Wasserstoff wird durch seine stofflichen und energetischen Einsatzmöglichkeiten einen Beitrag zur Energiewende leisten, sofern er durch Elektrolyse von Wasser mit Erneuerbaren Energien und folglich ohne CO2-Emissionen hergestellt wird. Derzeit sind die Kosten für den Bau von systemrelevanten Elektrolyseanlagen im MW-Maßstab hoch und auch die Integration sowohl ins Strom- als auch in ein grüne Gase-Netzsystem bieten Herausforderungen. Um grünen Wasserstoff auch ohne staatliche Förderung konkurrenzfähig für alle Bereiche der Energieversorgung zu machen, sind weiterhin erhebliche Forschungs- und Entwicklungsanstrengungen nötig, um die Investitions- und Betriebskosten zu senken, aber auch die Systemintegration finanziell und technisch umzusetzen. Zudem müssen hochqualifizierte Fachkräfte ausgebildet werden, um die vielfältigen Herausforderungen der Energiewende personell meistern zu können. Umfangreiche Grundlagen- und anwendungsorientierte Forschungen ermöglichen Lebensdauerverlängerung, das Scale-up der Herstellungskapazitäten und eine vollständige Systemintegration. Verbesserte Wirtschaftlichkeit und sicherer Umgang stellen die Akzeptanz von Wasserstoff als alternative Energieform sicher.
TU Clausthal – die Universität der Circular Economy
Die Forschung der TU Clausthal fokussiert sich auf systemische Ansätze zur Realisierung der Circular Economy, die neben der klassischen Kreislaufwirtschaft auch die erneuerbaren Energien und die digitale Steuerung des Gesamtsystems umfasst. Aufbauend auf der Tradition als Montanuniversität ist die Verknüpfung von Material- und Prozesswissen von der Gewinnung über die Herstellung bis zum Einsatz unterschiedlichster Materialklassen die Kernkompetenz der TU Clausthal. Wasserstoff hat sich in den letzten Jahren zu einem wichtigen Forschungsschwerpunkt entwickelt. Die Thematik umfasst die Erforschung von relevanten Materialien, die Entwicklung von leistungsfähigen Elektrolysezellen im m 2 -Maßstab, Konzepte zur untertägigen Speicherung von Wasserstoff, die Konversion von Wasserstoff in Derivate und systemische Fragestellungen wie der netzdienliche Betrieb von Elektrolyseanlagen oder die KI-basierte Steuerung im Zusammenspiel mit Erneuerbaren Energien. Im Forschungszentrum Energiespeichertechnologien bündelt die TU Clausthal ihr interdisziplinäres Wissen und verfügt u.a. über eine Pilotanlage zum Test von Elektrolysezellen in voller Baugröße, an der vielfältige Forschungsfragen untersucht und Fachkräfte ausgebildet werden.
Weiterer Forschungsbedarf bei Wasserstoff
Häufig wird die Wasserelektrolyse als etablierte Technologie betrachtet, da sie bereits seit Jahrzehnten bekannt ist. Die heutigen Randbedingungen erfordern jedoch völlig neue Technologien, weil Materialien und elektrische Energie knappe Güter sind. Daher liegt ein starker Fokus der Forschung und Entwicklung auf verbesserten, kostengünstigen Materialien, die eine hohe Lebensdauer aufweisen und den notwendigen Scale-up durch entsprechende Verfügbarkeit und Verarbeitung ermöglichen. Auch der sichere Umgang mit Wasserstoff ist eine große Herausforderung. Zwar wird Wasserstoff in der
chemischen Industrie schon lange gehandhabt, zukünftig dringt Wasserstoff aber in viele neue Bereiche vor. Trotz des enormen Vorteils der Speicherbarkeit darf beispielsweise untertägig gespeicherter Wasserstoff nicht unkontrolliert in die Umgebung entweichen. Auch beim Betrieb von Elektrolyseanlagen mit Erneuerbaren Energien können im Teillastbereich gefährliche Zustände auftreten, da eine Anreicherung von Wasserstoff im Sauerstoff zu einer Abschaltung aus Sicherheitsgründen führt. Zudem belasten der dynamische Betrieb und das Abschalten der Elektrolyseanlange die Materialien und Komponenten sehr stark, was ihre Lebensdauer verringert. Eine weitere Frage ist, wie Wasserstoff zukünftig importiert werden kann, da Deutschland voraussichtlich nicht die gesamten erforderlichen Mengen selbst produzieren wird. Für den Transport von Wasserstoff gibt es viele miteinander konkurrierende Optionen durch Pipelines oder per Schiff, dort entweder in verflüssigter Form oder als „grüne“ Moleküle wie Ammoniak, Methan oder Methanol. Allerdings muss Wasserstoff zumindest für den energetischen Einsatz aus diesen „Derivaten“ energieintensiv zurückgewonnen werden. Welche dieser Optionen sich durchsetzt oder ob eine Kombination von verschiedenen Importpfaden günstiger ist, muss durch eine systematische Analyse der Rolle von Wasserstoff und Wasserstoffderivaten im Energie- und Industriesystem der Zukunft geklärt werden. Daraus ergibt sich Forschungsbedarf für die nächsten Jahrzehnte, zumal neben den technologischen und wirtschaftlichen Fragen zukünftig auch die Akzeptanzforschung eine wichtige Rolle einnehmen wird.
Forschung und Entwicklung kontinuierlich weiterführen
Die Bundesregierung unternimmt im Rahmen der Wasserstoff-Leitprojekte H2GIGA, H2MARE und TRANSHYDE derzeit große Anstrengungen, um Forschung und Entwicklung im Wasserstoffbereich zu unterstützen. Angesichts der vielen ungelösten Fragen und des zunehmenden Konkurrenzdrucks aus China und den USA muss diese Förderung auch zukünftig weitergeführt und deutlich schneller werden, um den bisher erreichten Stand in deutschen Unternehmen und Forschungseinrichtungen nicht zu gefährden. ■
