Tausendsassa Wasserstoff

Von Oliver Jesgulke und Volker Paulun
Speichermedium, Antriebsenergie, Kohlenstoffersatz bei Industrieanwendungen: Wasserstoff wird so einiges zugetraut. Der Schaeffler-Wasserstoff-Experte Dr. Stefan Gossens macht den Trendcheck.
H2 im Nutzfahrzeug

Wie viele Lkw-Hersteller setzt auch Daimler Trucks bei der Elektrifizierung seiner Fahrzeuge vom urbanen Verteiler- bis hin zum internationalen Fernverkehr auf die Brennstoffzelle. Die Skizzen oben zeigen Entwürfe des GenH2-Konzeptfahrzeugs. Geplanter Serienstart: Mitte des Jahrzehnts. Angepeilte Reichweite: 1.000 km.

Im Nutzfahrzeugbereich ist der Wasserstoff als Antriebsquelle bereits gut etabliert. Weltweit haben beispielsweise 50.000 Flurföderzeuge eine Brennstoffzelle an Bord. Bei Anbietern wie Linde, Jungheinrich, Toyota und Still sind die meisten Stapler in einer Wasserstoffvariante bestellbar und viele große Unternehmen stellen nach und nach ihre Intralogistik-Flotten um – Stichwort CO2-freie Produktion. Das Branchennetzwerk Clean Intralogistics Net (CIN) unterstützt diese Entwicklung. Mit dabei: Schaeffler. Zusammen mit anderen Partnerfirmen treibt CIN die Marktaktivierung und Marktentwicklung der Brennstoffzelle in der Intralogistik voran. Mit 77 Produktionswerken ist Schaeffler zudem potenzieller Anwender von brennstoffzellenbetriebenen Flurförderzeugen. Die Mitglieder bilden die ganze Wertschöpfungskette ab, von Herstellern von Flurförderzeugen und Brennstoffzellen über Zulieferer von Komponenten und Gaslieferanten bis hin zu den Anwendern der Technologie.

Auch im Lkw-Bereich gibt es aktuell viel Bewegung Richtung Wasserstoff. So gut wie jeder Hersteller arbeitet an Modellen, erste Prototypen sind im Flotteneinsatz. Volvo und Mercedes haben jüngst ein Joint Venture für die Serienproduktion von Brennstoffzellen gegründet. Vorteil des Nutzfahrzeugs gegenüber dem Pkw: Einsatzzeiten und Routen sind vorgeplant, das dünne Tankstellennetz fällt daher nicht so ins Gewicht. Und dadurch, dass Nutzfahrzeuge im Normalfall permanent bewegt werden, ist auch der Betrieb eines Verbrennungsmotors mit flüssigem Wasserstoff denkbar. Der Nachteil, dass sich dieser bei längeren Standzeiten verflüchtigt, fällt hier deutlich weniger ins Gewicht als beim Pkw, wo längere Standzeiten nicht selten sind.

Geradezu perfekt eignet sich die Brennstoffzellentechnik für den Einsatz in Müllwagen. Der Clou dabei: Grüner Wasserstoff für deren Antrieb kann aus biogenen Abfällen direkt in den Müllverbrennungsanlagen gewonnen werden. Die Firma Faun will 2021 in die Serienproduktion eines solchen Müllwagens einsteigen. Der verfügt über einen Hybridantrieb, bei dem eine Brennstoffzelle als Range Extender für den batterieelektrischen Antrieb dient.

Tausendsassa Wasserstoff© Schaeffler

Dr. Stefan Gossens, Leiter des Innovationsprogramms Energiespeicher und Wandler bei Schaeffler: „Hohe Leistung, große Reichweiten, schnelles Tanken und gegenüber Batterien ein geringeres Gewicht: Im Nutzfahrzeug kann der Wasserstoff seine Stärken noch besser ausspielen als im Pkw. Mittlerweile Zehntausende Gabelstapler haben gezeigt, dass die Technik auch für den massenhaften Praxiseinsatz tauglich ist. Ein vermehrter Einsatz von Wasserstoff-Lkw würde auch Bewegung in den H2-Tankstellenausbau bringen. Hyundai hat errechnet, dass sich eine solche Anlage bereits durch das regelmäßige Tanken von 15 Lkw rentieren würde.“

H2 im Pkw

Die drei Tanks des neuen Toyota Mirai fassen 5,6 kg Wasserstoff. WLTP-Reichweite: 650 km. Beim Vorgänger waren es 500 km. Ebenfalls ein großer Fortschritt gegenüber dem Vorgänger: Die Bauzeit eines einzelnen Brennstoffzellen-Stacks reduzierte sich von 15 Minuten auf wenige Sekunden.

