Seit Mitte Mai 2023 tun 21 Brennstoffzellenstapler in der Werksflotte von Linde Material Handling (MH) in Aschaffenburg ihren Dienst. Rund 2,8 Mio. Euro flossen in die Planung und Errichtung der innovativen H2-Infrastruktur vor Ort. Die Produktionsanlage entstand in einer Bauzeit von nur elf Monaten auf 280 m2 im Fertigungs- und Montagewerk. Die dezentrale Wasserstoffinfrastruktur auf dem Gelände des Konzerns soll künftig als Anschauungsbeispiel für interessierte Kunden dienen, denn die Logistikbranche muss dringend von ihren CO2-Emissionen runter.
„Wir zeigen, wie die Nutzung regenerativer Energiequellen in der Praxis funktionieren kann“, sagt Stefan Prokosch, Manager bei Linde Material Handling. Neben der Klimaneutralität (nur mit grünem H2) sei vor allem das schnelle Betanken der Flurförderzeuge mit Wasserstoff bei intensiven Mehrschichteinsätzen ein großer Vorteil. „Eine dreiminütige Betankungszeit entspricht einer vergleichbaren Ladeleistung von rund 480 kW“, freut sich Prokosch.
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Die Millioneninvestition wird vom Bundesverkehrsministerium gefördert und vom Projektträger Jülich umgesetzt. Ziel ist es, Erfahrungen zu sammeln und Expertenwissen aufzubauen. So können Kunden künftig beim Einsatz von Wasserstoff in Materialflussprozessen umfassend beraten werden. Kurt-Christoph von Knobelsdorff, Geschäftsführer der Nationalen Organisation Wasserstoff- und Brennstoffzellentechnologie GmbH (NOW), bezeichnet das Projekt in Aschaffenburg als „Leuchtturmprojekt für den weiteren Hochlauf der Wasserstoff- und Brennstoffzellentechnologie“. Projektplanung und Anlagenbau haben insgesamt gut drei Jahre gedauert.
Wo liegen die Herausforderungen?
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Mit Wasserstoff betriebene Flurförderzeuge bieten Synergieeffekte mit der H2-Nutzung in der Distributionslogistik oder der Industrieproduktion, wodurch insgesamt die Wirtschaftlichkeit verbessert wird. Die Intralogistik kann hier als Einstieg genutzt werden. So setzt das BMW-Werk in Leipzig bereits seit Jahren auf BZ-Gabelstapler und nutzt zudem seit September 2022 in der Lackiererei einen flexiblen Wasserstoffbrenner (s. Kasten).
Eine der größten Herausforderungen liegt gerade in der Infrastruktur: Wasserstoff ist noch nicht flächendeckend verfügbar. Und nur grünes H2-Gas leistet einen Beitrag, um die Klimaziele zu erreichen. Skaleneffekte sind dabei wichtig, um die Kosten der H2-Herstellung zu senken. Wirkungsgrad und Effizienz müssen sowohl bei der Erzeugung als auch bei der Rückumwandlung weiter verbessert werden. Linde MH und der Mutterkonzern KION Group haben bereits mehrere Millionen Euro in die Entwicklung und Produktion der Brennstoffzellensysteme sowie die Errichtung der Wasserstoffinfrastruktur mit Betankungsanlage investiert.
Nachdem aktuell das erste eigene 24-Volt-System für Lagertechnikgeräte auf den Markt gekommen ist, steht als Nächstes die Entwicklung eines 48-Volt-Brennstoffzellensystems auf der Agenda. Ein Förderbescheid dafür liegt bereits vor. Als Hersteller von eigenen Brennstoffzellensystemen und Lithium-Ionen-Batterien hat man beispielsweise die Chance, eigene Brennstoffzellensysteme zu konzipieren, die eine größere Flexibilität bei der Fahrzeugkonstruktion erlauben.
PEM-Elektrolyseur erzeugt 50 kg H2 pro Tag
Die Anlagenteile für die neue H2-Produktion in Aschaffenburg verteilen sich auf mehrere Module. Das Herzstück ist ein PEM-Elektrolyseur, der auf eine Produktionsmenge von 50 Kilogramm H2 pro Tag eingestellt ist. Hier wird gereinigtes und deionisiertes Trinkwasser mithilfe von grünem Strom in Sauerstoff und Wasserstoff zerlegt. In einem weiteren Container wird der Wasserstoff stufenweise auf 450 bar komprimiert. Anschließend gelangt das grüne Gas über Rohrleitungen und Ventile in die Hochdruckspeicher. Ein gesteuertes Ventilsystem regelt die Zuleitung zur Ausgabe an die Zapfsäule. Mitarbeiter schließen die Fahrzeuge hier an, und innerhalb kurzer Zeit ist der Tankvorgang abgeschlossen. Der Hochdruckspeicher ist so ausgelegt, dass er bei 450 bar bis zu 120 kg H2 speichern kann, so können auch die Tankspitzen beim Schichtwechsel gedeckt werden.
