Forschungsnetzwerk Wasserstoff

Im Cluster „Erzeugung von Wasserstoff und Folgeprodukten“ werden die verschiedenen Technologien beleuchtet, um CO₂-armen Wasserstoff sowie wasserstoffbasierte Folgeprodukte, wie Kraftstoffe und chemische Grundstoffe, zu erzeugen.

Im Bereich Wasserstoff liegt der Fokus bei der Erzeugung von sogenanntem „grünen Wasserstoff“ durch verschiedene Verfahren der Wasserelektrolyse mit erneuerbaren Energien. Dies sind in der Arbeitsgruppe AG1 die alkalische Elektrolyseverfahren wie die alkalische Elektrolyse mit flüssigen Elektrolyten (AEL) und mit Anionen-Austauschmembran (AEMEL), sowie die Meerwasserelektrolyse, in AG 2 die PEM-Elektrolyseverfahren mit einer Protonenleitende Membran (PEMEL) und in AG 3 die Hochtemperatur-Elektrolyseverfahren mit Festoxidzellen (SOEL) und protonenleitende keramischen Zellen (PCCEL). Ferner werden in der AG 4 alternative photokatalytische, photobiologische und solarthermochemische Prozesse betrachtet und in der AG 5 Verfahren zur Wasserstofferzeugung unter Einsatz von Biomasse und biogenen Reststoffen (Fermentation, Reformierung, Vergasung und Plasmalyse). Die AG 6 beschäftigt sich mit der CO₂-arme Herstellung von „blauem“ Wasserstoff aus fossilen Rohstoffen wie Methan, bei dem das bei der Erzeugung entstehende CO₂ abgeschieden und gespeichert wird bzw. mit „türkisem“ Wasserstoff, der über die Spaltung von Methan (Methanpyrolyse) hergestellt wird und bei dem der Kohlenstoff anschließend elementar und in fester Form vorliegt.

Im Bereich der Folgeprodukte werden Technologien zur Umwandlung in andere wasserstoffbasierte, Energieträger angeschaut, die die Speicher- und Transportfähigkeit erhöhen. Die AG 7 fokussiert sich auf sogenannte Plattformchemikalien wie Methan, Methanol, Ammoniak, Olefine und Ether, welche als Grundstoffe für chemische und industrielle Anwendungen dienen. Synthetische Kerosine, Diesel- und Ottokraftstoffe, welche als SynFuels, E-Fuels oder in der Luftfahrt auch als Sustainable Aviation Fuels (SAF) bezeichnet werden, ist das Thema der AG 8.

In der AG 9 werden alle Aspekte einer optimalen Versorgung von Elektrolyse-Systeme zur Erzeugung von Wasserstoff mit Strom aus erneuerbaren Quellen sowie deren Integration in das Stromnetz jenseits des Netzbetreibers betrachten.

Ansprechpartner/in

Dr. Isabel Kundler
Mail: isabel.kundler@dechema.de
Website: http://www.dechema.de

Dr. Tom Smolinka
E-Mail: tom.smolinka@ise.fraunhofer.de
Website: Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISE

Der Cluster „Infrastrukturen und Systemintegration“ konzentriert sich auf die Frage, wie Wasserstoff möglichst kostengünstig, sicher und umweltschonend gespeichert und verteilt werden kann. Vor dem Hintergrund, dass Gasnetze und -speicher gemeinsam mit entsprechenden Strom-Infrastrukturen das Rückgrat des Gesamtenergiesystems darstellen, beleuchtet der Cluster zudem auch die relevanten Transformationsaspekte auf gesamtsystemischer Ebene, um eine optimierte Forschungsstrategie zu erarbeiten.

In den meisten Fällen liegen die Standorte zur Erzeugung von Wasserstoff räumlich entfernt von Orten, an denen der Wasserstoff genutzt wird, wie Industrie oder Quartiere. Auch zeitlich erfolgen Erzeugung und Nutzung unabhängig voneinander. Die hergestellten Mengen müssen daher gespeichert und transportiert werden, um den Wasserstoff bedarfsgerecht an den relevanten Nutzerstandorten zur Verfügung zu stellen, wobei ein optimaler wechselseitiger Systemnutzen der verschiedenen Energiesektoren sichergestellt werden muss.

