Grüner Wasserstoff für das Ruhrgebiet

Interview mit Dr. Ulrich Rost über PEM Elektrolyse als Chance für die flexible H2-Versorgung von Industrie, Haushalten und Verkehr

„Wir müssen sofort aufhören, CO2 zu emittieren - das zeigt die Diskussion um die Gefahren des menschengemachten Klimawandels, die seit vielen Jahren intensiv geführt wird. Am Westfälischen Energieinstitut glauben wir daran, dass die Energiewende, die in eine CO2-arme Energiewirtschaft münden soll, nicht ohne Wasserstoff zu schaffen ist. Grüner Wasserstoff, der aus regenerativen Energiequellen gewonnen wurde, kann dabei entweder zentral oder lokal direkt beim Verbraucher produziert, gespeichert und bedarfsgerecht verwendet werden. Für dezentrale Versorgungsansätze ist die PEM-Elektrolyse eine sinnvolle und vor allem flexibel einsetzbare Option“, berichtet Dr. Ulrich Rost, ehemaliger Projektkoordinator im Westfälischen Energieinstitut und heute Mitglied der Geschäftsführung der ProPuls GmbH.

Energie aus erneuerbaren Quellen wie Wind oder Sonne fällt unregelmäßig an. Daher gewinnt die Speicherung dieser Energien an Bedeutung. Eine erfolgversprechende Methode als Langzeitspeicherung von Energie ist die Herstellung von Wasserstoff. Das Westfälische Energieinstitut (WEI) arbeitet seit mehr als 15 Jahren unter anderem an der Entwicklung und Untersuchung von Polymerelektrolytmembran (PEM)-Elektrolyseursystemen zur Herstellung von Wasserstoff. Was das ist, warum das Verfahren gerade für das Ruhrgebiet interessant ist und welches Potenzial es für die Energiewende mit sich bringt, erläutert Dr. Ulrich Rost im Interview.

Dr. Ulrich Rost und Kollegen arbeiten am  Hochdruck-Elektrolyseur-Prototyp für die Elektrolyse von Wasser
Mitarbeiter am Westfälischen Energieinstitut ziehen die Schrauben und Muttern am Hochdruck-Elektrolyseur-Prototyp fest, damit im Innern ein Betriebsdruck von über 50 Bar sicher aufgebaut werden kann. Mit dem Elektrolyseur kann der zuvor aufgespaltene Wasserstoff direkt ins Erdgasnetz eingespeist werden

ruhrvalley MMO: Herr Rost, was macht Wasserstoff und insbesondere die PEM-Elektrolyse für das Ruhrgebiet interessant?

Rost: Die konventionellen Kraftwerke, die das Ruhrgebiet heute mit elektrischer Energie versorgen, werden zukünftig sukzessive abgeschaltet, da deren nicht unerheblicher Ausstoß von CO2 ein großes Problem für unsere Umwelt und unsere Gesellschaft darstellt. Das heißt, das Energieland NRW von heute, in dem zur elektrischen Energieversorgung Braunkohlekraftwerke, Steinkohlekraftwerke und erdgasbefeuerte Gasturbinen betrieben werden, wird es in der Form zukünftig nicht mehr geben. Hieraus ergibt sich auch für das Ruhrgebiet, dass schon sehr bald ein Großteil der Energieversorgung aus regenerativen Quellen erfolgen wird oder Energie von außerhalb importiert wird. Hierbei könnte Wasserstoff als umweltfreundlicher Brennstoff oder als industrieller Rohstoff schon in kurzer Zeit eine größere Rolle für das Ruhrgebiet spielen, wobei bereits auf eine lange Tradition zurückgeblickt werden kann. So wird seit vielen Jahrzehnten eine Wasserstoffpipeline im Ruhrgebiet betrieben, um verschiedene Industriestandorte zu verbinden, an denen Wasserstoff konsumiert oder produziert wird. Darüber hinaus sind früher Teile des Ruhrgebiets mit Stadtgas versorgt worden, das zu einem signifikanten Anteil aus Wasserstoff bestand.

ruhrvalley MMO: Wie entsteht so genannter grüner Wasserstoff?

Rost: H2 kann mittels Elektrolyse CO2-neutral aus Wasser hergestellt werden, wenn die für den elektrochemischen Prozess notwendige elektrische Energie aus regenerativen Energiequellen bereitgestellt wird. Der Einsatz eines Wasserelektrolyseurs ist hierbei insbesondere dann sinnvoll, wenn regenerative Energiesysteme, wie etwa Photovoltaik, Wind- und Wasserturbinen, Überschüsse generieren, die nicht vom elektrischen Netz aufgenommen werden und mittels Elektrolyse somit gespeichert werden können. Bei dem Elektrolyseverfahren wird Wasser (H2O) mittels Strom in seine Bestandteile Wasserstoff (H2) und Sauerstoff (O2) gespalten. Der auf diese Weise hergestellte grüne Wasserstoff kann als Brennstoff oder als Rohstoff sektorübergreifend für den Transportsektor, in stationären Energiesystemen oder in der chemischen Industrie verwendet werden und somit einen Beitrag zur Dekarbonisierung der Energiewirtschaft leisten. Darüber hinaus entsteht bei der Wasserelektrolyse Sauerstoff, der grundsätzlich auch genutzt werden kann.

ruhrvalley MMO: Welche Vorteile bietet Wasserstoff bei der Speicherung von Energie?

