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Wissen / Informationen / Fachbegriffe & Erklärungen Abkürzungen und Erklärungen für Fachbegriffe. Ein leicht verständliches Fremdwort-Lexikon – Erklärungen und Umrechnungsformeln für gesetzliche Maßeinheiten – Berechnung.
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– Inhaltsverzeichnis der Online-Version des Buchs „Wasserstoff und Brennstoffzellen – Die Technik von gestern, heute und morgen“
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Start-ups stehen für Innovation – für JungunternehmerInnen, die mit disruptiven Ideen neue Produkte oder Dienstleistungen in die Welt bringen. Ihnen...
Die Messe Düsseldorf hat im August 2023 mitgeteilt, dass die für den 28. bis 30. November avisierte decarbXpo nicht stattfinden wird. Obwohl derzeit...
Österreich setzt auf H2-Spitzenforschung Schon seit 2005 existiert Österreichs erstes und führendes Wasserstoffforschungszentrum HyCentA. Nach einem...
EU-Projekte zeigen Notwendigkeit neuer Sicherheitsvorkehrungen Mit Spannung sind die Ergebnisse der EU-Projekte HyResponder und HyTunnel-CS erwartet...
Start-ups stehen für Innovation – für JungunternehmerInnen, die mit disruptiven Ideen neue Produkte oder Dienstleistungen in die Welt bringen. Ihnen gemein ist, dass sie Geld für die Gründungs- und Markthochlaufphase benötigen. Aber woher nehmen, wenn nicht stehlen? Investoren sind da nicht nur hilfreich, sondern geradezu notwendig, um Ideen realisieren zu können. Damit Start-ups und Investoren zueinander finden, gibt es verschiedene Akteure und unterschiedliche Veranstaltungsformate, so wie H2UP, die am 20. Juni 2023 in Essen die Hydroverse Convention veranstaltet haben.
Die Location war kolossal: das Colosseum Theater im Essener Westviertel – eine ehemalige Industriehalle der Friedrich Krupp AG. Abgesehen von der angekündigten nordrhein-westfälischen Wirtschaftsministerin Mona Neubaur waren über 350 InvestorInnen, EntwicklerInnen und EntscheiderInnen aus der europäischen Wasserstoffwirtschaft erschienen.
Im Mittelpunkt standen die insgesamt 20 anwesenden Start-ups, von denen sich zwölf an einem Wettbewerb beteiligten, bei dem sie ihre Ideen in kurzen Pitches präsentierten und Fragen einer Jury beantworteten. Vom Ein-Mann-Unternehmen bis zum europäischen Bushersteller waren unterschiedlichste Akteure vertreten.
Als Sieger aus diesem männerdominierten Pitch ging die einzige Frau hervor: Flore de Durfort (s. Foto). Als CEO und Mitgründerin von Point Twelve präsentierte sie souverän und charmant, wie sie mit ihren PartnerInnen dazu beitragen kann, möglichst zügig und einfach Wasserstoffprodukte weitestgehend automatisch zertifizieren zu lassen. De Durfort erläuterte gegenüber HZwei: „Die IoT- und SaaS-Plattform von Point Twelve ermöglicht es Herstellern energieintensiver Güter, ihre Produktion einfach und kontinuierlich als grün zu zertifizieren und zu monetarisieren. Durch die Automatisierung alter, manueller, intransparenter und nicht skalierbarer Zertifizierungs- und Verifizierungsprozesse sparen wir bis zu 90 Prozent Zeit im Prozess und schaffen Vertrauen in grüne Produkte.“
Weiter erklärte sie: „Der anfängliche Schwerpunkt liegt auf der Zertifizierung von nachhaltigen Gasen und Kraftstoffen, insbesondere aus grünem, erneuerbarem Strom und Wasserstoff. Wir haben uns bewusst dafür entschieden, mit der Wasserstoffzertifizierung zu beginnen – einem Kernstück der industriellen Dekarbonisierung, bei dem die Probleme rund um die Zertifizierung und die Bereitschaft zum Outsourcing am größten sind.“
Organisiert wurde die Hydroverse Convention von der H2UP GmbH, einem Essener Acht-Personen-Unternehmen, das sich insbesondere der Verknüpfung von Firmen, Hochschulen, Forschungsinstituten und Investoren verschrieben hat. Unterstützt wird es vom Wirtschaftsministerium Nordrhein-Westfalen sowie den inzwischen vier Anteilseignern OGE, RAG Stiftung, TÜV Süd und DLR.
Immer mehr Festivals setzen auf Nachhaltigkeit. Nicht nur in Wacken, das in diesem Jahr – mal wieder – durch die dortige Schlammschlacht Schlagzeilen machte, wird nicht nur Ökostrom, sondern auch Wasserstoff eingesetzt. Auch in Lingen wurden beim diesjährigen Lautfeuer-Festival am 7. und 8. Juli die Bühne, die Beleuchtung sowie weitere Technik nahezu komplett mit grünem Strom aus Wasserstoffgeneratoren versorgt.
