Schon seit 2005 existiert Österreichs erstes und führendes Wasserstoffforschungszentrum HyCentA. Nach einem Aufstieg im COMET-Förderprogramm (Competence Centers for Excellent Technologies) setzt es seine Forschung am Campus der TU Graz nun als K1-Kompetenzzentrum fort.
Das HyCentA, Hydrogen Research Center Austria, an der TU Graz ist Österreichs führendes Forschungszentrum für Wasserstofftechnologien. Seit der Gründung im Jahr 2005 ist HyCentA darauf spezialisiert, neuartige technologische Lösungen für Elektrolyse, H2-Speicherung und Brennstoffzellen zu entwickeln, Innovationen gemeinsam mit Partnern umzusetzen und Technologien von der Idee bis zur Marktreife zu begleiten.
Alexander Trattner, wissenschaftlicher Leiter des HyCentA, erklärt: „Wir wollen die nachhaltige Wasserstoffgesellschaft wesentlich voranbringen, denn wir sind überzeugt davon, dass grüner Wasserstoff Teil der Lösung für ein klimaneutrales Energiesystem sein muss. Die Genehmigung des COMET-K1-Zentrums ermöglicht uns die umfassende Erforschung der besonders zukunftsrelevanten Wasserstofftechnologien Elektrolyseure, Speichersysteme und Brennstoffzellen. Wir können uns damit auch verstärkt der gesamthaften Betrachtung von Wasserstoff in den Bereichen Elektrizität, Wärmeversorgung, Verkehr und Industrie widmen. Basierend auf der jahrzehntelangen Erfahrung in der Forschung und Entwicklung sowie Hunderten von erfolgreich durchgeführten Projekten ermöglicht das COMET-K1-Programm langfristig orientierte Forschung am HyCentA.“
COMET-Netzwerk COMET baut Brücken zwischen Wissenschaft und Wirtschaft für eine nachhaltige Zukunft. Es ist das österreichische Flaggschiff-Programm von Wirtschaft und Wissenschaft zur Förderung von Spitzenforschung. Es fördert den Aufbau von Kompetenzzentren für exzellente Technologien – den COMET-Zentren.
Das etwa 80-köpfige Team des HyCentA arbeitet in vier Areas organisiert. Angestrebt wird eine Kostensenkung der Technologien, die Verringerung der Degradation und eine Erhöhung der Effizienz elektrochemischer Zellen. Zudem sollen die ideale Kombination der Schlüsseltechnologien und Optimierungspotenziale durch die Kopplung der Sektoren Energiewirtschaft, Industrie und Mobilität identifiziert werden. Letztendlich wird dadurch ein höherer Eigenversorgungsgrad mit erneuerbarer Energie, eine Steigerung der Resilienz des Energiesystems und die Standortsicherung durch die Schaffung heimischer Wertschöpfung angestrebt. Insgesamt forschen rund 40 führende nationale und internationale wissenschaftliche Partner und Unternehmen zusammen mit dem HyCentA im COMET-Programm an H2-Technologien.
Area 1: Elektrolyse und Power-to-X
Die Area 1 deckt alle Technologien ab, die der nachhaltigen und emissionsfreien Herstellung von Wasserstoff und Chemikalien zur Speicherung von Wasserstoff dienen. Die wichtigsten Technologien im Bereich der H2-Erzeugung mittels Elektrolyse sind die bereits ausgereifteren AEL und PEMEL, Anwendungen im mittleren Technology-readiness-level (AEMEL und SOEL) und vielversprechende Ansätze mit niedrigem TRL (PCCEL). Ergänzend werden Ansätze für die Wasserspaltung durch Solarenergie (Photoelektrolyse) und die elektrochemische Herstellung von Chemikalien wie Wasserstoffperoxid und Ammoniak erforscht.
Das Ziel besteht in der Weiterentwicklung der Technologien, beginnend bei den Materialien über Zelle und Stack bis hin zum System. Obwohl die allgemeinen Ziele – Erhöhung der Lebensdauer und der Effizienz sowie Senkung der Kosten – für alle Technologien gelten, unterscheiden sich die spezifischen Forschungsansätze. In Bezug auf Effizienzsteigerung sind Design und Betriebsstrategien zu optimieren. In Anbetracht der langen Lebensdauer von Elektrolyseuren wird ein Schwerpunkt auf beschleunigte Alterungstests gelegt. Im Hinblick auf die Fertigungsprozesse wird auf eine stärkere Automatisierung der Herstellungs- und Montageprozesse fokussiert.
