Erzeugung von grünem Wasserstoff aus Wind- und Solarenergie
Wasserstoff statt Erdöl und Erdgas als Energieträger und Baustoff der Zukunft – klar soweit! Aber wie kann er zukünftig anders als bisher aus Erdgas in großen Mengen nachhaltig erzeugt werden? Wo bekommen wir gründen Wasserstoff her?
Bei der Elektrolyse wird Wasser mithilfe von Strom in seine chemischen Bestandteile Wasserstoff (H2) und Sauerstoff (O2) zerlegt und H2 so nutzbar gemacht. Wasserstoff ist also ein Energieträger, keine Energiequelle da in der Elektrolyse die elektrische Energie des Stroms in chemische Energie umgewandelt wird. Nur mit grünem Strom aus der Wind- und Solarenergie oder anderer CO2-armer Energieerzeugung ist hier ein wesentlicher Beitrag gegen den Klimawandel möglich. Im Interview berichtet Telsche Nielsen, Leiterin des Bereichs Wissenstransfer & Hochschulkooperationen am Fraunhofer-Institut für Windenergiesysteme IWES, über die aktuellen Herausforderungen in der Entwicklung.
Frau Nielsen, wo stehen wir gerade beim Thema Wasserstofferzeugung mit „Windstrom“? Gibt es Fortschritte im Vergleich zum Jahr 2022.
Weiterhin werden nahezu null Prozent des Stroms zur Erzeugung von grünem Wasserstoff genutzt, aber wir stehen nicht mehr ganz am Anfang, denn viele haben sich mittlerweile auf den Weg gemacht. Der aktuell in Reallaboren und Versuchsanlagen produzierte grüne Wasserstoff wird weiterhin nur marginal kommerziell vertrieben. Jedoch wurde am 18. Oktober 2023 die RED III verabschiedet. Sie regelt die Ausweisung von Beschleunigungsgebieten und vereinheitlicht die Genehmigungsverfahren. Sie gilt als Meilenstein für die Energiewende.[1] Somit können Wasserstoffprojekte zukünftig schneller erfolgreich umgesetzt werden. [1] http://data.europa.eu/eli/dir/2023/2413/oj
Wie hoch kann der Anteil in Zukunft sein?
Das Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISE prognostiziert in ihren Szenarien über die nächsten drei Dekaden, dass es noch 15 Jahre dauern kann, bis die Wasserstofftechnologien eine größere Relevanz in der Bereitstellung und der Nutzung zukommt.[2] Hierfür müssen wir jetzt den Grundstein legen. Denn es gibt viele Anwendungen, bei denen wir in der Zukunft den Energieträger Wasserstoff als Alternative zu Öl und Gas benötigen. Dabei ist es vorteilhaft, dass sich Wasserstoff über lange Zeit verlustfrei speichern und über weite Strecken transportieren lässt. Momentan gibt es weiterhin noch viel zu wenig grünen Strom für die Elektrolyse, als dass eine Erzeugung großer Mengen zu niedrigen Kosten möglich wäre. Doch nur wenn der Wasserstoff bezahlbar wird, kann auch die Energiewende gelingen. Am Ende müssen die CO2-Emissionen stark und parallel gesetzlich geregelt, reduziert werden. Das gelingt am besten, wenn wir jetzt anfangen auf verschiedenen Wegen interdisziplinär Lösungen zu etablieren. [2] Studie: Wege zu einem klimaneutralen Energiesystem – Die deutsche Energiewende im Kontext gesellschaftlicher Verhaltensweisen (fraunhofer.de)
Welche Fortschritte gibt es denn, die positiv stimmen?
Elektrolysehersteller wie Sunfire GmbH sind seit diesem Jahr in Serienfertigung und vertreiben Dank voller Auftragsbücher ihre Anlagen weltweit. Bestehende Elektrolyseanlagen laufen i.d.R. noch im Forschungs- oder Pilotbetrieb, aber hier werden die Grundsteine für die nachhaltige Energieversorgung von Morgen gelegt.