Seit 1981 findet in Lingen ein Abifestival statt, das alljährlich bis zu 20.000 Gäste anzieht unter dem Motto „Umsonst & Draußen“. In Zusammenarbeit mit der H2-Region Emsland und mit Unterstützung seitens der Stadt Lingen sowie des Landkreises wurde bereits im vergangenen Jahr ein Energiekonzept entwickelt, bei dem statt der konventionellen Dieselgeneratoren eine Brennstoffzelle eingesetzt wird. „Für diesen neuartigen Ansatz erhielt das Lautfeuer den Innovationspreis der deutschen Veranstaltungsbranche“, teilte Ines Fischer, Vorsitzende des Vereins Abifestival seit 1981 e.V., mit. In diesem Jahr kam noch eine zweite Brennstoffzelle dazu, so dass fast eine Komplettversorgung möglich war.
GP Joule unterstützt bereits seit 2018 das Wacken Open Air und versorgt das norddeutsche Metal-Festival mit Strom aus grünem Wasserstoff. Das selbst produzierte H2-Gas wird in zwei H₂Genset-Modulen von SFC Energy in Strom umgewandelt. Der gewonnene Strom aus erneuerbarer Energie wird dann von der Eröffnung am Montag, 31. Juli bis zum Ende des Festivals eingesetzt. Zusätzlich setzte GP Joule einen seiner eFarm-Wasserstoffbusse als Shuttle für die Gäste ein.
CEO Ove Petersen erklärte: „Grün und schwarz, das passt im Norden zusammen – das beweisen das Wacken Open Air und GP Joule.“ Peter Podesser, CEO von SFC Energy, ergänzte: „Brennstoffzellen auf Basis von grünem Wasserstoff sind eine perfekte Lösung für die sichere, mobile Energieversorgung von Open-Air-Veranstaltungen.“
Die Messe Düsseldorf hat im August 2023 mitgeteilt, dass die für den 28. bis 30. November avisierte decarbXpo nicht stattfinden wird. Obwohl derzeit weltweit genau die Themen, die auf dieser Veranstaltung angesprochen werden sollten, heiß diskutiert werden, entschieden sich die Organisatoren gegen deren Durchführung. Auf der Homepage heißt es dazu lediglich: „Die im Rahmen der decarbXpo behandelten Themen wie alternative Energieträger, Energie- und Ressourceneffizienz, Dekarbonisierung sowie Wiederverwertung spielen für die Messe Düsseldorf GmbH nach wie vor eine ganz bedeutende Rolle.“ Wo und wann jedoch diese drängenden Themen bespielt werden sollen, war bis Redaktionsschluss nicht bekannt.
Biomasse – ein unterschätzter Lieferant für grünen Wasserstoff
Forscher wollen künftig Wasserstoff aus regionalen Holzabfällen gewinnen. Bioabfälle und Klärschlamm können helfen, grünen Wasserstoff für die Energie- und Verkehrswende zu produzieren. Werden Span- oder MDF-Platten verwendet, müssen sie zuvor von Klebstoffen befreit werden. Dann könnte der regenerative Energieträger aber von lokalen Betrieben und Energieversorgern genutzt werden. So hätte biogener Wasserstoff das Potenzial, den Energiebedarf von Industrie und Schwerverkehr regional zu decken – ein echter Joker für die Energiewende.
Eine klimaneutrale Kreislaufwirtschaft auf der Basis von Holz hätte viele Vorteile, beispielsweise in der Schwarzwaldregion: Hier ist Holz das wichtigste Wirtschaftsgut. Bei der Verarbeitung zu Möbeln und Baustoffen oder beim Abbruch von Gebäuden fallen beachtliche Mengen von Holzresten an. Eine Entsorgung kostet meist sogar noch Geld. Bisher werden Alt- und Restholz allenfalls durch Verbrennungsanlagen energetisch genutzt.
Schon seit dem Sommer 2021 schlägt die süddeutsche Region einen neuen Weg ein: Aus den Holzabfällen soll grüner Wasserstoff werden. „Nach dem Ansatz der Bioökonomie wollen wir mithilfe biotechnologischer Prozesse klimaneutralen Biowasserstoff sowie zusätzlich verwertbare Stoffe wie Carotinoide oder Proteine aus Altholz und Holzabfällen herstellen“, erläutert Ursula Schließmann. Sie arbeitet beim Fraunhofer-Institut für Grenzflächen- und Bioverfahrenstechnik (IGB) und koordiniert das Verbundvorhaben H2Wood – BlackForest.
Durch die Verwendung von Altholz kann CO2 auf zwei Wegen eingespart werden: Zum einen ersetzt der regenerative Biowasserstoff bisherige fossile Energieträger, zum anderen werden Rest- und Altholz nicht nur Wasserstoff liefern. Durch den neuen biotechnologischen Ansatz wird die energetische Verwertung der Holzabfälle mit einer stofflichen Nutzung verknüpft. „Das aus dem Holz freigesetzte CO2 wird in Form von kohlenstoffbasierten Koppelprodukten gebunden“, erklärt Schließmann. „So wird es zurück in den natürlichen Kohlenstoffkreislauf geführt.“
Bislang existiert allerdings noch keine Anlage, die Biowasserstoff in größerem Maßstab herstellt. Am Fraunhofer IGB werden nun die dazu nötigen Prozesse vorbereitet und untersucht, bevor sie in der Pilotanlage am Campus Schwarzwald in Freudenstadt umgesetzt werden.