Insgesamt sind nun 21 Gegengewichtsstapler mit BZ-Hybridsystem bei Linde im Einsatz. Darunter zwölf des Modells E50 mit fünf Tonnen Tragfähigkeit sowie neun des E35 mit 3,5 Tonnen Tragfähigkeit. Sie alle ersetzen Modelle mit Verbrennungsmotor. Als Teil der Werksflotte übernehmen sie unter anderem das Be- und Entladen von Lkw und die Versorgung der Montagebänder mit großen und schweren Komponenten, wie beispielsweise Gegengewichten, vormontierten Rahmen oder Fahrerkabinen. Im BZ-System reagieren der Wasserstoff und der Sauerstoff der Umgebungsluft. Die erzeugte elektrische Energie lädt so eine Lithium-Ionen-Batterie auf, die den Stapler antreibt. Ein Energiemanager steuert und plant den Energiebedarf am gesamten Standort, vermeidet Lastspitzen und dient der Kostenoptimierung.
Wo wird das BZ-System eingesetzt?
Das BZ-System HyPower 24V mit 7 kW Leistung ist auf die eigenen Flurförderzeuge zugeschnitten und wurde speziell für Einsätze im innerbetrieblichen Materialfluss entwickelt. Durch die Abstimmung mit der leistungsfähigen Lithium-Ionen-Batterie des Hybridsystems werden die BZ-Stacks geschont, was die Lebensdauer verlängert. Auch der Geräuschpegel wurde optimiert. Das System ist vernetzt und kann so Daten über den Zustand und die Nutzung über die Cloud austauschen.
Linde MH nutzt bereits seit mehr als zwei Jahrzehnten einen Prototyp mit BZ-Antrieb. Seit 2010 sind die BZ-Stapler in die Serienproduktion integriert. Bereits heute können 80 Prozent der Gegengewichtsstapler, Schlepper und Hochhubwagen mit H2-Antrieb bestellt werden. In Studien und Projekten zeigte Linde MH, unter welchen Voraussetzungen die Fahrzeuge mit BZ heute schon wirtschaftlich sind: nämlich wenn vor Ort bereits eine Wasserstoffinfrastruktur vorhanden ist oder hochreiner Wasserstoff als Abfallprodukt im betrieblichen Prozess anfällt. „Ab zwanzig Geräten im Mehrschichtbetrieb mit hohen jährlichen Betriebsstunden kann die Umstellung aktuell schon wirtschaftlich lohnend sein“, sagt Sebastian Stoll. Er arbeitet als Programmmanager im Nationalen Innovationsprogramm Wasserstoff- und Brennstoffzellentechnologie (NIP) bei der NOW.
In den USA sind 50.000 BZ-Flurförderzeuge im Einsatz
Der Markt für BZ-Flurförderzeuge in der EU birgt ein großes Potenzial. Jährlich werden in Europa im Segment der Gegengewichtsstapler rund 70.000 Geräte mit Verbrennungsmotor (Klasse 4/5) abgesetzt, die durch elektrische Antriebe ersetzt werden könnten. Zusätzlich werden jährlich etwa 60.000 bis 80.000 Klasse-1-Flurförderfahrzeuge mit Blei-Säure-Batterien (BSB) durch Neugeräte ersetzt. Beide stellen zusammen das theoretische Potenzial für dieses Segment dar, berichtet Stoll. „Leitmarkt für BZ-Flurförderzeuge sind derzeit ganz klar die USA, wo Stand Mitte 2022 über 50.000 Flurförderzeuge mit BZ im Einsatz sind – mit stark wachsender Tendenz.“
Um Aussagen über zukünftige Marktpotenziale in der EU treffen zu können, sei es nötig, die Megatrends und Treiber in der Intralogistik zu erkennen, erläutert Stoll. Der wachsende Anteil des Online-Handels mit immer kürzeren Bearbeitungszeiten, Digitalisierung und Outsourcing geht einher mit mehr Kostendruck und Wettbewerb. Auf der anderen Seite muss auch diese Branche dekarbonisiert werden. Andere Luftschadstoffe und Lärmemissionen müssen ebenfalls verringert werden.
Dem wachsenden Interesse kommen die Hersteller von BZ-Gabelstaplern nach: Beispielsweise hat der US-Marktführer Plug Power im Duisburger Hafen sein europäisches Entwicklungszentrum angesiedelt. Deutsche Brennstoffzellen für die Intralogistik kommen von Globe Fuel Cell Systems, FES Fahrzeug Entwicklung Sachsen oder eben von Linde MH. Die drei Unternehmen sind auch Mitglied im Clean Intralogistics Net (CIN). Bei diesem Netzwerk handelt es sich um einen vom Bundesverkehrsministerium unterstützten Zusammenschluss von insgesamt zwölf Unternehmen entlang der gesamten Wertschöpfungskette, der das Ziel verfolgt, der Wasserstoff- und Brennstoffzellentechnologie in der Intralogistik in Deutschland und Europa zum Durchbruch zu verhelfen.