Schöner PR-Erfolg von Toyota: Der japanische Autobauer schenkte dem Papst einen zum „Papamobil“ umgebauten Mirai. Das sorgte für positive Schlagzeilen und ließ den Heiligen Vater in den exklusiven Club der Wasserstoffauto-Fahrer aufsteigen. Denn auch 40 Jahre nachdem das Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) den ersten Wasserstoff-Pkw Europas präsentierte (einen modifizierten 5er-BMW), ist die Fahrzeuggattung ein Nischenprodukt. Dabei spricht einiges für den Einsatz von grünem Wasserstoff im Auto: vor allem die hohen Reichweiten, das schnelle Nachtanken und natürlich die Emissionen. Im Idealfall bleibt nur Wasser als Hinterlassenschaft zurück.

Ein dünnes Tankstellennetz (in ganz Europa sind es laut dem europäischen Automobilverband ACEA derzeit 140 Stationen, davon 76 in Deutschland), ein Modellangebot, das sich an einer Hand abzählen lässt, und vor allem die hohen Fahrzeugpreise, die fast doppelt so hoch sind wie bei einem vergleichbaren Verbrennerfahrzeug, verhindern bislang eine nennenswerte Verbreitung. Toyota ist zuversichtlich, dass sich das sukzessive ändert. Entstanden von der ersten Mirai-Generation in fünf Jahren 11.000 mehr oder weniger handgefertigte Exemplare, sollen es vom Nachfolger 30.000 Exemplare in Serienfertigung sein – pro Jahr. Konkurrent Hyundai plant bis 2025 den Verkauf von 110.000 Brennstoffzellenfahrzeugen, das wäre jedes sechste seiner E-Fahrzeuge.

Dr. Stefan Gossens: „Technologisch zeigen Toyota, Hyundai und Honda einen beeindruckenden Reifegrad. Beim Preis noch nicht. Die aktuell angetretenen Hersteller erzielen keinen Gewinn, sichern sich aber einen Vorsprung gegenüber der Konkurrenz. Wenn die Fahrzeugpreise sinken, was sie zum Beispiel von der ersten zur zweiten Mirai-Generation um fast 20 Prozent getan haben, und das Tankstellennetz ausgebaut wird, könnte es durchaus sein, dass sich ein Markt für Wasserstoff-Pkw entwickelt.“

Tausendsassa Wasserstoff

34 Gramm
gasförmiger Wasserstoff reichen, um das 2015 von Linde vorgestellte Brennstoffzellen-Fahrrad 100 Kilometer weit zu bringen. Danach wäre der Tank in sechs Minuten wieder voll. Die französische Firma Pragma Industries hat 2019 in Las Vegas auf der CES mit dem Alpha 2.0 ebenfalls ein Wasserstoff-Bike vorgestellt, das hauptsächlich von Flottenbetreibern eingesetzt werden soll. Auch im Motorradbereich sind erste Protoypen unterwegs. Schaeffler-Experte Dr. Stefan Gossens hält den H2-Zweirradmarkt aber für eine absolute Nische. Sein Fazit: „Hier ist für Wasserstoff nichts zu holen.“

H2 im Schienen-, Luft- und Seeverkehr

ZEROe ist ein Airbus-Konzeptflugzeug. Beim Nurflügler sorgen zwei Hybrid-Wasserstoff-Turbofan-Triebwerke für Schub. Die Flüssigwasserstoff-Speichertanks sind unter den Flügeln untergebracht.

