Energie

Wasserstoff und Brennstoffzelle erobern immer mehr Nischen

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Manche sind noch Vision am Reißbrett, andere haben die Marktreife bereits erreicht: Gasbetriebene Rechenzentren, supraleitende Flugzeugmotoren und eine CO2-freie Stahlproduktion sind nur einige Projekte, die einen Weg zur Energiewende mit der Brennstoffzelle aufzeigen wollen.

Tobias Meyer
freier Reporter aus Zirndorf bei Nürnberg

Der Elektro-Lieferwagen der Post-Tochter Streetscooter soll bald mehr Reichweite durch eine Brennstoffzelle bekommen, in Deutschland werden außerdem bereits Busse, Züge und Sammeltaxis mit Wasserstoff angetrieben. Als einer der Technologie-Pioniere geht Daimler hier mit voran: „Die Marktreife von automobilen Brennstoffzellensystemen ist heute unbestritten. Sie sind alltagstauglich und stellen eine vielversprechende Option für den Mobilitätssektor dar. Aber das Potenzial von Wasserstoff jenseits des Automobils – Stichwort Energie-, Industrie- und Heimlösungen – ist vielfältig und erfordert die Entwicklung neuer Strategien. Skaleneffekte und Modularisierung sind dabei wichtige Themen“, sagt Christian Mohrdieck, Leiter Brennstoffzelle bei Daimler und Geschäftsführer der Daimler-Tochter Nucellsys. Eine Technologiekooperation mit Hewlett Packard Enterprise soll Brennstoffzellensysteme mit IT–Infrastrukturlösungen zusammenführen: Das Konzept des CO2-freien Rechenzentrums besteht aus Brennstoffzellen, Elektrolyseur, Speicher, Photovoltaik- und Windkraftanlagen. Durch die Kombination der Systeme gleichen die Partner die Instabilität und Variabilität von erneuerbaren Energiequellen aus.

Stromfresser Internet

Denn Rechenzentren sind äußerlich zwar sehr unscheinbar, gehören heute aber zu den großen Energieverbrauchern. Und ihr Hunger steigt mit immer stärkerer Internetnutzung und auch Industrieanwendungen wie Simulationen und Smart-Factory-Konzepten stetig weiter an. Einer Studie des amerikanischen Natural Resources Defense Council (NRDC) zufolge steige der Strombedarf von Rechenzentren in den USA bis 2020 geschätzt auf jährlich 140 Mrd. kWh, was alleine etwa 50 Kraftwerke benötige und damit einem jährlichen CO2-Ausstoß von circa 100 Mio. t entspräche. Betreiber und Hersteller kämpfen daher um kleinste Einsparpotentiale, da diese multipliziert mit dem gigantischen Energiehunger der Systeme zu hohen Einsparungen führen können.

Microsoft hat im Herbst 2017 bereits ein ähnliches Konzept in Betrieb genommen: Hier wird das Rechenzentrum aber nicht von einer separaten Brennstoffzelle aus einem Nebenraum versorgt, stattdessen sind zehn Zellen direkt oberhalb des Serverracks installiert. So ist kein komplexes Verteilersystem mehr notwendig. Die Erzeuger produzieren zudem direkt Gleichstrom in der benötigen Spannung der Rechner, Verluste über Netzteile fallen somit ebenfalls weg. Außerdem kann durch den dezentralen Aufbau und die dazugehörigen Redundanzen bei den Serverkapazitäten auf Dieselgeneratoren als Notstromaggregate verzichtet werden. „Durch dieses Projekt wird die Stromversorgung von Servern radikal vereinfacht und wesentlich energieeffizienter – bei gleichzeitiger Kostensenkung und Verbesserung der Zuverlässigkeit“, erklärt Chris Belady, General Manager für Rechenzentren und Infrastruktur bei Microsoft. Angesichts seines gewaltigen Stromverbrauchs könnte der IT-Riese bei kompletter Umstellung auf die Rack-Versorgung mehrere 100 Mio. US-Dollar im Jahr sparen.

