Deutschland als führenden Technologiestandort für die Nutzung von Wasserstoff als Energieträger entwickeln

Auf Basis erneuerbarer Energie erzeugter „grüner“ Wasserstoff wird ein wesentliches Element der Sektorkopplung sein und damit erheblich zur Reduktion der Treibhausgasemissionen beitragen. Die Bundesregierung hat deshalb eine Wasserstoffstrategie entwickelt, um Deutschland als führenden Technologiestandort für die dabei entstehenden neuen Märkte zu entwickeln. Der nationale Wasserstoffrat wird die Bundesregierung bei dieser Zielsetzung unterstützen.

„Das Ziel muss es sein, erneuerbar erzeugten Wasserstoff für Anwendungen in der Mobilität sowie als Grundstoff der chemischen Industrie zur Verfügung zu stellen“, sagt Karsten Pinkwart vom Fraunhofer-Institut für Chemische Technologie ICT in Pfinztal und Professor im Fachgebiet Elektrochemische Energiespeicher an der Hochschule Karlsruhe – Technik und Wirtschaft.

Vielfältige Entwicklungsaufgaben in der Wasserelektrolyse

Die Elektrolyse von Wasser ist der zentrale Prozess zur nachhaltigen Bereitstellung von Wasserstoff. Das Fraunhofer ICT ist führend an der Optimierung der Elektroden und Elektrokatalysatoren beteiligt und forscht an dünnen Membranen zur Steigerung der Stromdichte mit dem Ziel, den Wasserstoff bezahlbar zu machen. Diese Aufgabe ist auch eine der Zielsetzungen im Fraunhofer Cluster of Excellence „Integrierte Energiesysteme“.

Dass ein Elektrolyseur, eine Lithium-Ionen-Batterie und eine Brennstoffzelle mit jeweils 5 kW elektrischer Leistung miteinander als dezentrale Energieversorgung effizient und effektiv zusammenarbeiten können, wurde im Rahmen eines vom BMBF geförderten Verbundvorhabens gemeinsam mit Industriepartnern bewiesen. Dieser Systemverbund ist auf dem Institutsgelände realisiert und neben der Testung neuer Wasserstoffspeicherkonzepte werden auch Langzeittests sowie Untersuchungen zum Alterungs- und Degradationsverhalten durchgeführt.

Wasserstoff in mobilen und dezentralen Anwendungen

Für die mobile Nutzung von Wasserstoff ist die Entwicklung langlebigerer und robuster Brennstoffzellenstapel von großer Bedeutung. Die Degradationsstabilität der dabei verwendeten Elektrokatalysatoren ist hier von essentieller Bedeutung und wird am Fraunhofer ICT umfassend geprüft. Auch die Nutzung von Wasserstoff als zusätzlicher elektrischer Energielieferant an Bord von Flugzeugen oder für Einsatzfahrzeuge deutscher und europäischer Streitkräfte unterstützt das Institut durch Entwicklung von dafür geeigneten Brennstoffzellensystemen.

Sicherheit hat oberste Priorität bei der Erforschung und Nutzung von Wasserstoff.

Wir führen als eine der wenigen Einrichtungen Untersuchungen zur Wasserstoffsicherheit und zu Leckagen in Fahrzeugen für nationale Prüfeinrichtungen wie z.B. den TÜV durch. Die Erfassung von Wasserstoffkonzentrationen im sicherheitstechnisch relevanten Konzentrationsbereich von 0,1 bis 100 Vol.-% ist dabei entscheidend. Parallel wird sowohl das Versagensverhalten analysiert als auch konstruktive Veränderungen vorgeschlagen. In begleitenden, sicherheitsanalytischen Studien werden Risikobewertungen, Szenarienanalysen von Betriebszuständen, Fehlern und Störfällen sowie so genannte worst-case-Szenarien betrachtet und mit Experimenten verifiziert.

Für die sichere Durchführung von Systemtests stehen mehrere Labore mit entsprechenden baulichen und technischen Schutzmaßnahmen zur Verfügung. Insbesondere für Versuche, bei denen die Freisetzung und Entzündung größerer Mengen Wasserstoff nicht ausgeschlossen werden kann, liegt eine große Expertise vor. Hochrisikoversuche z.B. zur Untersuchung der Wirksamkeit von Sicherheitseinrichtungen in Teil-Anlagen, deren Versagen häufig mit Bersten und Splitterbildung einhergeht, können in speziellen Versuchsboxen durchgeführt werden. Im geschlossenen Sprengbunker sowie im Freiversuchsgelände steht eine Testkapazität bis 3 kg TNT-Äquivalent zur Verfügung.

Für die Ursachen- und Fehleranalyse werden kritische Zustände, Unfälle und Schadenfälle von Systemen und Anlagen rekonstruiert und chemisch analysiert. Die berührungslose Visualisierung von Druckwellen bzw. Dichtegradienten ist eine wichtige Methode, um Explosions- oder Druckausbreitungsversuche zu begleiten. Eine Messtechnik dafür ist die so genannte Background Oriented Schlieren (BOS) Methode. Sie erlaubt nicht nur die abbildende Erfassung von Druckwellen, sondern auch die Visualisierung von Ausströmung und Vermischung des Wasserstoffs mit der Luft und damit der Vorgeschichte einer Explosion. Mit IR- und UV-Vis Spektrometern können Emissionsspektren direkt oder über Glasfasern erfasst und daraus Gastemperaturen berührungslos und hochtransient erfasst werden. Zur Prüfung von Wasserstoff-Speichern, Sicherheitsbauteilen und Versagensszenarien steht eine vollständig ferngesteuert betreibbare H₂-Verdichterstation zur Verfügung, die es ermöglicht, Ausgangsdrücke von bis zu 1600 bar zu realisieren. Das ist deutlich über dem Druck gängiger Hochdruckspeicher.

Die virtuelle Abbildung der Systeme beschleunigt die Umsetzung aus dem Labor in die Industrie und erhöht die Sicherheit im Entwicklungsprozess

Energiesysteme im besonders sensiblen urbanen Umfeld, in denen Wasserstoff genutzt wird, werden hinsichtlich der Kosten sowie bestehender Randbedingungen am Fraunhofer ICT simuliert und optimiert. Die technische Sicherheit von Energieanlagen wird durch physikalische Modellbildung und Simulation erhöht. Beispielsweise wird hierzu die Ausbreitung von Wasserstoff aus Leckagen in Rohrleitungssystemen in geschlossenen Räumen zur sicherheitstechnischen Bewertung simuliert.

„Wasserstofftechnologien haben ein enormes Potenzial sowohl zu den Klimazielen beizutragen als auch eine große wirtschaftliche Bedeutung für die deutsche Industrie zu erlangen. Dafür setze ich mich als Mitglied des Nationalen Wasserstoffrates ein“, resümiert Karsten Pinkwart.