Forschungsprojekt „Wasserstoff-grünes Gas für Bremerhaven“ zeigt Potenzial von Wasserstofftechnologien in der Industrie

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Bildquelle: Kai Martin Ulrich

Ergebnisse fließen in zahlreiche Anschlussprojekte

Er gilt als Grundlage für die klimafreundliche Energieversorgung der Zukunft: grüner Wasserstoff. Daher wünscht sich die Politik einen beschleunigten Aufbau der Wasserstoffwirtschaft. Aber welches Potenzial und welche Grenzen hat die Nutzung von dieser neuen Technologie in der Industrie überhaupt? Dies haben Forschende der Hochschule Bremerhaven und des Technologietransferzentrums Bremerhaven (ttz) im EFRE-geförderten Projekt „Wasserstoff – grünes Gas für Bremerhaven“ zwei Jahre lang untersucht. Ihre Ergebnisse liefern nicht nur Grundlagen für zahlreiche Anschlussprojekte, sondern auch konkrete Empfehlungen für Unternehmen.

Erforscht wurde der Einsatz von Wasserstofftechnologien in der Energieversorgung, als alternativer Antrieb in der Mobilität und Logistik, z.B. für Gabelstapler, und im Bereich der E-Fuels. Außerdem wurde ein Wasserstoffbackofen entwickelt und in Betrieb genommen. Trotz pandemiebedingter Lieferengpässe sind die Forschenden zufrieden mit dem Projektverlauf und ihren Ergebnissen. „Das Hauptziel war, Wasserstofftechnologie in der Produktion, Speicherung und Anwendung bis zur Markteinführung und Wirtschaftlichkeit zu entwickeln, um so die Energiewende voranzutreiben“, sagt Gesamtprojektleiter Prof. Dr. Carsten Fichter von der Hochschule Bremerhaven. Unternehmen sollte so aufgezeigt werden, dass Wasserstofftechnologien ausfallsicher betrieben werden und eine Alternative zu herkömmlicher Technik darstellen können. Dies war in allen Teilstudien der Fall. Dennoch zeigte sich im Projektverlauf, dass es weiterer Entwicklungen bedarf und die Infrastruktur ausgebaut werden müsste, um vollständig auf diese Form der Energieversorgung umstellen zu können.

Dass zum Erreichen der Klimaschutzziele die CO2-Emissionen reduziert werden müssen, hat die Wirtschaft längst erkannt. Damit Betriebe künftig verstärkt auf Wasserstoffsysteme zurückzugreifen, müssen diese jedoch nicht nur technisch ausgereift, sondern auch wirtschaftlich sein. „Der Nutzung und Anwendung des Energieträgers Wasserstoff stehen die Unternehmen zwar insgesamt aufgeschlossen und interessiert, aber gleichzeitig auch noch zögernd gegenüber, wenn es um diesbezügliche Investitionen geht“, weiß Prof. Fichter. Wie die Forschungsergebnisse zeigen, ist die neue Technologie derzeit deutlich teurer. „Um Wasserstofftechnologie auch finanziell interessant zu machen, sollten neue technologische Entwicklungen in kleinen Schritten und in laufende Prozesse übernommen werden.“

Ob sich ein ganzes Industriegebiet künftig ausschließlich mit erneuerbaren Energien betreiben lässt, hat die Hochschule Bremerhaven in der Teilstudie „Microgrids – autarke Einheiten“ untersucht. Die Forschenden haben dafür einen Container zu einer Versuchsanlage umgebaut und darin mithilfe von Solar- und Windenergie grünen Wasserstoff produziert. Dieser wurde als Speichermedium genutzt, um schwankende Stromeinspeisungen auszugleichen. Zusätzlich wurde ein Batteriespeicher eingebaut, um die beiden Systeme miteinander zu vergleichen. „Ökologisch ist das Wasserstoffsystem über den gesamten Lebenszyklus vorteilhafter im Vergleich zum Batteriespeicher. Auch lässt sich die Speicherkapazität bei Wasserstoffsystemen einfacher erweitern. Allerdings sind Batteriesysteme wesentlich ausgereifter und bei kleineren Speichern kostengünstiger als das Wasserstoffsystem“, so Prof. Fichter. Ob sich für große Industriebetriebe und Quartiere eine Umrüstung auf Wasserstoff finanziell lohnt, wird derzeit im Projekt „IWAS – Lune Delta“ untersucht.