Positive Nebenwirkung: Brennstoffzelle zieht O2 aus Raumluft und erhöht so Brandschutz

Die Technik für die Festoxid-Brennstoffzellen (SOFC) lieferte der deutsche Hersteller Solidpower: „Nach vier Jahren Entwicklung markiert das System einen Paradigmenwechsel. Wir sind bereit, die Power-Rack-Lösung in größerem Maße in Rechenzentren einzusetzen“, betont CEO Alberto Ravagni. Die Versorgung erfolgt lediglich über eine Erdgasleitung, ein Reformer gewinnt aus dem Methan den nötigen Wasserstoff. Dabei entsteht jedoch noch immer CO2, langfristig soll der Wasserstoff daher auch hier aus regenerativen Energien erzeugt werden. Für Solidpower eröffnet sich durch die Kooperation mit Microsoft ein neuer Markt, da bislang vorwiegend Privathaushalte und Gewerbebetriebe mit Brennstoffzellen ausgestattet werden. Auch Großlager profitieren – wie auch die Rechenzentren – dabei zudem von einer Nebenwirkung des Prozesses: Er entzieht der Raumluft den Sauerstoff, wodurch der Brandschutz signifikant erhöht wird.

Energiewende im Nordmeer

Die Wind-, Wellen- und Gezeitenkraftwerke der schottischen Orkney-Inseln erzielen bereits seit rund fünf Jahren einen Überschuss: Aufgrund begrenzter Netzkapazitäten zum Festland entschloss man sich, diesen direkt vor Ort in Wasserstoff umzuwandeln. Um dessen Kapazität ebenfalls direkt nutzen zu können, forscht man dort aktuell an der ersten hochseetauglichen Fähre mit Brennstoffzelle. Parallel wurde mit der Errichtung einer Wasserstoff-Infrastruktur begonnen, sodass die Fähre mit einem mobilen Trailer betankt werden kann.

Ziel des von der EU geförderten Forschungsprojektes Hy-Seas III ist es, den Pendelverkehr zwischen den Inseln ab 2021 mit dem neuen Schiffstyp zu realisieren. Auch Wissenschaftler des DLR-Instituts für vernetzte Energiesysteme sind an Bord: „Wir nehmen eine detaillierte Analyse der Kostenstrukturen vor, beginnend bei der voraussichtlichen Entwicklung der Rohstoffpreise über laufende Betriebs- und Wartungskosten bis hin zu den Kosten für die spätere fachgerechte Entsorgung“, erklärt Thomas Vogt, Abteilungsleiter Energiesystemanalyse. „Diese Aufstellung nehmen wir auch für vergleichbare Konzepte vor, zum Beispiel für Fähren mit Diesel-, Hybrid- oder reinem Elektroantrieb. Wichtig ist auch die Betrachtung der erforderlichen, teils netzgebundenen Infrastruktur. Erst im direkten Vergleich dieser Daten lassen sich Rückschlüsse auf die tatsächliche Wirtschaftlichkeit des Konzepts ziehen.“

Ökologische Analyse von der Mine bis zur Entsorgung

Zwar werden bei der Wasserstoffherstellung und während des Fährenbetriebs keine direkten Schadstoffe und Emissionen freigesetzt, allerdings könnten zahlreiche weitere Faktoren die Bilanz trüben, wie Vogt verdeutlicht: „So werden für den Herstellungsprozess möglicherweise Rohstoffe mit geringer Verfügbarkeit benötigt. Abbau, Transport und Verarbeitung sind zum Teil energieintensiv und können die CO2-Bilanz erheblich beeinflussen, sofern hierfür keine erneuerbaren Energien eingesetzt werden. Auch die Entsorgung kann zu Umweltbelastungen führen.“ Langfristig könnte Hy-Seas III die Blaupause für weitere Fährverbindungen in ganz Europa liefern. Das Potenzial dafür will das DLR-Institut ebenfalls ermitteln. Wesentliche Faktoren dafür sind die Streckenlänge, die Aufnahmekapazität für Personen und Fahrzeuge, die Akzeptanz bei Betreibern und Bevölkerung sowie die Möglichkeit zur Bereitstellung von Wasserstoff mittels Erneuerbarer Energien in der Region.

