Wasserstofftechnologien 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.
Soll es Deutschland gelingen, seinen Beitrag zum Erreichen des Ziels des Pariser Abkommens zu leisten, die Erderwärmung im Vergleich zum vorindustriellen Zeitalter auf deutlich unter zwei Grad Celsius zu begrenzen, bedarf es großer Anstrengungen für eine weitreichende Defossilisierung. Denn um den CO2-Ausstoß nachhaltig zu senken, ist es notwendig, neue CO2-neutrale Technologien auszubauen, weiterzuentwickeln und in die flächendeckende Anwendung zu überführen. Wasserstoff-Technologien stellen hierbei ein tragendes Element dar. Das gilt neben der Mobilität vor allem im Bereich der Industrie. Denn außer als Energieträger hat Wasserstoff auch als chemischer Rohstoff viel zu bieten – für das Klima und die Zukunft unseres Industriestandorts.
Entscheidend ist es, 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. Für die Umsetzung der Wasserstoff-Technologien in die Praxis ist Fraunhofer ein zentraler strategischer Partner von Politik und Wirtschaft. Ihre Expertise in diesem wichtigen Forschungsfeld haben Fraunhofer-Expertinnen und -Experten seit vielen Jahren in zahlreichen erfolgreichen Projekten eingebracht und umgesetzt, wissenschaftliche Lösungsansätze vorangetrieben und auf den Markt gebracht.
Beim Wasserstoff kann Deutschland als Land der Ingenieure und Anlagenbauer jetzt noch eine führende Rolle übernehmen, da der Markthochlauf weltweit gerade erst beginnt. Die Fraunhofer-Institute werden mit ihren Kompetenzen den Technologien hierfür den Weg in die Praxis bahnen und Deutschlands Wettbewerbschancen erhöhen.
Der Nationale Wasserstoffrat der Bundesregierung handelt als unabhängiges, überparteiliches Beratungsgremium und besteht aus derzeit 25 hochrangigen Expertinnen und Experten aus der Wirtschaft, Wissenschaft und Zivilgesellschaft.
Die Fraunhofer-Gesellschaft ist im Wasserstoffrat durch Frau Dr.-Ing. Sylvia Schattauer, Institutsleiterin des Fraunhofer IWES, vertreten. Sie hat den Vorsitz der Arbeitsgruppe 1 − Forschung und Entwicklung − gemeinsam mit Herrn Dr.-Ing. Stefan Spindler (Vorstand Industrie der Schaeffler AG) − inne.
Zentrale Aufgabe ist es aktuell, die zukünftigen technologischen Forschungs- und Entwicklungsbedarfe zu ermitteln und konkrete Handlungsempfehlungen abzuleiten. Positionspapiere stehen zum Download auf der Internetseite bereit:
Mit dem Aufbau und Betrieb von drei Hydrogen Labs entsteht erstmalig eine digital vernetzte Infrastruktur mit Test- und Qualifizierungskapazitäten von Elektrolyse- und Brennstoffzellensysteme. Sie verfügt insgesamt über 26 Megawatt Elektrolyseleistung.
Die Hydrogen Labs in Leuna, Görlitz und Bremerhaven werden digital miteinander verknüpft sein und die gesamte Wasserstoff-Wertschöpfungskette abdecken. Es sind Testfelder zur Überprüfung von Effizienz und Dauerhaftigkeit des Betriebs von Elektrolyseuren in Verbindung mit erneuerbaren Energien.
Qualifizierte Untersuchungen reduzieren das Risiko des Upscalings von Elektrolyseuren in neue Leistungsklassen − und fördern damit einen schnellen Markthochlauf. Die Einrichtungen werden betrieben vom Fraunhofer IWES, das Hydrogen Lab Görlitz gemeinsam von Fraunhofer IWU und Fraunhofer IWES.
Die Hydrogen Labs ermöglichen erstmals eine sektorübergreifende Modellierung von der windbasierten Energieerzeugung bis zur Wirkung und dem Zusammenspiel großer regionaler Energieerzeugungs-, Speicher- und Verbrauchereinheiten.
