von Sven Geitmann | Nov 27, 2022 | 2022, Allgemein
Die Dekarbonisierung der Energieversorgung ist von essenzieller Bedeutung für das Erreichen der Klimaschutzziele. Nicht zuletzt durch die aktuelle Gasversorgungskrise, ausgelöst durch den Ukraine-Konflikt, ist das Thema Gas- und Wärmeversorgung in den Fokus der breiten Öffentlichkeit gerückt. Kurzfristig werden Maßnahmen zur Energieeinsparung auf allen Ebenen und insbesondere auch für Haushalts- und Gewerbekunden diskutiert. Aber auch strukturelle Änderungen, welche im Rahmen einer Wärmewende hin zu einer klimaneutralen Gebäudeenergieversorgung erforderlich sind, stehen im Fokus der aktuellen Debatte.
In diesem Zusammenhang wird insbesondere die Wärmepumpe als Schlüsseltechnologie für die klimaneutrale Raumwärmeversorgung gesehen. Allerdings wird in dieser Diskussion auch immer wieder grüner Wasserstoff als Lösungsmöglichkeit ins Spiel gebracht.
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Neben der klassischen leitungsgebundenen Versorgung, wie sie bislang bei Erdgas der Fall ist, sind in den letzten Jahren zahlreiche Pilotprojekte realisiert worden, in denen eine dezentrale Wasserstoffproduktion und -verwendung zur Wärme- und Stromerzeugung stattfindet. Zentraler Treiber für diese Projekte ist der Wunsch nach einer ganzjährigen, autarken Energieversorgung aus lokalen erneuerbaren Energiequellen. Wegen der aktuell zu beobachtenden Explosion der Energiepreise für Strom, Erdgas und Wärme erhält das Thema eine zusätzliche Brisanz.
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Ziel des vorliegenden Artikels ist es daher, einen Überblick über bisher realisierte Beispielprojekte zu geben sowie die aktuelle Anbietersituation für autarke, wasserstoffbasierte Gebäudeenergiesysteme zu beleuchten. Aufgrund der dynamischen Entwicklung in beiden Bereichen erhebt diese Übersicht keinen Anspruch auf Vollständigkeit.
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Definition: Energieautarkie
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Unter Energieautarkie wird die vollständige Unabhängigkeit von einer externen, oftmals leitungsgebundenen Energieversorgungsinfrastruktur (z. B. Strom, Gas, Wärme) verstanden. Jeglicher Energiebedarf wird lokal (innerhalb der betrachteten Bilanzgrenze; z. B. Gebäude) erzeugt, gespeichert und verbraucht, wobei eine Überschusseinspeisung von erzeugtem Strom und Wärme in eine externe Versorgungsinfrastruktur möglich ist. Bei einem stromautarken System wird lediglich der Strombedarf durch die lokale Erzeugung gedeckt. Eine Netzeinspeisung ist in diesem Fall möglich. Teilautarke Versorgungssysteme erreichen oftmals einen hohen Autarkiegrad, ohne vollständig unabhängig von einer externen Versorgungsinfrastruktur zu sein.
Projektübersicht
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Tabelle 1 zeigt eine Auswahl deutscher Projekte, in denen lokal erzeugter Wasserstoff zur Energiespeicherung und Gebäudeenergieversorgung eingesetzt wird. Neben dem erreichten Autarkiegrad unterscheiden sich die Projekte in der Umsetzung und Integration der Wasserstofftechnologien. Einerseits wurden fertige Systemlösungen integriert, die Wasserstofferzeugung, -speicherung und -verwendung in einem Standardprodukt anbieten. Auf diese Systeme wird später genauer eingegangen (s. Tab. 3). Andererseits ist eine individuelle, projektspezifische Auslegung anzutreffen, wo Elektrolyseure, Brennstoffzellen, Speicher und weitere Komponenten von verschiedenen Herstellern und Anbietern durch einen Systemintegrator zu einer Gesamtlösung kombiniert werden. Des Weiteren wird eine Abgrenzung hinsichtlich des Umfangs beziehungsweise der Größe der Projekte vorgenommen. Somit lassen sich diese in Wohnhäuser, Gewerbebetriebe und Quartiere einteilen.
von Eva Augsten | Nov 27, 2022 | 2022, Allgemein
Mikroorganismen sind vielseitig. Einige von ihnen erzeugen Wasserstoff aus Sonnenlicht oder Biomasse, andere produzieren Strom aus Wasserstoff. Stoffwechselprozesse aus der Urzeit des Lebens können mit ihrer Hilfe zum Bestandteil einer modernen Energiewirtschaft werden.