BMW nutzt flexiblen H2-Brenner im Werk in Leipzig
Das Werk der BMW Group in Leipzig pilotiert nach eigenen Angaben als erste Autoproduktion in der Lackiererei mit der innovativen Brennertechnologie. Diese kann Wasserstoff und Methan (CH4) sowohl allein als auch im Gemisch verbrennen. Der Einsatz des Doppelbrenners erfolgt zunächst im Pilotbetrieb. Derzeit hat das Werk in Leipzig über 130 BZ-betriebene Flurförderfahrzeuge in seiner Flotte. Fünf H2-Tankstellen befinden sich auf dem Werksgelände. Die jüngste davon ermöglicht erstmals sogar vollautomatisierte Tankvorgänge.
Auch in der Logistik jenseits der Werkstore erprobt die BMW Group gemeinsam mit Partnern den Einsatz von Wasserstoff zur Dekarbonisierung der Transportlogistik und engagiert sich in zwei Forschungsprojekten. Bei H2Haul geht es um die Entwicklung und Pilotierung von 16 Brennstoffzellen-Lkw in Belgien, Deutschland, Frankreich und der Schweiz. Beim Projekt HyCET treibt BMW als Konsortialführer die Entwicklung von H2-LKW mit Verbrennungsmotor in der Transportlogistik voran.
In Erftstadt testen derzeit der Versorger GVG Rhein-Erft und der Verteilnetzbetreiber RNG, wie sich die Beimischung von 20 Volumenprozent Wasserstoff im Gasnetz auswirkt. Die Zwischenbilanz des seit Oktober 2022 laufenden Feldtests ist durchweg positiv. Sämtliche angeschlossenen Gasverbrauchseinrichtungen laufen laut TÜV Rheinland zu 100 Prozent störungsfrei. Bürger sowie das angeschlossene Gewerbe konnten über die gesamte Heizperiode hinweg ihre Geräte wie gewohnt nutzen. Verbraucher mussten für das veränderte Gasgemisch nicht umgestellt werden, Auswirkungen auf die Dichtigkeit des Gasnetzes gab es keine.
Bisher ist das deutsche Gasnetz nur für eine Beimischung von 10 Vol.-% Wasserstoff zugelassen. Der Test bestätigt: „Sowohl das Gasnetz als auch die angeschlossenen Gasverbrauchseinrichtungen vertragen eine doppelt so hohe Beimischung an Wasserstoff“, erklärt Projektmanager Reiner Verbert vom TÜV Rheinland. Dieser Test ist deutschlandweit der erste, der in einem L-Gasnetz durchgeführt wird. Der Feldtest soll noch bis Ende Dezember des Jahres laufen. Insgesamt nehmen 100 Haushalte aus den Stadtteilen Niederberg, Borr und Friesheim daran teil.
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Das Gebiet eignet sich besonders gut für diesen für die Energiewende wichtigen Pilotversuch. Denn das rund neun Kilometer lange Netz wurde erst 2007 errichtet – und ist damit technisch auf einem sehr modernen Stand. Mit seinen Hausanschluss- und Verteilleitungen lässt es sich zudem gut überwachen. Sowohl Netztopologie als auch Gerätetechnik der Testhaushalte eignen sich daher besonders für eine repräsentative Ergebnisauswertung, die sich auf andere Gebiete übertragen lässt.
In den vergangenen Jahren wurden reihenweise Kohleminen stillgelegt. Obwohl dort noch Restmengen dieses fossilen Energieträgers lagern, ist es in vielen Bergbauregionen still geworden. Ein Ansatz der Pennsylvania State University könnte ehemaligen Bergwerkbetreibern jedoch Hoffnung machen, dass ihre Flöze doch noch für etwas gut sind – und zwar für die Einlagerung von Wasserstoff.
„Ich halte es für sehr wahrscheinlich, dass Kohle aus wissenschaftlicher Sicht die erste Wahl für die geologische Speicherung sein könnte. Sie kann mehr aufnehmen als andere Materialien. Viele Menschen halten Kohle für Gestein, aber in Wirklichkeit ist sie ein Polymer. Sie hat einen hohen Kohlenstoffgehalt und unzählige kleine Poren, die sehr viel Gas speichern können. Kohle ist für Wasserstoff wie ein Schwamm“, erklärte Shimin Liu, Wissenschaftler an der Penn State.
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Insgesamt untersuchte das Team von Liu acht Arten von Kohlen aus US-amerikanischen Bergwerken, um herauszufinden, wie viel Wasserstoff sie aufnehmen können. Die Kohlen hätten beachtliche Sorptionseigenschaften gezeigt, allerdings müsse noch untersucht werden, wie ihre Diffusivität und Permeabilität sei – Merkmale, die bestimmen, wie schnell Wasserstoff injiziert und wieder entnommen werden kann.
Positiver Begleiteffekt wäre, dass ehemalige Flöze ein Second Life bekommen und strukturschwache Bergbauregionen eventuell wiederbelebt werden könnten.
Die Wachstumsstory Nikola Motors steht gerade erst am Anfang!
Die Meldung schlug am vergangenen Freitag ein wie eine Bombe: Vorstandchef Michael Lohscheller geht aus persönlichen Gründen – ein Krankheitsfall in der Familie lässt ihn nach Europa zurückkehren – und auf den Posten des CEO folgt Chairman und AR-Chef Steven Girsky. Welche Auswirkungen hat dies auf Nikola Motors? Meine Antwort: keine.