Das Bundesforschungsministerium (BMBF) fördert das Vorhaben im Schwarzwald bis Mitte 2024 mit rund 12 Mio. Euro. Partner des Projekts sind neben dem Fraunhofer IGB auch das Fraunhofer-Institut für Produktionstechnik und Automatisierung IPA, das Institut für industrielle Fertigung und Fabrikbetrieb IFF der Universität Stuttgart sowie der Campus Schwarzwald.
Klebstoffe und Lacke entfernen
Der erste Schritt und Voraussetzung für die biotechnologische Umwandlung ist eine Vorbehandlung. Denn Holzabfälle wie Span- oder MDF-Platten enthalten Klebstoffe wie Harze und Phenole oder auch Lacke. Diese chemischen Bestandteile müssten entfernt werden, denn nur so könnten Bakterien und Mikroalgen ihre Arbeit erledigen, erläutert die Forscherin. Zudem muss das Holz in seine Bausteine zerlegt werden, um die gewonnene Cellulose in einzelne Zuckermoleküle zu spalten, welche wiederum den H2-produzierenden Mikroorganismen als Futter dienen.
Für die biotechnologische Umwandlung der Holzzucker setzt das Fraunhofer IGB auf ein Fermentationsverfahren mit Bakterien, welche die Zuckerarten zu CO2, organischen Säuren und Ethanol verstoffwechseln. Die Stoffwechselprodukte der Bakterien stellen die Nahrung für die Mikroalgen dar. Diese synthetisieren daraus Carotinoide oder Proteine als Koppelprodukte und setzen dabei auch Wasserstoff frei.
Dass grüner Wasserstoff das Potenzial hat, den Energiebedarf von Industrie und Schwerverkehr regional zu decken, belegt die aktuelle Studie „Industrielle Wasserstoff-Hubs in Baden-Württemberg“ des Fraunhofer IPA. Ihr Fazit: Die dezentrale Wasserstofferzeugung und -nutzung zahlt sich aus, wenn man Verteilerzentren, neudeutsch Hubs genannt, strategisch richtig platziert und verbindet. Mit Ökostrom werden dann in diesen Hubs Elektrolyseure betrieben. Um Transportkosten gering zu halten, müssen die Zentren nahe bei den Verbrauchern stehen. Ein weiteres Kriterium: Die Industrie vor Ort muss einen Bedarf an Prozesswärme, Hochtemperaturprozessen und Wasserstoffgas, etwa für die Herstellung von Stickstoffdünger, haben.
„Ideale Standorte befinden sich in der Nähe stark befahrener Straßen mit Lkw-Betriebshöfen, an denen sich H2-Tankstellen einrichten lassen“, sagt Jürgen Henke vom Fraunhofer IPA. Mithilfe der Standortkriterien konnte das Forscherteam geeignete Orte in Baden-Württemberg identifizieren. Vor allem in der Metropolregion Rhein-Neckar und im Großraum Karlsruhe. Computersimulationen am Fraunhofer IPA zeigen, dass sich mit regional erzeugtem grünem Wasserstoff innerhalb von zehn Jahren 30 Prozent der fossilen Energie ersetzen lassen – und das nur auf landeseigenen Freiflächen.
Projekt: Wasserstoff aus Pflanzenresten
Neben Holz ist Bioabfall eine weitgehend ungenutzte Ressource. Rund 4,6 Mio. Tonnen haben die Deutschen im vergangenen Jahr laut Umweltbundesamt allein in ihren braunen Tonnen gesammelt. Hinzu kommen Abfälle aus öffentlichen Parks und Gärten, aus der Landwirtschaft und aus der Nahrungsmittelproduktion, außerdem Klärschlamm und Speisereste aus Kantinen – alles in allem gut 15 Mio. Tonnen.
Der Großteil landet in Kompostieranlagen oder wird verbrannt, um Wärme und Strom zu erzeugen. „Doch dafür ist der Bioabfall viel zu schade“, betont Johannes Full, Leiter der Gruppe nachhaltige Entwicklung biointelligenter Technologien am Fraunhofer IPA. „Sinnvoller wäre es, daraus Wasserstoff zu erzeugen und das dabei entstehende CO2 abzuscheiden, zu speichern oder langfristig zu nutzen.“
Wie das funktioniert, demonstriert das Fraunhofer IPA bei einem Unternehmen aus der Metallbranche. Dort können Abfälle von Obst- und Weinbauern aus der Umgebung, Kartonagen und Altholz sowie Kantinenabfälle in Wasserstoff umgewandelt werden. Dieser wird dann direkt in der Metallverarbeitung genutzt. Dafür werden die Obstreste und Kantinenabfälle zunächst mithilfe von Bakterien in dunklen Behältern fermentiert, wobei H2 und CO2 entstehen. Anschließend wird die fermentierte Masse in einer Biogasanlage zu Methan vergoren.
Blitzlicht zerlegt Bananenschalen
Auch an der TH Lausanne in der Schweiz wandelt ein Team um den Forscher Hubert Girault Biomasse in Wasserstoff – mittels Fotopyrolyse. In einem Reaktor befindet sich eine sogenannte Xenon-Blitzlampe, die energiereiches Licht emittiert. Das Team hat dabei mit Bananenschalen, abgenagten Maiskolben, Orangenschalen, der Haut von Kaffeebohnen und Kokosnussschalen experimentiert. Diese wurden zunächst 24 Stunden lang bei 105 °C getrocknet und dann gemahlen.
