Wasserstoff

Wasserstoff

Definition

Arten von Wasserstoff

Abbildung 1: vgl. IKEM (12/20): Wasserstoff - Farbenlehre. Rechtswissenschaftliche und rechtspolitische Kurzstudie

• Die Herstellung von Wasserstoff kann auf unterschiedlichen Wegen erfolgen und verursacht unterschiedliche ⁠Treibhausgas⁠- und Schadstoffemissionen, Energie- und Ressourcenverbräuche. Je nach Herstellungsart unterscheidet man verschiedene Arten von Wasserstoff, die in Abbildung 1 dargestellt sind. Die geläufigsten Arten sind hierunter aufgelistet.
• Grauer Wasserstoff wird aus fossilen Energien hergestellt. Ein Verfahren ist das derzeit in der Industrie eingesetzte „Steam reforming“ (Dampfreformierung).
• Blauer Wasserstoff wird wie grauer Wasserstoff in der Regel mit fossilen Energieträgern hergestellt. Hier wird allerdings das anfallende Kohlendioxid (CO₂) aufgefangen und unterirdisch gespeichert (Carbon Capture and Storage - ⁠CCS⁠).
• Türkiser Wasserstoff entsteht bei der thermischen Spaltung von Methan (Methanpyrolyse), vornehmlich von Erdgas. Wenn der feste Kohlenstoff danach dauerhaft gebunden wird, gilt das Verfahren als CO₂-neutral.
• Grüner Wasserstoff wird ausschließlich mit Strom aus erneuerbaren Energien erzeugt. Bei der Wasserstoffelektrolyse wird unter Einsatz von Strom das Wasser (H₂O) in Wasserstoff (H₂) und Sauerstoff (O₂) gespalten.

Einsatz von Wasserstoff in der chemischen Industrie

• Grüner Wasserstoff ist ein zentraler Baustein für das Erreichen der globalen Klimaschutz-Ziele. Die Chemieindustrie hat schon jetzt einen hohen Wasserstoffbedarf von 1 Mio. t, welcher zurzeit hauptsächlich durch grauen Wasserstoff gedeckt wird. Die wichtigsten industriellen Abnehmer von Wasserstoff sind laut Nationalem Wasserstoffrat die Stahl- und die Chemieindustrie, wobei Wasserstoff vor allem in der Ammoniakproduktion und als Energieträger zum Einsatz kommt.
• Eine Elektrifizierung ist nicht in jedem chemischen Prozess möglich, da Materialien nicht nur als Energieträger, sondern als Rohstoffe für Produktionsverfahren zum Einsatz kommen. Wasserstoff bietet sich in diesen Branchen an, da er sowohl als emissionsarmer Energieträger als auch stofflich verwendet werden kann. So kann er energetisch die in der Industrie vorherrschenden fossilen Energieträger ersetzen. In stofflichen Prozessen ist Wasserstoff beispielsweise ein notwendiger Co-Faktor für die Umwandlung von CO₂ in treibhausneutrale Kohlenwasserstoffe (grünes Naphta) oder zur Herstellung von Basischemikalien wie Methanol erforderlich.

Status Quo der Forschung

• Für die Einführung einer klimaneutralen Kreislaufwirtschaft bedarf es verschiedener Technologien und Prozesse, sowie neben der Nutzung von Wasserstoff ebenso der Etablierung einer Kohlenstoffwertschöpfungskette. Insbesondere in der chemischen Industrie hat sich über viele Jahre ein Gesamtsystem aus Stoff- und Energieverbünden etabliert. Bei der Transformation dieses Systems können nicht nur fossile Prozesse und Technologien durch erneuerbare ersetzt werden. Schlussendlich muss wieder ein funktionierendes Gesamtsystem etabliert werden, in dem Nebenflüsse im Kreislauf genutzt und Effizienzen maximiert werden.
• Um dies zu erreichen, gibt es noch viel Forschungs- und Entwicklungsbedarf. Der Nationale Wasserstoffrat hat dazu 2022 ein Informationspapier veröffentlicht, in dem Bedarfe unter anderem in den Bereichen Prozesssteuerung und -optimierung (bspw. durch die Nutzung von anfallender Abwärme bei der Wasserstoffproduktion), Speichertechnologien, Materialforschung (bspw. Dichtungsmaterialien und -konzepte oder Ersatz seltener und bedenklicher Materialien) oder Integration der Hochtemperaturelektrolyse in thermische Prozessketten aufgezeigt werden.