Die Salzgitter AG betreibt seit 2019 einen Hochtemperatur-Elektrolyseur von Sunfire. Dafür nutzen sie Windenergie aus den Windenergieanlagen auf dem Gelände des Salzgitter-Konzerns und Dampf aus industrieller Abwärme. Der Wasserstoff wird zur Stahlproduktion genutzt. Eine 100 MW-Elektrolyseuranlage der Andritz-Gruppe ist in Auftrag gegeben.[3] Energieeffiziente Wasserstofferzeugung | Projekt GrInHy2.0 (salzgitter-ag.com)
In Lingen wurde im Herbst 2023 eine H2-Pilotanlage von RWE installiert. Sobald der Inbetriebnahmeprozess abgeschlossen ist, wird hier ein PEM-Elektrolyseur von Linde mit einer Leistung von 4 MW und ein Druck-Alkali-Elektrolyseur von Sunfire mit einer Leistung von 10 MW grünen Wasserstoff erzeugen. Als Energiequelle für die Elektrolyse dient Offshore-Windenergie aus der Nordsee. Der Wasserstoff wird in ein örtliches Netz eingespeist und als Brennstoff für Gasturbinen für Kraftwerke genutzt.[4] Pilotanlage H₂-Elektrolyse Lingen | Wasserstoff-Projekt von RWE
In Bad Lauchstädt entsteht derzeit ein Energiepark, der 2025 durch einen europaweit aktiven Erdgashandelskonzern und eine börsennotierte Energiehandelsgesellschaft in Betrieb genommen wird. Hier versorgt ein 50 MW-Windpark einen 30 MW Druck-Alkali-Elektrolyseur des Herstellers Sunfire. Die besonderen örtlichen Gegebenheiten ermöglichen eine Speicherung des erzeugten Wasserstoffs in Salzkavernen und den Transport durch das H2-ready Erdgasnetz der Ontras zu einer Raffinerie in Leuna.[5] Start / Energiepark Bad-Lauchstaedt (energiepark-bad-lauchstaedt.de)
Ein letzter spannendender Grundstein, der aktuell gelegt wird, ist der „Elektrolysekorridor Ostdeutschland“. Dieser ist ein Teilprojekt im Rahmen von „Doing Hydrogen“ hinter dem neben ENERTRAG ein großes Firmenkonsortium steht. Geplant ist hier die großtechnische Produktion von grünem Wasserstoff entlang einer geplanten Wasserstoff-Pipeline durch Mecklenburg-Vorpommern, Brandenburg, Berlin, Sachsen-Anhalt und Sachsen mit einer Gesamtleistung von mindestens 210 MW.[6] Elektrolyskorridor Ostdeutschland | ENERTRAG
Der aktuelle Stand der angekündigten Elektrolysekapazitäten bis 2030 beläuft sich laut dem Wasserstoff Kompass auf eine kumulierte stromseitige Elektrolyseleistung von 4,3 GW, was knapp 50% der im Koalitionsvertrag vereinbarten Zielvorgabe (10 GW) entspricht. Schließt man undatierte Projekte in die Betrachtung mit ein, so erhöht sich die angekündigte stromseitige Elektrolyseleistung auf 7,6 GW.[7] Erzeugungskapazitäten | Wasserstoff Kompass (wasserstoff-kompass.de)
Das sind gute Aussichten für den Wasserstoff-Standort Deutschland. Welche Ansätze zur Gewinnung von grünem Wasserstoff gibt es noch?