Das Pulver geben die Forscher bei Umgebungsdruck in einen Reaktor. Dann wirft die Xenon-Lampe die Blitze in die Biomasse, die sich so in Wasserstoff und Biokohle verwandelt. Der Prozess ist schon nach wenigen Millisekunden abgeschlossen. Aus jedem Kilogramm Biomasse werden rund 100 Liter Wasserstoff und 330 Gramm Biokohle gewonnen. Das entspricht etwa einem Drittel der ursprünglichen getrockneten Masse aus Bananenschalen.
Das junge Schweizer Unternehmen H2Valais will dieses Verfahren nun großtechnisch einsetzen. Die Fotopyrolyse konkurriert allerdings mit der hydrothermalen Vergasung von Biomasse, die Start-ups wie SCW Systems in den Niederlanden und TreaTech in der Schweiz einsetzen. Nasse Biomasse wird dabei einem Druck von 250 bis 350 bar und einer Temperatur von 400 bis 700 °C ausgesetzt. Innerhalb von einigen Stunden bilden sich unter diesen Bedingungen Methan und Wasserstoff. Das zeigt noch mal: Die Ansätze zur H2-Gewinnung aus Biomasse sind vielfältig. Dieses Potenzial sollte im Sinne der Energiewende bald erschlossen werden.
Mobiler Container wandelt Pellets zu reinem H2
Das Verbundvorhaben BiDroGen forciert ebenfalls das Ziel, Holz in Wasserstoff umzuwandeln. Die Firmen BtX Energy und A.H.T. Syngas Technology bekommen dafür vom Bundeswirtschaftsministerium eine Förderung von 630.800 Euro. Das Projekt zielt darauf ab, eine Containerlösung zur dezentralen Erzeugung von Wasserstoff aus pelletierten Holzreststoffen bis zur Marktreife zu entwickeln.
Containerlösung als schlüsselfertige Anlage zur Dampfreformierung von Biogas
Grundlage dafür ist die bereits bestehende Vergasertechnologie von BtX zur Abscheidung von reinem Wasserstoff aus Mischgasen. Ziel ist es demnach, den Wasserstoffgehalt des aus Pellets produzierten Holzgases durch innovative Katalysatoren zu maximieren, die Gasreinheit für die folgenden Prozesse zu garantieren und die H2-Abspaltung aus dem Produktgasstrom zu ermöglichen. So soll sehr reiner Wasserstoff aus pelletiertem Restholz gewonnen werden. Je nach Gasqualität kann aus 12 bis 15 kg Holz ein Kilogramm reiner Wasserstoff gewonnen werden. Das entspricht einem Wirkungsgrad von über 50 Prozent.
Die mobile Containerlösung soll dann dezentral grünen Wasserstoff zur Verfügung stellen. Für die Anwendung sieht die Firma vor allem im ländlichen Raum großes Potenzial. Für die Verkehrswende könnte das ein echter Joker werden: So könnten Kommunen beispielsweise sofort wasserstoffbetriebene Fahrzeuge anschaffen, obwohl es noch keine Wasserstofftankstelle in der Region gibt.
Allerorts ist derzeit die Rede vom Fachkräftemangel – auch im Energiesektor, insbesondere im Wasserstoffbereich. Während in anderen Industriezweigen immerhin ein bereits existierendes Aus- und Weiterbildungssystem etabliert ist, geht es im H2– und BZ-Sektor jetzt erst so richtig los. Da noch kein Markt für Elektrolyseure oder Brennstoffzellenanwendungen existiert, müssen zunächst Fachkräfte ausgebildet werden, die diese neuen Produkte bauen sowie dann auch installieren, warten und reparieren können. Dafür bedarf es aber erst einmal entsprechender Ausbildungswege sowie fachkundiger Personen, die den zukünftigen TechnikerInnen etwas beibringen können. Die gute Nachricht ist, dass sich in den vergangenen Monaten mannigfaltige Akteure dieser verantwortungsvollen Aufgabe angenommen haben. Deutschlandweit sprießen derzeit H2-Akademien und BZ-Seminare aus dem Boden.
Vor Jahren gab es bereits zaghafte Versuche, das Thema Aus- und Weiterbildung im H2– und BZ-Sektor zu bespielen. Einige der damaligen Akteure sind allerdings auf der Strecke geblieben oder haben sich aus diesem Bereich wieder zurückgezogen, weil es bislang immer nur kurzzeitige Hypes um Wasserstoff gab, aber keinen Markt.
Dies ist heute anders: Nach einhelliger Meinung ist der derzeitige Boom rund um Wasserstoff kein Kurzzeitphänomen, sondern der Anfang einer Zeitenwende im Energiesektor. Dementsprechend groß ist die Nachfrage nach Personal, das sich mit H2– und BZ-Technik auskennt. Doch dies ist Mangelware. In den vergangenen Jahren existierten kaum adäquate Studiengänge oder auch Lehrberufe.
Vor 15 Jahren gab es einige zaghafte Bemühungen, im Rahmen des NIP-Leuchtturms Callux entsprechende Weiterbildungsmaßnahmen für das Handwerk einzurichten, aber davon ist heute nichts mehr übrig. Auch das OTTI gibt es nicht mehr. Das Ostbayerische Technologie-Transfer-Institut e. V., das Fachveranstaltungen auch für H2-Technik angeboten hatte, hat 2017 seinen Betrieb nach vier Jahrzehnten eingestellt.