Blaualgen haben keinen guten Ruf. Wenn sie in Badeseen auftauchen, sorgen ihre giftigen Stoffwechselprodukte für Übelkeit und Atemnot. Doch sie sind die Grundlage allen Lebens auf der Erde. Dabei sind diese besonderen Mikroben eigentlich gar keine Algen, sondern bläuliche Bakterien – heute nennt man sie daher auch Cyanobakterien.
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Vor Milliarden von Jahren haben sie die Fähigkeit entwickelt, Sonnenlicht in Energie umzuwandeln und zu speichern. Erst dank dieses Prozesses, der Photosynthese, konnten sich komplexere Lebensformen entwickeln.
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Heute versuchen Forschende, die Photosynthese zu nutzen, um umweltfreundlich Wasserstoff zu gewinnen. Dabei setzen sie auf bestimmte Enzyme, sogenannte Hydrogenasen, die aus Blaualgen oder „echten“ Algen stammen können.
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Wasserstoff durch Photosynthese
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Der Prozess der Photosynthese läuft in mehreren Schritten ab: Im sogenannten Photosystem 1 setzt das Sonnenlicht energiereiche Elektronen frei. Normalerweise würde die Zelle diese nutzen, um in weiteren Schritten Energie in Form von Zuckern einzuspeichern. Das Enzym Hydrogenase kann diese Elektronen abfangen und stattdessen an freie H+-Ionen binden, die überall in der Zelle verfügbar sind. So entsteht auf biologischem Wege Wasserstoff aus Sonnenlicht.
Dieser Prozess ist ein Relikt aus Zeiten, in denen auf der Erde noch völlig andere Bedingungen herrschten. „Man kann diesen Stoffwechsel provozieren, indem man die Algen in einem luftdichten Gefäß auf eine Art Schwefeldiät setzt. Nachdem sie den Sauerstoff verbraucht haben, beginnen sie mit der Produktion von Wasserstoff, der in kleinen Bläschen aufsteigt“, schildert Christina Marx von der Arbeitsgruppe Photobiotechnologie der Ruhr-Universität Bochum (RUB).
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Suche nach dem perfekten Enzym
Auch Kirstin Gutekunst, Professorin für Molekulare Pflanzenphysiologie an der Universität Kassel, betont: „Kein Organismus hat Interesse daran, primär Wasserstoff für die Menschen zu produzieren.“ Will man die Wasserstoffproduktion forcieren, muss man die Hydrogenase daher künstlich mit dem Photosystem I verbinden. Eine wesentliche Herausforderung dabei ist, dass die Hydrogenase empfindlich auf den Sauerstoff reagiert, der ebenfalls bei der Photosynthese während der Wasserspaltung entsteht.
Marx, Gutekunst und andere Forschende suchen deshalb im Labor nach Mikroorganismen, Enzymen und anderen biologischen Bauteilen, die möglichst viel Wasserstoff produzieren und gleichzeitig von Sauerstoff nicht zerstört werden.
Gutekunst leitete 2020 eine Forschungsgruppe der Christian-Albrechts-Universität zu Kiel (CAU), der es gelang, den Prozess erstmals in einem lebenden Cyanobakterium ablaufen zu lassen. Der Vorteil dabei ist, dass das Bakterium sich selbst repariert und somit der Prozess stabiler wird. Auch die H2-Ausbeute fiel dabei deutlich höher aus als in früheren Projekten. Allerdings holten die Cyanobakterien die Elektronen nicht nur aus der Wasserspaltung, sondern auch aus Zucker. „Den Zucker muss der Organismus vorher entweder selbst erzeugen oder man muss ihn von außen zuführen. Was wir wollen, ist, den Wasserstoff ausschließlich mit Wasser und Sonnenlicht zu erzeugen“, erklärt Gutekunst.