Area 2: Green Energy and Industry
Die Area 2 konzentriert sich auf Schlüsseltechnologien, die für H2-Anwendungen im Energie- und Industriesektor unerlässlich sind. Es werden stationäre und transportable Speichertechnologien auf der Basis von gasförmigen Druckspeichern, Metallhydridspeichern und der flüssigen Speicherung betrachtet. Synergien aus dem Zusammenspiel von stationären und On-board-Anwendungen werden durch die Entwicklung eines intelligenten Zusammenspiels von Verteilungs- und Logistiksystemen mit stationären Infrastrukturen genutzt. Geforscht wird unter anderem auch an elektrochemischer Kompression und Aufreinigung sowie an der Verstromung mittels stationärer Brennstoffzellen. Neben der Effizienz der betrachteten Technologien stehen ebenso die Zuverlässigkeit und Sicherheit von Anlagen im Mittelpunkt der Forschung.
Area 3: Green Mobility
Den Schwerpunkt der Area 3 bilden Arbeiten an BZ- und H2-Speichersystemen, insbesondere für die Mobilitätsanwendungen. Dazu gehören PEM- und neue AEM-Zellen, Stacks und Systeme sowie optimierte bestehende und alternative Speichersysteme. Die Forschungsarbeiten zielen auf die Generierung eines tieferen Verständnisses der Mechanismen von Brennstoffzellen und Speichersystemen ab, um die Probleme in Bezug auf Leistung, Degradation, Kosten und Industrialisierung zu verstehen und durch geeignete Gegenmaßnahmen zu lösen.
Relevante Ergebnisse für die Schnittstellendefinition auf Ebene der Fahrzeugintegration und der Betankungsinfrastruktur werden genutzt, um die bestmögliche Basis für zukünftige Entwicklungen zu schaffen. Wesentliche Erkenntnisse werden für eine optimierte Produktion und Fertigung genutzt, um eine schnelle Marktreife und Wirtschaftlichkeit zu erreichen.
Area 4: Circularity and System Optimization
In Area 4 werden lückenlose Tool-Chains entwickelt, um resiliente, sektorübergreifende Energiesysteme auf Basis von erneuerbarer Primärenergie sowie Wasserstoff zu untersuchen und zu optimieren. Mit diesen Simulationswerkzeugen können Betriebsstrategien für PtX-Anlagen entwickelt und Business Cases gestaltet werden.
Neuartige Test- und Messinstrumente für Brennstoffzellen und Elektrolyse sowie zugrundeliegende Mess- und Diagnosemethoden werden entwickelt, um Erkenntnisse über Degradationseffekte, Gesundheitszustand und vorausschauende Wartung zu gewinnen. Effiziente und kostengünstige Messwerkzeuge und -systeme werden für Anwendungen in der gesamten H2-Wertschöpfungskette umgesetzt, und ein umfassendes Wissen über die Eignung und Kompatibilität von Werkstoffen in Verbindung mit H2-Anwendungen wird aufgebaut.
Zur Gestaltung einer Kreislaufwirtschaft werden Analysen und Konzeptentwicklungen zu systemischen und ökonomischen Marktmodellen und Recyclingpotenzialen synoptisch übergeführt. Darüber hinaus werden zukünftige Potenziale von Prozessen und Technologien zum Recycling bewertet und im repräsentativen Small Scale evaluiert. Ein Ökobilanzmodell für Recyclingszenarien wird entwickelt, das neue und recycelte Materialien und Komponenten methodisch gegenüberstellt.
Testcenter für H2, BZ, Elektrolyseure
Testing ist integraler Bestandteil des Forschungsportfolios des HyCentA. In den Laboren und Prüfständen am HyCentA werden Performance, Sicherheit, Degradationsverhalten und Zuverlässigkeit im Realbetrieb mit Wasserstoff geprüft und getestet. Hierfür stehen eine Fülle von Prüfständen und Laboren zur Verfügung, die den hohen und maßgeschneiderten Anforderungen von etablierten Test- und Prüfroutinen genauso entsprechen wie spezialisierten Kundenanforderungen.