Im BMBF-geförderten Projekt H2Mare untersuchen Partner aus Forschung und Industrie die Offshore-Erzeugung von Grünem Wasserstoff und Power-to-X-Produkten. Es werden Möglichkeiten gesucht, um die Wasserstofferzeugung effizienter zu machen - zum Beispiel durch die Nutzung der Abwärme aus der Elektrolyse zur Meerwasser-Entsalzung. Dazu wird eine spezielle Testinfrastruktur errichtet, die auf dem Hydrogen Lab Bremerhaven (HLB) aufbaut. Damit können die Auswirkungen der Offshore-Bedingungen in der Upscaling-Kette von Zell- bis Megawattsystem unter die Lupe genommen werden.
www.hydrogen-labs.fraunhofer.de
www.wasserstoff-leitprojekte.de (BMBF)
Einen Engpass auf dem Weg zur Wasserstoffgesellschaft stellt die heute noch stark auf Manufakturbetrieb basierende Fertigung von Elektrolyseuren dar. Das Projekt H2GIGA soll eine automatisierte Großfertigung der Elektrolyseure ermöglichen: Als einer von 24 Verbünden bringt der einzige Fraunhofer-Verbund `FRHY – ReferenzFabrik für hochratenfähige Elektrolyseur-Produktion seine Expertise in das Projekt ein. Hier beteiligen sich – koordiniert vom Fraunhofer IWU – das Fraunhofer IPT, das Fraunhofer IPA, das Fraunhofer ENAS und das Fraunhofer IWES.
Die vorrangige Aufgabe von FRHY liegt im Aufbau einer Referenzfabrik, in der neue Produktionsverfahren für Elektrolyseure entwickelt und geprüft werden können, um letztlich die Fertigungskosten von Elektrolyseuren um mehr als ein Fünftel zu senken.
HyTrA steht für »Hydrogen Tryout Areal«, das in Stellenbosch/Südafrika durch die Projektpartner Texulting GmbH und Fraunhofer IWU Chemnitz aufgebaut werden soll. Zentrale Komponente ist hier ein speziell für den afrikanischen Markt konzipiertes, robustes und kostengünstiges Microgrid (HyGrid), in dem ein Elektrolyseur zur Wasserstofferzeugung und eine Brennstoffzelle zur Rückverstromung kompakt kombiniert werden. Diese neuartige Lösung bildet den Mittelpunkt des Wasserstoff-Biotops, das zudem über ein Technologie-Schaufenster (HyWindow) verfügt. Somit sollen potenzielle Einsatzfelder eruiert und bei einheimischen Unternehmen Interesse geweckt werden, Teile der Komponentenherstellung, Montage bzw. Installation zu übernehmen.
Auch ist in HyTrA ein sozioökonomischer und -ökologischer Wasserstoff-Frame (HyFrame) integriert, der durch begleitende Aktivitäten bzw. Services mit Information und Weiterbildung die Sensibilität für Umweltaspekte schärft und grundsätzlich zur Akzeptanz von Wasserstoff als klimaneutraler Energielieferant beiträgt.
National und international vergleichbare Regionen sollen dadurch motiviert werden, den Struktur- und Kulturwandel auf ähnlich positive Weise zu realisieren.
Im Projekt wird der Transformationspfad für ein integriertes Energiesystem erprobt, mit dem die Reduktion der CO2-Emissionen im Norden bis 2035 um 75 Prozent gelingen kann. Dafür werden in Mecklenburg-Vorpommern, Hamburg und Schleswig-Holstein 18 große Anlagen für die Sektorkopplung entstehen, um die ganzheitliche Transformation des Energiesystems zu erproben. Der Fokus liegt auf der Nutzung von grünem Wasserstoff als Energieträger für Industrie, Wärme und Verkehr sowie auf energieeffizienten Quartieren, insbesondere im Wärmebereich.
Ziel des fünfjährigen Projekts ist es, bislang eingesetzte fossile Energieträger durch CO2-freie Alternativen zu ersetzen – in Produktionsprozessen der Industrie, in der Wärmeversorgung und in der Mobilität. Schwerpunkt ist, den Einsatz von grünem Wasserstoff in vielfältigen Nutzungspfaden umfassend zu demonstrieren. Die Fraunhofer Institute IWES und IEE sind daran beteiligt.
Die Entwicklung und Bereitstellung einer Softwareplattform zur Modellierung und Simulation von Wasserstoffinfrastrukturen ist Gegenstand des Projektes, für das 11 Fraunhofer-Institute ihre Kompetenzen einbringen: IWU, ICT, IWES, IMWS, IFAM, IFF, IIS, IKTS, IPM, IEG und IWM. Die Softwareplattform soll die Modellierung und Simulation kompletter Wasserstoffwertschöpfungsketten von der Primärenergie über die Erzeugung von Wasserstoff bis zur Nutzung ermöglichen.
Die Besonderheit der Plattform ist, dass die einzelnen Modellbestandteile als digitale Zwillinge repräsentiert werden und die Simulation des Gesamtmodells über eine verteilte Co-Simulation erfolgen soll. Um dies zu erreichen, wird eine umfassende Daten- und Modellstruktur definiert, mit deren Veröffentlichung die Nutzung allen Interessierten möglich wird. Perspektivisch soll aufbauend auf den definierten Datenstrukturen ein Hydrogen Data Space, vergleichbar dem Industrial Data Space von Fraunhofer, entstehen.