Seit 20 Jahren arbeitet die Bahnbranche an Wasserstoffzügen, aber erst seit zwei Jahren ist das erste Serienfahrzeug in den Niederlanden, Deutschland und der Schweiz im Einsatz: der Coradia iLint des französischen Anbieters Alstom. Brennstoffzellen-Züge können Dieselloks auf Strecken ersetzen, die sich für eine Elektrifizierung nicht anbieten. Auch auf See könnte die Brennstoffzelle den Diesel ersetzen. Erste Fähren mit der Technologie sollen 2021 in Betrieb gehen. Die größte von ihnen misst über 80 Meter. Der schwedisch-schweizerische Konzern ABB arbeitet an einer Brennstoffzellen-Pufferbatterie-Lösung im mittleren zweistelligen Megawatt-Bereich, die sogar auf Ozeanriesen eingesetzt werden kann. Die Reederei DFDS will für ein Linienschiff auf der Route Oslo–Frederikshavn–Kopenhagen einen 23-MW-Brennstoffzellen-Antrieb entwickeln. Den grünen Wasserstoff dafür soll ein Großelektrolyseur im Großraum Kopenhagen liefern, der seinen Strom aus einem nahen Windpark bezieht. Im Bereich Luftfahrt rollt der Wasserstoff ebenfalls Richtung Take-off. Im Herbst verkündete Airbus, dass man 2035 einen H2-Jet der Luft haben will. Der Wasserstoff wird dabei entweder in einer Gasturbine verbrannt und/oder in einer Brennstoffzelle zu Strom für E-Motoren umgewandelt. Die größte Herausforderung: Ein Wasserstofftank müsste für eine vergleichbare Reichweite viermal so voluminös sein wie der von Kerosin. Das begrenzt den Einsatz der neuen Technologie auf Kurz- und Mittelstrecken bis 3.700 Kilometer. Für die Langstrecke wird an wasserstoffbasierten Synfuels gearbeitet, die das bislang genutzte Kerosin ersetzen sollen.

Dr. Stefan Gossens: „Gesetzliche Vorgaben zwingen Hersteller und Betreiber auch hier Richtung CO2-freier oder zumindest deutlich -reduzierter Mobilität. Bei der Bahn hat sich die Brennstoffzelle als schnell umsetzbare Alternative zum Dieselmotor schon gut bewährt. Ob wir aber tatsächlich in absehbarer Zukunft Brennstoffzellen haben werden, die die gewaltigen Schiffsdiesel ersetzen können, sehe ich aktuell noch nicht. Bei Fähren oder kleineren Schiffen ist das aber schon sehr realistisch. Beim Flugverkehr hoffe ich vor allem, dass er Bewegung in die In­dus­tri­a­li­sie­rung von Synfuels unter Verwendung von grünem Wasserstoff bringt, die dann auch in anderen Bereichen eingesetzt ­werden können.“

Tausendsassa Wasserstoff

2017
startete der 30-Meter-Katamaran Energy Observer zu einer sechsjährigen Forschungsreise über die Weltmeere. Für Energieautarkie sorgt eine Brennstoffzelle. Der benötigte Wasserstoff kommt von einem bordeigenen Elektrolyseur, der seinerseits von den Solarzellen an Deck mit Strom versorgt wird.

H2 in der Industrie

Pro Tonne Rohstahl werden durchschnittlich 1,34 Tonnen CO2 erzeugt. Damit verursacht die Stahlindustrie rund ein Drittel aller CO2-Emissionen innerhalb des Industriesektors – entsprechend klimafreundlich ist der Einsatz von grünem Wasserstoff in diesem Bereich.

Schon heute ist Wasserstoff ein wichtiger Rohstoff für die Industrie. Er wird nicht nur zur Raffination von Rohöl zu Kerosin, Benzin oder Diesel oder zur Herstellung von Düngemitteln und chemischen Produkten verwendet, sondern auch bei der Eisen- und Stahlerzeugung. Allerdings wird dafür heute meist sogenannter grauer Wasserstoff genutzt (siehe H2-Farbenlehre), bei dessen Herstellung CO2 in die Atmosphäre gelangt. Mit dem Wechsel auf grünen, also CO2-neutral erzeugten Wasserstoff wird dies verhindert. In Raffinerien können Elektrolyseure beispielsweise vorhandene Abwärme nutzen, um H2-Moleküle aus Wasser abzuspalten. In der Primärstahlerzeugung kann grüner Wasserstoff anstatt Kohle und Erdgas für die CO2-neutrale Direktreduktion von Eisenerz zu Rohstahl eingesetzt werden. Auch hier kann Abwärme bei der Wasserstoff-Erstellung kostensenkend genutzt werden. In der chemischen Industrie ist H2 eine wichtige Komponente für die Herstellung von Ammoniak oder Methanol und wird bei vielen Polymeren mitverarbeitet. Der Wechsel von grauem auf grünen Wasserstoff würde die CO2-Emissionen im Chemiesektor massiv senken.

