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… Prof. Dr. Kurt Wagemann, Geschäftsführer des DECHEMA e.V., und Dr. Florian Ausfelder, Themensprecher „Energie & Klima“ beim DECHEMA e.V.

Wasserstoff gilt als Energieträger der Zukunft, denn er kann mithilfe erneuerbarer Energien klimaneutral hergestellt werden. So kann Strom, beispielsweise aus Solar- und Windkraft, in Form von Wasserstoff gespeichert und transportiert werden. Außerdem kann das Gas als Brennstoff oder Ausgangsstoff für Chemikalien und Kraftstoffe fossile Energieträger in Bereichen ersetzen, die nicht auf Strom umgestellt werden können. Dazu zählen unter anderem der LKW-, Flug- und Schiffsverkehr sowie verschiedene Industriezweige. Damit Deutschland die Zukunft der Wasserstofftechnologien aktiv mitgestaltet, hat die Bundesregierung kürzlich die Nationale Wasserstoffstrategie beschlossen. Was steckt dahinter? Wie realistisch sind die Ziele und wo steht die deutsche Forschung heute? Prof. Dr. Kurt Wagemann und Dr. Florian Ausfelder geben Antworten.

Quelle Adobe Stock/ Fokussiert

Um die Nationale Wasserstoffstrategie wurde lange gerungen. Nun wurde sie endlich beschlossen – milliardenschwer. Zusammen mit dem Konjunkturpaket als Reaktion auf die Corona-Krise sollen neun Milliarden Euro in Wasserstofftechnologien fließen. Wie bewerten Sie die Nationale Wasserstoffstrategie?

Wasserstoff hat als zukünftiger Energieträger das Potenzial, unser gesamtes Energiesystem nachhaltig zu verändern.  Daher ist es sehr zu begrüßen, wenn die Entwicklung einer solchen Zukunftstechnologie nicht nur in isolierten Anstrengungen verfolgt wird, sondern eine konzertierte Herangehensweise nicht nur der verschiedenen Ministerien, sondern auch in engem Kontakt mit Wirtschaft und Wissenschaft angestrebt wird.

Wasserstoff kann in vielen Bereichen einen wesentlichen Beitrag zur Energiewende und einer nachhaltigen Entwicklung leisten. In einigen Bereichen ist er jedoch langfristig alternativlos und wir begrüßen ausdrücklich den Fokus auf die industrielle Nutzung von Wasserstoff in den Grundstoffindustrien, speziell auch der chemischen Industrie.

Die Antwort auf die Frage, welche Farbe der Wasserstoff haben kann und darf, hätten wir uns aus folgenden Gründen offener gewünscht: Wir bezweifeln, dass ausreichende Mengen an „grünem“ Wasserstoff schnell und kostengünstig genug zur Verfügung stehen werden, um die neuen Industrieprozesse rasch auszurollen und die Infrastruktur zügig zu entwickeln. Auch sehen wir die Position als zu einengend im Kontext eines  europäischen Binnenmarktes an. Wasserstoff wird zu einem wichtigen Handelsgut innerhalb Europas werden, dessen Quellennachweis aber nachverfolgbar sein muss.

Wie realistisch sind die Ziele? Und wie können diese erreicht werden?

Das Ziel, Wasserstoff über einen Leitmarkt als Dekarbonisierungsoption zu etablieren und damit einen Beitrag zum Klimaschutz zu leisten, ist ein hoher Anspruch, vor allen Dingen im Hinblick auf die beabsichtigte Zeitschiene und mit dem Anspruch allein auf „grünen“ Wasserstoff zu setzen. Als „grüner“ Wasserstoff wird im Kontext der Nationalen Wasserstoffstrategie nur Wasserstoff verstanden, der unter Einsatz erneuerbarer Energien bereitgestellt wird. Die Zielsetzungen sind ambitioniert. Es geht dabei auch um die Förderung von Forschung und Entwicklung für das Upscaling der Elektrolyseure bis in den Gigawatt-Bereich und um Investitionsmittel, um Elektrolysekapazitäten schneller hochzufahren. Zentral wird aber sein,  zu welchen Kosten der Wasserstoff nachher zur Verfügung steht und ob dies für die Anwendungen im Vergleich zu den Alternativen wettbewerbsfähig ist. Hier sehen wir noch Herausforderungen, sowohl im notwendigen zusätzlichen Ausbau erneuerbarer Energien, den Kosten für „grünen“ Strom und dem Umbau der Prozessketten. Wie in der Nationalen Wasserstoffstrategie ausgeführt, werden wir um den Import nicht herumkommen. Dieser sollte im Kontext einer vertrauensvollen Zusammenarbeit und mit Rücksicht auf die energie- und entwicklungspolitischen Ziele der Exportländer entwickelt werden.

„Wasserstoff wird zu einem wichtigen Handelsgut innerhalb Europas werden.“

Welche Industriezweige und Sektoren, sprich Industrie, Verkehr, Wärme etc., können besonders von der Nationalen Wasserstoffstrategie profitieren?