Im Forschungsprojekt »ontoHy« erschaffen WissenschaftlerInnen vom Fraunhofer IWU und Fraunhofer IWES einen digitalen, kontinuierlich wachsenden Daten- und Wissensraum für kleine und mittelständische Unternehmen und die Industrie. Er umfasst Werkzeuge, sogenannte Ontologien, um Wissen über anwendungsnahe Wasserstofftechnologien digitalisiert darzustellen und zu transferieren. Mit der Betriebsaufnahme des Hydrogen Lab Görlitz im Jahr 2023 werden die Ergebnisse dort vorgenommener wissenschaftlicher, experimenteller (bis in den MW-Bereich) und simulationsgestützter Analysen in das Projekt einfließen.
Mit der daraus erwachsenden Kompetenzplattform können Unternehmen ihre Produkte mit Hilfe technischer, ökonomischer sowie ökologischer Daten passgenau testen, entwickeln, verifizieren und in den Wasserstoffkreislauf integrieren.
Unterstützt wird dieses Projekt auch durch die Einbindung des HLG in das Lausitzer Wasserstoffnetzwerk »DurcH2atmen«.
Das Themenfeld »Energiewende« wird von vielen Fraunhofer-Instituten erforscht. Dies ermöglicht eine umfassende und ganzheitliche Betrachtung der Energiewende aus unterschiedlichen Perspektiven: Wirtschaftliche und technologische Aspekte werden ebenso untersucht wie ökologische und soziale Faktoren. So wird die Grundlage für eine erfolgreiche Energiewende geschaffen.
Die Institute der Fraunhofer-Gesellschaft engagieren sich auf zahlreichen Technologiefeldern im Kontext der Energiewende: von erneuerbaren Energien über Energieeffizienztechnologien und intelligente Energienetze bis hin zur Digitalisierung der Energiewirtschaft und Energiespeichern. Ziel ist es dabei, unsere Kunden mit besonders investitionssicheren, zukunftsweisenden und wettbewerbsfähigen Produkten auf Systemebene zu versorgen.
Um mit innovativen Produkten erfolgreich zu sein und neue Märkte zu erobern, erhalten kleine und mittelständische Unternehmen genauso wie Industrie und Energiewirtschaft Zugang zu einem großen Spektrum an Forschungs- und Entwicklungsangeboten. Das ganze Know-how kommt dabei aus einer Hand.
Bei allen Aktivitäten steht stets das Ziel einer nachhaltigen, sicheren, wirtschaftlichen und sozial gerechten Energieversorgung und der vollendeten Energiewende im Mittelpunkt.
Ob Bauschutt, Altholz, Müllverbrennungsschlacke, kohlefaserverstärkter Verbundwerkstoff oder Elektronikschrott – jedes Jahr fallen weltweit insgesamt mehrere Millionen Tonnen derartiger Abfälle an. In Zeiten knapper werdender Ressourcen und im Sinne der Nachhaltigkeit müssen die heute meist linearen in zirkuläre Verwertungssysteme überführt werden.
Eine Kreislaufwirtschaft stellt das Gegenteil des derzeit noch vorherrschenden Prinzips der industriellen Produktion der »Linearwirtschaft« (häufig auch »Wegwerfwirtschaft« genannt) dar. Bei Letzterer wird ein Großteil der eingesetzten Rohstoffe nach der jeweiligen Nutzungsdauer der Produkte deponiert oder verbrannt. Nur ein geringer Anteil wird einer Wiederverwendung zugeführt. Im Gegensatz dazu stellt die Kreislaufwirtschaft ein regeneratives, in diesem Sinne erneuerbares System dar. In ihm werden der Einsatz von Ressourcen, die Produktion von Abfall und Emissionen sowie die Verschwendung von Energie minimiert. Erreicht wird dieses durch Verlangsamen, Verringern und Schließen von Energie- und Materialkreisläufen. Als grundsätzliche Instrumente hierfür stehen langlebige Konstruktionen, Instandhaltung, Sanierung, Reparatur(-fähigkeit), Wiederverwendung, Wiederaufarbeitung und Wiederverwertung (Recycling) zur Verfügung.
Die Fraunhofer-Gesellschaft hat es sich zum Ziel gesetzt, den Wandel vom heutigen, weltweit noch weitgehend linearen hin zu einem zirkulären System aktiv zu gestalten und forscht an den hierfür benötigten systemischen, technischen und sozialen Innovationen und den daran angepassten Wertschöpfungsnetzwerken.
Fraunhofer-Gesellschaft