Immerhin hat das ehemalige Weiterbildungszentrum Brennstoffzelle Ulm (WBZU) trotz vieler magerer Jahre durchgehalten und mit Hilfe der Handwerkskammer Ulm überdauert. Seit vielen Jahren heißt es inzwischen Weiterbildungszentrum für innovative Energietechnologien. In den vergangenen Monaten war es damit beschäftigt, die alte Expertise im H2-Sektor wieder neu aufzubauen. So ist mittlerweile auf der Website ein neues Bildungsangebot für den Umgang mit Wasserstoff zu finden.
Andere Anbieter sind da schon deutlich weiter: Sowohl die verschiedenen Schwesterunternehmen des TÜV als auch der Verein Deutscher Ingenieure (VDI) haben die Zeichen der Zeit erkannt und bieten seit geraumer Zeit Seminare rund um die rege nachgefragte H2-Technik an.
Verbandsebene
Ein entscheidender Akteur ist der Deutsche Verband des Gas- und Wasserfaches (DVGW). Der technisch-wissenschaftliche Verein mit Sitz in Bonn ist seit zig Jahren in der Normierung, Zertifizierung und Standardisierung im Erdgassektor tätig. Seit einigen Jahren hat er sich nun den grünen Gasen angenommen. Mit sehr viel Vehemenz versucht der Verband sowohl seine Mitglieder als auch die Politik sowie die gesamte Energiewirtschaft davon zu überzeugen, dass es zukünftig nicht nur Elektronen bedarf, sondern auch Moleküle – am besten grüner Moleküle.
Dementsprechend bietet der DVGW inzwischen bereits ein umfangreiches Programm an Bildungs- und Qualifizierungsmaßnahmen an: Praxis-Workshops, Zertifikats- und Sachkundigenlehrgänge sowie Schulungen und E-Learning-Module rund um Wasserstoff.
Diesen Wandel von der fossilen zur nachhaltigen Energieversorgung nimmt ihm noch nicht jeder ab, deswegen scheint sich der DVGW umso stärker für eine grüne Wasserstoffwirtschaft einzusetzen, wobei allerdings ausdrücklich auch der Weg über blauen Wasserstoff befürwortet wird. Dass der DVGW weiterhin eine wichtige Rolle im Gassektor spielen wird, liegt in der Natur der Sache, da seine Mitglieder über millionenschwere Assets verfügen, die möglichst lange weiter genutzt werden sollen. Eine Stilllegung des gesamten Gasversorgungssystems erscheint gerade in der jetzigen Situation wenig sinnvoll, da es vergleichsweise einfach auf Wasserstoff umgerüstet werden kann.
Hochschulebene
Im Hochschulsektor bleibt das Angebot nach wie vor recht dünn. Lediglich in Dresden gibt es Bemühungen, einen Masterstudiengang für Wasserstoff zu etablieren. Die Teilnehmerzahlen sind allerdings bislang sehr überschaubar. Einer der Vorreiter war hier Prof. Hans Quack, der bereits 2008 einen Masterstudiengang Wasserstofftechnik an der Dresden International University (DIU) initiierte.
Der ehemalige Inhaber des Lehrstuhls für Kälte- und Kryotechnik der TUD konnte damals das Who-is-who (z. B. Dr. Johannes Töpler sowie Dr. Ulrich Schmidtchen vom DWV, Prof. Dr. Jürgen Garche vom WBZU Ulm, Prof. Dr. Ulrich Bünger vom LBST und Arno A. Evers) als Dozenten gewinnen. Auch ich durfte einmal über „H2 in den Medien“ referieren. Das Studium zum Master of Science in Hydrogen Technology umfasste 600 Präsenzstunden, die auf jeweils drei Wochen pro Semester innerhalb von zwei Jahren verteilt wurden (s. HZwei Oktober-Heft 2008). Heutige Lehrstuhlinhaberin an der TU Dresden ist seit September 2022 Prof. Christiane Thomas.
Schon damals stand Christoph Haberstroh an der Seite von Prof. Quack, der offiziell 2008 emeritierte, aber noch bis 2010 weiter lehrte. Seitdem kümmert sich Prof. Haberstroh als Gruppenleiter um die Kryogentechnik am Institut für Energietechnik in Dresden. Unter anderem arbeitete er mit seinem Team an der Entwicklung von Kryogenpumpen sowie den LH2-Tanks für die Brennstoffzellen-Trucks von Daimler und Volvo. Ein Ziel ist hierbei, das spezifische Tankgewicht deutlich zu reduzieren. Wogen herkömmliche Kryogenspeicherbehälter noch 17 kg pro Kilogramm Wasserstoff, liegt dieser Wert derzeit bei 11 bis 12 kg/kgH2. Mit Hilfe leichter Verbundwerkstoffe werden jedoch 1 kg/kgH2 angepeilt.
Derartige Entwicklungen spiegeln wider, dass momentan im gesamten Kryogensektor seit einigen Monaten eine merkliche Themenverschiebung von flüssigem Helium zu Wasserstoff festzustellen ist. Wie die Doktoranden Henrik-Gerd Bischoff, Thomas Just und Maximilian Grabowski (s. Abb. 1) gegenüber HZwei mitteilten und wie auch Prof. Haberstroh bestätigte, werden derzeit „klassische Kernthemen von flüssigem Wasserstoff an den Rand gedrängt“. Insbesondere in den USA steht LH2 stark im Fokus, auch weil dort infolge der Raumfahrttechnik bereits umfassende Erfahrungen beim Umgang mit flüssigem Wasserstoff vorliegen.
