Wasserstoff-Technologien

Die Fraunhofer-Kompetenzen umfassen Material und Systeme sowie deren Produktion, die Anwendung in der Energiewirtschaft, in Industrie und Mobilität wie auch die Querschnittsthemen Sicherheit und Lebensdauer.

Kompetenz für das Wasserstoff-Zeitalter

Möchte Deutschland die gesetzten Klimaziele erreichen, sind Wasserstofftechnologien unausweichlich. Das gilt nicht nur, aber vor allem im Bereich der Industrie. Daher gibt es seitens der Unternehmen zahlreiche Anstrengungen, etablierte Produktionsprozesse auf Wasserstoff umzustellen und langfristig auf eine Wasserstoffwirtschaft hinzuwirken. Vielversprechend ist der Einsatz von Wasserstoff vor allem in Herstellungsverfahren, bei denen viel Kohlenstoffdioxid entsteht. Dort bietet Wasserstoff verschiedene Ansätze zur Defossilisierung der Produktionskette. Aufgabenstellung ist dabei, die Umstellung wirtschaftlich und nachhaltig zu gestalten.

© Fraunhofer UMSICHT

Klimaneutrale industrielle Prozesse

Im Oberhausener Carbon2Chem-Labor arbeitet Fraunhofer an der Produktion von Basischemikalien aus Industrieabgasen und H2.

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Balance im Energiesystem

Wasserstoff hilft, Schwankungen der regenerativen Stromerzeugung abzufedern.

© Fraunhofer ISE

Verkehr ohne fossile Treibstoffe

Solare Wasserstofftankstelle

© Fraunhofer IWM

Sicherheit und Verlässlichkeit: Standards, Prüfung, Lebenszyklus

Bruchfläche bei Wasserstoffversprödung

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Vom Material zum System: die technische Basis

Prototyp eines PEM-Druckelektrolyseurs.

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Hohe Zahlen, große Größen: Produktion der Systeme

Herstellung von Umformwerkzeugen für Bipolarplatten.

Ausblick

Die Diskussion um den Klimawandel hat das Thema Nachhaltigkeit nochmals stärker ins Zentrum der Diskussion gerückt. Auf viele Fragen liefert Wasserstoff eine wichtige Antwort. Er dürfte daher zum Schlüsselmolekül der Energie- und Rohstoffwende werden.

Der Bedarf für Wasserstofftechnologien liegt auf der Hand: Da ist zunächst die Energieversorgung, wo es immer stärker darum geht, Energie flexibel zwischenzuspeichern, wenn sie in großen Mengen erzeugt werden kann, und ins System zurückzuspeisen, wenn Sonne und Wind sich rarmachen. Wenn die Klimaziele erreicht werden sollen, muss die regenerative Energieerzeugung konsequent ausgebaut werden. Aber erst die Kopplung mit Wasserstofftechnologien macht diesen Ausbau überhaupt sinnvoll. Zehn-Megawatt-Elektrolyseure können Angebot und Nachfrage sehr schnell ausgleichen und werden künftig eine wichtige Regelgröße im Netz sein.

Für eine Reduktion des CO2-Ausstoßes um 95 Prozent reicht der Umstieg auf regenerative Energiequellen nicht aus. Industrielle Prozesse sollen »defossiliert« und die Rohstoffbasis soll auf erneuerbare Ressourcen umgestellt werden. Damit werden in rascher Folge weitere Wasserstofflösungen ökologisch sinnvoll und wirtschaftlich interessant. So soll beispielsweise der CO2-Fußabdruck von Stahlkonzernen bereits ab 2021 durch den Einsatz von Wasserstoff reduziert werden, bis 2050 soll es gar möglich sein, CO2-neutralen Stahl herzustellen. Wenn COaus hochkonzentrierten Gasströmen entfernt und mithilfe von Wasserstoff in Basischemikalien wie Methanol umgewandelt wird, verbessert dies die Klimabilanz industrieller Prozesse und bedeutet gleichzeitig den Einstieg in eine Produktion, die unabhängig von fossilen Ressourcen ist. Langfristig kann sogar das CO2 aus der Luft mit Wasserstoff umgewandelt und als Rohstoff genutzt werden, was die globalen Kohlenstoffkreisläufe schließen würde. Auch in Verkehr und Transport wird Wasserstoff zur Klimaneutralität beitragen, gerade dann, wenn direkt-elektrifizierte Lösungen keine Option darstellen.