Die verschiedenen Tests, die auf den Prüfständen und in den Laboren durchgeführt werden können, umfassen beispielhaft Qualitätsuntersuchungen, Kalibrierdienstleistungen, Leistungs- und Effizienztests, Sicherheitstests, Lebensdauertests und Tests unter realen Umweltbedingungen. Das 1.200 m² große Testcenter umfasst unter anderem zwei Einzelzellen-Elektrolyseteststände, zwei Short-Stack-Elektrolyseteststände, einen Hochdruckprüfstand bis 1.000 bar mit Klimakammer, zwei Multifunktionsprüfstände, einen BZ-Kathodensubsystemprüfstand, einen BZ-Systemprüfstand bis 160 kW mit Klimakammer, ein Gasanalyselabor, ein analytisches und elektrochemisches Labor, einen elektrochemischen Kompressionsteststand, eine 350- und 700-bar-H2-Tankstelle, eine Testzelle für H2-Permeation und einen Autoklav zur H2-Materialkompatibilitätsbestimmmung von Proben.
TU Graz und HyCentA
Das HyCentA ist ein gemeinwohlorientiertes Forschungszentrum. Die Forschenden arbeiten in enger Kooperation mit der TU Graz schwerpunktmäßig in der industriellen Forschung in den Bereichen Elektrolyse, Brennstoffzelle und H2-Infrastrukturen. Gesellschafter des HyCentA sind neben der TU Graz (50 Prozent Anteile) auch die Forschungsgesellschaft für Verbrennungskraftmaschinen und Thermodynamik, Magna und die OMV. Finanziert wird das COMET-Kompetenzzentrum vom Bund – konkret vom Klimaschutzministerium (BMK) und dem Wirtschaftsministerium (BMAW) – und den Bundesländern Steiermark, Oberösterreich, Tirol und Wien. Für das professionelle Programm-Management ist seit mehr als 20 Jahren die Österreichische Forschungsförderungsgesellschaft (FFG) verantwortlich.
Die TU Graz ist die traditionsreichste technisch-naturwissenschaftliche Forschungs- und Bildungsinstitution in Österreich. Seit mehr als 50 Jahren forscht die TU Graz erfolgreich in den Bereichen Elektrochemie und Wasserstoff. Heute ist der TU-Graz-Campus mit 160 Köpfen in der H2-Forschung und einer einzigartigen Labor- und Forschungsinfrastruktur in der europäischen Spitzengruppe. Die TU Graz deckt dabei die gesamte Wertschöpfungskette der erneuerbaren Wasserstoffwirtschaft von Erzeugung über Speicherung und Verteilung bis zur Anwendung ab und ist ein One-Stop-Shop der Wasserstoff-Technologieforschung, beginnend bei den Grundlagen bis hin zu angewandten Technologien und systemischen Aspekten.
Mit Spannung sind die Ergebnisse der EU-Projekte HyResponder und HyTunnel-CS erwartet worden. In diesen beiden Projekten haben sich in den letzten Jahren zahlreiche Experten aus der Industrie, der Feuerwehr und von Forschungseinrichtungen mit Bränden und Unfällen bei Wasserstoffanwendungen beschäftigt. Nunmehr ist bei der International Fire Academy (IFA) nachzulesen: „Wasserstoff-Fahrzeuge in Tunneln – große Gefahr für Einsatzkräfte!“
Mit der Nationalen Wasserstoffstrategie (NWS) hat die Bundesregierung einen Handlungsrahmen für die künftige Erzeugung, den Transport, die Nutzung sowie die Weiterverwendung von Wasserstoff und damit für die entsprechenden Innovationen festgelegt. Wasserstoff kann einen wesentlichen Beitrag zum Klimaschutz leisten – als Kraftstoff für Autos, als Rohstoff für die Industrie oder als Brennstoff für Heizungen. Als vielseitiger Energieträger ist er in allen Sektoren einsetzbar und übernimmt somit eine Schlüsselfunktion in der Energiewende.
In Power-to-Gas-Anlagen wird grüner Wasserstoff CO2-neutral aus erneuerbaren Energien gewonnen, die sich so effektiv im Gasnetz speichern und transportieren lassen. Entsprechend euphorisch sind die Vertreter dieser Technologie.
