Wasserstoffwirtschaft

Wasserstoff von Erzeugung, über Transport und Speicherung bis zur Nutzung

Für das Erreichen der Klimaschutzziele wird die Wasserstofftechnologie eine Schlüsselrolle einnehmen. Wasserstoff ist ein umweltfreundlicher, sicherer und leistungsfähiger Energieträger, der effizient und nachhaltig produziert sowie genutzt werden kann. Trotz der langjährigen Erfahrung mit Wasserstoff erfordert der Aufbau einer Wasserstoffwirtschaft eine große Anstrengung für die deutsche und europäische Industrie. Dafür müssen Fragestellungen hinsichtlich Erzeugung, Transport, Speicherung und Nutzung für eine Vielzahl von Anwendungen geklärt und die entsprechende Infrastruktur aufgebaut werden.

Das Fraunhofer IFAM hat sich als langjähriger Forschungs- und Entwicklungspartner von Wasserstoff- und Brennstoffzellentechnologien national und international etabliert. Das Institut ist seit mehr als 20 Jahren in der Wasserstoffwirtschaft tätig. Dabei decken unsere Expertinnen und Experten heute die Bereiche Wasserstofferzeugung, Wasserstofftransport und Speicherung sowie die Nutzung von Wasserstoff ab. Hauptaugenmerke sind neben den Werkstoff- und Fertigungskosten von Komponenten auch deren Effizienz und Betriebsfestigkeit, um zu nachhaltigen und wirtschaftlichen Lösungen zu kommen.

 

Wasserstofferzeugung 

Eine nachhaltige Wasserstoffwirtschaft muss auf erneuerbarer Primärenergie aufbauen (s. Erneuerbare Energie). Die Herstellung muss aus volkswirtschaftlichen Gesichtspunkten kostengünstig und klimaneutral erfolgen – die Elektrolyse wird dabei eine zentrale Rolle einnehmen. Das Fraunhofer IFAM beschäftigt sich umfassend mit der der alkalischen und PEM Elektrolyse und entwickelt innovative Verfahren, wie etwa die Meerwasserelektrolyse, weiter. 

Im Bereich Elektrolyseure können wir auf eine umfangreiche Laboranalytik und einen Laborelektrolyseur zurückgreifen. Im Bereich der alkalischen und der PEM Elektrolyse wird mit dieser Ausstattung an innovativen Materialien und Prozessen zu Verbesserung der Effizienz und Senkung der Kosten für Elektrolyseure gearbeitet. Im Bereich Meerwasserelektrolyse erfolgen grundlagenorientierte Arbeiten und es werden u. a. neue Komponenten (z. B. Membrane) und Werkstoffe entwickelt, die für den Einsatz unter diesen oftmals hochkorrosiven Bedingungen geeignet sind. 

 

Transport und Speicherung von Wasserstoff

Die Transport- und Speicherungsmöglichkeiten von Wasserstoff sind eng miteinander verknüpft, vielfältig und richten sich nach der Nutzung. Dabei stehen neben wirtschaftlichen Gesichtspunkten oft Überlegungen zur gravimetrischen oder volumetrischen Energiedichte im Zentrum der Überlegungen zur Technologiewahl. 

Für kostengünstigen Transport und Speicherung von Wasserstoff werden vor allem drucklose bzw. Niederdruck-Verfahren, wie bspw. das Einspeisen in das Erdgasnetz (inkl. Speicher) oder flüssige organische Wasserstoffspeicher (Liquid Organic Hydrogen Carrier – LOHC), diskutiert. Für die Anwendung im Fahrzeugbau werden Druckspeicher (typischer Druck zwischen 300 und 700 bar) und für die Luft- und Raumfahrt kryogene Systeme (bis zu -253°C) entwickelt. Hierfür nutzt das Fraunhofer IFAM seine Materialexpertise und Laborausstattung, um beispielsweise die Wasserstoffpermeation (z. B. Verbundwerkstoffe) und Materialversprödung (z. B. hochfeste Stähle) zu bestimmen, Sperrschichten zu entwickeln und die wasserstoffinduzierte Materialalterung zu beschreiben. Daneben werden am Fraunhofer IFAM Prüfverfahren, Bauteile und geklebte Strukturen zur realitätsnahen Abbildung der strukturellen Beanspruchungen entwickelt und analytische und numerische Modelle zur Nachweisführung eingesetzt.

Metallhydride bieten im Vergleich zu vielen anderen Wasserstoffspeichern eine bessere volumetrische Speicherdichte. Entsprechend sind sie für Anwendungen mit begrenztem Speichervolumen und unkritischem Speichergewicht sehr interessante Lösung. Zur Verbesserung der Wirtschaftlichkeit und der Reaktionskinetik nutzen unsere Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler fortschrittliche Metallhydrid-Verbundwerkstoffe, die aus der hydridbildenden Metalllegierung und sekundären Hilfsmaterialien wie Graphit und/oder Polymeren bestehen.  

Auf Basis des Leichtmetallhydrids MgH2 hat das Fraunhofer IFAM einen pastösen Wasserstoffspeicher (POWERPASTE) entwickelt. Dieser ermöglicht die Nutzung von Wasserstoff, wenn keine geeignete Wasserstofflogistik oder Betankungsinfrastruktur vorhanden oder nutzbar ist. POWERPASTE kann in Kartuschen abgefüllt werden und Wasserstoff in einem Hydrolysereaktor durch Pastendosierung und Wasserzugabe freisetzen. 

 

Nutzung von Wasserstoff

Für eine effiziente Nutzung Von Wasserstoff ist die kostengünstige Herstellung von Verbrauchen, d. h. insbesondere Brennstoffzellen, essentiell. Von der Automobilindustrie über die Luftfahrt bis zur mobilen Wasserstoffnutzung werden kostengünstige und leistungsfähige Brennstoffzellen ein Schlüssel zur breiten Anwendung sein. Das Fraunhofer IFAM setzt dabei auf schnelle und prozesssichere Klebprozesse, um in der Brennstoffzellenfertigung so genannte 10Hz Prozesse zu erreichen und den, beim Schweißen auftretenden, Verzug zu vermeiden.

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