Nachhaltige Zukunft mit Wasserstoff

Im Zuge des steigenden Anteils Erneuerbarer Energien im nationalen Energiemix findet eine zunehmende Verschmelzung der Energiesysteme mit den Anforderungen künftiger Mobilität statt. Dies geschieht einerseits durch den Betrieb einer steigenden Anzahl rein batterieelektrischer Fahrzeuge, perspektivisch aber auch durch den Einsatz von erneuerbarem Wasserstoff in Brennstoffzellenfahrzeugen.
Beide Formen der Elektromobilität haben ihre jeweiligen Marktsegmente und ihre spezifischen Stärken und Schwächen. Während batterieelektrische Fahrzeuge mit sehr hohem Wirkungsgrad Strom speichern und in die Traktion überführen können, werden die limitierte Reichweite und die langen Aufladungszeiten ein begrenzendes Element bleiben. Brennstoffzellenfahrzeuge haben Betankungszeiten von wenigen Minuten und Reichweiten, die mit konventionellen Fahrzeugen vergleichbar sind, jedoch muss der Wasserstoff als Kraftstoff erst erzeugt und über ein eigenes Tankstellennetz verteilt werden.
Wasserstoff setzt bei der Reaktion mit Sauerstoff in einer Brennstoffzelle nutzbare Energie in Form von Strom und Wärme frei. Da Wasserstoff in der Natur jedoch nicht in Reinform vorliegt, muss er unter Einsatz von Energie aus seinen vielfältigen chemischen Verbindungen gewonnen werden. Im Idealfall wird jedoch Erneuerbare Energie in Form von regenerativ erzeugtem Strom für Elektrolyseverfahren verwendet. Dieser Wasserstoff wird in der Energiewirtschaft mit ihren zunehmenden Anteilen Erneuerbarer Energien künftig eine entscheidende Rolle spielen. Dies resultiert aus seiner Speicherbarkeit in hinreichend großen Mengen, aber auch aus dessen Nutzungsmöglichkeiten sowohl in Brennstoffzellenfahrzeugen als auch in der zentralen sowie dezentralen Strom- und Wärmeversorgung. Die Elektrolysetechnologie hat bereits die technische Reife, um als regelbare Last im Stromnetz in allen relevanten Leistungsklassen bis in den MW-Maßstab einen wichtigen Beitrag zur Stabilisierung der Netze der Zukunft zu leisten.
Energiespeicher und Netzstabilisierung
Im Dezember 2011 hat sich die Initiative »performing energy – Bündnis für Windwasserstoff« gebildet. Sie besteht aus namhaften Vertretern der Industrie, der Wissenschaft sowie Organisationen aus dem Bereich Umwelt- und Technologieförderung und hat zum Ziel, mit einer Reihe verschiedener Pilotvorhaben die Voraussetzungen für eine wirtschaftliche Integration von Speicherlösungen basierend auf Wasserstoff in der Energiewirtschaft zu entwickeln.
Das gemeinsame Leitmotiv für dieses Vorhaben ist, dass Wasserstoff ein universeller Energieträger ist, der vollständig regenerativ erzeugt und emissionsfrei in den verschiedenen Anwendungen in Strom und Wärme umgewandelt werden kann. Er kann sowohl in großen Mengen ins Erdgasnetz eingespeist oder gar in Salzkavernen saisonal gespeichert werden, als auch in einer Reihe von Endanwendungen wie beispielsweise in Gaskraftwerken sowie dezentralen Kraft-Wärme-Kopplungsanlagen zur Ausregelung der fluktuierenden Erneuerbaren Energien den gewohnten Energiedienstleistungen rückgeführt werden.
Elektromobilität
Die Elektrifizierung des Individualverkehrs stellt eine wesentliche Voraussetzung für die Entwicklung einer emissionsfreien und nachhaltigen Mobilität dar. Dabei spielen sowohl über Lithium-Ionen Batterien elektrisch angetriebene Fahrzeuge eine Rolle, als auch mit Wasserstoff betankte Brennstoffzellenfahrzeuge. Aufgrund der höheren Speicherdichte und schnelleren Betankung eines Wasserstofftanks gegenüber einer Batterie zeichnen sich hier Vorteile eines Brennstoffzellenantriebs gegenüber dem reinen Batterieantrieb ab. Bei einer Betankungszeit von 3 Minuten erzielt ein Brennstoffzellenfahrzeug derzeit eine Reichweite von über 400 bis 600 km.
Allerdings erfordert die Markteinführung von Brennstoffzellenfahrzeugen – erste Serienfahrzeuge sind für 2014 angekündigt – den Aufbau einer Wasserstoff-Infrastruktur mit einem flächendeckenden Tankstellennetz.
Das Fraunhofer ISE hat im März 2012 in Freiburg eine öffentliche, solare Wasserstofftankstelle in Betrieb genommen, in der Wasserstoff durch Elektrolyse mit der fortschrittlichen Membrantechnologie erzeugt wird. Der Strom wird im Jahresmittel durch eine eigene Photovoltaik-Anlage bereitgestellt. Die Tankstelle erlaubt die Betankung von Pkw mit 700 bar Druckgasspeichern, aber auch von Bussen mit 350 bar Speicherdruck sowie Wechselkartuschen mit 200 bar. Die Tankstelle selbst wurde vom Land Baden-Württemberg gefördert, der Betrieb durch die Nationale Organisation Wasserstoff- und Brennstoffzellentechnologie NOW. Mit dem Elektrolyseur aus der solaren Wasserstofftankstelle untersuchen wir in Projekten den Einsatz der Elektrolyse im so genannten Demand-Side-Management, also der gezielten Steuerung zur Stabilisierung des elektrischen Netzes. Neben solchen systemtechnischen Fragestellungen beschäftigt sich das Institut auch mit der Entwicklung von Membran-Elektrolyseuren im Leistungsbereich bis MW-Anwendungen, welche sich besonders zur Integration im Netz als regelbare Last für fluktuierende Erneuerbare Energien eignen.
Dr. Christopher Hebling
Bereichsleiter Energietechnik
Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISE
www.ise.fraunhofer.de/de