Gas geben beim Wasserstoff

Mancherorts hat die Zukunft schon begonnen. Etwa in Nordfriesland, an der deutschen Nordsee-Küste: Dort ist das Land flach und der Horizont weit, Wiesen wechseln sich mit Feldern, und Windräder und Solarmodule erzeugen erneuerbare Energie. Über die letzten zwei Jahre sind noch fünf weiße Container hinzugekommen: In ihnen stecken Elektrolyseure des Unternehmens H-Tec Systems. Die Anlagen nutzen den vor Ort erzeugten Strom, um Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff zu spalten. Der Wasserstoff wird weiterverwendet.

Was einfach klingt, ist in Wirklichkeit viel mehr: das Puzzlestück einer globalen Energierevolution. Denn der durch Elektrolyse mit Wind-, Wasser- und Sonnenstrom produzierte Wasserstoff ist CO₂-frei, also grün. „Damit kann er ein Schlüssel zur Energiewende sein und der Dekarbonisierung der Wirtschaft zum Durchbruch verhelfen“, sagt Uwe Wagner, globaler Branchenmanager für Kraftwerke und Energie bei Endress+Hauser.

Das emissionsfreie Gas dient als Allrounder vielen Sektoren: Es macht gerade nicht benötigten Grünstrom speicherbar, kann ins Gasnetz gespeist und in Brennstoffzellen in Strom und Wärme umgewandelt werden. In der Chemie dient es als Grundstoff zur Ammoniak- und Methanol-Produktion, in der Ölindustrie zur Raffination. Kombiniert mit CO₂ entstehen daraus auch synthetisches Methan und synthetische Kraftstoffe. „Und in der Stahl­industrie kann grüner Wasserstoff Kohle als Reduktionsmittel bei der Roheisenherstellung im Hochofen ersetzen“, sagt Jens Hundrieser, euro­päischer Branchenmanager Energie bei Endress+Hauser.

Bislang wird der weltweite Wasserstoffbedarf mit aktuell 90 Millionen Tonnen jährlich fast komplett durch günstigen, aus fossilen Brennstoffen mittels Dampfreformierung gewonnenen grauen Wasserstoff gedeckt. Nur 0,03 Prozent der Produktion entfallen derzeit auf die Elektrolyse. Doch über 30 Länder haben nationale H2-Strategien verabschiedet oder geplant. Allein in der EU soll von 2024 bis 2030 die Produktion von erneuerbarem Wasserstoff auf zehn Millionen Tonnen pro Jahr steigen. Allianzen treiben das Vorhaben voran.

Die Wasserstoffproduktion stellt dabei viele Herausforderungen. „Bei der Elektrolyse gibt es sehr viele unterschiedliche Kreisläufe, die miteinander gekoppelt sind, und viele verschiedene variable Messgrößen an unterschiedlichen Stellen, die ständig zu überwachen sind. Daher braucht es entsprechend viel zuverlässige und präzise Messtechnik“, erklärt Andreas Brinner. Hinzu kommt: H2 ist das leichteste aller Gase mit sehr kleinen Molekülen. „Wasserstoff diffundiert leicht durch viele Materialien und kann zu einer Versprödung von Metallen führen“, betont Prasanth Sreekumar, Global Industry Development Manager Gas bei Endress+Hauser. „Daher müssen Materialien, Geräte und Dichtungen einer Anlage sorgfältig ausgewählt werden.“

Sowohl H-Tec Systems als auch das ZSW vertrauen wie viele andere Elektrolyse-Spezialisten auf Geräte von Endress+Hauser. „Wir setzen Messtechnik von Endress+Hauser schon sehr lange ein und schätzen die Qualität, Zu­verlässigkeit, Genauigkeit, Medienbeständigkeit und Variabilität – wir haben durch das große Portfolio sehr viele Optionen, die wir nutzen können“, sagt Andreas Brinner. Weitere Pluspunkte sind, dass die Geräte die Anforderungen an funktionale Sicherheit (SIL) und Explosionsschutz erfüllen. Das garantiert eine hohe Anlagensicherheit. „Mit den Sensoren von Endress+Hauser können wir die unterschiedlichsten Messaufgaben in unserem Prozess abdecken“, bestätigt Martin Linder, Entwicklungsingenieur bei H-Tec Systems. „Für uns wichtig ist zudem eine einfache und unkomplizierte Installation und Inbetriebnahme.“

Sowohl beim ZSW als auch bei H-Tec Systems liegt der Fokus derzeit darauf, die Kosten für grünen Wasserstoff weiter zu senken, um ihn wettbewerbs­fähiger zu machen. Dazu wird mit Hilfe von Daten der Elektrolyseprozess optimiert und die Nennleistung der einzelnen Module erhöht, aus denen die Anlagen aufgebaut sind. „Wir dringen gerade in immer größere Bereiche vor“, berichtet Emily Pröll. „Dadurch wird es immer mehr Anlagen in zweistelligen Megawattbereichen geben.“

Zudem soll die Serienfertigung von Elektrolyseuren ermöglicht werden. Dazu arbeitet H-Tec Systems im Rahmen des von der Bundesregierung geför­derten Wasserstoff-Leitprojekts H2Giga mit Partnern aus Industrie und Forschung an neuen Produktionsverfahren für PEM-Elektrolyse-Stacks und Elektrolyseure. Das ZSW befasst sich ebenfalls mit der Frage, wie sich Elektrolysetechnologien weiter skalieren lassen. „Hierzu erforschen wir Materialien und Fertigungstechnologien, mit denen die Skalierung indus­triell umgesetzt werden kann“, sagt Andreas Brinner. Die Wissenschaftler erstellen außerdem ein Konzept zur Fertigung von Elektrolyseblöcken in großem Maßstab.

Dass es mit dem grünen Wasserstoff vorangeht, zeigt sich auch bereits am Markt: Seit 2021 betreibt Shell Europas größten PEM-Elektrolyseur mit zehn Megawatt Leistung; 2022 geht mit 24 Megawatt der weltgrößte PEM-Elektrolyseur des Industriegase-Herstellers Linde in Betrieb. Auch mehrere 100-Megawatt-Projekte sind rund um den Globus bereits geplant. Im Fokus stehen vor allem Regionen, welche über erneuerbare Ressourcen für die Elektrolyse im Überfluss verfügen: günstigen Strom aus Solar-, Wind- oder Wasserkraftanlagen sowie Meerwasser, das entsalzt werden kann.

Die Zukunft nimmt gerade also noch mehr an Fahrt auf. Ob die Beschleunigungskräfte ausreichen, hängt allerdings nicht nur an Investitionen, neuen Technologien oder der Veränderungsbereitschaft der Industrie. „Auch die politischen Rahmenbedingungen müssen stimmen“, betont Jens Hundrieser, der Endress+Hauser neuerdings auch in der European Clean Hydrogen Alliance vertritt. Und das heißt vor allem: „Die Emission von Kohlendioxid muss einen globalen Preis bekommen. Nur dann kann die Energiewende gelingen. Nur dann wird sich die Wasserstoffwirtschaft durchsetzen. Und nur dann können die globalen Klimaziele erreicht werden.“