Wasserstoff ist allerdings – hier genügt ein Blick in das Sicherheitsdatenblatt – ein extrem entzündbares Gas, das nunmehr immer häufiger und in größeren Mengen gelagert und transportiert wird. Damit sind die Feuerwehren und Behörden in Genehmigungsverfahren und zwangsläufig auch bei Einsätzen konfrontiert, wie nachfolgende Meldungs-Beispiele zeigen:
Lastwagen gerät an Wasserstofftankstelle in Brand
Zwei Schwerverletzte nach Wasserstofftank-Explosion
Wasserstofftankstelle explodiert
Schwierige Bergung – Unfall mit „Wasserstoff-Fahrzeug“
Herkömmliche Kraftstoffe wie Benzin und Diesel sind im Einsatzgeschehen der Feuerwehren bekannt. Bisher spielen alternative Kraftstoffe wie verflüssigtes Erdgas (Liquefied Natural Gas – LNG) oder Wasserstoff dabei eine noch sehr untergeordnete Rolle. Daher sind die Erfahrungen von Einsatzkräften damit auch eher gering.
Nun hat die Energiewende an Fahrt aufgenommen. Bedingt durch den Ukraine-Konflikt steigt die Nachfrage nach LNG und Wasserstoff stark an. Dazu kommt, dass die Erdgasnetze zukünftig mit Wasserstoff betrieben werden sollen. Zunächst mit einer Zumischung. Eine Vielzahl an technischen Regelungen und Forschungen ist dafür notwendig und wird derzeit schon in den Gremien abgestimmt und etabliert.
Das erfordert bei den Behörden und Einsatzorganisationen entsprechende Ressourcen für die Bearbeitung und für die Aus- und Fortbildung sowie für spezielle Einsatzmittel.
Wir beobachten, dass Wasserstoffanwendungen bereits etabliert sind, die Einsatzkräfte jedoch oft noch nicht über die entsprechenden Fähigkeiten zur Gefahrenabwehr verfügen.
EU-Projekte HyResponder und HyTunnel-CS
Im Rahmen des HyResponder-Projekts wurde in den letzten Jahren ein „European Emergency Response Guide“ entwickelt. Dieser wird gerade auf Länderebene präsentiert. In Deutschland fand die Veranstaltung dazu Ende Mai 2023 in Oldenburg statt, um die vorgeschlagenen Reaktionen auf „Wasserstoff im Einsatzfall“ in die Deutschen Fachkreise der Brandbekämpfung zu kommunizieren, in Österreich gab es die entsprechende Veranstaltung bereits im April.
Das wichtigste Ergebnis des europäischen Forschungsprojektes HyTunnel-CS, in dem die IFA die Perspektive der Feuerwehren vertrat, ist: „Gegen Rauch, Hitze und Stichflammen können sich Feuerwehr-Einsatzkräfte schützen, nicht aber gegen die Druckwelle von Explosionen von Wasserstofffahrzeugen in Tunneln. Deshalb gilt es, sicheren Abstand zu halten. Wie aber sollen dann Menschen gerettet und Brände wirksam bekämpft werden? Auf diese Frage gibt es noch keine befriedigende Antwort – obwohl immer mehr wasserstoffbetriebene Fahrzeuge zugelassen werden. Deshalb müssen die Feuerwehren jetzt sofort an geeigneten Lösungen arbeiten.“
Neben den Empfehlungen aus den Forschungsprojekten gibt es national und international noch andere wichtige Einsatzhilfen, wie etwa die ISO 17840 als erste weltweite Norm für die Feuerwehren. Zu wissen, wie die Energie in einem Fahrzeug gespeichert wird, kann den Unterschied bedeuten zwischen einem erfolgreichen Einsatz und einer möglicherweise unerwarteten Explosion, einem Gasaustritt, einer Stichflamme oder einem tödlichen Stromschlag.
Mehrere Hunderttausend Benutzer haben die Euro Rescue App heruntergeladen. Sie bietet Zugriff auf 1.400 Fahrzeugrettungsblätter in vier Sprachen. Der Internationale Feuerwehrverband (CTIF) forciert die Verbreitung und die Nutzung.
