Wasserstoff: Diese Idee könnte die Produktion revolutionieren

Eine alte Technologie erstrahlt in neuem Glanz – so könnte man die Diskussionen um das Thema Wasserstoff zusammenfassen. Denn die Trennung von Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff wird schließlich schon lange praktiziert, und es ist auch bekannt, warum diese spannende Technologie bislang ein Schattendasein fristete: Die Umwandlung per Elektrolyse und die spätere Stromproduktion per Brennstoffzelle sind regelrechte Energiefresser und daher nicht sonderlich effizient. Das soll sich ändern. Denn für die Energiewende werden alle klimafreundlichen Energieträger benötigt.

Fraunhofer-Forschende testen: Wie sicher ist das Stromnetz der Zukunft?

Während zahlreiche Forschungsteams daran arbeiten, den Wirkungsgrad dieser Technologie zu erhöhen, verfolgen Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler vom Fraunhofer-Institut für Werkzeugmaschinen und Umformtechnik IWU einen ganz anderen Weg. Sie haben sich überlegt, den Wasserstoff einfach dort herzustellen, wo es auf die Energieverluste bei der Produktion nicht so genau ankommt, weil immer genug grüner Strom vorhanden ist – auf dem offenen Meer.

Windenergie direkt auf dem Meer über Wasserstoff speichern

Das neue Forschungsprojekt heißt „H2Wind“. Der Name macht schon klar, worum es im Wesentlichen geht: um die Wasserstoff-Produktion mittels Windenergie. Dafür wollten die Fraunhofer-Forschenden bis zum Jahr 2025 Elektrolyseure und Wasserstoffspeicher entwickeln, die im Meer betrieben werden können. Der Gedanke ist naheliegend. Denn dort gibt es nicht nur genug Wasser, sondern es weht in der Regel auch eine kräftige Brise. Teure Netzanschlüsse ans Festland wären nicht nötig, und der Strom, den die Offshore-Anlagen produzieren, kann nach Bedarf eingesetzt werden.

„Die Wasserstofferzeugung mit grünem Strom auf dem Meer hat einige Vorteile: Wind ist nahezu immer verfügbar. Das ermöglicht eine stetige Stromproduktion. Außerdem entfallen Restriktionen wie Abstandsregelungen an Land“, sagt Mark Richter, Hauptabteilungsleiter der „Zukunftsfabrik“ am Fraunhofer IWU. Aber er weiß auch um die Herausforderungen, die auf das Team zukommen: „Andererseits findet die Elektrolyse auf offener See unter robusten Bedingungen statt. Darauf müssen das Gesamtsystem sowie die einzelnen Komponenten ausgelegt werden, damit sie zuverlässig über viele Jahre funktionieren und mit ihnen eine maximale Ausbeute der Windenergie erreicht wird.“

Materialien für den Offshore-Bereich gesucht

Konkret stehen die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler vor der Aufgabe, einen Forschungs-Stack zu entwickeln, in dem innovative Bipolarplatten erprobt werden, die für die Anwendung in der Offshore-Elektrolyse geeignet sein könnten. Bei den Stacks handelt es sich um wichtige Komponenten der Elektrolyseure. Sie sind aus zahlreichen Zellen zusammengesetzt, in denen wiederum Bipolarplatten wesentliche Bestandteile sind. Das Design dieser Bipolarplatten ist ein sehr wichtiger Faktor, denn davon hängen der Wirkungsgrad, die Funktionalität und die Lebensdauer der Zelle und damit des gesamten Stacks ab. „Wir suchen nach geeigneten Materialien und deren gezielter Anwendung für den Einsatz im Offshore-Bereich“, sagt Richter. „Ebenso geht es um Produktionsverfahren für eine zukünftige Serienfertigung dieser Platten, die ein Höchstmaß an Flexibilität bezüglich der technologischen Eigenschaften der Platten, der verwendeten Materialien und Beschichtungsstrategien erlauben.“

Die Forschenden des Fraunhofer IWU fangen dafür natürlich nicht bei null an. Sie könnten unter anderen auf selbst entwickelte Produktionsverfahren für Bipolarplatten zurückgreifen. Im Fokus stehen verschiedenen Umformverfahren, etwa Hydroforming, Prägen oder das Walzprägen.

Digitale Zwillinge ermöglichen verschiedene Szenarien

Die Wasserstoff-Herstellung ist aber nur die eine Seite. Ebenso wichtig ist eine effiziente Speicherung. Das Fraunhofer-Team setzt dazu auf den Offshore-Einsatz von Röhrenspeichern. Diese sind bereits etabliert, wenn es um die Speicherung von Erdgas geht. Für die Wasserstoffspeicherung auf hoher See stellen sich aber neue Fragen, etwa: Welchen Einfluss hat der Wasserstoff auf das Material und die Schweißverbindungen der Rohre? Wie überstehen die Röhrenspeicher zahlreiche Befüllungs- und Entleerungszyklen bei gleichzeitig auftretenden hohen Drücken? Schließlich können diese bei mehreren 100 bar liegen. „Untersuchungen zur Materialermüdung sowie zur Gestaltung der Betriebsführung für einen langlebigen Einsatz der Röhrenspeicher sind deshalb weitere wesentliche Aufgabenstellungen im Projekt“, erklärt Richter.

Die Digitalisierung wird ein wichtiger Aspekt sein, um diese Forschungen umzusetzen. Einzelne Komponenten des H2Wind-Projektes werden über eine Modellbibliothek von digitalen Zwillingen dargestellt. Vereinfacht gesagt, kommunizieren sie miteinander, um die im Projekt entwickelten Simulationsmodelle zentral verwalten zu können. So können auf allen Ebenen verschiedene Szenarien durchgespielt werden, auch unterschiedliche industrielle Nutzungsmöglichkeiten des grünen Wasserstoffs.

Der Bund fördert das Projekt mit 3,5 Millionen Euro.

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