von Alexandra Fedorska | Nov 27, 2022 | 2022, Allgemein
Während die meisten Länder im Westen Europas längst ihre Strategien zur Wasserstoffgewinnung ausformuliert und veröffentlicht haben, bleibt der südosteuropäische Mitgliedstaat der Europäischen Union diesen Schritt bisher schuldig. Die rumänische Regierung will ihre Wasserstoffstrategie erst im Jahr 2023 bekanntgeben. Die Voraussetzungen für die Erzeugung von CO2-freiem Wasserstoff sind ausgesprochen gut, da Rumänien einen beeindruckend klimafreundlichen Energiemix hat.
Mehr als 30 Prozent des in Rumänien verbrauchten Stroms wurden im Jahr 2021 durch Wasserkraft erzeugt. Fast 20 Prozent der Elektrizitätsproduktion stammen aus Kernkraftwerken. Mit über elf Prozent übernimmt darüber hinaus die Windkraft einen bedeutenden Anteil, der zudem mit enormer Dynamik wächst.
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Auch ohne eine entsprechende nationale Strategie wird in Rumänien bislang bereits an der Entwicklung von Wasserstoff gearbeitet. Dabei wird die Infrastruktur von der Drei-Meere-Initiative (3SI – Three Seas Initiative) unterstützt. Die Drei-Meere-Initiative ist seit 2016 in allen Staaten zwischen der Ostsee, dem Schwarzen Meer und der Adria aktiv. Das Ziel ist die gemeinsame Umsetzung von wichtigen Infrastrukturvorhaben, die die Region ökonomisch vernetzen und voranbringen können.
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Unter anderem hilft 3SI dem rumänischen Netzbetreiber Hidroelectrica Romania bei der Gründung einer Projektgesellschaft für den Bau von Wasserstoffpipelines. Darüber hinaus arbeitet Hidroelectrica in dem Projekt Green Hydrogen @ Blue Danube mit Österreich zusammen (s. Abb. 1). Im Rahmen dieses von der Europäischen Kommission geförderten IPCEI-Vorhabens (Important Projects of Common European Interest) sollen die Donauanrainerstaaten und Südosteuropa entlang der Donau und in Südosteuropa mit grünem Wasserstoff versorgt werden. Unter anderem sind auch das österreichische Stromunternehmen VERBUND sowie Hydrogenious LOHC Technologies aus Deutschland involviert.
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Eine Vielzahl von Einzelinitiativen
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Bereits im Jahr 2009 wurden in Rumänien das Nationale Forschungs- und Entwicklungsinstitut für Kryogen- und Isotopentechnologien Ramnicu Valcea (ICSI) sowie das Nationale Zentrum für Wasserstoff und Brennstoffzellen (CNHPC) gegründet. Sie haben den Auftrag, wasserstoffbasierte Energietechnologien einzuführen, zu entwickeln und zu verbreiten. Die Erfolge dieser Initiativen blieben aber übersichtlich. Bis dato haben die Forscher vom ICSI zwei Elektroauto-Prototypen, die mit Brennstoffzellen angetrieben werden und eine maximale Reichweite von etwa 320 km aufweisen, entwickelt.
Für die ersten 100 MW an Produktionsleistung für grünen Wasserstoff sind 115 Mio. Euro an Fördermitteln vorgesehen. Diese Gelder sind Bestandteil des nationalen Wiederaufbauprogramms Național de Redresare și Reziliență (PNNR). In Rumänien arbeiten die Branchenriesen Hidroelectrica, Romgaz (SNG), OMV Petrom (SNP), Liberty Galați und gleich mehrere Windenergieproduzenten an den Möglichkeiten, grünen Wasserstoff zu produzieren.
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von Sven Geitmann | Nov 27, 2022 | 2022, Allgemein
Mit dem Projekt „HyWays for Future“ wird im Nordwesten Deutschlands in einem Netzwerk aus rund 250 Akteur:innen der Markthochlauf von regenerativ erzeugtem Wasserstoff vorangetrieben. Ziel ist es, langfristig klimafreundlichen Wasserstoff in den Bereichen Industrie, Energieversorgung und Verkehr zu etablieren. Im ersten Schritt liegt der Fokus dabei auf der Anwendung von Wasserstoff im Mobilitätssektor. Im Rahmen des Projektes soll – neben vielen anderen Vorhaben – in die Errichtung von Wasserstofftankstellen und mobilen Speichern, in die Anschaffung von Wasserstoffbussen für den öffentlichen Personennahverkehr und von Reinigungsfahrzeugen sowie in wasserstoffbetriebene Pkw investiert werden.
