Grüner Strom

Schlüsseltechnologie Wasserstoff: Im Verbund zur Energiewende

Der Energiepark im sachsen-anhaltischen Zerbst plant die Produktion von grünem Strom mithilfe von Erneuerbaren Energien und Elektrolyse.

Ein Leuchtturmprojekt der Energiewende steht im sachsen-anhaltischen Zerbst. Hier hat das Energiedienstleistungsunternehmen GETEC mit Partnern aus Wirtschaft und Wissenschaft einen grünen Energiepark zur Erzeugung von Strom aus Sonne, Wind und Biomasse errichtet. Jetzt werden eine Elektrolyseanlage und zugehörige Logistik zur Produktion und Verteilung von 100 Prozent grünem Wasserstoff für die regionale Nutzung gebaut.

Die Ausbeute an Sonnenenergie ist an diesem Tag nicht so optimal; dafür aber drehen sich die Windräder unter kräftigem Antrieb. Chris Döhring schlägt den Jackenkragen hoch und zeigt mit einer ausholenden Armbewegung auf das, was Anfang der 2000er Jahre seine Vision war und heute ein Leuchtturmprojekt der Energiewende ist: der Energiepark Zerbst. Grün überwachsene Flugzeughallen sind erhalten geblieben aus der Zeit ab 1936, als das Areal Flugplatz der Deutschen Luftwaffe war. Nach 1945 wurde es von der Roten Armee genutzt und nach der Wende vom Bund übernommen. Die 1993 gegründete GETEC Gruppe kaufte 2003 einen Großteil des Flugplatzes nahe der anhaltischen Stadt. Zu den Geschäftsfeldern des mittlerweile europaweit agierenden Energiedienstleistungsunternehmens aus Magdeburg gehört unter anderem die Entwicklung „grüner“ Nutzungskonzepte für schadstoffbelastete Areale wie dieses.

Chris Döhring (52), Diplomingenieur mit den Kompetenzgebieten Energie- und Umwelttechnik, war 2004 bei der GETEC eingestiegen und sah damals schon Windräder am Stadtrand von Zerbst stehen. Doch starker Gegenwind kam auf mit Protesten, deren Slogans von „Verbauung der Landschaft“ bis „Verbauung der Zukunft“ reichten.

Die GETEC gehört zu den Pionieren, die drangeblieben sind an ihren Visionen und jetzt, wo alle Zeichen auf Energiewende stehen, Vorreiter sind auf dem Feld der erneuerbaren Energien. „Wir entwickeln für Kommunen, Unternehmen, Landwirte und Investoren Projekte zur regenerativen Energieversorgung, die den lokalen Bedingungen vor Ort angepasst sind“, sagt Chris Döhring, mittlerweile Geschäftsführer der GETEC green energy GmbH.  

Übergreifendes Zukunftsprojekt integriert Natur- und Umweltschutz

Der „Mitteldeutsche Energieverbund Zukunft“ ist ein von der GETEC green energy initiiertes übergreifendes Projekt, das eine nachhaltige Energieerzeugung aus Sonne, Wind, Biomasse, Erdwärme, Wasserkraft und Wasserstoff durch den Einsatz neuester Schlüsseltechnologien verfolgt. Die Energieparks „Zerbst“, „Börde“, „Profen“ und „Amsdorf“ versammeln sich unter diesem Dach.

Was den Energiepark in Zerbst betrifft, sind dort Sonne, Wind und Biomasse in nennenswerter Größenordnung vorhanden: Photovoltaikanlagen soweit das Auge reicht - 194256 Solarmodule auf 108 Hektar. Dahinter ragen 14 Windräder bis zu 200 Meter hoch in den Himmel. Mittendrin befindet sich eine Biogasanlage mit Biomethaneinspeisung. Landwirte aus der Region bringen Hühnermist, Mais und Grünschnitt hierher.

„Grün“ als Symbolfarbe für Natur- und Umweltschutz hat im Energiepark Zerbst exakt diese Bedeutung. Vor der Anlage weidet eine Herde Galloways. Streuobstwiesen sind hier angelegt, und Imker stellen ihre Bienenwagen unter die Akazien. Auf einem Teil des Areals wird der „Park“ im Sinne einer öffentlichen Begegnungsstätte für Freizeit und Sport genutzt. In einer historischen Flugzeughalle werden Gottesdienste gefeiert.

Schwankungsfrei durch mobile Speicher

Bald schon soll hier mittendrin eine Anlage zur Erzeugung von 100 Prozent grünem Wasserstoff für die regionale Nutzung gebaut werden. Die GETEC green energy ist Planer und Kooperationspartner. Chris Döhring führt gern interessierte Besucher an den „noch“ von Wildwuchs eroberten Platz – damit das „Nachher“ eines Tages besonders beeindruckt. Voraussichtlich Ende 2022 soll die Elektrolyse in Produktion gehen. Betreiber der Anlage wird die Bio-Masse-Hof Zerbst GmbH sein, weitere Partner des Projektes sind die Stadt Zerbst, der BioPharmaPark Dessau-Rosslau, die Erdgas Mittelsachsen GmbH EMS, sowie die Deutsche Hydrierwerke GmbH DHW in Rodleben. Das Hydrierwerk, sagt Chris Döhring, werde erster Abnehmer des grünen Wasserstoffs aus Sachsen-Anhalt sein. Der Produzent u.a. von Fettalkoholen, Fettaminen oder Sorbitolen setzt zur Herstellung seiner Produkte energieintensive Verfahren ein und nutzt derzeit den so genannten grauen Wasserstoff aus fossilen Energieträgern.

