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Wasserstoff-basierte Kraftstoffe – der Weg in die saubere Zukunft?

Warum brauchen wir Wasserstoff?

Der Klimawandel stellt die Weltgemeinschaft vor eine ihrer bisher größten Herausforderungen. Wir müssen Wege finden, wie der CO2-Ausstoß reduziert und perspektivisch eliminiert werden kann. Neben der Extraktion des Kohlendioxids aus dem Abgas konventioneller, mit fossilen Energieträgern betriebener Anlagen, bildet die komplette Abkehr von fossilen Energieträgern dabei die einzige Möglichkeit. Das Potential der global nutzbaren, erneuerbaren Energiequellen übertrifft den kombinierten, globalen Energiebedarf aller Sektoren problemlos um ein Vielfaches. Problematisch ist allerdings, dass die Verteilung der regenerativen Erzeugungskapazitäten nur bedingt der Verteilung der Nutzungsorte entspricht. Die direkte Verbindung von Erzeugungsort und Nutzungsort ist nur begrenzt möglich, teilweise gar nicht umsetzbar oder mit extremen Verlusten verbunden.
Eine mögliche Lösung für dieses Problem stellt die Speicherung der elektrischen Energie in Form chemischer Energie dar. Die einfachste und gleichzeitig sauberste Variante ist die Elektrolyse von Wasser zur Gewinnung von Wasserstoff und Sauerstoff. Der Wasserstoff kann anschließend direkt oder vorzugsweise in Form eines daraus hergestellten Stoffes (Bspw.: Ammoniak, LOHC) an den Bestimmungsort transportiert und dort vielfältig genutzt werden. Der Transport mittels Pipelines oder speziellen Schiffen kann bereits bei mittleren Distanzen von wenigen 1.000 Kilometern Vorteile gegenüber der direkten Übertragung der elektrischen Energie mittels Hochspannungs-Gleich- oder Wechselstromleitungen bieten und ermöglicht darüber hinaus die weltweite Verteilung der gebundenen, grünen Energie von den Erzeugungsorten in die Verbrauchszentren.

Aktuelle Lage und Herausforderungen von H2 Produktion, Lagerung und Nutzung

Wasserstoff ist ein wichtiger Rohstoff in vielen industriellen und chemischen Prozessen und als solcher bereits weltweit im Einsatz. Die Herstellung erfolgt allerdings aktuell in der Regel unter Nutzung fossiler Energieträger, überwiegend Erdgas, da die damit verbundenen Kosten zurzeit noch wesentlich geringer sind, als im Falle der Herstellung unter Nutzung regenerativer Energie. Ein Großteil des produzierten Wasserstoffs wird in räumlicher Nähe zum Nutzungsort hergestellt, entsprechend gibt es nur lokale Verteilernetze und praktisch keine Infrastruktur für den Langstreckentransport. Die einzige Ausnahme bilden einige Pilotprojekte, in denen die Validität von Pipelinesystemen für Distanzen <100 – 200km untersucht wird. Beispielhaft kann dabei das Projekt „Lingen – GET H2“ im Emsland genannt werden. Der maritime Transport von Wasserstoff beschränkt sich ebenfalls auf einige Pilotprojekte. Eines dieser Projekte ist die im Jahr 2020 durch Kawasaki Heavy Industries fertiggestellte „SUISO FRONTIER“, welche rund 1.250 m³ LH2 bei - 253 °C (~ 90 t) von Australien nach Japan transportieren soll. 

Grundsätzlich muss festgehalten werden, dass der Transport von Wasserstoff mit erheblichen Herausforderungen verbunden ist. Kleinstlösungen wie im Falle von Straßenfahrzeugen lassen sich kaum sinnvoll darstellen, da es zu erheblichen Einbußen in Reichweite oder Nutzwert kommt und zudem im Falle der kryogenen Lagerungen dauerhafte Boil-Off-Verluste auftreten.  