Lohscheller hat sehr viel für Nikola getan, dem Start-Up ein neues, positives Image gegeben nach all den Querelen mit dem Unternehmensgründer Trevor Milton. In den vergangenen Wochen wurde Nikola neu aufgestellt. Um die Liquiditätsposition zu stärken, wurden nicht erforderliche Assets wie das Firmengrundstück in Coolidge via Verkauf und Sale-Leaseback abgegeben, die geplante Wasserstoffproduktion in Buckeye an die australische Fortescue Future veräußert (Nikola bezieht von dort aber den Wasserstoff via Offtaker) u.v.a. Die Beendigung des Joint-Ventures in Europa mit Iveco fand sein Ende. Beide konzentrieren sich jetzt auf ihre eigenen Märkte. Die Batterieentwicklung des übernommenen Herstellers Romeo Power wurde liquidiert und 20 Prozent der Belegschaft abgebaut, da sich dies so angeboten hat. Die dort produzierten batterieelektrischen Lkw müssen erst einmal abverkauft werden, bevor neue (2024) gebaut werden, so dass die ehemals für das Iveco-JV eingestellten Kräfte im Unternehmen keine Beschäftigung mehr hatten.
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Kurzum: Da wurde massives Cost-Cutting durchgeführt, um die Liquidität zu schonen und das Unternehmen richtig zu positionieren. Hierzu Zahlen: Lag der Cash-Burn (Liquiditätsbedarf) 2022 noch bei 240 Mio. US-$ im Quartal, so liegt dieser nun bei 150 Mio. US-$ und soll Ende dieses Jahres bei 100 Mio. US-$/Quartal liegen – wie auch 2024. Die Liquidität betrug Ende des zweiten Quartals noch circa 295 Mio. US-$ plus circa 20 Mio. US-$ aus dem Verkauf der H2-Produktionsstätte (Buckeye) an Fortescue. Insgesamt steht Nikola damit ein Kapital in Höhe von über 743 Mio. US-$ zur Verfügung. Darin enthaltene sind ungenutzte Kreditlinien (Nutzung via Aktienausgabe) von geschätzt noch über 200 Mio. US-$ des VCs Tummin.
Der neue CEO ist seit Anfang an dabei. Er war in Vorstandsposition bei General Motors (GM) und hat den Autokonzern, den es ohne Bürgschaften der US-Regierung Obama nicht mehr gäbe, damals aus der Krise geführt.
Genehmigung der Erhöhung der auszugebenden Aktien ist Game-changer
Im dritten Anlauf hat es nun geklappt: Eine einfache Mehrheit auf der Hauptversammlung hat gereicht, nachdem bei zwei Anläufen jeweils alle ausgegebenen Aktien für eine Mehrheitsabstimmung notwendig waren. Eine Gesetzänderung war hierfür die Grundlage. Folge: Nikola kann nun weitere 800 Mio. Aktien ausgeben. Allerdings hat das Unternehmen nun Zeit und keine Eile und auch keinen Druck mehr, dies zu tun, so die Finanzchefin Stasy Pasterick. Das klingt entspannt.
Zukunft liegt im wasserstoffbetriebenen FCEV Tre-Lkw
Der H2-Truck kostet 400.000 US-$. Immerhin sind darin Materialien im Wert von 275.000 US-$ verbaut. Bei der geplanten Skalierung wird sich das positiv ändern. Die Anreize sind erheblich: 288.000 US-$ pro Truck an Förderung in Kalifornien plus 40.000 US-$ von der US-Regierung im Rahmen des IRA. 200 Lkw sind in den Büchern – bis Jahresende werden wohl 100 gebaut und ausgeliefert. 10 Gamma-Lkw sind im Markt bei Kunden zum Testen. Das richtige Geschäft entsteht jedoch erst, wenn der Wasserstoff selbst produziert und verkauft wird.
60.000 bis 80.000 US-$ wird ein Lkw pro Jahr an Wasserstoff ausgedrückt in US-$ verbrauchen. Das Spannende: Die US-Regierung bezuschusst grünen Wasserstoff mit 3 US-$ pro Kilogramm und in Kalifornien kommen gleich noch mal 2 US-$/kg hinzu. Da ist Nikola First Mover, während es von batterieelektrischen bereits einige Wettbewerber gibt. Von den BEVTre sind noch 139 im Bestand und über 90 bei Händlern. Im laufenden dritten Quartal sollen davon 60 bis 90 verkauft sein und bis zu 28 Mio. US-$ Umsatz bringen. Nikola produziert ab 2024 neue, dann aber nur auf Bestellung.
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H2-und Strominfrastruktur wird aufgebaut
Nikola löst das Henne-Ei-Problem selbst: Das Unternehmen plant über 50 H2-Tankstellen zusammen mit Volterra (Tochter EQT) plus weitere acht, die kürzlich Zuschüsse verschiedener Behörden in Kalifornien in Höhe von über 55 Mio. US-$ für Nikola gewinnen ließen. Parallel werden mobile Stromladestationen und mobile H2-Tankstellen konzipiert. Man kann dabei an Tesla denken, denn ohne deren Supercharger hätte wohl kaum jemand ein batterieelektrisches Auto gekauft.
