Eine Wasserstoffinfrastruktur fĂŒr die Energiewende

Bildtitel: Abb. 1: Oben: Spezifische Photovoltaik- (l.) und Windstromerzeugungskosten (r.) in Europa. Unten: Stromerzeugungspotentiale in Europa (2045).
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21. Mai 2023

Eine Wasserstoffinfrastruktur fĂŒr die Energiewende

GrĂŒner Wasserstoff soll in Zukunft vielen Sektoren zur KlimaneutralitĂ€t verhelfen. Doch noch gibt es LĂŒcken in der Umsetzung beim Transport sowie bei der Speicherung. Das vom Bundesministerium fĂŒr Bildung und Forschung (BMBF) geförderte H2-Leitprojekt TransHyDE betrachtet verschiedene molekulare Transportoptionen fĂŒr grĂŒnen Wasserstoff: gasförmigen Wasserstoff (GH2), flĂŒssigen Wasserstoff (LH2), Ammoniak (NH3) sowie organische TrĂ€gerflĂŒssigkeiten (Liquid Organic Hydrogen Carrier, kurz: LOHC).

Am 30. Dezember 2022 fand in Berlin die erste wissenschaftliche Konferenz des Leitprojekts TransHyDE statt, bei der techno-ökonomische und regulatorische Hindernisse auf dem Weg zu einer effizienten Speicher- und Transportinfrastruktur im Fokus standen. Dabei stellten Projektmitarbeitende wichtige LösungsansÀtze und Erkenntnisse aus ihren Forschungsarbeiten vor und diskutierten diese mit Akteuren aus Politik, Wirtschaft und Wissenschaft.

Ganzheitliche Systemanalyse zur Infrastruktur

In der fachlichen Eröffnung der wissenschaftlichen Konferenz illustrierte Prof. Dr. Mario Ragwitz (Fraunhofer IEG) die herausgehobene Relevanz der Sektorkopplung in einem klimaneutralen zukĂŒnftigen Energiesystem. Insbesondere durch die KomplexitĂ€t der Modellierung von Multienergiesystemen sowie der hohen erforderlichen rĂ€umlichen Auflösung der dazugehörigen Infrastrukturen wird der Arbeitsauftrag von TransHyDE verdeutlicht. Lediglich durch die ganzheitliche Vereinigung von systemanalytischen Modellen sowie spezifischem Fachwissen ließen sich die offenen Fragen der Energiewende beantworten.

Dr. Joshua Fragoso Garcia (Fraunhofer ISI) beschĂ€ftigte sich in seinem Beitrag mit der Frage, wie der europĂ€ische Wasserstoffbedarf kosteneffizient gedeckt werden kann. Hierzu untersuchte er modellbasiert zwei Szenarien, die sich hauptsĂ€chlich in ihren Wasserstoffbedarfen unterscheiden (Basisszenario: H2 nur als Grundstoff fĂŒr die Chemie- und Stahlindustrie; erweitertes Szenario: breitere Anwendung von Wasserstoff zusĂ€tzlich im Bereich der ProzesswĂ€rme, Lkw auf der Langstrecke, und dezentralen WĂ€rmeversorgung).

Die Modellergebnisse zeigen, dass in Europa ausreichend erneuerbare Potenziale vorhanden sind, um den Großteil des Wasserstoffbedarfs kosteneffizient zu decken (siehe Abb. 1). AußereuropĂ€ische H2-Importe sind kostengetrieben nur in kleinem Umfang Teil der Lösung (~10 % bzw. 12,7 % der modellierten 1.383 TWh bzw. 2.495 TWh im Jahr 2045 im Basisszenario bzw. erweiterten Szenario). FĂŒr den innereuropĂ€ischen Ausgleich von Wasserstoffangebot und -nachfrage zeigen die Szenarienergebnisse einen Vorteil fĂŒr regionale Wasserstofferzeugung (s. Abb. 2) mit gekoppeltem Ausbau von H2-Pipelines, welche Nord- und SĂŒdeuropa mit Mitteleuropa verbinden.