Ein weiterer wichtiger Aspekt auf dem Weg zu einer klimaschonenden Wirtschaft ist der Transportverkehr. Die Teilstudie „Wasserstoff in Logistik und Mobilität“ hat den Stand der Technologie im Mobilitätssektor recherchiert und sich schließlich mit der Umrüstung von Gabelstaplern beschäftigt. Diese haben zwar häufig einen Batteriespeicher, jedoch sinkt die Leistung mit abnehmendem Ladezustand. Auch sind die Ladezeiten häufig sehr lang. Hier hat Wasserstoff den Vorteil, dass er gasförmig in kurzer Zeit getankt werden kann. Durch den Einsatz von grünem Wasserstoff werden außerdem CO2 Emissionen vermieden. „Zwar ist der CO2-Ausstoß der einzelnen Fahrzeuge nicht hoch, in der Summe macht er sich dennoch bemerkbar“, so Prof. Fichter. Im Praxistest konnten die Gabelstapler mit Brennstoffzellentechnik grundsätzlich überzeugen. „Die Akzeptanz ist für den Einsatz in den Betrieben wichtig. Die Rückmeldung der Mitarbeitenden war sehr positiv. Der Wasserstoffstapler konnte die gewünschte Arbeitsleistung zeigen und war den eingesetzten Batteriestaplern ebenbürtig. Auch die mögliche Einsatzzeit war ausreichend für die tägliche Arbeitszeit der Fahrer:innen“, so Prof. Fichter. Nur die Betankung mit einem mobilen System war eine Herausforderung. „Hier müsste eine Lösung für den Dauereinsatz gefunden werden, die individuell an den jeweiligen Betrieb angepasst werden muss.“

Neben der Brennstoffzellentechnik sind auch E-Fuels eine Möglichkeit, Fahrzeuge klimaschonend anzutreiben. Diese, mithilfe von Strom hergestellten, grünen Energieträger können beispielsweise in Verbrennungsmotoren eingesetzt werden. In einem speziellen Verfahren, der sogenannten Methanisierung, wird aus Wasserstoff und Kohlenstoffdioxid synthetisches Erdgas (SNG) hergestellt. Dafür wurde in Bremerhaven eine Versuchsanlage entwickelt und aufgebaut. Das SNG kann z.B. im Gasnetz direkt zugemischt werden oder, wie oben beschrieben, in Fahrzeugen eingesetzt werden. Im dem Projekt lag der Fokus unter anderem auf dem Bau einer kleineren Versuchsanlage, der Wahl eines passenden Katalysatorensystems für die Methanisierung sowie der Variation der Zusammensetzung der Ausgangsgase Wasserstoff und Kohlenstoffdioxid, um beispielsweise möglichst hohe Ausbeuten zu realisieren. „Die Anlage konnte erfolgreich gebaut und die Tests erfolgreich durchgeführt werden. Diese dienen als Grundlage für etliche aufbauende und bereits laufende Forschungsarbeiten“, so Prof. Fichter.

Um zu untersuchen, ob Wasserstoff auch in der Lebensmittelproduktion als Alternative zu konventionellen Energieträgern genutzt werden kann, wurde in einer weiteren Teilstudie ein Wasserstoffofen am Beispiel der Backwarenindustrie entwickelt und erprobt. Die Hauptaufgabe bestand darin eine Brennkammer und ein Luftführungssystem zu entwickeln, welche die relevanten Temperatur- und Feuchtigkeitsprofile für die Herstellung von Backwaren optimal übertragen. Außerdem wurde ein umfangreiches Sicherheitskonzept erstellt und durch eine zertifizierte Stelle abgenommen. „Die Ergebnisse zeigen, dass sich Backwaren mit gleichbleibender Produktqualität herstellen lassen. Wasserstoff kann also grundsätzlich als Energieträger für industrielle Backöfen eingesetzt werden. Es gibt aber noch Optimierungsbedarf bei den Wärmeverlusten. Dies ist die Grundlage für weiterführende Projekte“, so Prof. Fichter.

Damit insbesondere die Bürgerinnen und Bürger stärker in den Prozess der Entwicklung und des Verständnisses zur Umsetzung der neuen Technologie einbezogen werden, präsentierte sich das Projekt „Wasserstoff-grünes Gas für Bremerhaven“ im Rahmen der jährlich stattfindenden und von der Bremerhavener Gesellschaft für Investitionsförderung und Stadtentwicklung mbH (BIS) organisierten „Wasserstoffwoche Nord“. „Eine Transformation des Energiesystems kann nicht ohne die einhergehende, gesellschaftliche Transformation gelingen. Die Befürwortung vonseiten der Bevölkerung stellt hierbei eine unabdingbare Voraussetzung dar“, so Prof. Fichter.

Das zweijährige Projekt „Wasserstoff – grünes Gas für Bremerhaven“ wurde vom Land Bremen sowie aus Mitteln des Europäischen Fonds für regionale Entwicklung (EFRE) mit rund 20 Millionen Euro gefördert.

Der vollständige Abschlussbericht ist unter https://www.hs-bremerhaven.de/de/forschung/projekte/gruenes-gas-fuer-bremerhaven zu finden.

Mit Begeisterung studieren, lehren und forschen – dafür steht die Hochschule Bremerhaven. In mehr als 20 praxisnahen und innovativen Studiengängen profitieren die rund 3.000 Studierenden von der engen Zusammenarbeit mit der regionalen Wirtschaft und modernen Lehr- und Lernansätzen. Die zahlreichen Forschungsaktivitäten der „Hochschule am Meer“ wurden bereits vielfach ausgezeichnet und unterstützen nachhaltige Entwicklungen in der Region und darüber hinaus.

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