Ein weiterer vielversprechender Ansatz für einen nachhaltigen Einsatz von Elektrolyseuren bietet die Möglichkeit, diese mit Kläranlagen zu kombinieren. Die Stadt Hannover identifiziert Kläranlagen mit etwa einem Fünftel des Gesamtenergiebedarfs als größten Energieverbraucher einer städtischen Gemeinde und möchte mit einem innovativen Verbundprojekt einen effizienteren Betrieb der Kläranlage erreichen. Das Ziel ist, durch die Kopplung von Sektoren Energieeinsparungen zu erzielen und damit lokale Infrastruktur effizienter zu nutzen. Der erste geplante Schritt ist der Ausbau der erneuerbaren Energien, um den besagten grünen Strom zu produzieren. Damit wird dann über eine Elektrolyseanlage Wasserstoff und als Nebenprodukte (Ab-)Wärme und Sauerstoff produziert. Die Wärme soll in das örtliche Fernwärmenetz eingespeist werden. Der Wasserstoff dient als Treibstoff für die Busse des städtischen ÖPNV und der Sauerstoff kann gleich zwei Funktionen erfüllen: Die offensichtliche ist, den Sauerstoff für die biologische Abwasserreinigungsstufe zu nutzen. Nach dem Stand der Technik werden die für den Prozess benötigten Mikroorganismen mit Luft (mit lediglich 21% Sauerstoffgehalt) versorgt. Substituiert man jedoch mit reinem Sauerstoff, können die Mikroben effizienter arbeiten und es wird weniger Energie für die Pumpen zur Belüftung der Becken benötigt. Somit wird an dieser Stelle grüner Strom gespart.
Die zweite Funktion des Sauerstoffs gewinnt an Relevanz in Hinblick auf eine neue EU-Richtlichtlinie. Hiernach werden alle Städte und Gemeinden mit mehr als 100.000 Einwohner*innen ab dem Jahr 2035 verpflichtet, eine weitere vierte Reinigungsstufe in der Abwasserklärung einzuführen, die sogenannte Ozonisierung. Bei dieser neuen zusätzlichen Reinigungsstufe des Abwassers werden effizient Pharmaka und Pflanzenschutzmittel aus dem Abwasser entfernt.[8] Hannover plant den Aufbau einer regionalen Wasserstoffherstellung | Wasserstoff: So werden aus Kläranlagen grünen Fabriken (handelsblatt.com)
Über die nationalen Projekte hinaus gibt es viele Vorhaben in dünn besiedelten Regionen mit sehr guten Wind- und Solarressourcen für die Herstellung und den Export von Wasserstoff oder entsprechenden Energieträgern. Es bleibt aber dabei, dass die Produktion von grünem Wasserstoff in großen Mengen direkt abhängig ist vom Ausbau der Wind- und Solarenergie!
Was ist technisch alles nötig zur Erzeugung und wie groß muss eine Anlage sein?
Benötigt werden: Eine Wasseraufbereitung, ein Elektrolyseur, eine Wasserstoffnachbereitung, ein Rohrsystem, ein Wasserstoffspeicher, Leistungselektronik, Regelung und Nebenaggregate wie Pumpen und Verdichter – und vor allem grüner Strom. Die Größe des Elektrolyseurs bestimmt die Größe der anderen Komponenten. Die Systeme können modular aufgebaut werden und damit beliebig an den regionalen oder überregionalen Bedarf angepasst werden. Große Anlagen bestehen aus Elektrolyseuren mit 1 MW bis 10 MW, noch größere Systeme sind in der Entwicklung.
Wie stark beeinflusst der stagnierende Ausbau der Windenergieanlagen die Erzeugung von Wasserstoff?
Sehr, da die momentan hohen Strompreise (kaum) eine Wasserstofferzeugung zulassen. Wir brauchen in jedem Fall mehr Windenergie- und Photovoltaikkapazitäten, damit der steigende Strombedarf (z.B. für die Elektrifizierung des Verkehrssektors) abgedeckt wird und außerdem grüner Strom für die Produktion von grünem Wasserstoff als Energiespeicher für die Bereiche, die mit grünem Strom nicht betrieben werden können, zur Verfügung steht.
Wie aufwendig ist die Erzeugung aus Windenergie im Vergleich zu herkömmlichen Methoden?