Bild: Präzisionsprüfstand von Sebastian Eisenhuth zur Ermittlung des Konzentrationsverhältnisses von Ortho- und Para-Wasserstoff
Wie Prof. Hans Müller-Steinhagen in den Räumlichkeiten der DIU gegenüber HZwei berichtete, starteten im Herbst 2022 zwölf Teilnehmer mit dem komplett neu gestalteten H2-Studiengang der DIU. Müller-Steinhagen war nach langjähriger Tätigkeit beim Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) von 2010 bis 2020 Rektor der TU Dresden und anschließend bis September 2022 Präsident der DIU. Inzwischen ist er im Ruhestand, ist aber noch wissenschaftlicher Leiter für den Studiengang Wasserstofftechnologie und -wirtschaft (M.Sc.).
Seinen Ausführungen zufolge sei es mit diesem Studiengang gelungen, ein attraktives Angebot für Fachleute zu schaffen, die berufsbegleitend Weiterbildung im Wasserstoffsektor anstreben. „Wir wollen Generalisten ausbilden, die das Thema aus mittlerer Flughöhe kennen und beurteilen können – keine Wissenschaftler“, so der Maschinenbau-Ingenieur. Häufig sei es so, dass die Betriebe die nicht ganz unerheblichen Weiterbildungskosten zumindest zum Teil übernehmen oder Mitarbeitende von der Arbeitszeit freistellen. Erklärtes Ziel sei, dieses Mal die Studierendenzahl bis auf 15 Personen zu erhöhen und zukünftig weiter auszubauen.
Auch für Dr. Johannes Töpler, der bei diesem Studiengang das Modul Mobilität leitet, ist die Aus- und Weiterbildung ein Herzensthema. Der Physiker war einer der H2-Pioniere bei Daimler und lange Jahre Vorsitzender des Deutschen Wasserstoff- und Brennstoffzellen-Verbands e. V. Obwohl er längst im Ruhestand ist, treibt er insbesondere im DWV Bildungsthemen unermüdlich voran, lehrte unter anderem durchgehend jahrelang seit 2004 an der Technischen Akademie Esslingen (TAE) sowie für das Haus der Technik (HdT) in Zusammenarbeit mit dem DWV und hat wesentlich am Zustandekommen dieses Studienganges mitgewirkt.
Studiengang „Wasserstofftechnologie und -wirtschaft (M.Sc.)“
Der neue Studiengang aus dem Fachbereich Ingenieurwissenschaften, der von der Dresden International University (DIU) auch in Kooperation mit der Technischen Akademie Esslingen angeboten wird, ist in Deutschland einzigartig. Er verfolgt einen ganzheitlichen Ansatz, bei dem Studierende berufsbegleitend sowohl die Fach- als auch die Managementkompetenz auf dem Gebiet von wasserstoffbasierten Energiesystemen erlangen. Er richtet sich an IngenieurInnen, NaturwissenschaftlerInnen sowie AbsolventInnen anderer techniknaher und wirtschaftlicher Studiengänge, die in der beruflichen Praxis tätig sind und ihre Kompetenzen im Hinblick auf die Gestaltung dieses Zukunftsfeldes erweitern wollen.
Die im Jahr 2003 gegründete DIU beschäftigt rund 40 Mitarbeitende, die wiederum 1.400 Studierende aus unterschiedlichen Bereichen (z. B. Gesundheitswesen, Medizin, Ingenieurwesen, Recht) betreuen. Insgesamt sind über 300 DozentInnen aus Wissenschaft und Wirtschaft über Werksverträge eingebunden.
An der DIU in Dresden und der TAE in Ostfildern kann nach drei Semestern und dem Erwerb von 60 ECTS-Punkten als Abschluss der Master of Science erlangt werden. In Dresden wird zusätzlich zum Master (895 € pro Monat) auch das CAS (Certificate of Advanced Studies – Small: 4.500 € und Advanced: 6.500 €) angeboten. Nächster Starttermin in Dresden und Esslingen ist nicht wie ursprünglich geplant das Wintersemester 2023, sondern das Sommersemester 2024.
Bild: Prof. Hans Müller-Steinhagen
Gemeinsam mit dem Fraunhofer-Institut für Windenergiesysteme (IWES) und der Leibniz Universität Hannover bietet die Carl von Ossietzky Universität Oldenburg eine berufsbegleitende Weiterbildung für Fach- und Führungskräfte an. Diese praxisnahe Maßnahme mit Teamarbeiten und Exkursionen ist für ein Semester konzipiert und kostet 6.000 Euro.
In ähnlicher Weise offeriert auch das Fraunhofer-Institut für Schicht- und Oberflächentechnik (IST) vierteljährig einen Zertifikatkurs an, um Unternehmen fit für das Wasserstoffzeitalter zu machen. In Präsenz auf dem Wasserstoff-Campus Salzgitter bei der Robert Bosch Elektronik GmbH sowie mit Online-Kursen kann die gesamte Wertschöpfungskette der H2-Wirtschaft kennengelernt und ein Personenzertifikat als „Fachkundige*r Wasserstoff mit TÜV Rheinland geprüfter Qualifikation“ erworben werden – Teilnahmegebühren: ca. 5.700 Euro.