Wasserstoff als Energieträger ist ein wesentlicher Baustein der Energiewende, und der Nordwesten der Bundesrepublik ist prädestiniert für eine starke, nachhaltige Wasserstoffwirtschaft, für einen regelrechten Wasserstoff-Hub. Schwerpunkt der H2-Modellregion ist die Metropolregion Nordwest mit den Städten Cuxhaven, Wilhelmshaven, Bremerhaven, Oldenburg und Bremen.
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Überregionaler Wasserstoff-Hub
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Das HyWays-Gebiet bietet die besten Voraussetzungen, eine Vorreiterregion für Wasserstoff im Verkehrssektor zu sein. Durch die Vielzahl von Windenergieanlagen an Land und auf See wird der hier verbrauchte Strom bereits heute zu fast hundert Prozent erneuerbar erzeugt. Daneben befinden sich in der Region auch Kavernen zur Speicherung des Wasserstoffs und eine Vielzahl an potenziellen Abnehmern. Somit ermöglicht eine Wasserstoffwirtschaft ein enormes Potential für neue Wertschöpfung in der Region. Daran knüpft das Projekt an.
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HyWays for Future ist auf zwei Säulen aufgebaut: dem Umsetzungsprojekt und dem Innovationscluster.
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HyFri – Wasserstoffbusse für den Landkreis Friesland
Der Landkreis Friesland gestaltet den ÖPNV durch den Einsatz von zunächst fünf Wasserstoffbussen zukünftig teilweise emissionsfrei und macht dieses Projekt zum Startschuss für einen Ausbau der lokalen Wasserstoffwirtschaft. Der Projektname HyFri steht dabei für Hydrogen und Friesland und verweist so auf die regionale Wertschöpfungskette und Verankerung. Mit Wasserstoffbussen, betrieben vom Regionalbusunternehmen Weser-Ems-Bus, startet der Einsatz von grünem Wasserstoff in der Region. Denn gerade der Verkehrssektor hat sehr große CO2-Einsparpotenziale.
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Getankt werden die Busse an einer neuen Wasserstofftankstelle, die verkehrsgünstig in Schortens errichtet werden soll. Betrieben wird diese Tankstelle von einer neuen Betreibergesellschaft, die von den Partnern Weser-Ems Busverkehr GmbH, EWE AG und der Unternehmensgruppe Gödens eigens gegründet wird. HyFri wird vom Bundesministerium für Digitales und Verkehr im Rahmen des Projektes HyWays for Future gefördert.
von Sven Geitmann | Nov 27, 2022 | 2022, Allgemein
Das Safe Light Regional Vehicle (SLRV) wurde am Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt im Rahmen des Forschungsprojektes Next Generation Car (NGC) entwickelt. Es adressiert Bedenken zur Sicherheit heutiger Leichtfahrzeuge mit einer neuartigen Metall-Sandwich-Bauweise. Zusammen mit einem innovativen Einstiegskonzept, dem hocheffizienten H2-Brennstoffzellenantrieb und dem crashoptimierten Fahrwerk können so anspruchsvolle Ziele hinsichtlich Gewicht (450 kg), Sicherheit, Energieverbrauch und Herstellungskosten erreicht werden.
Die Karosserie des zweisitzigen SLRV ist 3,8 Meter lang und niedrig gehalten, um einen möglichst geringen Luftwiderstand zu erreichen. Zudem ist ein geringes Gewicht entscheidend für einen niedrigen Energieverbrauch. Auch bei elektrifizierten Fahrzeugen mit Rekuperation können, je nach Fahrzyklus, bis zu 93 Prozent des Energieverbrauches gewichtsabhängig sein [FRI2010]. Eine geringe Karosseriemasse ermöglicht es außerdem, kleine und kostengünstige Antriebskomponenten zu verwenden, und führt so zu sekundären Leichtbaueffekten [vgl. ECK2011].