Sicherer Wasserstofftransport: RealitÀt statt Vision

Durch die systemanalytische Forderung, grĂ¶ĂŸere Mengen an gasförmigem Wasserstoff ĂŒber Pipelines zu transportieren, stellen sich unmittelbare Sicherheitsfragen, welchen Dr. Frank Schweizer (Fraunhofer IWM) sowie Prof. Dr. JĂŒrgen Wöllenstein (Fraunhofer IPM) in ihrem Vortrag begegneten. Die Referenten hoben hierbei hervor, dass Stahlproben bereits in Wasserstoffumgebung hinsichtlich relevanter Verfahren und rechnerischer Konzepte bezogen auf statische Lasten, ErmĂŒdung und Rissfortschritt auf ihre WasserstoffvertrĂ€glichkeit geprĂŒft werden können. DarĂŒber hinaus ist eine genaue und kostengĂŒnstige Detektion von Wasserstoffleckagen, beispielsweise ĂŒber die charakteristische WĂ€rmeleitfĂ€higkeit oder die Schallgeschwindigkeit des Wasserstoffs, möglich.

Neben der sicherheitsrelevanten H2-Leckagemessung ist gleichermaßen die GewĂ€hrleistung einer kontinuierlichen QualitĂ€t des transportierten Wasserstoffs erforderlich. Dr. Achim Zajc (Meter‑Q Solutions) stellte in seinem Beitrag mit dem firmeneigenen Nanogasprozesschromatographen (MGC) eine Möglichkeit vor, Wasserstoffgas und seine Verunreinigungen mit hoher Genauigkeit messen zu können. Der MGC macht sich hierbei die herausragende WĂ€rmeleitfĂ€higkeit des Wasserstoffs zunutze. Durch die direkte Kopplung des MGC an Pipelines lassen sich nicht nur die Anforderungen der Gasgruppe A (G260 9/2020) erfĂŒllen, sondern ebenso die Messzeiten (< 45 s) und anfallenden Emissionen erheblich verringern, da unnötige BypĂ€sse, lange Transportwege und Wasserstoffemissionen vermieden werden können.

Ammoniak: Viel mehr als nur ein chemischer H2-Speicher

Ammoniak ist bereits heute zentraler Grundstoff verschiedener Industrien und wird als MolekĂŒl fĂŒr effizienten interkontinentalen Energietransport sowie zahlreiche Direktanwendungen diskutiert. Trotz bereits vielseitiger Einsatzmöglichkeiten könnte die Wandlung von Ammoniak zu Wasserstoffgas (Reformierung) in verschiedenen Szenarien zur Deckung des H2-Bedarfs erforderlich werden. Das energiewirtschaftliche Potential der Reformierung stellte Dr. Michael Poschmann (Max-Planck-Institut CEC) bei der Vorstellung von Forschungsarbeiten zur Verbesserung der eingesetzten Katalysatoren in den Mittelpunkt. Mittels speziell zu diesem Zweck entwickelter ReformierprĂŒfstĂ€nde (Druckbereich bis 40 bar) werden wesentliche Charakteristika der Reaktion (wie Umsetzungsgrad, Reaktionskinetik etc.) fĂŒr verschiedene Katalysatormaterialien und -strukturen analysiert und mit bekannten Katalysatoren aus Ă€hnlichen Katalyseprozessen verglichen.

Eine der vielseitigen direkten Anwendungsmöglichkeiten von Ammoniak wurde nachfolgend von Prof. Dr. Hinrich Mohr (GasKraft Engineering) am Beispiel eines ammoniakbetriebenen Verbrennungsmotors ausgefĂŒhrt, der mit einer Leistung von 350 kW Anwendung in der Binnenschifffahrt finden kann. Erste Einzylinder-Verbrennungsversuche eines 50/50-Gasgemischs aus NH3/H2 bei Teillastbetrieb mit einem Mitteldruck von 11 bar erreichten bereits eine Effizienz von 39 Prozent.

Klaas BĂŒsen (Hochschule Wismar) ergĂ€nzte die prĂ€sentierten Themen im Zusammenhang einer Ammoniak-Wertschöpfungskette um weitere Aspekte. In seinem Vortrag stellte er flexible Betankungs- und Bebunkerungskonzepte (sowohl an Land als auch auf See) sowie Technologien zur GewĂ€hrleistung der Anwendungssicherheit vor. Unter Betrachtung technologischer, wirtschaftlicher und ökologischer Gesichtspunkte erfolgt eine szenarienbasierte Bedarfsplanung fĂŒr die Transportlogistik von Ammoniak mit dem StĂŒtzjahr 2035.

