Wasserstoff als Schlüsselelement der Energiewende

Wachsender Transportbedarf, zunehmende Urbanisierung und steigende Kohlendioxid-(CO2)-Emissionen verschärfen den Druck auf Politik, Industrie und Wissenschaft, nachhaltige Energiesysteme für die künftige globale Mobilität zu entwickeln. Derzeit emittieren die mehr als 1,6 Mrd. registrierten Fahrzeuge weltweit jährlich über 8 Mrd. t CO2. Parallel wächst der Fahrzeugbestand global mit rechnerisch mehr als 1,5 Fahrzeugen pro Sekunde, damit steigen auch die zusätzlichen CO2-Emissionen in jeder Sekunde um etwa 3,3 t/Jahr. Diese Dynamik verdeutlicht, dass rein inkrementelle Optimierungen nicht ausreichen, um die politisch und gesellschaftlich geforderten Klimaziele im Verkehrssektor zu erreichen. Damit die zentralen Umweltherausforderungen der globalen Mobilität gelöst werden, muss die Energieversorgung der Zukunft drei Hauptkriterien erfüllen: Klimaneutralität, Versorgungssicherheit und Wirtschaftlichkeit. Renommierte Forschungseinrichtungen wie die Professur Alternative Fahrzeugantriebe (ALF) des Instituts für Automobilforschung (IAF) der TU Chemnitz unter der Leitung von Prof. Dr. Thomas von Unwerth sehen in Wasserstoff (H2) eine erfolgversprechende Option für die Dekarbonisierung des Energiesektors durch den großflächigen Ersatz fossiler Energieträger.

Text: Richard Backhaus | Fotos: Stefan Bausewein, iStock

Die H2-Nutzung in Brennstoffzellen ist aus Sicht der Forscher kein Allheilmittel, sondern ein unverzichtbarer Baustein der Energiewende, zusammen mit batterieelektrischen Antrieben und, bei bestimmten Anwendungen, synthetischen Kraftstoffen.

Dabei sind technologische Durchbrüche bei der Brennstoffzellentechnik für den künftigen Markterfolg allein nicht ausreichend, entscheidend ist die Integration in ökonomische und gesellschaftliche Systeme. Diese These stellte Erik Pohl vom ALF als Ausgangspunkt seines Plenarvortrags auf der FVV-Herbsttagung auf. Fortschritte hängen ab von der Skalierung der Elektrolyse-und Brennstoffzellen-Technologien, der Systemintegration in Strom-, Gas- und Mobilitätsnetze, von Materialinnovationen zur Reduktion kritischer Rohstoffe, offenen Forschungsplattformen und internationalen Kooperationen sowie einer nachhaltigen Ausbildungspolitik. »Wenn diese Faktoren ineinandergreifen, kann Wasserstoff tatsächlich zu einer Schlüsseltechnologie der postfossilen Gesellschaft werden. Deutschland mit seiner starken Forschungslandschaft, technischen Kompetenz und industriellen Basis besitzt die Chance, hierbei eine führende Rolle einzunehmen«, so von Unwerth.

Elektrolyse und Wasserstofferzeugungspotenzial

Bei den Marktpotenzialen von H2-Konzepten spielt der Energiepreis eine entscheidende Rolle. Dieser ist derzeit in erheblichem Maße vom Herstellverfahren abhängig. Während ›grüner‹ H2 zwar CO2-neutral ist, jedoch hohe Produktionskosten verursacht, sind andere Verfahren, bei denen beispielsweise ›schwarzer‹ (aus Kohle) oder ›grauer‹ (aus Erdgas) Wasserstoff entsteht, wesentlich preiswerter und heute bereits großskalig verfügbar, allerdings nach wie vor CO2-behaftet. »Um die Marktaktivierung voranzutreiben, kann es vorübergehend sinnvoll sein, das gesamte Farbspektrum der Wasserstofferzeugung zu nutzen, statt auf die ausreichende Verfügbarkeit von grünem Wasserstoff zu warten«, sagte Pohl auf der Tagung.

Pohl betonte, dass Effizienzverluste in der Elektrolyse kein Ausschlusskriterium darstellen, solange ausreichend ›freie‹ erneuerbare Energie vorhanden ist. Allein im Jahr 2024 wurden in Deutschland mehr als 9 TWh an potenziell nutzbarem Ökostrom aufgrund von Netzengpässen abgeregelt – Energie, die künftig zur H2-Produktion genutzt werden kann. Pohl stellte allerdings klar: »Auch wenn wir diese Energie in Form von Wasserstoff nutzen, reicht das nicht aus, um Deutschland energieautark zu machen. Vielmehr werden wir, wie heute schon, als energieintensives Industrieland auf jeden Fall Energie importieren müssen.« Bis 2050 wird ein globales H2-Erzeugungs­potenzial von mehreren hundert Millionen Tonnen pro Jahr prognostiziert. Neben der technischen Weiterentwicklung der Elektrolyseure, etwa mit Blick auf Wirkungsgrad, Materialeinsatz und Skalierbarkeit, gewinnen Transport, Lagerung und Einbindung in das Energiesystem zunehmend an Bedeutung. Der Begriff des ›transportablen, langzeit-speicherbaren Stroms‹ beschreibt hierbei den Vorteil von Wasserstoff gegenüber fluktuierenden erneuerbaren Energieträgern.