Ansprechpartner

Prof. Dr. Carsten Agert
E-Mail: Carsten.Agert@dlr.de
Website: DLR Institut für Vernetzte Energiesysteme

Dr. Urban Keussen
E-Mail: Urban.Keussen@ewe.de
Website: EWE

Das Cluster 3 „Nutzung“ beschäftigt sich mit den Anwendungen von Wasserstoff in den drei Sektoren Industrie, Wärme und Verkehr.

In insgesamt neun Arbeitsgruppen sind die folgenden Themen (Auszug jeweils beispielhaft) mit ihren jeweiligen Schwerpunkten zusammengefasst:

AG1: H2 in der Metallerzeugung

• Stoffliche Nutzung zur Reduktion (Einsatz von NH₂ und Synthesegas) und zur Nutzung unvermeidbarer CO₂-Emissionen (Sektorenkopplung)
• Einfluss der Rohstoffqualität auf die Produkteigenschaften und die Prozessbedingungen bei der H₂-basierten Produktion
• Systemintegration (Prozesssimulation, Regelleistung, Recycling von Wasserstoff (Kreislaufführung)

AG2: Industrielle Nutzung: Direkte und indirekte Bereitstellung von Prozesswärme

• Untersuchung der Interaktion zwischen Gut und Verbrennungsgasen (H₂-Verbrennung exkl. Feuerungsanlagen)
• Untersuchung der Emissionsminderung bei der Verbrennung und Flexibilisierung von Brennersystemen (H₂-Verbrennung)
• Untersuchung der Interaktion zwischen Anlagenkomponenten und Verbrennungsgasen (H₂-Verbrennung)

AG3: Stationäre Anwendungen (Gewerbe, Industrie): Einsatz von Wasserstoff in stationären Industriemotoren und –turbinen. Brennstoffzellen für stationäre Anwendungen mit und ohne Kraft-Wärme-Kopplung

• Verbrennungstechnische Nutzung (Blockheizkraftwerke, Gasturbinen Strahlungsheizungen und Prozesswärme)
• Kostengünstige und sichere Beherrschung der Emissionsthematik beim Verbrennungsbetrieb mit Luft
• Optimierte, kostengünstige Betriebsführung und Überwachung der Verbrennungsprozesse beim Einsatz reinen Wasserstoffs
• Elektrochemische Nutzung (Stationäre Brennstoffzellen)
• Skalierung in großvolumige Industrialisierung inklusive des Aufbaus einer Zuliefererlandschaft, um die Herstellkosten zu reduzieren

AG4: Stationäre Anwendungen (Haushalt): Bereitstellung von Niedertemperaturwärme

• Umsetzbarkeit der Einspeisung von Wasserstoff ins Gasnetz
• In welchen Use-Cases ist H₂ unter wirtschaftlichen und sozialökologischen Gesichtspunkten sinnvoll einsetzbar?

 AG5: Einsatz von Wasserstoff für mobile Anwendungen: PKW

• Materialforschung Versprödung/Tribologie durch H₂/H₂O in ICE (Kolbenringe, Reibung, Ölverdünnung, Ventile, Abgasanlage)
• Simulationsmodelle für Verbrennungsprozesse mit H2 (Mehrphasensimulation)

 AG6: Einsatz von Wasserstoff für mobile Anwendungen: LKW

• Optimierung des Wirkungsgrads (Tribologie, Abwärmenutzung, Direkteinblasung, Brennverfahren inkl. Simulationsmethodik, elektrochemische Optimierung) (H₂-Ottomotor und Brennstoffzelle)
• Kostenreduktion und Lebensdaueroptimierung, auch durch Gesamtsystemvereinfachung (Mobile Brennstoffzelle)

AG7: Einschatz von Wasserstoff für mobile Anwendungen: Züge

• Untersuchung von bahnspezifische Anforderungen, die eine Nutzung des Wasserstoffs in der Bahn wirtschaftlich möglich machen.
• Modernisierung/Umrüstung/Retrofit von Bestandsfahrzeugen (Triebzüge, Rangierloks, Güterloks incl. hohe Lasten)
• Speichertechnologien im Zug

AG8: Einsatz von Wasserstoff für mobile Anwendungen: Schiffe

• Entwicklung von Standards und Regeln
• Schnittstellen zwischen Tanks und anderen Systemen (Betankung, Kraftstoffaufbereitung für den Konverter)
• Speicherung an Bord (inkl. Tanksystemen)
• Integration in das Energiesystem und “handling” an Bord

AG9: Einsatz von Wasserstoff für mobile Anwendungen: Flugverkehr

• Erhöhung der Leistungsdichte des Brennstoffzellensystems inklusive Tank
• Entwicklung von luftfahrtspezifischen Werkstoffen und Komponenten
• Entwicklung und Management des herausfordernden Thermalsystems inklusive LH₂-Tank

Durch das breite zukünftige Anwendungsfeld von Wasserstoff haben sich im Cluster 3 daher auch die unterschiedlichen Zusammenschlüsse in den oben genannten Arbeitsgruppen ergeben, die die Anforderungen in den jeweiligen Aufgabengebieten abdecken.