I.E. Philip Green (Australische Botschaft in Berlin) hob die Frage der Transportlogistik auf ein globales Niveau und skizzierte die Möglichkeiten einer kĂŒnftigen Ammoniaktransportkette von Australien nach Deutschland. Durch Projekte wie das Asian Renewable Energy Hub (26 GW Wind- und PV-Erzeugungsleistung), mit dem Australien enorme Investitionen in die Ausschöpfung seiner Erneuerbare-Energien-Potentiale tĂ€tigt, werden sich perspektivisch große Mengen grĂŒnen Wasserstoffs (gebunden in Ammoniak) jĂ€hrlich exportieren lassen. Durch die niedrigen Stromgestehungskosten in Australien sowie geringe Zusatzkosten fĂŒr die Ammoniaksynthese, den Schiffstransport und die Reformierung sollen wettbewerbsfĂ€hige Preise möglich sein.

FlĂŒssigwasserstoff – erprobte Transportoption mit Potential

Eine zum Ammoniak alternative Transport- und Speicheroption stellt FlĂŒssigwasserstoff dar. Dr. Michael J. Wolf und Sebastian Palacios V. (beide Karlsruher Institut fĂŒr Technologie) stellten in ihren VortrĂ€gen die einzigartigen Eigenschaften von LH2, dessen Chancen, aber auch spezifische Herausforderungen vor, die in einem kĂŒrzlich erschienen Whitepaper auf der Leitprojekte-Webseite nĂ€her erlĂ€utert werden. Wesentliche Effizienzsteigerungspotentiale ließen sich beispielsweise in Kombination mit Hochtemperatursupraleitern bei gekoppeltem Strom- und Wasserstofftransport (hybride Pipeline) oder bei elektrischen Komponenten durch Erhöhung der Leistungsdichte erschließen. Prof. Alexander Alekseev (Linde) veranschaulichte anhand eines dynamischen Simulationsmodells einer LH2-Transportkette im Gleichgewichts- und Nichtgleichgewichtszustand, dass eine schnellere und effizientere BefĂŒllung sowie Entleerung von LH2-Tanks durch großskalige Zentrifugal-LH2-Pumpen vorteilhaft sein könnte.

WĂ€rmenutzung bei LOHC-Prozessen

FĂŒr die Transport- und Speicherlogistik von flĂŒssigen organischen WasserstofftrĂ€gern zeigen sich ebenfalls starke Optimierungsmöglichkeiten. Beispielsweise lĂ€sst sich die Effizienz steigern, indem die AbwĂ€rme bei der Hydrierung oder zur Dehydrierung die industrielle ProzesswĂ€rme vor Ort genutzt wird, wie Monja Grote (Hamburger Hafen und Logistik AG) und Siying Huang (Hydrogenious LOHC Technologies) erlĂ€uterten. Außerdem sind weite Teile der bestehenden Infrastruktur fĂŒr flĂŒssige Brennstoffe ökonomisch weiterhin nutzbar, da Hydrogenious das Thermalöl Benzyltoluol als LOHC verwendet, welches sich Ă€hnlich einfach handhaben lĂ€sst wie Diesel. Über die Hebung dieser Potentiale lasse sich der Business Case rund um die Versorgungsketten mittels LOHC weiter ausgestalten und perspektivisch in die Realwirtschaft transferieren, so die Referentinnen.

Keine Wasserstoffwirtschaft ohne Normung

Alle vorgestellten Technologien setzen fĂŒr ihre praktische EinfĂŒhrung jedoch einheitliche Vorgaben wie Normen, Standards und Zertifizierungen voraus. Hierzu erlĂ€uterte Thomas Systermans (DVGW) die bisherigen Ergebnisse einer Bestandsanalyse technischer Regelwerke, welche die Transportoptionen in TransHyDE umfassen. Die statistischen Auswertungen bezĂŒglich der H2-Tauglichkeit zeigen, dass 57 Prozent der 693 Dokumente auf Wasserstoff anwendbar sind. Weitere zwei Prozent weisen lediglich eine beschrĂ€nkte H2-Tauglichkeit auf, wĂ€hrend 41 Prozent nicht fĂŒr Wasserstoff geeignet sind. Die konsolidierten Daten mĂŒnden in einem nĂ€chsten Schritt in eine Bedarfsanalyse der zu ĂŒberarbeitenden Normen, aus welcher schlussendlich eine Handlungsempfehlung zur Schließung der LĂŒcken erfolgt.

Die enorme Relevanz eines konsistenten Rechtsrahmens fĂŒr den Aufbau einer Transport- und Speicherinfrastruktur stellten im darauffolgenden Vortrag Friederike Allolio und Leony Ohle (beide IKEM) heraus. In ihrer Studie wurden LĂŒcken im bestehenden Rechtsrahmen entlang der gesamten H2-Wertschöpfungskette mit Schwerpunkt auf der Transportinfrastruktur identifiziert. Insbesondere durch langwierige und komplexe Genehmigungsverfahren ergeben sich konkrete Hindernisse bei dem Ausbau einer Infrastruktur.