Voraussetzung dafür ist allerdings, dass die Einsatzkräfte den Fahrzeugtyp identifizieren können. Bei Bränden etwa in Tunneln oder Tiefgaragen ist das sehr schwer. Darauf zielt auch die erwähnte Aussage der IFA ab, denn die Einsatzkräfte gehen wie gewohnt vor und treffen dann plötzlich auf ein Brennstoffzellenfahrzeug. Selbst wenn das richtige Rettungsdatenblatt gefunden wird, sind die Informationen, etwa über notwendige Sicherheitsabstände für die Einsatzkräfte beim Brand des H2-Fahrzeuges, „ausbaufähig“.
Bei Bränden und Unfällen ist zu beachten, dass immer ein Szenario zu betrachten ist. Dazu zählt zwingend die Umgebung der Einsatzstelle, die bei den Einsatzplanungen mitzuberücksichtigen ist. Der Brennstoffzellenbus brennt beispielsweise nachts in der Garage, weil er neben einem brennenden anderen Fahrzeug steht. Der H2-Bus ist dabei nicht die Ursache, aber er verschärft das Szenario wesentlich. Es sind zwei grundlegende Bereiche zu betrachten: Die Wasserstoffanlage (H2-Bus, H2-Pkw) ist selbst die Ursache, oder – das ist wahrscheinlicher – die Wasserstoffanlage wird durch ein externes Ereignis betroffen. Im Genehmigungsverfahren müssen beide Varianten betrachtet werden.
Künstliche Intelligenz hat großes Potential
Auf der anderen Seite stehen durch neue Anwendungen der Digitalisierung, insbesondere durch die künstliche Intelligenz (KI), künftig Möglichkeiten rascher Informationsbeschaffung zur Verfügung, um die Gefahrenabwehr zu unterstützen. Viel kritisiert ist die lange Bearbeitungszeit bei den Behörden für ein Genehmigungsverfahren. Hier verspricht die Politik eine wesentliche Beschleunigung. Gerade hier kann mit KI viel Zeit gespart werden.
Insbesondere kann die Feuerwehr mit einem geeigneten KI-Modul die eingereichten Unterlagen schnell analysieren und die Plausibilität prüfen. Für Einsätze in Explosionsbereichen können Roboter und Drohnen – mit KI – entscheidende Vorteile bringen. So kann ein Roboter beispielsweise eine Tiefgarage einscannen. Insbesondere können Brennstoffzellenfahrzeuge in Tiefgaragen und Tunnelanlagen ohne Gefährdung des Einsatzpersonals identifiziert werden.
Ein Lösungsansatz wäre es, Fahrzeuge mit alternativen Kraftstoffen mit einem Chip auszustatten, damit der Roboter oder die Drohne Fahrzeuge rascher identifizieren kann. Mit Messtechnik am Roboter könnte man auch den Austritt von Wasserstoff detektieren.
Explosionslagen können in der Realität nicht geübt werden, daher bieten sich für das Training Virtual Reality (VR) beziehungsweise Augmented Reality (AR) an. Wie Abbildung 3 zeigt, kann man bereits mit herkömmlichen, kostenfrei zugänglichen Programmen ein brauchbares Einsatzleiter-Training realisieren.
Gratwanderung
Wenn die Feuerwehr eine Aus- und Fortbildung sowie spezielle Einsatzmittel benötigt, bedeutet das nicht zwangsläufig, dass die H2-Technik fehlerhaft oder anfällig wäre. Es sind die neuen Szenarien (Massenunfall im Tunnel mit beteiligten H2-Lkw oder -Bussen), die das Risiko für die Einsatzkräfte wesentlich erhöhen.
Das alles ist in der Umsetzung „politisch brisant“, denn eigentlich sollte es bei Wasserstoff ja möglichst keine Probleme geben. Finanzielle Mittel für die Gefahrenabwehr sind „eher nicht“ vorgesehen. Die Einsatzorganisationen sind zunehmend mit einer Vielzahl an neuen Technologien und Energieträgern konfrontiert. Während der Umstellungsphase sind viele verschiedene Energieträger parallel in Anwendung. Für die Mitarbeiter im vorbeugenden Brand- und Gefahrenschutz sowie in der Einsatzplanung bedeutet das zurzeit häufig noch Neuland und „Learning by doing“. Der Arbeitsschutz ist dabei nicht nur für die H2-Tankstellenmitarbeiter und für die Fahrer der Tankwagen sicherzustellen, sondern auch im Rahmen einer Gefährdungsbeurteilung für die Einsatzkräfte.