Für einige Industriebranchen, vor allen Dingen in der Grundstoffindustrie, ist Wasserstoff mittelfristig alternativlos, um die Produktion nachhaltig und klimaneutral zu gestalten. Hierzu gehören die chemische Industrie und die Stahlindustrie. Auch andere Industrien können profitieren, entweder durch den Einsatz von Power-to-X-Brennstoffen oder als Lieferant des dafür erforderlichen neuen Rohstoffs Kohlenstoffdioxid (CO2), der unter Einsatz von Wasserstoff zu diesen Brennstoffen umgesetzt wird. Wir sollten uns aber nichts vormachen. Die Grundstoffindustrien zeichnen sich durch einen sehr hohen Energiebedarf für die chemischen Umwandlungen aus, gleichzeitig aber durch eine relativ geringe Wertschöpfung pro eingesetzter Einheit Energie. Umgekehrt bedeutet dies, dass wenig Spielraum für eventuell anfallende Mehrkosten verfügbar ist. Gerade auch deshalb wird die Herausforderung darin bestehen, die Kosten für „grünen“ Wasserstoff sehr schnell und substanziell gegenüber dem aktuellen Kostenniveau zu senken.

Deutschland soll international führend im Bereich der Wasserstofftechnologien werden. Dazu soll die Forschungsförderung in den nächsten Jahren deutlich erhöht werden. Wie ist hierzulande der aktuelle Stand von Forschung und Entwicklung? Wo muss noch mehr getan werden?

Deutschland ist aktuell sehr gut im Bereich der Forschung und Entwicklung dabei. Wir sehen ein starkes Engagement sowohl der industriellen Endanwender als auch im Anlagenbau. In diesem Sinne werden von der Nationalen Wasserstoffstrategie wichtige Impulse für die weitere Entwicklung ausgehen. Wir als DECHEMA sprechen uns für eine enge Verzahnung von akademischer und industrieller Forschung und Entwicklung aus. Zum einen muss die akademische Community hinsichtlich der industriellen Herausforderungen sensibilisiert werden, zum anderen werden auch im industriellen Umfeld die Chancen einer Zusammenarbeit im Hinblick auf die Etablierung von gesamten Wertschöpfungsketten stärker dargestellt werden müssen. Nur dann lassen sich, ausgehend von einer frühzeitigen Zusammenarbeit in Forschungs- und Entwicklungsprojekten über Branchengrenzen hinweg, gemeinsam die Herausforderungen erfolgreich meistern. Im Rahmen der Forschungsoffensive sind auch große Forschungsvorhaben „Wasserstoff in der Stahl- und Chemieindustrie“ als zukunftsweisende Angebote angekündigt, um Klimaneutralität zu erreichen. Wir sehen in dieser Maßnahme eine gute Chance, früh die relevanten Prozesse zu adressieren und zukunftsfähig und nachhaltig zu gestalten.

„Für einige Industriebranchen ist Wasserstoff alternativlos, um die Produktion nachhaltig und klimaneutral zu gestalten.“

Wie trägt die DECHEMA dazu bei?

Die DECHEMA sieht sich an der Schnittstelle von Akademia, Industrie und Gesellschaft. In unseren Netzwerken werden die Themen ausgiebig von Experten mit unterschiedlichsten Hintergründen diskutiert. Wir sind darüber hinaus intensiv selbst in Forschungs- und Entwicklungsprojekten aktiv. Im Zentrum unseres Engagements steht das professionelle Management sehr großer BMBF-geförderter Projekte: Das Kopernikus-Projekt P2X, das  verschiedene Power-to-X-Wertschöpfungsketten abbildet, und NAMOSYN, das  sich mit synthetischen Kraftstoffen beschäftigt. Hinzu kommen weitere Projekte wie Power-to-Methanol als eine Vorstudie für eine Anlage zur Produktion von erneuerbarem Methanol. Diese Projekte ergänzen sich hervorragend mit unseren Aktivitäten zur CO2-Abtrennung und Nutzung als einem unverzichtbaren Baustein für die weitere Nutzung von Wasserstoff in Form von kohlenstoffhaltigen Energieträgern oder chemischen Grundstoffen. Im Kontext nationaler und internationaler Aktivitäten bilden unsere Veranstaltungen eine Möglichkeit, den Austausch in und zwischen den Communities zu stärken und voranzubringen. Die DECHEMA hat außerdem in Form von Studien- und Positionspapieren schon früh die Bedeutung von Wasserstoff hervorgehoben und insbesondere im Kontext der chemischen Industrie analysiert.

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Dass Forschungsprojekte erfolgreich sind, ist glücklicherweise keine Seltenheit. Dass sie  allerdings so erfolgreich sind, dass zwei Großunternehmen nach einem Projektjahr den Bau einer Kleinanlage ins Auge fassen, ist dann doch eher selten. Grund genug, einmal nachzufragen – bei Dr. Günter Schmid, Principal Key Expert Research Scientist bei Siemens:

GSchmidHerr Schmid, herzlichen Glückwunsch an Sie und Ihren Projektpartner Dr. Thomas Haas von Evonik – Sie sind quasi von Ihrem Erfolg überrollt worden.