„Unsere Analyse soll zeigen, inwiefern die Umsetzung eines wasserstoffbetriebenen Fährbetriebs nicht nur vor den Orkney-Inseln, sondern auch auf weiteren Strecken in Europa möglich und sinnvoll ist“, fasst Vogt die Projektziele zusammen.

Vision: Hybride Passagierflugzeuge

Der Elektromotorenhersteller Oswald forscht aktuell an einem supraleitenden E-Antrieb, der künftig die Luftfahrt umkrempeln könnte. Dabei soll Wasserstoff als Kühlmittel und Treibstoff zum Einsatz kommen: „Das wird schon mehrere Jahre diskutiert und ich sehe das als geniale Möglichkeit. Denn flüssig hat Wasserstoff eine Temperatur von 21 K. Logistisch wäre das zudem die einzig sinnvolle Form“, erklärt Geschäftsführer Johannes Oswald. So könnte man die eingesetzten Hochtemperatur-Supraleiter auf ein ideales Temperaturniveau bringen, da diese bei niedrigen Temperaturen um ein vielfaches leistungsfähiger sind. Der Wasserstoff würde also durch mehrere E-Motoren geführt, um die Supraleiter zu kühlen und dann in einer Turbine verbrannt.

Auch der Betrieb von Brennstoffzellen ist denkbar: „Der komplette Flugzeugantrieb lässt sich damit aber noch nicht realisieren, da deren Leistungsgewicht noch zu hoch ist. Hybridlösungen jedoch werden aktuell intensiv unterstützt. Ich könnte mir vorstellen, dass künftig vielleicht ein Drittel des Treibstoffs in einem Flugzeug in Form von Wasserstoff mitgeführt wird, der restliche Treibstoff wird erst mal weiter Kerosin sein“, erläutert Oswald. Ein weiterer nicht zu unterschätzender Aspekt des neuartigen Antriebs wird sein, dass auch die Energieverteilung in solchen Flugzeugen supraleitend erfolgen muss, da die vielen Megawatt nicht über normales Kupfer fließen könnten – es wäre schlicht viel zu schwer. Aktuell entwickelt man innerhalb eines europäischen Forschungsprojektes eine komplette supraleitende Rotor/Stator-Konfiguration. Bis zur Marktreife wird daher noch etwas Zeit vergehen.

Ökologischer Stahl

Eisenerz wird zurzeit in Europa nahezu ausschließlich im Hochofen durch Koks, Kohle, Öl oder Erdgas reduziert. In speziellen Direktreduktionsanlagen können die fossilen Brennstoffe aber weitgehend durch Wasserstoff ersetzt werden: Der Stahlhersteller Salzgitter will so künftig CO2 einsparen, zunächst für das konzerneigene Hüttenwerk, aber mit der Perspektive grundsätzlicher Anwendbarkeit an jedem Standort mit gleichartiger Fertigung.

Auch hier kommt der benötigte Wasserstoff aktuell noch aus Erdgas. Laut Salzgitter werden Direktreduktionsanlagen daher bisher nur in Ländern mit preiswerten Vorkommen eingesetzt, etwa im Nahen Osten, den USA und Russland. In dem Salcos (Salzgitter Low CO2 Steelmaking) getauften Projekt soll Wasserstoff erhebliche Anteile der fossilen Brennstoffe komplett ersetzen und mittels Elektrolyse unter Einsatz von volatilem Strom aus erneuerbaren Energien gewonnen werden. Je nach Ausbaustufe ließen sich 10 bis 85 % der jährlich 8 Mio. t CO2-Emissionen von Salzgitter einsparen. Als weitere Option kann die auch bei diesem Verfahren noch anfallende Restmenge CO2 einer Verwertung in Syntheseprozessen zugeführt werden.