Ansprechpartner

Dr. Philipp Perrin
E-Mail: Philipp.Perrin@de.bosch.com
Website: Bosch Thermotechnik

Dr. Jens Reichel
E-Mail: jens.reichel@thyssenkrupp.com
Website: thyssenkrupp Steel Europe

Dr. Hans-Jörn Weddige
E-Mail: hans-joern.weddige@thyssenkrupp.com  
Website: thyssenkrupp Steel Europe

Einige Fokusthemen entlang der Wasserstoff-Wertschöpfungskette können weder der Erzeugung noch der Infrastruktur oder der Nutzung zugeordnet werden, da sie in all diesen Bereichen eine wichtige Rolle einnehmen. Cluster 4 fasst diese Themen zusammen und bietet somit die Möglichkeit, übergreifende technische Fragestellungen zu vertiefen und in das Forschungsnetzwerk Wasserstoff einzubinden. 

Ein wichtiges Querschnittsthema ist die Sicherheit von Wasserstofftechnologien, um Wasserstoff als Energieträger schnell und erfolgreich zu etablieren. Sicherheitsaspekte betreffen vorrangig die Komponenten und Anlagen sowie insbesondere deren bestimmungsgemäßer, aber auch nicht-bestimmungsgemäßer Betrieb, einschließlich des Sicherheitsmanagements in allen Bereichen der Wasserstoff-Wertschöpfungskette.

Die Gewährleistung von sicheren Wasserstofftechnologien ist eine Grundvoraussetzung für die gesellschaftliche Akzeptanz auf den verschiedenen Akteursebenen. Für den weiteren gesellschaftlichen Diskurs und fundierte Meinungsbildungsprozesse in der Gesellschaft ist ein Transfer aktueller Forschungsergebnisse in die Öffentlichkeit notwendig. Neben der allgemeinen Wissenschaftskommunikation zum Thema Wasserstoff weisen risikobezogene Kommunikationsstrategien und die Adressierung von Gerechtigkeitswahrnehmungen eine spezifische Relevanz auf.

Normen und weltweite Qualitätsstandardstandards definieren Terminologie, Schnittstellen, Sicherheits-, System- und Qualitätsanforderungen sowie Prüfungs- und Zertifizierungsgrundlagen und bilden, zusammen mit den rechtlichen Rahmenbedingungen, das Grundgerüst für den erfolgreichen nationalen, europäischen und internationalen Markthochlauf von Wasserstoff. Deshalb wurde im Forschungsnetzwerk die Erarbeitung einer nationalen Normungsroadmap gefordert. Ein vom BMWK gefördertes Verbundprojekt "Normungsroadmap Wasserstofftechnologien" wurde im Januar 2024 gestartet. Bis Ende 2025 sollen Normungsbedarfe identifiziert und entsprechende Aktivitäten initiiert werden.

Damit die Transformation privatwirtschaftlich mitgetragen wird und die für den Markthochlauf von Wasserstoff notwendigen Investitionen getätigt werden, muss ein geeigneter Rahmen geschaffen werden, der es erlaubt, dass Geschäftsmodelle rund um Wasserstoff entstehen können. So werden vergleichende Policy-Analysen in den EU-Staaten, Analysen zur Zahlungsbereitschaft, Kostenentwicklungen, Anreizsystemen und diversen regulatorischen Fragestellungen durchgeführt, um kurz-, mittel- und langfristig wirtschaftlich attraktive Geschäftsmodellen und Marktbereiche mit besonderer Dynamik zu identifizieren.