Wie viel Fortbildung wollen wir unseren Feuerwehrangehörigen zukommen lassen? Derzeit gibt es noch keine speziellen Übungsanlagen in Deutschland. Die deutsche Innenministerin warnt vor „Anschlägen“ auf die Energieinfrastruktur, und auch gewalttätige Aktionen von Aktivisten sind zu berücksichtigen. Da ist nun die Einsatzplanung der Feuerwehr gefordert. Alternative Energien sind „eng“ damit verzahnt: Für die Gefahrenabwehr ist es sinnvoll, Synergieeffekte zu nutzen, beispielsweise sollten die Themen LNG und CNG bei den Wasserstofffortbildungen gleich mit eingebaut werden.
ISO 17840: Die erste weltweite Norm für Feuerwehren | CTIF – International Association of Fire Services for Safer Citizens through Skilled Firefighters
Petter, F.: First on site: Decision-making training for incident commanders in vehicle fires, interne Studie, unveröffentlicht
000 Nutzer haben die Euro Rescue App heruntergeladen – Zugriff auf 1.400 Fahrzeugrettungsblätter in 4 Sprachen | CTIF – Internationaler Verband der Feuerwehren für sicherere Bürger durch qualifizierte Feuerwehrleute
Grüner Wasserstoff ist ein wichtiger Baustein der Energiewende. Mit seiner Hilfe kann regenerative Energie gespeichert und bedarfsgerecht in verschiedensten Sektoren genutzt werden. Doch wie bringt man Erzeugung, Speicherung, Verteilung und Nutzung von Wasserstoff zusammen? Eine Antwort auf diese Frage will im Havelland das Projekt H2VL liefern: Verschiedene lokale Akteure werden entlang der gesamten Wertschöpfungskette des Wasserstoffes identifiziert, vernetzt und bei der Umsetzung ihrer Projekte unterstützt – von der Erzeugung über die Verteilung bis hin zur Nutzung. Dafür wird das Havelland als eine der 15 HyExpert-Gewinnerregionen im Rahmen des Nationalen Innovationsprogramms Wasserstoff- und Brennstoffzellentechnologie (NIP2) durch das Bundesministerium für Digitales und Verkehr mit knapp 400.000 Euro gefördert.
Im H2VL-Netzwerk sind fast 140 Stakeholder aus 75 verschiedenen Organisationen vertreten – von Unternehmen und Kommunen bis hin zu zivilgesellschaftlichen Gruppen und Forschungseinrichtungen. Das Umweltamt des Landkreises leitet das Projekt und unterstützt von politischer Seite her die H2-Entwicklungen. Die Förderrichtlinie wird von der NOW GmbH koordiniert und vom Projektträger Jülich (PtJ) umgesetzt.
„Mit dem Wasserstoff, der vor Ort mit erneuerbaren Energien erzeugt und dann direkt im hiesigen Mobilitätssektor genutzt wird, kann ein wertvoller Beitrag zum Klimaschutz im Havelland geleistet werden.“
Nico Merkert, Amtsleiter im Umweltamt Havelland
Das Projekt wird ein Jahr lang von einem Konsortium aus Wasserstoff- und MobilitätsexpertInnen begleitet. Das Reiner Lemoine Institut (RLI) leitet das Projekt auf Auftragnehmerseite und wird durch die IAV Ingenieurgesellschaft Auto und Verkehr, Consulting4Drive und das Institut für Klimaschutz, Energie und Mobilität (IKEM) unterstützt. Am Ende des Projekts werden die Erkenntnisse in einer regionalen Machbarkeitsstudie zusammengefasst.
Umsetzungsnähe ist wichtig
Einer der wichtigsten Bausteine des H2VL-Projekts ist die Zusammenarbeit mit den H2-Akteuren vor Ort. Konkret wurde in vielfältigen Formaten zusammengearbeitet: Am Anfang stand das Kennenlernen in bilateralen Gesprächen und Vor-Ort-Terminen im Vordergrund. Systematisch wurden in einer Umfrage Daten von allen Stakeholdern abgefragt. In acht Workshops wurden die Teilnehmenden miteinander vernetzt und konnten Projekte innerhalb und außerhalb des Havellandes kennenlernen. Das hat dazu geführt, dass die Akteure sich mittlerweile gut untereinander kennen und darüber hinaus gemeinsame Projekte vorantreiben.
