Wasserstoff

65 Millionen Tonnen Wasserstoff werden pro Jahr weltweit herstellt – 96 Prozent durch Dampfreformierung von Erdgas, 4 Prozent durch Wasserelektrolyse. Hintergrund: Noch ist die elektrochemische Gewinnung von Wasserstoff weniger kostengünstig als die fossile Konkurrenz und daher nur in Nischen wirtschaftlich. Geht es nach internationalen Klimaschutz-Expert*innen, wird sich das in Zukunft ändern. Sie sehen in der grünen Wasserstoffwirtschaft eine große Problemlösungskraft.

Beispiel Deutschland. Die großtechnische Herstellung von Wasserstoff mittels Elektrolyse und seine Nutzung im Energie- und Industriesystem läuten gemeinsam mit der Sektorenkopplung die dritte Phase der Energiewende ein. Für die Praxis bedeutet das: Spätestens ab 2025 müssen innovative elektrochemische Energiewandler in Deutschland anwendungs- und marktreif sein.

Wasserstoff als Energieträger

Bei diesen sogenannten Elektrolyseuren handelt es sich um kompakte Stacks von Einzelzellen, die aus einer spezifischen Kombination von Membran-, Elektroden- und Katalysator-Schichten bestehen. An den Materialverbunden laufen unterschiedliche elektrochemische Reaktionen ab. Sie wandeln elektrische Energie in Wasserstoff als Energieträger oder auch in Chemikalien wie Synthesegas für die chemische und die Kraftstoffindustrie.

Aktuell ist dieser Prozess aufgrund hoher Investitionskosten nicht wirtschaftlich. Kostentreiber sind in erster Linie teure Materialien sowie ihr aufwendiger Aufbau aus einer Vielzahl verschiedener Schichten. Um die Technologie wettbewerbsfähig zu machen, müssen zentrale Komponenten von Elektrolyseuren deutlich weiterentwickelt werden – mit Blick sowohl auf die Materialien als auch deren Struktur und Fertigung.

Neue Systeme und Materialien für die Elektrolyse

Hier setzt das Fraunhofer UMSICHT an: Wir arbeiten an der Industrialisierung der Wasserstoffelektrolyse, indem wir neue Materialien und Systeme entwickeln und herstellen – angefangen bei Katalysatoren über Elektroden bis zu Brennstoffzellen und Stacks.

Forschung und Entwicklung

- Elektro-Katalysatorentwicklung für Wasserstoff- und Co-Elektrolyse
- Katalysator-Scale-up für Downstream-Prozesse
- Bipolarplatten und -elektrodenentwicklung
- Dichtungsfreie Stackkonzepte
- Hochdruckelektrokatalyse

Dienstleistungen

- Elektrochemische Testung von Materialien und Elektroden
- Herstellung von Testelektroden/Materialverarbeitung
- Katalysatorsynthese

Unsere Stärke: Wasserstoff aus einer Hand

Das Besondere: Wir liefern grünen Wasserstoff aus einer Hand und bieten Stack-Entwicklung vom Material bis zum fertigen Produkt. Dazu gehört die Herstellung neuer, sowohl edelmetallhaltiger als auch edelmetallfreier Katalysatoren ebenso wie der Retrofit bestehender Katalysatorsysteme. Darüber hinaus entwickeln wir – maßgeschneidert auf den jeweiligen Anwendungszweck – Elektroden. Dabei setzen wir auf Thermoplast-basierte Bipolarplatten, die kosteneffizient im kontinuierlichen Rolle-zu-Rolle-Verfahren hergestellt werden. Ein weiterer Vorteil der Thermoplast-Basis: Wir sind in der Lage, Stacks zu verschweißen und dichtungsfrei zu bauen.

Bei der Implementierung sektorenübergreifender Ansätze wie Power-to-X oder Carbon Capture and Utilization (CCU) spielt Wasserstoff eine Schlüsselrolle. Die optimale Integration erfordert eine systemische Sichtweise, um modulare und adaptierbare Systemkomponenten und Technologien optimal in die vorhandenen Strukturen und Wertschöpfungsketten einzubinden.