Rost: Für die Industrie und die Gesellschaft, die zukünftig größtenteils auf erneuerbare Energieanlagen angewiesen sind, bietet Wasserstoff im Vergleich zu Batteriespeichern den Vorteil, Energie in energiewirtschaftlich relevanten Mengen zu speichern. So kann in unterirdischen Kavernen gespeicherter Wasserstoff etwa als Brennstoff genutzt werden, um wetterbedingte Unterversorgungen durch regenerative Energiesysteme zu kompensieren. Hiermit ist etwa gemeint, dass im Fall eines niedrigen Wind- und Solarangebots und somit einer geringeren Generation von elektrischer Energie durch Windturbinen und Solarzellen Wasserstoff zur Rückverstromung, beispielsweise in Brennstoffzellen oder speziell angepassten Gasturbinen, eingesetzt werden kann. Sogenannte „Dunkelflauten“, während derer saisonal weder Wind noch Sonne im ausreichenden Maße zur Verfügung stehen, können in der Form überbrückt werden. Als „Abgas“ wird bei der Rückverstromung nur Wasserdampf emittiert, sodass die gesamte Energiewandlungskette CO2-neutral dargestellt werden kann.

ruhrvalley MMO: Inwiefern eignen sich PEM-Elektrolyseure für die Herstellung von Wasserstoff?

Rost: Bei der Hochdruck-PEM Elektrolyse werden keine flüssigen Elektrolyte, sondern eine feste, halbdurchlässige Membran verwendet, durch die die Protonen wander. Gegenüber der etablierten und kostengünstigeren alkalischen Elektrolyse weisen PEM-Elektrolyseure den Vorteil auf, dynamisch eingesetzt werden zu können. Das heißt in Abhängigkeit des Energieangebots kann der Elektrolyseur mehr oder weniger Wasserstoff produzieren und somit auf Fluktuationen im Netz aufgrund der diskontinuierlichen Einspeisung insbesondere durch Photovoltaikanlagen und Windturbinen reagieren. Energieüberschüsse, die zum Zeitpunkt der Bereitstellung nicht vom elektrischen Netz aufgenommen werden können, können somit elegant in Form von Wasserstoff gespeichert werden. Alkalische Elektrolyseure hingegen werden typischerweise kontinuierlich mit gleichbleibender Belastung betrieben und sind somit für die beschriebenen Energiespeicherzwecke nur bedingt einzusetzen.

ruhrvalley MMO: Was, würden Sie sagen, sind die größten Schwierigkeiten bei der Etablierung wasserstoffbasierter Lösungen?

Rost: Die bisher entwickelten PEM-Elektrolyseure zeichnen sich durch hohe Kosten aufgrund der verarbeiteten Materialien sowie der geringen Stückzahlen aus. Elektrolyseure werden heute noch nicht in Großserien hergestellt und insbesondere die Verarbeitung von Titan ist aufwändig und der Rohstoffpreis für Edelmetallkatalysatoren, wie Iridium und Platin, ist hoch. Darüber hinaus sind die Kosten für den mittels Elektrolyse produzierten Wasserstoff in hohem Maße vom Strompreis abhängig. Unter den gegebenen regulatorischen Rahmenbedingungen kann Wasserstoff mittels Elektrolyse daher zurzeit nicht günstiger hergestellt werden als mittels konventioneller Verfahren wie der Reformierung von Erdgas. Es muss daher weiter geforscht und entwickelt werden, um Lösungen für kostengünstige Elektrolyseure zu finden.

Darüber hinaus sind große PEM-Elektrolyseure mit einer Leistungsaufnahmen von mehreren Megawatt weltweit bisher nur wenige Male errichtet worden. Langjährige Betriebserfahrungen mit PEM-Elektrolyseuren „großer“ Bauart liegen somit nicht vor. Für die notwendige Dekarbonisierung und Transformation der Energiewirtschaft werden aber viel größere Anlagenleistungen erforderlich sein als heute kommerziell verfügbar sind, um ausreichende Mengen Wasserstoff für alle Sektoren bereitzustellen. Auch wenn seit Jahrzehnten Erfahrungen im Umgang mit Wasserstoff vorliegen, wie durch die langjährige Versorgung des Ruhrgebiets mit Stadtgas und den Betrieb der Wasserstoffpipeline, stellt der Mangel an Erfahrungen in der Anwendung der benannten neuen Technologien für die Etablierung der Wasserstofftechnik und das notwendige Hochskalieren ein großes Problem dar.

ruhrvalley MMO: Welche Voraussetzungen müssen für die Anwendung wasserstoffbasierter Systemlösungen in der Breite erfüllt werden?