Wie schätzen Experten die künftige Entwicklung von Wasserstofftechnologien ein? Solchen Fragen widmet sich das 2017 gegründete Hydrogen Council, an dem sich weltweit 53 Unternehmen beteiligen – darunter Linde, Daimler, Audi, Bosch und BMW. Dieses geht davon aus, dass bis 2050 18 Prozent des globalen Energiebedarfs durch Wasserstoff gedeckt werden können, was einer jährlichen Vermeidung von sechs Gigatonnen CO2-Ausstoß gleichkommt. Eine Fraunhofer-Studie kommt zu dem Ergebnis, dass Deutschland 2050 bis zu 800 Terawattstunden Wasserstoff benötigen könnte, wenn die Potenziale ausgeschöpft werden und etwa auch der Schiffs- und Flugverkehr auf Wasserstoff und daraus erzeugten synthetischen Treibstoffen basiert (Studie vom Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISE, 2019). Eine Elektrolyse-Kapazität von 80 Gigawatt erscheint in Deutschland möglich, aber selbst dies wird nur einen Teil der Nachfrage decken können.

Somit ist klar, dass die Wasserstoffwirtschaft von Anfang an eine internationale Dimension hat: Viele Regionen in der Welt bereiten sich auf den Handel mit nachhaltig erzeugten Energieträgern und Basischemikalien vor, was für Deutschland neue Energiepartnerschaften jenseits der bisherigen fossilen Energieimporte ermöglicht. So beginnt beispielsweise Saudi-Arabien damit, große Photovoltaik-Parks für den Export von Wasserstoff zu planen und zu bauen. Auch Norwegen, Australien, Chile, die Vereinigten Arabischen Emirate oder Marokko setzen verstärkt auf Wasserstoff. Japan nimmt international eine Vorreiterrolle beim Aufbau einer Wasserstoffwirtschaft ein: Seit 2017 hat das Land eine Wasserstoffstrategie, für die jährlich rund 300 Mio € zur Verfügung stehen. Für deutsche Unternehmen bedeutet dies, dass für Wasserstofftechnologien attraktive Märkte weltweit entstehen.

Wichtig ist, heute die Weichen zu stellen. Denn wenn auch der Bedarf an Wasserstoff in den kommenden Jahren erst allmählich ansteigt, müssen jetzt die Technologien optimiert, die Standards gesetzt und die Infrastrukturen aufgebaut werden. Bis Ende der 20er-Jahre muss Deutschland in der Wasserelektrolyse bereits Zuwachsraten von etwa einem Gigawatt pro Jahr erreichen. Nur so kann die Klimawende gelingen und Deutschland gleichzeitig seine wirtschaftliche Leistungsfähigkeit sichern und seine Chancen als Technologie-Exporteur wahren. Die Fraunhofer-Institute stehen bei solchen Herausforderungen sowohl der Industrie als auch der Politik als kompetenter Partner zur Seite: Sie entwickeln nicht nur die notwendigen Technologien, sondern erstellen auch Studien zur Marktentwicklung und zur Nachhaltigkeit. Zahlreiche Länder stehen in den Startlöchern, um die Wasserstoffwirtschaft anzukurbeln. Daher ist es auch in Deutschland an der Zeit, die entsprechenden Technologien zur Marktreife zu bringen. 

Broschüre

Kompetenz für das Wasserstoff-Zeitalter

 

Eine Wasserstoff-Roadmap für Deutschland

Im Oktober 2019 erarbeiteten vier Institute aus dem Fraunhofer-Wasserstoff-Netzwerk eine Wasserstoff-Roadmap für Deutschland, als Diskussionsbeitrag zur Vorbereitung der »Nationalen Wasserstoff-Strategie« der Bundesregierung.
 

 

 

Seit 2020 schließt die neue Fraunhofer-Einrichtung für Energieinfrastrukturen und Geothermie IEG die Portfoliolücke bei der sektorübergreifenden Betrachtung von Energieinfrastrukturen. Die Einrichtung integriert das Geothermiezentrum Bochum, ist an den drei Hauptstandorten Cottbus, Bochum und Jülich beheimatet und in Zittau gibt es eine Außenstelle.

Zahlreiche Schritte auf dem Weg zu einer nachhaltigen, effizienten und emissionsarmen Kohlenstoff-, Kreislauf- und Wasserstoffwirtschaft sind bereits gemacht. Künftig wird ein neues verfahrenstechnisch orientiertes Fraunhofer-Institut für Wasserstoff- und Kohlenstoff-Prozesstechnik in Mitteldeutschland den Transformationsprozess der Industrie zu einer nachhaltigen Kreislaufwirtschaft begleiten.

 

Perspektive H2 – So bleiben wir mobil

Corona hat gezeigt, wie schnell sich Verkehrsgewohnheiten ändern. Beginnt jetzt das Zeitalter des Wasserstoffs?

Aktuelles

»Grüner« Wasserstoff als Impulsgeber für eine nachhaltige Chemieindustrie

Fraunhofer IMWS | 6.8.2020

Wasserstoff ist das Schlüsselelement zur Etablierung einer nachhaltigen Chemieindustrie. Mit der Elektrolysetest- und -versuchsplattform ELP in Leuna, für die heute der feierliche erste Spatenstich erfolgte, übernimmt Sachsen-Anhalt eine Pionierrolle beim Erreichen dieses Ziels. Die Pilotanlage wird Grünen Wasserstoff zur emissionsarmen Herstellung von Grundchemikalien und Kraftstoffen produzieren, das Fraunhofer-Zentrum für Chemisch-Biotechnologische Prozesse CBP in Leuna und das Fraunhofer-Institut für Mikrostruktur von Werkstoffen und Systemen IMWS in Halle (Saale) bündeln dazu ihre Kräfte.