Batterie und Brennstoffzelle – Komplementäre Technologien

Die Debatte »Batterie oder Brennstoffzelle« ist keine Entweder-oder-Frage. Vielmehr ergänzen sich beide Technologien. Während batterieelektrische Antriebe vor allem im urbanen Verkehr und bei niedrigem Lastkollektiv Vorteile bieten, zeigen H2-Konzepte ihre Stärken auf der Langstrecke, im Schwerlastverkehr sowie in maritimen und schienengebundenen Anwendungen. »Die Betankungszeiten von H2-Lkw sind mit denen dieselbetriebener Fahrzeuge vergleichbar, zudem kann auf eine vorhandene Infrastruktur aufgebaut werden. Demgegenüber muss für Elektro-Lkw das gesamte Parkplatznetz an Fernstraßen mit Ladesäulen ausgerüstet werden, um den Ladebedarf auch in Stoßzeiten erfüllen zu können. Unsere Auswertungen zeigen, dass der Infrastrukturaufbau in Europa mit realistischem Zeithorizont kaum umsetzbar ist«, erklärt von Unwerth. Hinzu kommen Aspekte wie der Gebrauchtmarkt von Lkw. In Europa ausgemusterte Fahrzeuge werden heute oftmals international, beispielsweise nach Afrika, weiterverkauft. Dieses Geschäftsmodell dürfte für batterieelektrische Lkw zu Problemen führen, da in weiten Teilen der Welt keine adäquaten Lademöglichkeiten vorhanden sind. Wie Pohl in seinem Vortrag ausführte, könnten Brennstoffzellenfahrzeuge hier langfristig bessere Marktchancen haben.

Kritische Rohstoffe und Nachhaltigkeit

Die Rohstoffabhängigkeit stellt eine der größten Herausforderungen bei der kostengerechten Einführung künftiger Antriebssysteme dar. Neben Seltenen Erden steht bei batterieelektrischen Antrieben dabei insbesondere Lithium für die Batterie im Fokus, während Brennstoffzellen vor allem Platin benötigen. Platin wird im Automobilbereich schon seit vielen Jahren für Katalysatoren eingesetzt, sodass eine tradierte Marktstruktur besteht, die bei einer Substituierung von Antrieben mit Verbrennungsmotor durch solche mit Brennstoffzelle einfach übernommen werden kann. Für Lithium hingegen müsse sich eine stabile Marktlandschaft erst noch formen, entsprechend wahrscheinlich seien Marktverwerfungen, insbesondere in der Hochlaufphase. Langfristig müsse man aus Gründen der Nachhaltigkeit allerdings ohnehin für alle Rohstoffe zu einem geschlossen Recyclingkonzept kommen.

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Aktuelle Forschungsarbeiten des ALF fokussieren auf Materialsubstitution und -recycling sowie der Reduktion kritischer Rohstoffe. Ergänzend werden Strategien zur multikriteriellen Optimierung von Stack- und Systemkomponenten entwickelt, um Effizienz, Thermomanagement und Lebensdauer zu verbessern. Künstliche Intelligenz unterstützt zunehmend Betriebsstrategien, Simulationen und die Materialwissenschaft, beispielsweise bei der Identifikation optimaler Katalysatorzusammensetzungen oder bei der Vorhersage von Degradationsmechanismen.

Ein zentrales Element der Chemnitzer Forschung ist das Konzept »Open Source Stack« (OSS). Ziel ist die Etablierung einer offenen Forschungsplattform für Brennstoffzellen- und Elektrolyseanwendungen, die eine transparente und kollaborative Weiterentwicklung ermöglicht.

Das ALF ist zudem in mehrere europäische Forschungsprogramme eingebunden, unter anderem im Rahmen von Horizon 2020 in Projekte des ›Fuel Cells and Hydrogen Joint Undertaking‹ (FCH JU). Um den wachsenden Bedarf an Fachkräften zu decken, bietet die TU Chemnitz den ersten Masterstudiengang für Wasserstofftechnologien in Deutschland an. Der Studiengang kombiniert Grundlagen der Thermodynamik, Elektrochemie und Systemtechnik mit praxisnaher Forschung und Industriekooperation. »Damit schließen wir die zentrale Lücke zwischen der akademischen Ausbildung und der industriellen Umsetzung«, erklärt von Unwerth. Für den Transfer von Forschungsergebnissen diene dann der aus mehr als 160 Partnerunternehmen bestehende Wasserstofftechnologiecluster HZwo e.V., der auch Träger des von der Bundesregierung geförderten nationalen Innovations- und Technologiezentrums ›Hydrogen Innovation Centre‹ (HIC) am Standort Chemnitz ist. //