„Aktuell wäre die Umsetzung eines solchen Projekts aber sehr teuer, weshalb wir auch mit der Politik über Förderungen sprechen müssen“, sagt Volker Hille, Leiter Corporate Technology bei Salzgitter. Im Endeffekt wäre eine Alleinstellung über „grünen Stahl aus Deutschland“ möglich, ein Label mit ähnlichem Charakter wie das Biosiegel oder regionale Produkte im Lebensmittelsektor wäre denkbar.

„Der Kunde müsste hier jedoch bereit sein, etwas mehr zu bezahlen, kann in seinen Produkten aber mit nachhaltig erzeugten Rohstoffen werben“, erklärt Hille. Die günstige Konkurrenz aus Fernost auf dem Weltmarkt macht das zwar nicht gerade einfacher, eventuell kann sich der Hersteller damit aber eine neue Nische schaffen. Seit Juni 2017 arbeitet im Hüttenwerk Salzgitter bereits einer der weltweit stärksten reversiblen Hochtemperaturelektrolyseure im Versuchsbetrieb. Er kann sowohl Wasserstoff produzieren als auch im Brennstoffzellenbetrieb Strom erzeugen.

Die vollständige Umsetzung des Salcos-Konzepts mit mehr als 80 % CO2-Reduzierung wird aktuell auf 2040 und später datiert, in wenigen Jahren könnten aber schon 25 % möglich sein. Die lange Dauer ist dabei vor allem der schrittweisen Umstellung geschuldet. Laut Salzgitter wurde weltweit noch nirgends eine Direktreduktion sukzessive in ein bestehendes Werk eingebunden, ein Neubau im Ausland – was auch hinsichtlich Emissionszertifikaten Vorteile hätte – kommt aber nicht in Frage: Der Konzern steht auch weiterhin zu seinem traditionellen Standort in Niedersachsen, wo man trotz dem etwaigen Umbau im Salcos-Prinzip die Kapazität von 5 Mio. t Rohstahl jährlich und somit auch die Beschäftigung voll erhalten will.


Lange Geschichte

Die Brennstoffzelle ist keineswegs eine neuartige Erfindung im Rahmen des Aufschwungs der erneuerbaren Energie in den letzten Jahrzehnten. Entwickelt wurde sie etwa zur gleichen Zeit wie der Verbrennungsmotor. Im Dezember 1838 beschrieb der deutsch-schweizerische Wissenschaftler Christian Friedrich Schönbein – der außerdem das Ozon entdeckte – das Funktionsprinzip erstmals. Lange Zeit kam man über das Labor jedoch nicht hinaus, der robuste Generator von Siemens setzte sich zudem schnell als Mittel der Wahl zur Stromerzeugung durch. Erst Mitte des 20. Jahrhunderts griff man das Prinzip wieder auf: Die ersten Satelliten und Raumfahrtprogramme wie Apollo nahmen Brennstoffzellen mit in den Weltraum. Seitdem geht die Entwicklung stetig vorwärts.


Keine sicheren Signale aus der Politik

Wasserstoff und Brennstoffzelle kommen gut voran, keine Frage. Eigentlich könnte man aber schon viel weiter sein – so etwa der Tenor, den unser Autor von Wissenschaftlern und Ingenieuren auf der Hannover Messe 2018 einholte. Im dortigen Sonderbereich Integrated Energy hieß es: Niemand wolle aktuell investieren, obwohl der Markt sehr stark sei. Denn die Politik sendet keine eindeutigen Signale – das hemmt ein Vorankommen.

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