Wenn Wasserstoff mittels Elektrolyse unter Einsatz von Strom aus erneuerbaren Energien hergestellt wird, entsteht ein klimaneutraler Rohstoff, der als Energieträger und -speicher sowie zur stofflichen Nutzung als Alternative zu fossilen Rohstoffen bereitsteht. Das bietet erhebliche Potenziale für industrielle Prozesse und Mobilität mit weitgehendem Verzicht auf fossile Rohstoffe sowie für die Umsetzung der Energiewende.
Das Fraunhofer-Institut für Mikrostruktur von Werkstoffen und Systemen IMWS, das Fraunhofer-Institut für Windenergiesysteme IWES und das Fraunhofer-Institut für Werkzeugmaschinen und Umformtechnik IWU bündeln nun ihre Expertise, um diesen Ansatz schneller in die Anwendung zu überführen. Mit dem nun eröffneten Hydrogen Lab Leuna sowie den gerade entstehenden Pilotanlagen in Görlitz, Bremerhaven und Hamburg decken sie den gesamten Prozess von der CO2-neutralen Stromerzeugung durch Offshore- und Onshore-Energiegewinnung über die Testung und Optimierung der Elektrolyse sowie die Produktion der dabei eingesetzten Anlagen bis hin zur Speicherung, dem Transport und der Nutzung von grünem Wasserstoff ab.
Unterstützung für den Markthochlauf
»Das Potenzial und die Einsatzmöglichkeiten von grünem Wasserstoff sind außerordentlich vielversprechend. Insbesondere in der Industrie kann die Umstellung etablierter Produktionsprozesse auf Wasserstoff einen entscheidenden Beitrag zur Defossilisierung und zur Erreichung der gesetzten Klimaziele leisten. Der Fokus muss hierbei auf der wirtschaftlichen und nachhaltigen Gestaltung der Umstellung liegen«, sagt Prof. Reimund Neugebauer, Präsident der Fraunhofer-Gesellschaft. »Ziel des ersten Fraunhofer Hydrogen Labs in Leuna ist die Überführung von Wasserstofftechnologien aus dem Labor in den Industriemaßstab. Inmitten des mitteldeutschen Chemiedreiecks wird der Standort mit seiner Industrienähe schnell sichere und effektive Lösungen in die Anwendung bringen. Darüber hinaus wird die Verknüpfung mit weiteren entstehenden Pilotanlagen entlang der gesamten Wertschöpfungskette den Markthochlauf zusätzlich beschleunigen und so die Position Deutschlands in diesem strategisch zentralen Technologiefeld weiter stärken und ausbauen.«
Das Hydrogen Lab Leuna bietet modular nutzbare Testflächen für Elektrolysesysteme, Power-to-X- und Power-to-Liquid-Projekte bis 5 MW Anschlussleistung. »Die direkte Integration in die Infrastruktur eines Chemieparks bietet uns neben der Anbindung an das H2-Pipelinenetz Mitteldeutschland auch den Zugang zur örtlichen Chemieindustrie, die viel Wasserstoff benötigt und ein großes Interesse daran hat, dafür nachhaltige Technologien und Prozesse zu nutzen. Wir werden somit in Leuna nicht nur Elektrolyseure testen und weiterentwickeln, sondern uns auch den Fragestellungen der Power-to-X-Technologien widmen. Das erste Projekt mit einem Hochtemperatur-Elektrolyseur der 1 MW-Klasse in Kombination mit der Herstellung von grünem Methanol ist gerade gestartet«, sagt Dr.-Ing. Sylvia Schattauer, stellvertretende Leiterin des Fraunhofer IMWS und Koordinatorin der Aktivitäten in Leuna.
Drei Hydrogen Labs der Megawattklasse bis Ende 2022
Die drei Hydrogen Labs der Megawatt-Klasse verfügen über klare Alleinstellungsmerkmale: In Leuna ist die Pilotanlage direkt an die Pipeline der regionalen Chemieindustrie angeschlossen.
In Görlitz (12,3 MW Anschlussleistung; geplante Inbetriebnahme: Ende 2022) liegt der Schwerpunkt auf Erzeugung, Speicherung sowie Nutzung von Wasserstoff für mobile sowie stationäre Brennstoffzellen, insbesondere für die Mobilität und zur Versorgung von Quartieren und Industriestandorten. Dazu gehören vor allem die Evaluierung von Stacks und Systemen, Mikrostrukturanalytik und -diagnostik, Digitalisierung, Leistungselektronik sowie Zertifizierung.
In Bremerhaven (zunächst 2 MW Anschlussleistung, erweiterbar auf 10 MW; Inbetriebnahme: Mitte 2022) ist die Besonderheit die Anbindung an eine MW-Windenergieanlage und an die virtuelle Nachbildung eines Stromversorgungsnetzes, um elektrische Eigenschaften von Elektrolyseuren zu untersuchen. Ergänzt werden die Labore durch ein Anwendungszentrum in Hamburg, wo an der Modellierung und Regelung dezentraler, lokaler Energiesysteme geforscht wird. An allen vier Standorten werden außerdem jeweils die Besonderheiten der regionalen Industrie aufgegriffen, z. B. beim Angebot spezifischer Prüfverfahren für neu entwickelte Technologien. In Leuna etwa werden in Zusammenarbeit mit dem Fraunhofer-Zentrum für Chemisch-Biotechnologische Prozesse CBP Verfahren skaliert, um grünen Wasserstoff wertschöpfend zur emissionsarmen Herstellung von Grundchemikalien und synthetischen Kraftstoffen zu nutzen. So wird in dem bereits erwähnten Startprojekt grünes Methanol erstmals im großtechnischen Maßstab hergestellt.
Die gemeinsame Orchestrierung der Aktivitäten durch die drei Institute ermöglicht erstmalig eine sektorübergreifende Demonstration der regenerativen Energieerzeugung hin zur Wirkung und Modellierung des Zusammenspiels großer regionaler Energieerzeugung, Speicherung und Verbrauchereinheiten. Anlagenbauer und Komponentenhersteller erhalten die Möglichkeit, neue apparative Entwicklungen im industriellen Maßstab zu testen. Die enge Kooperation der beteiligten Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler gewährleistet einen intensiven Erfahrungsaustausch, eine komplementäre Entwicklung und einen erleichterten Zugang für die Industrie.
Fraunhofer-Gesellschaft