Das Projekt wurde in fünf Paketen bearbeitet. Neben dem zuvor beschriebenen Projekt- und Stakeholdermanagement wurde die gesamte Wertschöpfungskette einer grünen Wasserstoffwirtschaft betrachtet (s. Abb. 1).
Wasserstofferzeugung
Wird der Wasserstoff lokal aus erneuerbaren Energien (EE) erzeugt und später genutzt, bietet das den Vorteil einer regionalen Wertschöpfung. Wichtig ist, dass BürgerInnen und Kommunen von der EE- und H2-Erzeugung in ihrer Umgebung direkt und indirekt profitieren. Deshalb wird im Projekt ein Fokus auf regional verankerte Stakeholder gesetzt. Das Havelland hat enorme Erzeugungspotenziale für erneuerbare Energien. Etwa 1 GW Photovoltaik und 2,5 GW Wind wären technisch möglich.
Auch wenn nur ein geringer Teil dieser Potenzialflächen genutzt würde: Damit könnten große EE-Mengen erzeugt und unter anderem für die Wasserstoffproduktion genutzt werden. Wie viel und zu welchem Preis Wasserstoff produziert werden kann, hängt vom Strompreis, von den Volllaststunden des Elektrolyseurs sowie vom Verhältnis der installierten EE- und der Elektrolyseurleistung ab (s. Abb. 2). Je nach Betreibermodell sind im Havelland Gestehungskosten zwischen 7,80 und 9,70 Euro pro Kilogramm Wasserstoff wahrscheinlich.
„Wir sehen, dass es im Havelland große Potenziale zur Erzeugung von erneuerbaren Energien und damit auch für grünen Wasserstoff gibt. Um diese Potenziale zu heben, ist es wichtig, dass die Menschen im Havelland vom Aufbau der Wasserstoffwirtschaft profitieren. Deshalb legen wir im Projekt Wert auf regionale Wertschöpfungsketten und die Einbindung kommunaler Unternehmen.“
Anne Wasike-Schalling, Reiner Lemoine Institut
H2-Gestehungskosten in Abhängigkeit von der installierten EE-Leistung, Quelle: Reiner Lemoine Institut
Neben der Wasserstofferzeugung aus erneuerbaren Energien plant das Unternehmen Neue Energien Premnitz auch die H2-Erzeugung aus Reststoffen. Konkret heißt dies, dass die nicht-recycelbaren Reststoffe aus der Firma Richter Recycling für ein thermisches Recycling genutzt werden sollen (s. HZwei-Heft Oktober 2021). Die Flächen für die Anlage sind bereits gesichert, und das Verfahren für die BImSchG-Genehmigung läuft.
Wasserstoffbedarf
Wasserstoff ist in vielen Sektoren einsetzbar und kann stofflich genutzt werden oder fossile Energieträger ersetzen. Im Havelland wurden insbesondere der Verkehrs- und der Industriesektor untersucht. Bei den Industrieunternehmen im Havelland würde Wasserstoff zumeist bisher genutztes Erdgas ersetzen. Damit das wirtschaftlich darstellbar wäre, müsste der Preiskorridor für grünen Wasserstoff zwischen etwa 5 (Erdgas-Paritätspreis) und 10 Cent pro Kilowattstunde liegen (entspricht 1,67 bis 3,33 Euro pro kg Wasserstoff). Dies ist in den nächsten Jahren nicht absehbar. Ein stofflicher Wasserstoffeinsatz ist derzeit im Havelland nicht bekannt.
Im Verkehrssektor wurden unterschiedliche Verkehrsträger beleuchtet. Im Schienenpersonennahverkehr und im Rangierbetrieb ist der Einsatz von Wasserstoff vorstellbar, derzeit sind jedoch noch keine konkreten Bedarfsmengen absehbar. Im Straßenverkehr liegt der Fokus vor allem auf schweren Fahrzeugen oder solchen mit großen Reichweiten. Aufgrund der höheren Energiedichte von Wasserstoff im Vergleich zur Batterie können hier Vorteile erzielt werden.
Für die Umstellung von Diesel auf Wasserstoff wurden mit den Stakeholdern umfangreiche Kostenbetrachtungen über den gesamten Lebenszyklus durchgeführt (Total Cost of Ownership). Diese zeigen beispielsweise für den Betrieb einer ÖPNV-Busflotte: Kostet der grüne Wasserstoff zwischen 5,90 und 7,50 Euro pro Kilogramm, kann eine Kostenparität mit Dieselfahrzeugen erreicht werden. Hier zeigt sich eine Lücke zu den bisher wahrscheinlichen Wasserstoffgestehungskosten (siehe oben).