Da das Thema Nachhaltigkeit den zentralen Treiber der Wasserstoff-Wirtschaft darstellt, werden im Cluster IV alle Produktionspfade hinsichtlich ihrer Treibhausgasemissionen und anderer Umweltwirkungen (LCA) untersucht und die zugehörigen Methodiken harmonisiert und weiterentwickelt. Insbesondere werden ganzheitliche Nachhaltigkeitsanalysen von Importen aus Schwellen- und Entwicklungsländern durchgeführt, unter Berücksichtigung sozio-ökonomischer und gesellschaftlicher Aspekte, die über die Umweltbewertung hinausgehen. Außerdem ist es ein Ziel des Cluster 4, die Klimawirksamkeit von Wasserstoffemissionen besser zu verstehen und Wasserstoffemissionen zu quantifizieren und zu minimieren.

Themenübergreifend werden zur Betrachtung der gesamten Wertschöpfungskette Projektformate nach dem Vorbild der Reallabore der Energiewende geschaffen, die auch in Zukunft dazu beitragen können, Forschungs- und Entwicklungsziele durch gezielte Förderung zu erreichen. Hierbei werden kreislaufwirtschaftliche Aspekte und transdisziplinäre Ansätze besonders berücksichtigt und die Aus- und Weiterbildung von Fachkräften, die Einbindung von Bürger:innen und der Aufbau von offenen Datenbanken priorisiert.

Ansprechpartner

Dr. Kai Holtappels
E-Mail: kai.holtappels@bam.de
Website: Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung

Dr. Simon Pichlmaier
E-Mail: SPichlmaier@FFE.DE
Website: Forschungsstelle für Energiewirtschaft

Im Zuge der Neuorganisation um das 8. Energieforschungsprogramm wurden Teile und Teilaspekte aus dem aufgelösten Forschungsnetzwerk „Flexible Energieumwandlung“ als Cluster 5 in das Netzwerk Wasserstoff eingegliedert. Darin befinden sich zurzeit zwei Arbeitsgruppen: 

AG Kraftwerke

Die AG Kraftwerke beschäftigt sich neben den klassischen Kraftwerksprozessen auch mit weiteren Energie- und Stoffumwandlungsprozessen und den damit verbundenen Möglichkeiten zur Energiespeicherung. Hier geht es neben dem Einsatz reinen Wasserstoffs auch um dessen Derivate und die Möglichkeit zur wahlweise energetischen und stofflichen Nutzung. 

Schwerpunktthemen der Gruppe sind:

- Kraftwerksprozesse: Flexibilisierung im Hinblick auf größere Volatilität durch Erneuerbare Energie in der Stromerzeugung, Effizienz und Verfügbarkeit der Prozesse
- Brennstoff-Flexibilität beim Einsatz mehrerer Brennstoffe, Einsatzfähigkeit bis hin zu 100 Prozent Wasserstoff
- Emissionsminderung, die auch an die neuen Brennstoffe angepasst werden muss
- Stromkonversion + Synthese (Chemische Speicher), hier ist Wasserstoff der Technologietreiber
- Kreislaufwirtschaft: Thermochemische Konversion (Vergasung, Pyrolyse) von Biomasse sowie Rest- und Abfallstoffen zur anschließenden Synthese oder zur Produktion von Wasserstoff
- Systemintegration multipler Energiekonversionssysteme  

AG Turbomaschinen  

In dieser Arbeitsgruppe wird der Einsatz von Turbomaschinen im Bereich Wasserstoff und Wasserstoff-Derivate sowie deren systemische Einbettung behandelt.  

Wesentliche Themenschwerpunkte sind:
- Wasserstoffanwendungen in Turbomaschinen
- Weiter/Entwicklung von Turbomaschinen in Energiespeichern
- Turbomaschinen in Power-to-X (-to-Power) Systemen
- Verdichtersysteme für zukünftige H₂-Netze
- Flexibilisierung von Turbomaschinen in Energiesystemen 
- Digitalisierung des Betriebs von Turbomaschinen 
- Entwicklung von digitalen Methoden zur Optimierungsunterstützung von Turbomaschinen
- Turbomaschinen für CO₂-neutrale Brennstoffe 

Beide Arbeitsgruppen sind offen für neue Mitglieder und weitere Themen im Kontext der AGs. Unser Anspruch ist auch der Austausch mit den anderen Clustern im Netzwerk. 

Ansprechpartner/in

Dr. Eva Verena Klapdor
E-Mail: eva.klapdor@siemens-energy.com
Website: Siemens Energy Global GmbH & Co. KG

Prof. Dr.-Ing. Bernd Epple
E-Mail: bernd.epple@est.tu-darmstadt.de
Website: TU Darmstadt - Fachgebiet Energiesysteme und Energietechnik