Auftrag von J.B. Hunt
Einen Auftrag über zehn batterieelektrische und drei wasserstoffbetriebene Lkw hat Nikola von J.B. Hunt erhalten. Das Besondere an diesem Logistikkonzern ist, dass er u.a. Koordinierungsaufgaben für über 1 Million Lkw liefert. Das könnte mal was ganz Großes für Nikola werden, so meine Vision – ohne Obligo. Nikola arbeitet zudem an diversen Sicherheitspaketen für den Betrieb der BZ-Lkw und will hier Industriestandard setzen – sieht sich selbst in einer führenden Position.
Am besten brachte es Ex-CEO Lohscheller auf den Punkt: „Nikola ist das einzig Wahre. Wir glauben, dass wir das am besten positionierte Unternehmen sind, um den kommerziellen Übergang zur Emissionsfreiheit anzuführen und die Wasserstoffwirtschaft zu beschleunigen.“
Fazit: Die Shortseller werden versuchen, den Kurs zu drücken, da sie per 30.06.23 über 129 Mio. Aktien leer verkauft haben. Es ging ja auch rasant von 0,50 US-$ bis auf 3,70 US-$ mit sehr hohem Volumen gehandelter Aktien. Für die Kursentwicklung ist es sehr wichtig, dass Nikola Aufträge für die wasserstoffbetriebenen Trucks erhält. Vielleicht stehen da 1.000 oder mehr Lkw bis Jahresende in den Büchern? Es gibt genug Großkonzerne wie Amazon (haben 100.000 eines batterieelektrischen Kleinlasters geordert), die allein schon gut für über 1.000 H2-Lkw sein können. Und die Nähe des neuen CEO zu GM könnte auch mal eine Spekulation auslösen, denn alle unabhängigen US-Lkw-Hersteller wie Navistar (mittlerweile bei VW) wurden übernommen. Vielleicht beteiligt sich auch einer der Großen an Nikola, so wie es Toyota und Daimler in den Anfängen bei Tesla getan haben? Die Nikola-Story beginnt gerade erst. 5 bis 10 US-$ 2024?
Autor: verfasst von Sven Jösting am 6. August 2023
Allgemeine Innovationstrends entlang der H2-Wertschöpfungskette
Wasserstoff ist das häufigste chemische Element im Universum und birgt seit vielen Jahren das Potenzial, eine bedeutende Rolle bei sauberen Energielösungen einzunehmen. Sein großes Vorkommen und seine sauberen Verbrennungsprodukte würden vermuten lassen, dass Wasserstoff der ideale Kandidat ist, um uns von der Abhängigkeit von fossilen Brennstoffen zu befreien. Wenn es jedoch darum geht, seine Tauglichkeit als saubere Energiequelle zu bewerten, muss man die gesamte Wertschöpfungskette betrachten. Diese kann in drei Hauptbereiche unterteilt werden: Produktion, Speicherung sowie Verteilung und Endanwendung. Das Europäische Patentamt (EPO) und die Internationale Energieagentur (IEA) haben kürzlich einen Bericht zur Analyse globaler Innovationstrends entlang H2-Wertschöpfungsketten veröffentlicht. Die bestehenden und neuen Technologien, die den einzelnen Phasen der Wertschöpfungskette entsprechen, sind in der folgenden Abbildung zu sehen, die dem EPO/IEA-Bericht entnommen wurde.
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Heute werden rund 95 Prozent des Wasserstoffs aus fossilen Energiequellen über Prozesse wie Erdgasreformierung gewonnen. Dieser Prozess erfordert nicht nur weiterhin fossile Brennstoffe als Rohstoff, sondern auch einen hohen Einsatz von Energie, die meist ebenfalls aus fossilen Brennstoffen gewonnen wird.
Produktion
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Die Elektrolyse ist eine alternative Methode zur Wasserstoffproduktion, die keine fossilen Brennstoffe als Rohstoff benötigt, zurzeit jedoch nur einen sehr geringen Anteil der weltweiten Produktion ausmacht (ca. 0,04 % im Jahr 2021). Dieser Prozess nutzt Elektrizität, um Wassermoleküle in Wasserstoff und Sauerstoff zu spalten. Die Elektrolyse erscheint zwar vielversprechend, jedoch liegt die durchschnittliche Effizienz dieses Prozesses nur bei rund 75 Prozent. Zudem werden für mehr als 99 Prozent der gesamten Wasserstoffproduktion mittels Elektrolyse nicht-erneuerbare Energiequellen genutzt.
Die globale Trendanalyse von EPO/IEA zeigt auf, dass im Zeitraum von 2011 bis 2020 der größte Teil der wasserstoffbezogenen Patente auf Technologien zur Wasserstoffproduktion entfiel. Technologien, die in Bedenken bezüglich des Klimawandels begründet sind, generierten 2020 nahezu 90 Prozent der Internationalen Patentfamilien (IPF) im Zusammenhang mit Wasserstoffproduktion. Mit einem starken Fokus auf der Dekarbonisierung der Wasserstoffproduktion gab es eine deutliche Zunahme von Patenten in Bezug auf die Elektrolyse und einen deutlichen Rückgang der Patentanmeldungen für die Wasserstoffproduktion aus fossilen Brennstoffen (s. Abb. 2).