Dr. Stefan Gossens: „Wasserstoff aus Ökostrom ist für die Industrie nahezu die einzige Möglichkeit, ­klimaneutral zu wirtschaften. Hier braucht es jedoch gewaltige Investitionen. Vielversprechende Großelektrolyseure kommen jetzt auf den Markt, bringen aber einen enormen Energiehunger mit. Wir reden hier über viele Gigawatt, um die Industrie klima­­neutral zu gestalten.“

84 %
Wirkungsgrad bei der Herstellung von grünem Wasserstoff erreicht der weltweit größte Hochtemperatur-Elektrolyseur (HTE) GrInHy2.0, der im Hüttenwerk der Salzgitter Flachstahl GmbH im Einsatz ist. Bei hohen Temperaturen (rund 850 Grad) verbessert sich die Reaktionskinetik des Elektrolyse-Prozesses, der Stromverbrauch sinkt. HTEs sind dort besonders effizient, wo Abwärme aus anderen Prozessen zugeführt werden kann.

H2 produzieren, speichern und transportieren

1.250 Kubikmeter flüssigen Wasserstoff transportiert die 116 Meter lange Suiso Frontier, das weltweit erste Tankschiff für diesen Energieträger. Um den Wasserstoff zu verflüssigen, wird er auf minus 253 Grad heruntergekühlt. Dabei schrumpft das Volumen auf ein Achthundertstel gegenüber dem gasförmigen Zustand. Gelagert wird das flüssige H2 in doppelwandigen Vakuumtanks.

Wasserstoff kann nur dann das Klima nachhaltig entlasten, wenn er grün, also mit erneuerbaren Energien produziert wird. Die Energiekette mit grünem Wasserstoff besteht aus folgenden Stufen: Mit Strom aus erneuerbaren Energien wird Wasserstoff emissionsfrei durch Elektrolyse gewonnen, der dann an gleicher oder anderer Stelle für die Energiebereitstellung etwa durch eine Brennstoffzelle oder in Produktionsprozessen verwendet wird. Die Quellen für den benötigten Ökostrom (Wind, Sonne, Wasser) liegen im großen Stil nicht nur in Europa, Nordamerika und Asien, also dort, wo die Energie größtenteils verbraucht wird, sondern unter anderem in Afrika, Südamerika, Australien oder dem Mittleren Osten. Wasserstoff kann in solchen energiegünstigen Regionen in großer Menge erzeugt und dann regional wie global transportiert werden. Je weiter der Ort der Erzeugung entfernt ist, desto wichtiger der Transport. Als stoffliche Energieträger hat Wasserstoff gegenüber Strom die Vorteile, dass er sich besser über längere Zeiträume und in größeren Mengen speichern und flexibler transportieren lässt, z. B. mit Schiffen. Allerdings ist sein Transport deutlich komplizierter als der von Erdgas oder Öl, denn Wasserstoff hat die geringste Atommasse aller Elemente und ist daher das flüchtigste Gas überhaupt.

Seine geringe Dichte hat auch zur Folge, dass Wasserstoff im unkomprimierten Zustand viel Volumen braucht: 33 Kilogramm H2 würden einen Ballon mit 13 Meter Durchmesser füllen. Verschiedene physikalische und stoffliche Verfahren sind zum Transport und Speichern möglich. Zu den physikalischen zählen die Druckspeicherung (zwischen 350 und 700 bar), die Verflüssigung bei minus 253 Grad, eine Kombination aus Verflüssigung und Druck (Cold- und Cryo-compressed Hydrogen, CcH2) oder Abkühlung bis zum Schmelzpunkt (–259 Grad), bei der Wasserstoff eine Gelee-artige Konsistenz mit nochmals gesteigerter Energiedichte annimmt. Der Energieaufwand dieser Verfahren liegt aktuell zwischen 9 und knapp über 30 Prozent der im Wasserstoff enthaltenen Energie, theoretisch erreichbar sind 4 bis 10 Prozent.