Um in der Hochlaufphase trotzdem Geschäftsmodelle zu ermöglichen, gibt es die Treibhausgasminderungsquote (THG-Quote). Diese führt dazu, dass durch das Inverkehrbringen grüner Kraftstoffe (z. B. Wasserstoff) ein Mehrerlös durch den Quotenverkauf erzielt werden kann.
Speicher und Verteilung
Wasserstoff kann auf unterschiedliche Arten gespeichert und transportiert werden. Mit den Stakeholdern und in der Machbarkeitsstudie wurden verschiedene Arten der Speicherung und des Transports diskutiert. Relevant für die Planungen der Stakeholder ist auch das geplante Brandenburger H2-Startnetz. Dieses wird gradaktuell ausgebaut. Nach und nach werden dadurch verschiedene Orte des Havellands Teil eines überregionalen Wasserstoffnetzes.
H2-Startnetz im Havelland, Quelle: Localiser
Die verschiedenen Wertschöpfungsteile einer Wasserstoffwirtschaft wurden im letzten Arbeitspaket praxisnah miteinander verknüpft. Denn um wirtschaftliche Geschäftsmodelle realisieren zu können, braucht es sowohl die Erzeugungs- als auch die Bedarfsseite. In zwei regionalen Clustern wurden gemeinsam mit den Stakeholdern mögliche Lieferketten skizziert, analysiert und weiterentwickelt.
Cluster Östliches Havelland
In diesem Cluster prüft das Konsortium derzeit mit der GASAG, ob und wie ihr geplanter Elektrolyseur in Ketzin wirtschaftlich errichtet und betrieben und der Wasserstoff dem regionalen Verkehrssektor zur Verfügung gestellt werden kann. Als potenzielle Abnehmer des Wasserstoffs böten sich aufgrund ausreichender theoretischer Mengen aus Sicht des Konsortiums derzeit am besten Teile von kommunalen Flotten im nahegelegenen Nauen an. Bei diesen besteht generelles Interesse an einer Teilumstellung auf H2-Antriebe. Derzeit wird separat die Wirtschaftlichkeit im Detail geprüft.
Erste überschlägige Berechnungen zeigen zudem, dass, wenn man die beiden Seiten zusammendenkt, eine regionale Wertschöpfungskette von Erzeugung über Verteilung und Tankstelle bis Verbrauch unter bestimmten Bedingungen (z. B. Förderungen) darstellbar sein könnte. Allerdings müssen noch mehrere Parameter geklärt werden. Auch die Akteure der Transportlogistik-Branche im Gebiet Wustermark-Brieselang werden in diesem Cluster mitgedacht, denn sie könnten weitere Ankerkunden darstellen.
Cluster Westliches Havelland
Von der Rathenower Wärmeversorgung wird ein Projekt zur Erzeugung von klimafreundlicher Wärme angestrebt. Dies soll durch die eigene Erzeugung erneuerbarer Energien in Kombination mit einer Power-to-Heat-Anlage geschehen. Der erneuerbare Strom wird dadurch direkt in Fernwärme umgewandelt. Um die Fluktuation der EE-Erzeugung optimal zu nutzen, ist darüber hinaus die Installation eines Elektrolyseurs in Überlegung. Dieser soll überschüssige Energiemengen nutzen, um grünen Wasserstoff zu produzieren. Ganz nebenbei kann dabei die Abwärme des Elektrolyseurs im Fernwärmenetz mitgenutzt werden. Der Wasser- und Abwasserverband Rathenow könnte mit seiner Flotte von Fäkalsaugfahrzeugen zu einem regionalen H2-Abnehmer werden.
Darüber hinaus sind die Stakeholder angehalten, sich selbstständig weiter zu vernetzen. Der digitale Wasserstoffmarktplatz ermöglicht die dezentrale Vernetzung aller Beteiligten und auch das gezielte Suchen nach bestimmten Akteuren der Wertschöpfungskette. Auch über das H2VL-Projekt hinaus können sich hier Stakeholder vernetzen.
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.
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.
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.