Akademieebene
Die Hydrogen Academy ist ein neuer Player im Weiterbildungssektor. Sie wurde im Sommer 2022 von Lifte H2 und TesTneT gegründet und verfügt inzwischen über rund 20 Personen, die sich um praxisorientierte, kundenspezifische Schulungen kümmern. Tom Elliger, der früher beim TÜV Süd arbeitete und im Sommer 2021 zu Lifte H2 wechselte, erklärte gegenüber HZwei: „Das Interesse ist riesig.“
Nach eigener Aussage ist die Hydrogen Academy das „derzeit einzige Trainingszentrum, das sich rein auf Wasserstoff spezialisiert“. Die Kurse werden teils online und teils bei TesTneT nahe München, bei Lifte H2 in Berlin oder beim Kunden durchgeführt.
Ein weiterer Akteur ist seit einigen Monaten die Heinze Akademie. Gemeinsam mit der Handwerkskammer Hamburg und anderen Partnern bietet diese norddeutsche Einrichtung ein Expertentraining in Vollzeit sowie eine berufsbegleitende Weiterbildung für Fachkräfte rund um Wasserstoffsysteme an.
Etwas internationaler geht es bei der Renewables Academy (RENAC) AG zu. Diese in Berlin ansässige Institution hat ein zertifiziertes 120-stündiges E-Learning-Programm zu Green Hydrogen and Renewable Power-to-X Professional (PtX) entwickelt, das asynchron (24/7) in Eigenregie durchgeführt werden kann und die wichtigen technischen und wirtschaftlichen Aspekte von PtX-Anwendungen wie Wasserstoff, Wärmepumpen und Elektromobilität abdeckt. Das nächste Semester startet im Oktober 2023 – Teilnahmegebühren: 1.710 Euro.
Im November beginnt dann auch die nächste Runde der HySchool, allerdings auf sehr viel einfacherem Niveau. Dieses Weiterbildungsangebot wird von dem Ferngasnetzbetreiber Open Grid Europe (OGE) sowie der RWTH Business School organisiert. Wahlweise kann das H2-Kick-Starter- zum Einstieg in die Materie oder das H2-Deep-Diver-Programm für einen vertieften Einblick belegt werden. Die Teilnehmenden erhalten dann an zwei Tagen das erforderliche Wissen, um die H2-Strategie in ihrem Unternehmen vorantreiben zu können – Teilnahmegebühren: 1.450 Euro.
Sollten dann auch irgendwann die Gelder für die Innovations- und Technologiezentren für Wasserstoff bewilligt werden, könnte auch in Duisburg unter Beteiligung des Zentrums für BrennstoffzellenTechnik (ZBT) ein großer Komplex für die Aus- und Weiterbildung entstehen (s. HZwei-Heft Jan. 2023). Dort wird beispielsweise bereits daran gearbeitet, dass der Sicherheitsleitfaden für Berufsfeuerwehren erneuert wird. Aber solange noch keine Freigabe vom Bund erfolgt ist (s. HZwei-Heft April 2023), darf noch nicht wie gewünscht losgelegt werden.
Derweil wird in Nordrhein-Westfalen ein „europaweit einzigartiges Schulungszentrum“ aufgebaut. Wie Open Grid Europe vermeldete, erfolgte am 7. August 2023 in Werne der erste Spatenstich durch Ministerpräsident Hendrik Wüst für eine H2-Trainingsstrecke, wo der Fernleitungsnetzbetreiber ab 2024 sein Personal zu Experten im praktischen Umgang mit Wasserstoff im Ferngasnetz schulen will.
Brennstoffzellen stehen am Beginn des Markthochlaufs
Getrieben durch die Forderungen nach einem emissionsfreien Schwerlastverkehr auf der Straße investieren Lkw-Hersteller sehr stark in batterieelektrische sowie brennstoffzellenelektrische Antriebe. Es werden signifikante Anstrengungen zum Einsatz von Brennstoffzellen in Bussen, Zügen, Schiffen und Flugzeugen unternommen. Darüber hinaus führen vor allem asiatische, aber auch deutsche Automobilhersteller ihre Aktivitäten zu Brennstoffzellen-Pkw fort. Aufgrund derer außergewöhnlichen Bauweise führt dieser Serienhochlauf zu beeindruckenden Stückzahlen. Bei etwa 10 m² Membranelektrodeneinheit pro Stack und drei Stacks pro Lkw-Antrieb werden pro Lastwagen 30 m² Membran und 60 m² Katalysatorschicht (für Anode und Kathode) benötigt. Zukünftige Produktionsserien von 10.000 Lkw führen also zu einem Bedarf von rund 300.000 m² Membranfläche bzw. 600.000 m² Katalysatorschicht. Die dafür erforderlichen Produktionsanlagen zur Katalysatorschichtherstellung sollten also bei einem Zwei-Schicht-Betrieb Bandgeschwindigkeiten in der Größenordnung von 10 m/min realisieren.