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Spezial-Beschichtung schützt Stahl vor »Angriff« durch Wasserstoff

Fraunhofer IWM | 27.7.2020

Regenerativ erzeugter Wasserstoff ist ein idealer Energieträger, der künftig in Brennstoffzellen und Autos zum Einsatz kommen soll und Erdgas als Energielieferant ergänzt. Doch kann atomarer Wasserstoff bei hohen Temperaturen Metall verspröden lassen. Lukas Gröner vom Fraunhofer IWM, MikroTribologie Centrum µTC, hat jetzt eine robuste Beschichtung entwickelt, die Stahl wirkungsvoll vor dem Eindringen von Wasserstoff schützt. Die Barrierewirkung dieser sogenannten MAX-Phasen-Schicht ist 3500-mal größer als die von unbehandeltem Stahl. Die Ergebnisse seiner Arbeit hat er in der Zeitschrift Materials (doi: 10.3390/ma13092085) veröffentlicht.

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Projekt »Grüner Wasserstoff für Bremerhaven« startet

Fraunhofer IWES | 17.6.2020

Windenergie in Form von Wasserstoff speichern, ein Elektrolyseur-Testfeld aufbauen und fünf Anwendungsfälle erproben: das Modellprojekt »Grüner Wasserstoff für Bremerhaven«, gefördert mit 20 Millionen Euro vom Land Bremen und der Europäischen Union (EFRE), ist nun offiziell gestartet. Die Forschungspartner Fraunhofer-Institut für Windenergies«ysteme IWES, Hochschule Bremerhaven und Technologie-Transfer-Zentrum (ttz) Bremerhaven legen in zwei Jahren Projektlaufzeit damit den Grundstein für ein »Kompetenzzentrum Wasserstoff« in der Seestadt.

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Globale Führungsrolle bei Wasserstofftechnologien sichern

Bundesregierung verabschiedet Nationale Wasserstoffstrategie und beruft Nationalen Wasserstoffrat

BMBF Presseinformation 10.6.2020

Fraunhofer identifiziert Kernpunkte für den Aufbau einer nachhaltigen Wasserstoffwirtschaft

Der Ausbau von Wasserstofftechnologien über die Nationale Wasserstoffstrategie ist für eine nachhaltige Zukunftsfähigkeit der deutschen und europäischen Wirtschaft zwingend erforderlich. Dabei ist es entscheidend, jetzt die Grundlage für eine CO2-neutrale Wasserstoffwirtschaft zu legen, um dadurch das Erreichen der Klimaziele zu ermöglichen und die hiesige Wirtschaft optimal auf das kommende Wasserstoff-Zeitalter vorzubereiten. Die Expertise der Fraunhofer-Gesellschaft in Bezug auf Wasserstofftechnologien haben Fraunhofer-Expertinnen und -Experten seit vielen Jahren in zahlreichen erfolgreichen Projekten eingebracht und umgesetzt. Dadurch konnten sie auch zentrale Herausforderungen identifizieren, die es zu bewältigen gilt, um die Innovations- und Wettbewerbsfähigkeit Deutschlands im Kontext der Defossilisierung langfristig zu stärken sowie die industrielle Wertschöpfung hierzulande zu erhalten und auszubauen.

Presseinformation Fraunhofer-Gesellschaft, 2. Juni 2020

Grüne Wasserstoffproduktion in Biogasanlagen

In dem Forschungsprojekt »HyPerFerment« will das Fraunhofer IFF in Magdeburg mit weiteren Partnern ein neues Verfahren zur mikrobiologischen Wasserstofferzeugung entwickeln. Ziel der Forscher ist es, diesen »grünen« Wasserstoff in industriellem Maßstab in Biogasanlagen zu erzeugen. So soll deren Wirkungsgrad erhöht und die dezentrale Versorgung mit regenerativ erzeugter Energie verbessert werden.

Presseinformation Fraunhofer IFF, 5. März 2020

Fraunhofer Strategisches Forschungsfeld Wasserstoff-Technologien

Wasserstoff-Technologien nehmen eine Schlüsselposition bei der Transformation der Industrie in Richtung einer nachhaltigen Wertschöpfung ein und sind zentral für die strategische Planung der Zukunftsfähigkeit des Industriestandorts Deutschland. Die Fraunhofer-Kompetenzen umfassen Material und Systeme sowie deren Produktion, die Anwendung in der Energiewirtschaft, in Industrie und Mobilität wie auch die Querschnittsthemen Sicherheit und Lebensdauer.

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