

Bei der Wasserstofftechnologie profitiert Schaeff­ler insbesondere von seinen Kernkompetenzen in Material-, Umformungs- und Oberflächentechnologie. Ein entscheidender Punkt wird zudem die spartenübergreifende Zusammenarbeit innerhalb des Konzerns sein. In der Industriesparte beispielsweise ist das Thema Wasserstoff als strategisches Geschäftsfeld unter der Leitung von Bernd Hetterscheidt angesiedelt. Er sagt: „Wir haben im Industriebereich den großen Vorteil, dass wir bereits nah an der Erzeugung von grüner Energie, zum Beispiel aus Windkraft, arbeiten. Wir sind also dort, wo Elektrolyseure später eingesetzt werden, um den Windstrom direkt in Wasserstoff umzuwandeln. Der hier bestehende Kontakt zu unseren Kunden, das vorhandene Know-how in Materialumwandlung und Elektrochemie und unsere Kompetenzen in der Industrialisierung werden uns helfen, im Markt erfolgreich zu sein.“

Offshore-Wasserstoff

Grüner Wasserstoff wird idealerweise dort produziert, wo grüner Strom erzeugt wird – zum Beispiel bei Offshore-Windkraftanlagen. Dort auf dem Meer ist auch der Grundstoff Wasser reichlich vorhanden. Allerdings in salzhaltiger Form – und damit für herkömmliche Elektrolyseure, die hochreine Flüssigkeiten voraussetzen, unbrauchbar. Das Projekt SEA2H2, an dem sich das seit Sommer 2021 zu ­Schaeffler gehörende niederländische Start-up Hydron Energy B.V. beteiligt hat, erarbeitet ein Verfahren, das Meerwasser entsalzt und reinigt – und das durch die Nutzung von Abwärme aus dem Elektrolyse-Prozess sehr energieeffizient ist. Die Funktionsfähigkeit seiner Wasseraufbereitung hat Hydron bereits in einer Testanlage nachgewiesen. Langfristiges Ziel ist es, mit dieser Technologie grünen Wasserstoff mit Energie aus Offshore-Windparks zu erzeugen und über Pipelines an Land zu befördern.

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Die Pilotanlage zur Herstellung von Wasserstoff aus Meerwasser auf der niederländischen Insel Texel. In ähnlicher Bauweise könnte diese in wenigen Jahren in Offshore-Windparks eingesetzt werden© Schaeffler

Insbesondere im Bereich Bipolarplatten hat sich Schaeffler in kurzer Zeit zu einer gefragten Adresse entwickelt. Das bereits genannte LOHC-Projekt mit HI ERN und Hydrogenious ist nur eine Koopera­tion, mit der Schaeffler Pionierarbeit leistet. Ein weiteres Beispiel ist ein im Frühjahr 2022 zusammen mit den Firmen Bekaert, Johnson Matthey und TNO begonnenes Forschungsprojekt, das das Ziel hat, Elektrolyse-Stacks mit Protonenaustauschmem­bran (PEM) zu optimieren. PEM-Aggregate sind sehr reaktionsschnell, weil sie hohe Stromdichten verarbeiten können. Außerdem sind sie sehr kompakt. Allerdings müssen die innen verbauten Materialien aufgrund des sauren Mediums, in dem sie eingesetzt werden, sehr robust sein. Das Konsortium will in den kommenden drei Jahren die Basis schaffen, auf der eine neue Generation hocheffi­zienter, langlebiger und kostengünstigerer Elek­trolyseure aufgebaut werden kann.

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Solche Bipolarplatten der nächsten Generation will das neue Schaeffler-Joint-Venture Innoplate ab 2024 herstellen. 2030 sollen es bereits 50 Millionen Stück pro Jahr sein© Schaeffler

Ein weiteres Kooperationsbeispiel bei Schaeffler ist die Gründung des 50:50-Joint-Ventures namens Innoplate. Partner dort ist Symbio, seinerseits ein Gemeinschaftsunternehmen von Faurecia und Michelin und einer der globalen Marktführer von Brennstoffzellen-Technologie für die Automobilindustrie. Innoplate soll am Firmensitz im französischen Haguenau ab Anfang 2024 mit 120 Mitarbeitenden Bipolarplatten für PEM-Brennstoffzellen in industriellem Maßstab produzieren. Das Produktionsziel 2030 liegt bei 50 Millionen Einheiten für den Weltmarkt. Der Zusammenschluss der beiden Big Player Schaeffler und Symbio ermöglicht es, Kunden Brennstoffzellen mit erhöhter Leistung und größeren Kapazitäten zu und einem geringeren Preis anzubieten.

„Wir sind überzeugt, dass Wasserstoff eine entscheidende Rolle für die nachhaltige Mobilität der Zukunft spielen wird. Der Aufbau einer Wasserstoffwirtschaft und die Umstellung auf nachhaltige Energieressourcen werden maßgeblich von der Industrialisierung verlässlicher Lieferketten für die neuen Technologien abhängen“, sagt Klaus Rosenfeld, CEO von Schaeffler.