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Nach ersten Simulationsergebnissen verbraucht das SLRV voraussichtlich nur halb so viel Wasserstoff wie ein konventioneller Pkw mit Brennstoffzellenantrieb.
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Sandwichbauweise: leicht, günstig, sicher
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Um das Ziel einer leichten und sicheren Bauweise, die trotzdem kostengünstig ist, zu erreichen, wurde die sogenannte metallische Sandwichbauweise entwickelt (s. Abb. 2): Die Bauteile bestehen aus metallischen Decklagen und Kunststoffschaum als Kernwerkstoffen. Der Vorder- und der Hinterwagen des SLRV sind aus Sandwichplatten zusammengesetzt und dienen als Crashzonen (vgl. [BRU2017]). Dort ist auch ein Großteil der Fahrzeugtechnik untergebracht.
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Die Fahrgastzelle besteht aus einer Wanne mit einer aufgesetzten Ringstruktur. Diese nimmt die Kräfte auf, die während der Fahrt auf das Auto wirken, und schützt die Insassen bei einem Crash. Durch die Wanne können Baugruppen, die in der Fahrgastzelle einer konventionellen Karosserie einzeln vorkommen, wie zum Beispiel Stirnwand, Rückwand, Schweller oder Boden, zu einer einzelnen Baugruppe zusammengefasst werden, was die Komplexität sowie die Anzahl der Fügestellen deutlich reduziert.
Ähnliche Vorteile bietet die Verwendung der nach oben öffnenden Haube in Verbindung mit einem Überrollbügel: Durch sie können Türen, Dachholme, A- und C-Säulen und Dachstruktur zu einer Baugruppe verbunden werden. Bisher kommen Strukturen aus Sandwich-Materialien noch nicht in der Serienfertigung von Fahrzeugen vor. Das DLR hat ihr Potenzial aufgezeigt und arbeitet im nächsten Schritt daran, die dazugehörigen Fertigungstechnologien zu optimieren.
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von Sven Geitmann | Nov 27, 2022 | 2022, Allgemein
Mit Hilfe der britischen Regierung soll in England eine Großfabrik für die Produktion von Komponenten für den Wasserstoff- und Brennstoffzellenmarkt entstehen. Johnson Matthey (JM) beabsichtigt, eine solche 80 Mio. Pfund teure Gigafactory an seinem Standort in Royston aufzubauen.
Das britische Technologieunternehmen hatte Anfang dieses Jahres das Ziel ausgegeben, „Marktführer bei Leistungskomponenten für Brennstoffzellen und Elektrolyseure“ zu werden und bis Ende 2024/25 mehr als 200 Mio. Pfund Umsatz mit H2-Technologien zu erzielen. In diesem Rahmen sollen bis zum ersten Halbjahr 2024 zahlreiche hochqualifizierte Arbeitsplätze in der Fertigung entstehen.
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Das britische Government hat Unterstützung aus dem Automotive Transformation Fund (ATF) zugesagt, damit jährlich 3 GW an PEM-Brennstoffzellen-Stacks für Wasserstofffahrzeuge hergestellt werden können. Bis 2035 wird im Vereinigten Königreich ein Bedarf von jährlich 14 GW an Brennstoffzellenstapeln und 400.000 Hochdruck-Kohlefasertanks prognostiziert.
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Liam Condon, Vorstandsvorsitzender von Johnson Matthey, erklärte: „Die Dekarbonisierung des Güterverkehrs ist von entscheidender Bedeutung, um der Gesellschaft und der Industrie zu helfen, ihre ehrgeizigen Netto-Null-Emissionsziele zu erreichen. Brennstoffzellen werden ein entscheidender Teil der Energiewende sein.“ Der britische Wirtschaftsminister Kwasi Kwarteng sagte: „Wir arbeiten hart daran, dass das Vereinigte Königreich von der grünen industriellen Revolution profitiert, und die heutige Ankündigung bekräftigt den Ruf des Vereinigten Königreichs, einer der besten Standorte der Welt für die Herstellung hochwertiger Fahrzeuge zu sein.“
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