Die Erzeugung von Wasserstoff über einen Elektrolyseur mit Windenergie oder einer anderen erneuerbaren Technologie ist in erster Linie nachhaltiger als etwa der konventionelle Weg über die Dampfreformierung von Erdgas. Dampfreformer sind zudem in der Regel große, zentrale Anlagen, ein wesentlicher Unterschied zu den modularen, überall einsetzbaren Elektrolyseuren. Der entscheidende Nachteil bei der Dampfreformierung des Erdgases ist, dass dabei in großem Umfang das klimaschädliche CO2 erzeugt wird. Zwar kann das CO2 im Abgas abgeschieden werden, dadurch wird aber zusätzliche Energie benötigt und die Abscheidung ist unvollständig. Außerdem entweicht bei der Förderung, dem Transport und der Speicherung des für den Prozess notwendigen Erdgases das klimaschädliche Methan in die Atmosphäre. Hinzu kommt, dass das Erdgas größtenteils importiert werden muss – was einer politisch unabhängigen Energieversorgung entgegenwirkt.
Wie hoch ist der Wirkungsgrad derzeit? Und was ist ein realistisches Ziel?
Der Wirkungsgrad beträgt bei den verschiedenen Elektrolyseurtypen bis zu 68%, alkalische Elektrolyse ist dabei etwas effektiver als PEM. Wenn Dampf mit hoher Temperatur vorhanden ist, sind Hochtemperaturelektrolyseure noch effizienter.[9] Clean Hydrogen JU – SRIA Key Performance Indicators (KPIs) (europa.eu)
Beim Wirkungsgrad der Elektrolyseure gibt es noch ein paar Prozent Verbesserungspotenzial in der Technologie- wie auch auf der Systemebene. Dazu forschen wir auf unseren Wasserstoff-Testfeldern, den Hydrogen Labs, am Fraunhofer IWES in Bremerhaven, Leuna und Görlitz.[10] IWES_Datenblatt_HLB_de.pdf (fraunhofer.de) Auf der Materialebene wird ebenfalls weiter optimiert, daran arbeiten zum Beispiel unsere Kolleginnen und Kollegen vom Fraunhofer IMWS.
Wie viel Strom ist erforderlich, um 1 kg Wasserstoff herzustellen?
Theoretisch braucht man für die Herstellung von 1 kg Wasserstoff 42 kWh. Praktisch braucht man aber bei einem PEM-Elektrolyseur durch die benötigte Energie zum Dauerbetrieb des Elektrolyseurs und aller Nebenkomponenten 55 kWh.
Wie können wir das Potenzial von Wasserstoff nutzen und die Energiewende vorantreiben?
Wasserstoff ist zwar für bestimmte Branchen wie z.B. Chemie nichts neues. Grundsätzlich sind die Eigenschaften gut erforscht und das Potenzial klar. In der Umsetzung, vor allem als Energieträger hat es bisher gehapert und da ist man aus den oben genannten Gründen nicht schnell genug vorangekommen. Nun, haben sich jedoch Rahmenbedingungen geändert und die Einsatzszenarien auch. Was noch fehlt neben den technischen Fortschritten bei den Elektrolyseuren, ist der Aufbau einer Wasserstoffwirtschaft mit Planer*innen, Ingenieur*innen, Techniker*innen und vielen weiteren Fachkräften, die in der gesamten Wertschöpfungskette involviert sind. Dazu benötigen wir Aufklärung, Informationen und vor allem Kompetenzaufbau. Fach- und Führungskräften sollen die Fähigkeiten erlangen, Wasserstoffprojekte konkret zu planen und umzusetzen. Es bedarf zusätzlicher Anstrengungen, um gezielt Kompetenzen aufzubauen und notwendige Qualifizierungsprozesse zu etablieren, sowohl in der dualen Ausbildung als auch und vor allem in der Beruflichen Weiterbildung.
Unsere Expertin im Interview
Telsche Nielsen
Leiterin des Bereichs Wissenstransfer & Hochschulkooperationen am Fraunhofer-Institut für Windenergiesysteme IWES
Mehr über das Fraunhofer IWES und die Forschungsarbeit des Instituts unter www.iwes.fraunhofer.de
Wasserstoff-Forschung bei Fraunhofer