Auf dem Weg zu einer CO₂-neutralen Industrie

Fraunhofer UMSICHT erarbeitet Lösungen mit landesweiter Bedeutung und ist an verschiedenen regionalen Initiativen wie IN4climate.NRW beteiligt. Sie will anhand von Innovationsroadmaps Wege zu einer klimaneutralen und zukunftsfähigen Grundstoffindustrie im Jahr 2050 aufzeigen – unter Erhalt von Wirtschaftlichkeit und Wettbewerbsfähigkeit. Im Projekt Carbon2Chem^® entstehen großindustrielle Verbundlösungen zur Kopplung von Stahl-, Chemie- und Energieindustrie mit dem Ziel der Defossilierung. Dezentrale systemische Lösungen auf regionaler Ebene werden aktuell im Leistungszentrum DYNAFLEX^® ermittelt: Im Gewerbegebiet Bad Langensalza arbeiten zukünftig kommunale Einrichtungen wie die Stadtwerke mit der energieintensiven Industrie zusammenarbeiten.

Unsere Stärke: Der Blick auf das gesamte System

Bei all diesen cross-industriellen Projekten ergeben sich je nach Standort und Marktbedingungen eine Vielzahl von Lösungsoptionen, die fallspezifisch geprüft, bewertet und modelliert werden. Das Fraunhofer UMSICHT bietet unterschiedliche Kompetenzen an, um standortspezifische Gesamtsystemlösungen zu identifizieren und neue Geschäftsmodelle zu erarbeiten. Zu unseren Dienstleistungen zählen:

• Berücksichtigung infrastruktureller Aspekte mit Bewertung geeigneter Transportoptionen von reinem Wasserstoff oder eines Wasserstoffträgers (Straße, Schiene, Schiff)
• wissenschaftliche Begleitung bei der Umsetzung von sektorenübergreifenden Projekten und Projektgesellschaften
• Basic Engineering für cross-industrielle Verbundsysteme
• Konzept- und Szenarienentwicklung zur Gegenüberstellung verschiedener Verbundkonfigurationen und marktseitigen Aspekten (Preise, Regularien etc.)
• Modellierung und Simulation komplexer Anlagenverbundkonfigurationen auf Basis volatiler Stoff- und Energieströme sowie Modellierung von (Gas)Transportnetzen
• multikriterielle Bewertungsansätze (Technik, Ökonomie, Ökologie und Akzeptanz)
• Digitalisierungsansätze zur Datengenerierung, -überwachung und -auswertung komplexer sektorenübergreifender Ansätze
• Betrachtung von genehmigungs- und sicherheitsrelevanten Aspekten
   

Wasserstoff erzeugen und anwenden

Zusätzlich zu den systemischen Betrachtungen bietet das Fraunhofer UMSICHT Know-how zur Entwicklung von Wasserstoffanwendungen, -erzeugung und -handling. Wir unterstützen Sie gerne bei folgenden Themen:

• Verfahrensentwicklung und Katalysatorscreening für CCU-Anwendungen (Methanol, Power-to-X-Verfahren, Hydrierung)
• biologische Methanisierung
• Wasserstoff als Substrat für biotechnologische Produktionsprozesse
• Verdichtung von Wasserstoff mittels Membranen
• Gewinnung von Wasserstoff mittels Gasreinigung von Gasströmen aus der Vergasung oder Pyrolyse von Abfällen und/oder Biomasse
• Gasreiningungsverfahren zur Teerabscheidung sowie Adsorption mittels PSA oder ESA
• chemische und physikalische Wasserstoff-Speicherung (z. B. Ameisensäure, Formiate oder Hydrate)
• Charakterisierung der Materialverträglichkeit mit Wasserstoff (im Tieftemperaturbereich) mittels DSC
• Wasseraufbereitung zur Bereitstellung von hochreinem Wasser für die Elektrolyse