Der Bereich der Nutzung von Kraftstoffen auf Wasserstoffen ist zum jetzigen Zeitpunkt leider nur eine absolute Nischenlösung. Nach mehreren Anläufen der Automobilindustrie zur Nutzung von Wasserstoff in Kombination mit Brennstoffzellen und Verbrennungsmotoren in den vergangenen Jahrzehnten, sind im Markt derzeit nur einige Modelle asiatischer Hersteller verfügbar. Die Marktdurchdringung ist extrem gering und das Tankstellennetz, welches größtenteils CH2 anbietet, sehr dünn. Neben einigen Bestrebungen zur Umrüstung von Gaskraftwerken und Stahlwerken, wird reiner Wasserstoff darüber hinaus im Energie- und Transportsektor nur in einigen militärischen U-Booten und kleinen Schiffen genutzt. Im Individualverkehr hat die direkte Nutzung elektrischer Energie, unter Nutzung von Batteriespeichern, den Markt der grünen Mobilität nahezu komplett übernommen.  

Zukunftsszenarien

Gehört LH2, CH2, Ammoniak, LOHC oder doch synthetischen Kraftstoffen die Zukunft? In welcher Form ist ungewiss, aber das Kraftstoffe auf Basis von Wasserstoff eine entscheidende Rolle auf dem Weg zur CO2-Neutralität spielen werden, ist sicher. Die grundlegenden Schwierigkeiten der direkten Wasserstoffnutzung sind bereits bekannt und kaum so weit zu verringern, dass eine Nutzung im Individual- und Flugverkehr kurz- oder langfristig sinnvoll erscheint. Gerade in diesen Bereichen stellen synthetische Kraftstoffe eine Drop-In Lösung als Ersatz für bestehende fossilbasierte Kraftstoffe wie Benzin, Diesel und Kerosin dar. Bei Nutzung von grünem Wasserstoff und aus Abgasen extrahiertem Kohlendioxid, ist so ein CO2-neutraler Betrieb dieser Sektoren möglich und technisch bereits umsetzbar. Einzig die aktuell noch sehr hohen Produktionskosten verhindern eine rasche Erhöhung des Marktanteils. 

Ammoniak eignet sich aufgrund der einfachen Herstellung und deverhältnismäßig geringen Kosten und Anforderungen in den Bereichen Lagerung und Nutzung, kurz- und langfristig für den Antrieb in Schiffsanwendungen. Ammoniak ist in der Lage diesen Sektor komplett von Kohlendioxidemissionen zu befreien. Weiterhin können speziell im Vergleich zum aktuell überwiegend genutzten Schweröl, praktisch alle sonstigen Emissionen vollständig oder in großen Teilen eliminiert werden.  

Eine der größten Aufgaben stellt der Langstreckentransport von grüner Energie aus den prädestinierten Erzeugungsregionen, beispielsweise Australien, Nordafrika und den windreichen Regionen des südlichen Südamerikas, in die Verbraucherregionen in Asien, Europa und Nordamerika dar. Für diese Aufgabe kommen wegen der verhältnismäßig hohen volumetrischen Energiedichte, des geringen Transportverlustes und der einfachen Lagerung LOHCs und Ammoniak in Frage.  

LH2 und CH2 eignen sich wegen der geringen volumetrischen Energiedichte, der hohen technischen Anforderungen und im Falle des LH2 zudem der Transport- und Lagerungsverluste, nur für lokale Anwendungen und Nischenlösungen mit besonderen Rahmenbedingungen. Individualverkehr, Luft- und Schifffahrt sowie der Energietransport sind keine sinnvollen Anwendungsgebiete für komprimierten oder kryogenen Wasserstoff.  

Pläne des LTT und der FVTR GmbH

Der Lehrstuhl für technische Thermodynamik (LTT) und die FVTR GmbH sehen in dieser Veränderung keine Gefahr für die umfassende, bestehende Expertise, sondern in erster Linie eine Chance neue Forschungsfelder zu erschließen und die Zukunft der Mobilität und Energieversorgung mitzugestalten. 