Fraunhofer-Institut für Windenergiesysteme (IWES)

Das Fraunhofer IWES sichert Investitionen in technologische Weiterentwicklungen durch Validierung ab, verkürzt Innovationszyklen, beschleunigt Zertifizierungsvorgänge und erhöht die Planungsgenauigkeit durch innovative Messmethoden im Bereich der Wind- und Wasserstofftechnologie. Derzeit sind mehr als 300 Wissenschaftler*innen und Angestellte sowie über 100 Studierende an neun Standorten beschäftigt: Bochum, Bremen, Bremerhaven, Görlitz, Hamburg, Hannover, Leer, Leuna und Oldenburg. 2021 betrug der Betriebshaushalt 38 Mio. Euro.

Dank weitreichender förderpolitischer Unterstützung konnten seit der Gründung im Jahr 2009 einzigartige Prüfstände, z.B. für Rotorblätter, Triebstränge und Tragstrukturen, Lager und Hauptwellen, sowie eine Messinfrastruktur und Labore aufgebaut werden. Zudem erforscht das Fraunhofer IWES systematisch das Zusammenspiel von Windenergie- und Wasserstoff-Erzeugung, Rückverstromung sowie Netzintegration und schafft weitreichende Synergien.

Das Test-Portfolio wurde in enger Zusammenarbeit mit führenden Industrieunternehmen entwickelt, die von der Konzeptionsphase die Entwicklung von Testmethoden und -abläufen begleitet haben. Die Kombination einer weltweit einmaligen Prüfinfrastruktur mit Methodenkompetenz zeichnet das IWES als Forschungspartner für Unternehmen in aller Welt aus. Durch die Beteiligung an internationalen Fachgremien ist das Institut ein aktiver Wegbereiter für Technologieentwicklungen und Qualitätssicherung in der Windindustrie.

Im Mitteldeutschen Chemiedreieck hat die Fraunhofer-Gesellschaft mit der Inbetriebnahme des vom Land Sachsen-Anhalt und der EU geförderten Hydrogen Lab Leuna (HLL) den Startschuss für eine neue Generation der Testinfrastruktur gegeben. Eingebettet in den Stoffverbund des Chemieparks Leuna bietet das HLL vier Teststände plus Technikum für Elektrolyseure bis 5 MW, die mit deionisiertem Wasser, Dampf, Druckluft, Stickstoff, Wasserstoff und CO₂ versorgt sind. Der produzierte grüne Wasserstoff wird vor Ort analysiert, aufbereitet und direkt in die 157 km lange H₂-Pipeline eingespeist, von wo aus er zu den Industriestandorten der Region verteilt und dort in chemischen Prozessen verwendet wird. Das Fraunhofer IWES ist Besitzer und Betreiber der Anlage.

Am Standort in Leuna nimmt das IWES neben seinen Forschungsaktivitäten auch eine Mittlerrolle ein. Es ist sowohl im Bereich Industrie und Politik als auch im Bereich Forschung in die Region Mitteldeutschland eingebunden. So gibt es neben den Projektpartnern eine enge Zusammenarbeit mit verschiedenen Netzwerken wie bspw. HYPOS und der Metropolregion Mitteldeutschland, dem Nationalen Wasserstoffrat sowie regionalen Hochschulen und Universitäten. Das Institut nutzt seine Expertise und seine Netzwerkposition, um auch in Zukunft, anwendungsorientiert Wasserstofftechnologien zu erforschen.

Weitere Informationen

• Hydrogen Lab Leuna (Testinfrastruktur entlang der Wasserstoffwertschöpfungskette): Hydrogen Lab Leuna (fraunhofer.de)
• Strategisches Forschungsfeld Wasserstofftechnologien der Fraunhofer-Gesellschaft (Status Quo und Wissenswertes aus der angewandten Forschung): Wasserstofftechnologien (fraunhofer.de)
• Wasserstoffatlas OTH Regensburg (Interaktive Karte für einen Überblick über Wasserstoff-Erzeugungspotentiale): Wasserstoffatlas

Legislative Leitlinien

• Europäische Kommission (2020): Eine Wasserstoffstrategie für ein klimaneutrales Europa
• Key Action EU Hydrogen Strategy: Key actions of the EU Hydrogen Strategy (europa.eu)
• Nationale Wasserstoffstrategie der Bundesregierung: Nationale Wasserstoffstrategie 
• Wasserstoffstrategie von Sachsen-Anhalt: Wasserstoffstrategie für Sachsen-Anhalt
• Wasserstoffstrategie Sachsen: Wasserstoffstrategie für Sachsen
• Wasserstoffrat (Beratungsgremium der Bundesregierung): Nationaler Wasserstoffrat

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