IPF-Trends bei Technologien zur Wasserstofferzeugung, 2001 bis 2020
Durch die hohen Erdgaspreise hat sich das Wirtschaftsklima zugunsten des emissionsarmen Wasserstoffs aus Elektrolyse verlagert, der so für weitere Investitionen interessant geworden ist. Weitere Innovationen werden auch notwendig sein, um eine emissionsarme Wasserstofferzeugung aus erneuerbaren Energiequellen zu ermöglichen. Obwohl zurzeit bereits mehrere Elektrolysetechnologien mit stark unterschiedlicher technischer Reife entwickelt werden, gibt es nach wie vor keinen Konsens über eine bevorzugte Lösung.
Speicherung und Verteilung
Reiner Wasserstoff wird zurzeit als Gas in Pipelines und Tube-Trailern oder in flüssiger Form in Kryobehältern transportiert. Um das Potenzial von Wasserstoff als Brennstoff voll auszuschöpfen, sind effiziente, standardisierte und kostengünstige Methoden für die Speicherung und den Transport zwingend erforderlich.
Bei der Speicherung und beim Transport von Wasserstoff gibt es viele Herausforderungen, zum Beispiel das hohe Gewicht und Volumen der Speichersysteme, Energieverluste in Verbindung mit Kompression und Verflüssigung und die Haltbarkeit von Speichersystemen. Patentanmeldungen im Bereich Wasserstofftransport und -speicherung zeigen einen starken Fokus auf die Infrastruktur zur Unterstützung der Wasserstoffaufnahme (s. Abb. 3).
Patenttrends bei Technologien zu Wasserstoffspeicherung, -verteilung und -umwandlung (IPF, 2001 bis 2020)
Anders als im Bereich der Wasserstoffproduktionstechnologien machen Universitäten und Forschungseinrichtungen nur einen geringen Anteil der Patentanmeldungen für die Speicherung und den Transport von Wasserstoff aus. Dies lässt vermuten, dass dieser Teil der H2-Wertschöpfungskette hauptsächlich auf ausgereiften Technologien mit dem Schwerpunkt auf inkrementeller Innovation basiert. Einige neue Technologien, wie die Nutzung von flüssigen organischen Wasserstoffträgern oder synthetischem Methan, bergen jedoch das Potenzial für einen künftigen breiteren Einsatz.
Neue Anwendungen
Während sich dieser Artikel hauptsächlich auf Wasserstoff als alternativen Brennstoff konzentriert, wird die Wasserstoffnachfrage vor allem von der chemischen Industrie angetrieben, wobei rund 75 Prozent für die Ammoniakproduktion und etwa 25 Prozent für die Methanolproduktion bestimmt sind. Innovationen im Wasserstoffsektor, beschleunigt durch den Wunsch nach sauberer Energie, werden wahrscheinlich zu einer höheren Effizienz der bestehenden H2-Wertschöpfungskette führen und somit die CO2-Emissionen der gesamten Industrie reduzieren.
Neue Wasserstoffanwendungen und Patentanmeldungen sind stark auf den Transport fokussiert. Dabei gibt es seit 2001 mehr IPF für Wasserstoffanwendungen im Automobilbereich als für alle anderen neuen Wasserstoffanwendungen zusammen. Brennstoffzellen scheinen die ausgereifteste Technologie für wasserstoffbetriebene Transportmittel zu sein, was sich bereits in einer gewissen Marktakzeptanz niederschlägt. Alternativen wie H2-Verbrennungsmotoren sind nachweislich leistungsfähig und hinken der Reife der Brennstoffzelltechnologie leicht hinterher.
Wasserstoffbetriebene Lösungen für den Straßen- und Schienenverkehr sind weiter entwickelt als jene für den Lufttransport. Dabei stellen die Skalierbarkeit und Masse an Wasserstoffspeichern weiterhin Herausforderungen im Luftfahrtsektor dar. Die Patentanmeldungen bei Wasserstoffanwendungen zeigen einen starken Fokus auf den Automobilsektor (s. Abb. 4).
Patenttrends bei Wasserstoff-Endanwendungen (IPF, 2001 bis 2020)
Schwierigkeiten bereiten nach wie vor die Wasserstoffspeicherung im Fahrzeug sowie die Umwandlung der chemisch in Wasserstoff gespeicherten Energie in Antriebskraft. Im Automobil- und Luftfahrtsektor dominieren Patentanträge für Antriebssysteme. Insbesondere machen H2-Brennstoffzellen einen beträchtlichen Anteil der Innovationen der letzten zehn Jahre aus. In der Luftfahrt eignen sich Brennstoffzellen voraussichtlich eher für Kurzstreckenflüge. Bei Langstreckenflügen werden die höhere Turbinenleistung und Energiedichte von wasserstoffbasierten Kraftstoffen vermutlich eine höhere Leistung als die Kombination aus Brennstoffzelle und Motor bieten.
Wohin führt der Weg?