Ja, das kann man sagen. Unser Projekt ist im ersten Jahr so erfolgreich gelaufen, dass wir uns entschieden haben, den nächsten Schritt zu gehen und in Richtung einer vollständig automatisierten Kleinanlage zu skalieren. Derzeit planen wir, im Dezember 2019 unsere Einzelprozesse zu verkoppeln.

Worum geht es im Projekt von Siemens und Evonik genau?

Unser Projekt heißt Rheticus und ist ein Satellitenprojekt der Kopernikus-Initiative. Wir wollen aus erneuerbaren Rohstoffen Spezialchemikalien herstellen. Die „Rohstoffe“ sind Elektronen aus erneuerbarer Energie, CO2 und Wasser. Die Energie bringen wir über eine Elektrolyse in das System: Wir elektrolysieren CO2 zu Kohlenmonoxid, Wasser zu Wasserstoff, und das verfüttern wir dann an die Bakterien.

Warum setzen Sie ausgerechnet auf ein biotechnologisches Verfahren?

Wir arbeiten mit anaeroben Bakterien, wie sie beispielsweise an „Black Smokern“ in der Tiefsee vorkommen. Wir benutzen zwei Bakterienstämme, bei denen einer der Stämme  ein Gasgemisch aus Wasserstoff, Kohlenmonoxid und Kohlendioxid zu Acetat und Ethanol umsetzt. Ein zweiter Stamm produziert aus diesen Intermediaten anschließend Butanol und Hexanol.

Die Biotechnologie bietet zwei Vorteile: Sie arbeitet sehr selektiv und effizient in der CO2 Nutzung, und sie lässt sich dezentral einsetzen, auch unabhängig von einem integrierten Chemiestandort. Wir können solche Anlagen dort aufbauen, wo auch die erneuerbaren Energien anfallen.

 

 

Wie sind Sie bei der Auswahl der Zielprodukte vorgegangen?

An dieser Frage haben wir ziemlich lang gearbeitet. Bei fossil basierten Produkten bezahlt man nur für Prozess, Transport und Förderung, aber nicht für den Energieinhalt. Bei Produkten auf Basis erneuerbarer Energie ist der Energieinhalt einer der größten Kostentreiber. Wir brauchen also Produkte, bei denen der Anteil der Energie an den Kosten möglichst gering ist, und das ist bei der Spezialchemie der Fall. Außerdem können wir mit kleineren Anlagen starten, bevor wir dann in den Bereich der Bulkchemikalien oder der Kraftstoffe eintreten.

 

Wie sauber muss das CO2 sein, das Sie einsetzen?

Die Ansprüche an das CO2 sind vergleichsweise gering. So stören viele Schwefelverbindungen oder Sauerstoff den Prozess nicht, nur Metalle, die als Katalysatorgifte wirken, müssen vorab aus dem Rauchgas entfernt werden. Wir gehen aber trotzdem davon aus, dass wir das CO2 vorher aufreinigen, denn das können wir leicht aus Luft abtrennen, während Kohlenmonoxid sehr schwer von Stickstoff und Sauerstoff zu befreien ist.

 Wo liegt die größte technische Hürde?

Im Moment sind wir in der Fermentation im 2-Liter-Maßstab und wir wollen in den Kubikmeter-Maßstab kommen. Wir müssen also sowohl die Elektrolyse als auch die Bioreaktoren scalieren. Bisher hat noch niemand einen Gas-/Gas-Elektrolyseur gebaut, schon gar nicht in diesen Größenordnungen.

Inwieweit ist die Technologie auch dazu geeignet, Schwankungen in der Stromerzeugung abzupuffern?

Die Technologie ist sehr flexibel. Wir haben Betriebsmodi entwickelt, bei denen man die Leistung rauf- und runterfahren kann. Die untere Grenze bildet ein Standby-Modus; das ist auch für die Fermentation anwendbar.

Was ist Ihr nächstes Ziel?

Bis jetzt entwickeln wir die Einzelkomponenten aus dem Labormaßstab von 10 cm² auf 300 cm² – das ist ein Riesensprung. Für die weitere Skalierung bauen wir dann mehrere Zellen – ein Stack aus etwa zehn Zellen wäre ein Zwischenschritt, mit dem man erst einmal alles demonstrieren kann, was man so braucht. Wir haben im Rahmen von Kopernikus einen kontinuierlichen Betriebsmodus entwickelt, und in 2019 wird die erste echte Kopplung mit allen Anlagen stattfinden. Ziel ist eine automatisierte Kleinanlage, die eine kleine zweistellige Tonnage pro Jahr produzieren kann. Das heißt, wir sprechen von Elektrolyseuren im Kilowattbereich und Fermentern von im Bereich von 1 m³ Größe.

Wer mehr zu den vielen Einsatzmöglichkeiten der Elektrolyse und den aktuellesten technischen Entwicklungen erfahren und sich mit anderen Experten austauschen möchte, hat dazu Gelegenheit beim PRAXISforum Electrolysis in Industry am 22. und 23. November 2018 in Frankfurt – jetzt Programm ansehen und anmelden!

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