Mit dem seit Oktober 2020 im Amt befindlichen Prof. Dr.-Ing. habil. Karsten Müller hat der LTT einen absoluten Experten auf dem Gebiet der Energieträger auf Wasserstoffbasis als Lehrstuhlleiter gewinnen können. Professor Müller hat sich in seiner wissenschaftlichen Laufbahn eingehend mit dem Themengebiet befasst und ist besonders im Bereich der LOHC (liquid organic hydrogen carriers) einer der führenden Forscher in Europa. Entsprechend wird LOHC als sicherer und technisch gut handhabbarer Energieträger einen Fokus der geplanten Aktivitäten darstellen. Wie kommt die Energie von der Quelle zum Endverbraucher? Ist eine Kombination verschiedener Energieträger für verschiedenen Glieder der Lieferkette eine valide Option zur Kombination der jeweiligen Vorteile? Welcher Kraftstoff ist für den Individualverkehr und welcher für die Schifffahrt am besten geeignet? Diese und weitere Fragen wird das Team des LTT mit seinen Partnern in den kommenden Jahren intensiv bearbeiten. Aktuell werden bereits erste Untersuchungen bezüglich der thermophysikalischen Stoffdaten durchgeführt, um belastbare Grundlagen für spätere Anwendungen zu schaffen. Weitere Schritte sind in verschiedenen Planungsphasen und werden eine solide Basis zur Bearbeitung dieses Themenkomplexes bilden. 

Die FVTR GmbH arbeitet aktuell zusammen mit dem Schwesterlehrstuhl des LTT, dem Lehrstuhl für Kolbenmaschinen und Verbrennungsmotoren (LKV) an mehreren Projekten zur Nutzung von Wasserstoff und Ammoniak in motorischen Anwendungen. Zu diesem Zweck wurde bereits eine entsprechende Wasserstoffinfrastruktur installiert. Weitere Maßnahmen, wie beispielsweise die Umrüstung eines Motors auf reinen Wasserstoffbetrieb, befinden sich in der Umsetzung oder in fortgeschrittenen Planungsphasen. Die theoretischen Aspekte des Gesamtkomplexes der Kraftstoffe auf Wasserstoffbasis wurden bereits in mehreren Studien für Kunden aus Wirtschaft und Forschung ausführlich beleuchtet. Darüber hinaus gibt es sehr konkrete Absichten, einen Ammoniak-fähigen Einzylinder-Forschungsmotor aufzubauen und zu betreiben. Diese Arbeiten werden vom LKV übernommen, FVTR wird mit der Entwicklung von Auslegungstools für Ammoniakbrennverfahren zu diesem Schritt beitragen.

Fazit (Handlungsbedarf, Finanzierungsszenarien etc)

Der weltweite Ausstoß von Kohlendioxid und dabei insbesondere der von solchem aus fossilen Quellen, muss erheblich reduziert werden. Einen wichtigen Beitrag dazu können Kraftstoffe und chemische Energiespeicher auf Basis regenerativ produzierten Wasserstoffs leisten. Während die Nutzung von reinem Wasserstoff nur in Nischenbereichen relevant ist, können LOHCs und Ammoniak sowie synthetische Kraftstoff, fossile Energieträger in praktisch allen Anwendungsfällen ersetzen und zudem als chemische Speicher regenerative Energie aus Erzeugerregionen in die Hauptenergiemärkte der Welt transportieren. Während die Zukunft der Nutzung von grünem Wasserstoff und der daraus hergestellten Sekundärstoffe teilweise schon als sicheres Szenario gilt, darf der nötige Forschungsbedarf in weiten Bereichen zwischen den wissenschaftlichen Grundlagen und der industriellen Anwendung nicht unterschätzt werden. Nur durch eine zeitnahe und gezielte Förderung in diesem Feld können Deutschland und Europa bei Kraftstoffen und Energieträgern auf Wasserstoffbasis in der technologischen Spitze agieren und auf Basis der neu entwickelten Technologien, die selbst gesteckten Ziele zur CO2-Reduktion erreichen.