Um die Komponentenhersteller und die Maschinen- und Anlagenbauer in ihrer Entwicklung durch fundierte Forschung zu unterstützen, fördert das Bundesministerium für Digitales und Verkehr (BMDV) das Fraunhofer-Institut ISE als Koordinator im Teilverbund R2MEA des Gesamtprojekts H2GO sowie die Fraunhofer-Institute ENAS, ICT, ILT, IPT und ISI. In R2MEA wird eine Forschungsplattform entwickelt und aufgebaut, die zukünftig Unternehmen bei der Untersuchung von Produktionsfragestellungen von der Katalysatorherstellung bis zur fertig konfektionierten 7-Lagen MEA (also dem Verbund aus Membran, Katalysatorschichten, Verstärkungsrahmen und Gasdiffusionslagen) zur Verfügung steht.
R2MEA adressiert Forschungsfragen zur MEA-Produktion
Um eine Serienherstellung von Membranelektrodeneinheiten mit den geforderten Stückzahlen zu realisieren, müssen die heutigen Anlagenkonzepte angepasst werden. Die damit zusammenhängenden Fragen werden in R2MEA adressiert:
Wie kann die heutige Herstellung von Katalysatorpulver von Batch-Prozessen auf kontinuierliche Prozesse umgestellt werden?
Sind neben der heute vorrangig eingesetzten Schlitzdüse auch rotative Druckverfahren zum Aufbringen von Katalysatorschichten sinnvoll, zum Beispiel, um gezielt spezifische Formate abzubilden und Verschnitt einzusparen? Ist ein Direktdruck auf die Membran bei der geforderten hohen Qualität möglich? Können Lasertrocknungsverfahren die Trocknungsdauer und Trocknerlänge verkürzen?
Wie können in Rolle-zu-Rolle-Prozessen die Zuschnitte von Membran, Katalysatorschichten, Verstärkungsrahmen, Gasdiffusionslagen erfolgen? Wie wird ein verzerrungsfreier Bahntransport dieser unterschiedlichen Bahnwaren umgesetzt? Welche Positionierungs- und Laminierverfahren sind geeignet, um hochqualitative Verbünde der Einzellagen zu erzeugen?
Wie sollten Transportbehälter für die Halbzeuge für die Intra- und externe Logistik gestaltet werden, um durchgängige Prozesse zu ermöglichen?
Begleitend zum Aufbau der Forschungsplattform werden umfangreiche Marktstudien zu den Industriebedarfen, techno-ökonomische Analysen zur Wirtschaftlichkeit verschiedener Produktionsprozesse sowie Lebenszyklusanalysen zum ökologischen Fußabdruck durchgeführt.
Derzeit werden im Teilverbund R2MEA die diversen Prozesse abgestimmt, die im Projektverlauf untersucht werden sollen. Dazu werden die nötigen Anlagen beschafft und die Labore aufgebaut. Parallel dazu werden wissenschaftliche Untersuchungen durchgeführt und die Erkenntnisse auf den Technikumsmaßstab übertragen.
BZ-Produktionsforschung auf der hy-fcell
Das Thema Produktionsforschung für Brennstoffzellen wird unter anderem auf der Konferenz und Messe hy-fcell am 13. und 14. September 2023 in Stuttgart in einer eigenen, zweitägigen Session unter der Koordination der an H2GO beteiligten Fraunhofer-Institute adressiert. Dort werden alle Aspekte entlang der Prozesskette durch internationale Sprecher aus der Industrie und Wissenschaft diskutiert. Die Wertschöpfung von der Katalysatorherstellung bis zur MEA wird in drei Einzelsessions vom Fraunhofer ISE, Freiburg, sowie vom ZSW, Ulm, geleitet.
Fraunhofer-Produktionsforschung H2GO
Im Gesamtverbund H2GO entwickeln 19 Fraunhofer-Institute aus neun Bundesländern Lösungen für die industrielle Serienproduktion von Brennstoffzellen mit Fokus auf den straßengebundenen Schwerlastverkehr. Der Gesamtverbund H2GO wird vom Bundesministerium für Digitales und Verkehr (BMDV) mit rund 80 Mio. Euro gefördert. Die Gesamtkoordination übernimmt das Fraunhofer IWU mit Dr. Ulrike Beyer.
Das Fraunhofer ISE leitet den Teilverbund R2MEA, in dem Rolle-zu-Rolle-Prozesse zur Hochskalierung der MEA-Produktion vom Katalysatorpulver bis zur 5-Lagen-Membran-Elektroden-Einheit entwickelt werden, also dem Verbund aus Membran, Katalysatorschichten, Verstärkungsrahmen und Gasdiffusionslagen.
Weitere Teilverbünde beschäftigen sich mit der Herstellung von Bipolarplatten: R2HP (Rolle zu Halbplatte mit den entsprechenden Form- und Schneidprozessen) und HP2BPP (Halbplatte zu Bipolarplatte mit den entsprechenden Schweiß-, Beschichtungs- und Schneidprozessen). Der Teilverbund ST2P (Stack zu Piece) konzentriert sich auf die Demontage von Brennstoffzellenstapeln, um die Einzelkomponenten einer Kreislaufwirtschaft zuzuführen. Der übergeordnete NEXUS-Verbund ViR (Virtuelle Referenzfabrik) entwickelt digitale Abbilder der entwickelten Produktionslösungen und ermöglicht damit eine virtuelle Referenzarchitektur für Brennstoffzellenproduktion.
AutorInnen: Ulf Groos, ulf.groos@ise.fraunhofer.de, Linda Ney, beide vom Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISE, Freiburg