Die globale Trendanalyse von EPO/IEA zeigt deutlich, dass Wasserstoff weltweit ein Innovationsschwerpunkt bleibt. Um das Potenzial von Wasserstoff als saubere Energiequelle der Zukunft voll auszuschöpfen, sind Innovationen in der gesamten Wertschöpfungskette erforderlich, die effiziente, kostengünstige und nachhaltige Verfahren von der Produktion bis zur Endanwendung sicherstellen können.
Wir alle setzen darauf, dass Innovatoren die Technologien liefern, die den Weg für Wasserstoff als Energie der Zukunft ebnen. Investitionen in neue Technologien sind für den weiteren kommerziellen Erfolg entscheidend. Mehr als 80 Prozent der in der Spätphase getätigten Investitionen in H2-Start-ups im Zeitraum 2011 bis 2020 gingen in Unternehmen, die einen Patentantrag in Bereichen wie Elektrolyse, Brennstoffzellen oder emissionsarmen Methoden für die Wassererzeugung aus Gas eingereicht haben.
Forresters ist darauf spezialisiert, das geistige Eigentum von Innovatoren, die auf Patente vertrauen, zu schützen, ihre Erfindungen auf den Markt zu bringen und ihnen eine klare Richtung zu geben.
Global ist die Schifffahrt für etwa drei Prozent aller Kohlenstoffdioxidemissionen verantwortlich. Die Internationale Seeschifffahrts-Organisation IMO (von engl. International Maritime Organization) hat sich daher zum Ziel gesetzt, diese bis zum Jahr 2050, verglichen mit dem Stand von 2008, mindestens zu halbieren. Für Schiffe werden aufgrund der hohen Leistungsbedarfe und der großen zurückzulegenden Reichweiten vollelektrische Lösungen nur in einigen Anwendungsfällen möglich sein. Wasserstoff und seine Derivate wecken daher bei der maritimen Industrie zunehmendes Interesse aufgrund ihres Potentials, den Emissionsausstoß der Schifffahrt deutlich zu reduzieren. Die Herausforderung ist dabei, Wasserstoff einerseits in sicherer Form und möglichst kompakt an Bord zu speichern und andererseits das Gesamtenergiesystem auf verschiedene Anforderungen abzustimmen und seine Steuerung optimal zu gestalten.
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Derzeit wird bei der Hitzler Werft in Lauenburg das Forschungsschiff Coriolis des Helmholtz-Zentrums Hereon, Geesthacht, gebaut. Das Schiff wird neben einem dieselelektrischen Antriebssystem auch Batterien sowie ein Wasserstoffsystem an Bord verbaut haben. Letzteres hat das Hereon gemeinsam mit dem DLR Institut für Maritime Energiesysteme und dem Ingenieurbüro Technolog, Hamburg, konzeptioniert.
Wasserstoffsystemlabor H2SL an Bord
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Das H2SL ist als ein über das Schiff verteiltes Wasserstoffsystem geplant. Die Hauptkomponenten sind ein Metallhydridtank (MH-Tank), eine Eigenentwicklung des Hereon, sowie eine Niedertemperatur-PEM-Brennstoffzelle. Dazu kommen noch verschiedene Komponenten der Peripherie, wie beispielsweise eine Bunkerstation für Wasserstoff, ein Tankanschlussraum am Metallhydridtank und zwei Abblasemasten.
Insbesondere für ein vergleichsweise kleines Schiff wie die Coriolis mit knapp 30 m Länge muss die Anordnung der Komponenten sehr genau geplant werden. Grund hierfür ist unter anderem, dass es für die Verwendung von Wasserstoff an Bord noch keine bindenden Regularien gibt.
Die Definition von Gefahrenzonen sowie die einzuhaltenden Abstände von Be- und Entlüftungen stammen aus dem IGF-Code, welcher in der Schifffahrt den Umgang mit Kraftstoffen mit niedrigem Flammpunkt reguliert und bisher vorrangig für LNG angewendet wird. Hier wird bisher aber noch keine Rücksicht auf die speziellen Eigenschaften von Wasserstoff, wie beispielsweise die wesentlich höhere Flüchtigkeit als bei LNG, genommen. Dies zeigt sich unter anderem bei der Größe und Form der Gefahrenzonen (s. kugelförmige Gefahrenzonen um die Ausbläser und Lufteinlässe). Eine Erweiterung des IGF-Codes auf die Nutzung von Wasserstoff befindet sich derzeit in Arbeit.
Das Tanksystem, bestehend aus dem eigentlichen Metallhydridtank sowie dem vorgeschriebenen inertisierbaren Tankanschlussraum, wird auf einer 5“-Containergrundplatte aufgebaut und etwa die halbe Höhe haben. Neben dem Gewicht des Metallhydrids selbst bestimmen die stählernen Tankhüllen, Verrohrungen und insbesondere der Druckbehälter des Tankanschlussraums das Gesamtgewicht. Bei einem Gesamtsystemvolumen von rund 4 m3 und einem Gesamtsystemgewicht von etwa 5 Tonnen speichert das Tanksystem circa 30 kg H2.
Damit ist die Brennstoffzelle in der Lage, das Schiff mit etwa 500 kWh grüner Energie zu versorgen. Allerdings nur unter der Voraussetzung, grüner Wasserstoff kann und darf tatsächlich gebunkert werden – eine Herausforderung in sich, wie erste Sondierungsgespräche mit Wasserstoffproduzenten und Häfen gezeigt haben.