Bei der stofflichen Speicherung wird Wasserstoff an Trägermaterialien angekettet und später wieder abgespalten. Die meisten, ebenfalls energieaufwendigen Verfahren befinden sich in der Entwicklung. Dazu zählen metallische Hybridspeicher, die wegen des hohen Gewichts eher für den stationären Einsatz prädestiniert sind. Am Anfang ihrer Entwicklung sind mikroporöse Adsorptionsmaterialien, die in Pulverform hohe volumetrische Speicherdichten erreichen können. Die dritte, am weitesten entwickelte Variante sind flüssige organische Wasserstoffträgermedien (LOHC). Das durch den zugesetzten Wasserstoff hydrierte Gemisch besitzt dem Dieselkraftstoff vergleichbare physikalisch-chemische Eigenschaften und kann entsprechend gelagert und transportiert werden. Es gibt Bestrebungen, solche LOHC direkt in einer Brennstoffzelle umzuwandeln. Auf diese Weise könnte daraus direkt im Fahrzeug Antriebsstrom generiert werden. Wird dem mit Ökostrom erzeugtem Wasserstoff Kohlendioxid zugeführt, entsteht Methan (Power-to-gas-Verfahren). Das Methan lässt sich wiederum in bestehende Erdgasnetze einspeisen und verteilen. So kann der Emissionsausstoß des CO2-intensiven Wärmesektors ohne große Infrastrukturkosten deutlich reduziert werden.

Dr. Stefan Gossens: „Generell müssen wir, um das immense Potenzial des Wasserstoffs für eine globale Energiewende zu nutzen, die Industrialisierung vorantreiben und eine komplett neue Industrie aufbauen – mit neuen Technologien, Produktionsanlagen und Lieferketten. Mit unseren Kernkompetenzen in Material-, Umformungs- und Oberflächentechnologie kann Schaeffler einen wesentlichen Beitrag für die effiziente Großserienfertigung von Schlüsselkomponenten wie Elektrolyseure und Brennstoffzellen beitragen.“

H2-Farbenlehre

Grüner Wasserstoff – also der, der mithilfe regenerativer Energie erzeugt wird – wird die Emissionen in einer Vielzahl von Anwendungen wie Stahl- und Betonproduktion, Raffinerien, dezentralisierter Wärme- und Stromerzeugung sowie Mobilität senken.

Eigentlich ist Wasserstoff ein farbloses Gas. Er kommt dennoch in den buntesten Farben daher. Wasserstoff ist heute grün, blau, türkis. Denn je nachdem, woraus H2 gewonnen wird und woher der Strom kommt, gibt es die Farbetikette: Grüner Wasserstoff wird durch Elektrolyse von Wasser hergestellt. Dabei kommt der Strom aus erneuerbaren Energiequellen wie Sonne, Wind oder Wasserkraft.

Grauer Wasserstoff hingegen wird aus fossilen Brennstoffen gewonnen. In der Regel wird Erdgas unter Hitze in Wasserstoff und CO2 umgewandelt – auch bekannt als Dampfreformierung. Nachteil: Das entstandene CO2 geht in die Atmosphäre. Nachteil II: Bei der Produktion einer Tonne Wasserstoff entstehen rund zehn Tonnen CO2.

Blauer Wasserstoff entsteht ebenfalls aus Erdgas. Allerdings wird das CO2 als fester oder gasförmiger Kohlenstoff dauerhaft in tiefen geologischen Schichten an Land oder im Meeresuntergrund gespeichert. Vorteil des sogenannten Carbon Capture and Storage (CCS): Das Kohlenstoffdioxid gelangt dadurch nicht in die Atmosphäre. Blau gilt als Brückentechnologie zu grünem Wasserstoff. Die Methoden dafür sind aber umstritten. Kritiker befürchten gewaltige Umweltrisiken.

Türkiser Wasserstoff ist eine Mischung aus blauem und grünem und wird über die thermische Spaltung von Methan hergestellt. Anders als bei blauem Wasserstoff entsteht mittels der Methanpyrolyse erst gar kein gasförmiges CO2, sondern Kohlenstoff oder Kohlenstoffverbindungen. Hier ist auch wieder entscheidend, ob beim Verfahren Ökostrom zum Einsatz kommt. Fazit: Nur die Produktion von grünem Wasserstoff stellt letztendlich ein ökologisch gesehen sauberes Verfahren zur Herstellung von Wasserstoff dar.

Dr. Stefan Gossens: „Es ist unwahrscheinlich, dass wir die ganze grüne Energie dort erzeugen können, wo sie gebraucht wird. Um Importe kommen wir und andere EU-Länder nicht herum. Wir müssen daher auf internationale Kooperationen setzen.“