Forschungsministerin sieht in H2 „fehlendes PuzzlestĂŒck”

Bundesforschungsministerin Bettina Stark-Watzinger ergĂ€nzte in einer Live-Zuschaltung die politische Perspektive. Sie verdeutlichte die Relevanz der Energiewende fĂŒr viele Herausforderungen in unserer gegenwĂ€rtigen unruhigen und von Krisen geprĂ€gten Zeit. KlimaneutralitĂ€t lasse sich nur ĂŒber einen schnellen Ausbau der erneuerbaren Energien sowie die Nutzung von Wasserstoff als vielseitig einsetzbarem EnergietrĂ€ger erreichen. Stark-Watzinger betonte, dass die Kombination aus Forschung und praktischen Demonstrationen die Grundlage bilde, um den Entwicklungs- und Ausbauprozess der Wasserstofftechnologien zu beschleunigen. TransHyDE demonstriert als Teil der H2-Leitprojekte, wie die Hindernisse auf dem Weg zu einer Wasserstoffinfrastruktur aus dem Weg gerĂ€umt werden können, und zeigt passende LösungsansĂ€tze auf. Mithilfe dieser Projektergebnisse wird die Basis fĂŒr die Etablierung einer Wasserstoffwirtschaft geschaffen.

Techno-ökonomische und regulatorische LĂŒcken

Abschließend fand unter der Moderation von Lea-Valeska Giebel (dena) eine Panel-Diskussion mit Teilnehmenden aus Forschung, Industrie und Zivilgesellschaft statt. Die ĂŒbergeordnete Fragestellung fokussierte sich auf die techno-ökonomischen und regulatorischen LĂŒcken beim Aufbau einer Wasserstoffwirtschaft.

Neben den TransHyDE-Koordinatoren Prof. Dr. Robert Schlögl (Direktor Fritz-Haber-Institut der Max-Planck-Gesellschaft) und Prof. Dr. Mario Ragwitz diskutierten Piotr Kuƛ (General Director ENTSOG) und Ralph Bahke (Managing Director ONTRAS) aus der Industrie sowie Ulrike Hinz (Policy Advisor Klima und Energie WWF Deutschland), vertretend fĂŒr die Zivilgesellschaft, miteinander. Hierbei verdeutlichte Piotr Kuƛ die KomplexitĂ€t der Aufgabe, kĂŒnftige Wasserstoffinfrastrukturen in bestehende Energieinfrastrukturlandschaften zu integrieren. Seiner Ansicht nach geschieht dies idealerweise in einer Bottom-up-Verfahrensweise.

FĂŒr Ulrike Hinz besteht die wesentliche Herausforderung in der ganzheitlichen Betrachtung der Aspekte Klima- und UmweltvertrĂ€glichkeit, Versorgungssicherheit und Bezahlbarkeit. Ihrer Meinung nach ist eine grundlegende Aufgabe der Ausbau der erneuerbaren Energien als Voraussetzung fĂŒr die Etablierung einer grĂŒnen Wasserstoffwirtschaft. GrundsĂ€tzliche Einigkeit bestand bei den Panelisten ĂŒber die Relevanz der Entwicklung eines regulatorischen Rahmens. Wobei fĂŒr Ralph Bahke geeignete Finanzierungsmodelle einer kĂŒnftigen Wasserstoffwirtschaft eine besondere Rolle in diesem Rahmen einnehmen.

Robert Schlögl und Mario Ragwitz komplementierten, dass der Aufbau einer Wasserstoffwirtschaft in Deutschland Technologieoffenheit und europĂ€ische Zusammenarbeit benötige. FĂŒr die Planung und Entwicklung der Infrastruktur werden alle Optionen Beachtung finden und entsprechend systemanalytischer Optimierung verwendet werden.

AutorInnen: Fenja Bleich, fenja.bleich@cec.mpg.de
Hauke Hinners, hauke.hinners@cec.mpg.de
beide vom Max-Planck-Institut fĂŒr Chemische Energiekonversion, MĂŒlheim a. d. Ruhr

Quellenangabe: Benjamin Lux, Joshua Fragoso, Frank Sensfuß - TransHyDE scientific conference 2022
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