Im Vorfeld der Werftausschreibung wurde der Energiebedarf für die Propulsion bei der SVA Potsdam im Modellversuch ermittelt und auf die Großausführung skaliert. Die Schiffsform der Coriolis ist auf den Betrieb bei niedriger Geschwindigkeit optimiert, weil dies dem vorrangigen Betriebsprofil in der küstennahen Fahrt entspricht (s. Abb. 3).
Aufgrund des geringen Leistungsbedarfes bei Schleichfahrt kann die Brennstoffzelle, welche eine elektrische Nennleistung von etwa 100 kW haben wird, in Kombination mit der Batterie für viele Messkampagnen und in weiteren Betriebszuständen (z. B. Liegezeiten) der Coriolis verwendet werden, ohne dass ein Dieselmotor zugeschaltet werden muss. Zusätzlich zur Propulsion müssen noch die elektrischen Verbraucher an Bord versorgt werden, welche jedoch nur einen Bruchteil der benötigten Antriebsenergie beanspruchen.
Benötigte Propulsionsleistung in Abhängigkeit von der Schiffsgeschwindigkeit
Metallhydridtanks
Die im Folgenden genannten Eigenschaften machen aus Sicht von Hereon die MH-Tanks für eine Reihe von Anwendungen im maritimen Bereich attraktiv:
Moderate Beladedrücke von deutlich unter 100 bar bei Betriebstemperaturen von unter 100 °C
Kaltstart eines MH-Tanks prinzipiell auch bei Temperaturen unter 0 °C möglich (Hereon EP 3 843 190)
Durch die chemische Bindung des Wasserstoffs ist prinzipbedingt keine plötzliche Freisetzung von großen Wasserstoffmengen möglich, was einen signifikanten Sicherheitsgewinn an Bord bedeutet.
Die wegen der niedrigen Beladedrücke erlaubte flexible Bauform ermöglicht eine leichte Anpassung an die Schiffsform à eingesparter Bauraum. Insbesondere für kleine Schiffe nehmen heutige Druckwasserstofftanks sehr viel Platz ein, der dem Schiff als wertvoller Ladungsraum verloren geht.
Hohes Gewicht kann in bestimmten Anwendungsfällen sogar vorteilhaft sein, z. B. bei Segelschiffen statt des sonst notwendigen „toten“ Ballasts zur Lagestabilisierung.
Forschung im Wasserstoffsystemlabor (H2SL)
Hereon und DLR untersuchen gemeinsam, für welche Schiffstypen die Kombination aus Niedertemperatur-Brennstoffzelle und Metallhydridtank eine sinnvolle Lösung für das Antriebssystem darstellt. Ziel der beiden Forschungsinstitute ist es, ein Leitkonzept zu erstellen, welches eine leichte Adaption und Integration des Konzeptes des Coriolis-Energiesystems auch in andere Schiffe und Schiffstypen ermöglicht.
Zusätzlich zur Option, das Schiff emissionsfrei zu betreiben, bietet das H2SL noch viele weitere Möglichkeiten, innovative Forschungsansätze zu verfolgen. Hereon und DLR planen intensive Forschungsarbeiten anhand des Antriebssystems. Durch den Betrieb des H2SL in realer maritimer Umgebung, die Möglichkeit des Online-Fernzugriffs auf die Betriebsdaten und der sofortigen Anpassung von Steuerungsparametern und damit durch das Studium der Auswirkungen dieser Änderungen erwarten die beiden Einrichtungen wertvolle Erkenntnisse und Echtzeitdaten zu relevanten Forschungsfragen.
Aufsetzend auf den Betriebsdaten wird das DLR einen digitalen Zwilling des Wasserstoffenergiesystems entwickeln, um den Zustand des Systems jederzeit zu erfassen, die Systemsteuerung zu optimieren und Rückkopplungen für den Betrieb abzuleiten.
Darüber hinaus sollen anhand der Daten Betriebsstrategien für das hybride Energiesystem der Coriolis entwickelt werden. Durch die Variation aus verschiedenen Energiequellen (Batterie, Brennstoffzelle und Verbrennungsmotor) gibt es viel Flexibilität hinsichtlich des Betriebes bei verschiedensten Energieverbrauchsszenarios. Ziel ist es, für unterschiedlichste Fahrt- und Lastzustände ein Optimum in Bezug auf Kraftstoffverbrauch und Betriebskosten durch eine intelligente Lastaufteilung zu erreichen.
Der Vorteil einer solchen Untersuchung auf einem Forschungsschiff ist unter anderem, dass die in der Theorie entwickelten Strategien im nächsten Schritt direkt in das Energiemanagementsystem überführt und auf diese Weise zeitnah im Betrieb validiert werden können.
Hybride Energiesysteme finden immer häufiger Einzug auf Schiffen. Die Erkenntnisse aus dem Betrieb der Coriolis werden zukünftig wertvolle Hinweise liefern, die auch auf andere Schiffstypen übertragen werden können und somit einen Beitrag zur Emissionsreduktion des maritimen Sektors leisten.