Rost: Es müssen heute die notwendigen Entwicklungen angestoßen werden, um die Wasserelektrolyse-Technologie hoch zu skalieren. Darüber hinaus müssen aber auch neue kostengünstige Lösungen für den dezentralen Einsatzfall konzipiert werden. Etliche Anwendungen in der Energiewirtschaft, in der Industrie oder im Transportsektor benötigen höhere Produktionsleistungen als mit heute verfügbaren PEM-Elektrolyseuren bereitgestellt werden können. Für die Umsetzung von Demonstrationsprojekten, die als Blaupause für ein späteres Ausrollen von Wasserstofftechnologien dienen können, müssen aber die Rahmenbedingungen etwa hinsichtlich der Regulierung von CO2-Emissionen geändert und politische Anreize zur Überwindung der technischen Risiken der Entwicklungsarbeit gegeben werden.

ruhrvalley MMO: Welche Pläne hat das Westfälische Energieinstitut für die Zukunft?

Rost: Am WEI sind verschiedenen Entwicklungsstränge mit dem Ziel, überlegene PEM-Elektrolyseure aber auch Brennstoffzellen und Batterien zu realisieren, angestoßen worden. Eine aussichtsreiche Entwicklung ist hierbei ein PEM-Hochdruckelektrolyseur, der ohne einen zusätzlichen mechanischen Kompressor Wasserstoff und Sauerstoff bei einem hohen Druckniveau herstellen kann. Üblicherweise werden Elektrolyseursysteme mit einem zusätzlichen Verdichter ausgestattet, um das Druckniveau der entsprechenden Anwendung, für die der Elektrolyseur eingesetzt wird, zu erreichen. Der an der Westfälischen Hochschule realisierte Prototyp produziert jedoch auf einem Druckniveau von 100 bar ohne einen solchen Verdichter. Der Ansatz der Hochdruckelektrolyse verspricht somit, günstigere und effizientere Elektrolyseure errichten zu können, die insbesondere auch für den dezentralen Einsatz geeignet sein sollen. Das WEI strebt heute an, die bereits patentierte Technologie zusammen mit Partnern aus der Industrie zu vermarkten.

Darüber hinaus könnte die Kombination der PEM-Technologie mit alkalischen Elektrolyseuren den Vorteil bringen, den hohen Flexibilisierungsgrad und die niedrigeren Kosten in einer Technologie zu vereinen. Eine Schlüsselkomponente ist hierbei die Membran, denn es werden für solche neuartigen Reaktoren Membranen mit alkalischen Eigenschaften, sogenannte AEM (alkalische Elektrolytmembran) benötigt. In Zusammenarbeit mit Partnern aus Wissenschaft und Industrie werden am WEI zurzeit Elektrolyseure auf Basis von AEM entwickelt. Somit will das WEI weiterhin einen Beitrag zu grundlagennaher sowie anwendungsorientierter Forschung leisten, der notwendig ist, um zukünftige Produktentwicklungen im Bereich der Wasserstofftechnik zu katalysieren.

Hier gehts es zu einzelnen Projekten:

HyPresPEM: Ein Elektrolyseurprüfstand ermöglicht Langzeituntersuchungen von Entwicklungen im Bereich der Hochdruck-Wasser-Elektrolyse

HyPresMEA: Entwicklung von kostengünstigen, langzeitstabilen und leistungsverbesserten Membran-Elektroden-Einheiten für PEM-Brennstoffzellen und PEM-Hochdruckwasserelektrolyseure

IT-PEM: Entwicklung kostengünstiger Elektrodensysteme auf Basis optimierter Iridium-Titanoxid-Katalysatorschichten für die Nutzung als Anode in der PEM-Wasserelektrolyse

PRETZEL: Polymerelektrolytmembran-Wasserelektrolyse zur Schlüsseltechnologie für die Speicherung regenerativer Energien weiterentwickeln

LIKELY: Neue Katalysatoren machen die Energiespeicherung durch Wasserstoffproduktion günstiger

MoDePEM: Validierung eines neuartigen modular aufgebauten Elektrolyseursystems zur Produktion von Wasserstoff aus regenerativen Energiequellen

VARZELL: Die Entwicklung einer industriell einsetzbaren Vanadium Redox-Flow Batterie erleichtert die Speicherung regenerativer Energien