Die Elektrolyseanlage im Energieparkt Zerbst wird künftig zu 100 Prozent von Strom aus Windkraft betrieben. In diesem Zusammenhang werden sieben neue Windräder auf benachbarten Flächen gebaut, die bisher wegen ihrer Schadstoffbelastung nur als Rieselfelder zur Reinigung von Abwasser genutzt wurden.

Neben der Elektrolyse-Anlage muss auch eine Gas-Logistik errichtet werden. Dazu gehören Kompressoren, die den Wasserstoff auf die entsprechenden Druckstufen komprimieren, und ein mobiler Wasserstoffspeicher, der zur Glättung von Schwankungen bei der regenerativen Windstromerzeugung dient. Dieses Kleinverteilsystem wird vom Fraunhofer-Institut für Fabrikbetrieb und -automatisierung IFF Magdeburg entwickelt. Das IFF begleitet die Erweiterung des Energieparks Zerbst als wissenschaftlicher Partner.

Modellregion attraktiv für zahlreiche Unternehmen

Der Energiepark Zerbst, so Chris Döhring, werde bundesweit eine Vorreiterrolle einnehmen, was die Versorgungsvielfalt an erneuerbaren Energien betrifft. Denn im Park sind eine Betankungsanlage für transportable Wasserstoff-Behälter zur Versorgung regionaler Abnehmer geplant wie auch eine öffentliche Tankstelle für Wasserstoff-Brennstoffzellen-Fahrzeuge.

Darüber hinaus wird der Energiepark an das vorhandene Wasserstoffnetz angebunden, das in 20 Kilometern Entfernung als Mitteldeutsche Wasserstofftrasse mit Anschlüssen an große Chemie- und Industrieparks in Bitterfeld-Wolfen, Leuna, Schkopau, Böhlen-Lippendorf und Zeitz verläuft.

Das vielfältige Angebot an erneuerbaren Energien werde Unternehmensgründungen und Neuansiedlungen forcieren, ist Döhrings Prognose. Synergieeffekte seien bereits jetzt spürbar. „Es gibt zahlreiche Unternehmen, die sich wegen des Kohleausstiegs nach neuen Geschäftsfeldern umsehen und dabei eine CO2-freie Wasserstoff-Modellregion attraktiv finden.“

Jetzt bläst der Wind doch noch ein großes Sonnenloch frei. „Es hat eine Weile gebraucht ...“, sagt Chris Döhring und meint damit auch die Umsetzung seiner Visionen durch die Änderung der gesellschaftlichen und politischen Rahmenbedingungen Seinen unternehmerischen Blick richtet Döhring nun in die Braunkohleregion um Profen. Wo der Bergbau zu Ende geht, soll nach seinem Willen bald die Produktion von grünem Wasserstoff beginnen.

Autorin: Kathrain Graubaum/IMG Sachsen-Anhalt

Weltgrößter Wasserstoff-Verflüssiger

Linde setzt auf grünen, flüssigen Wasserstoff  

In Leuna entsteht die größte PEM-Elektrolyse-Anlage der Welt

Das Gase- und Engineeringunternehmen Linde verdoppelt seine Wasserstoff-Verflüssigungskapazität im Chemiepark Leuna im südlichen Sachsen-Anhalt. Die neue Verflüssigungsanlage, die im kommenden Jahr in Betrieb gehen soll, fügt sich nahtlos in die Wasserstoffstrategie des Landes ein.

Sachsen-Anhalt richtet den Blick nach vorn. Mit dem Wandel zu einer Wasserstoff-Modellregion will man dort dem Kohleausstieg begegnen. „Für Sachsen-Anhalt besteht damit im Hinblick auf weitere Unternehmensansiedlungen sowie die Schaffung hochwertiger Arbeitsplätze entlang der Wasserstoff-Wertschöpfungskette erhebliches Potenzial“, sagt Wirtschaftsminister Armin Willingmann und unterstreicht damit die Bedeutung des Neubaus einer zweiten Wasserstoff-Verflüssigungsanlage durch Linde im Chemiepark Leuna.

Linde ist gegenwärtig einer der größten Wasserstofferzeuger der Welt. Dementsprechend ambitioniert ist sein Vorhaben: Die seit 2007 bestehende Verflüssigungsanlage wird zurzeit durch einen gleich großen Neubau vergrößert; 230 Kilogramm flüssigen Wasserstoff pro Stunde können beide Anlagen produzieren. Als Ergänzung des bestehenden, erdgasbasierten Dampfreformers errichtet Linde vor Ort außerdem eine moderne PEM (Proton Exchange Membrane)-Elektrolyseanlage. Der neue Elektrolyseur  wird mit 24 Megawatt Leistung zum Zeitpunkt der Fertigstellung der weltweit größte sein, der diese spezielle Technologie zur Spaltung von Wasser in Sauerstoff und Wasserstoff verwendet

Zunächst im Testbetrieb, ab Herbst dann kontinuierlich wird die neue Anlage laufen, in der Wasserstoff bei einer Temperatur von minus 253 Grad Celsius verflüssigt und anschließend an speziellen Füllständen in Lkw verladen wird. Ende 2022 will das Unternehmen auf 3.200 Tonnen Wasserstoff pro Jahr kommen, bei voller Kapazität sind 4.200 Tonnen möglich. „Der Verflüssiger reduziert die Transportkosten, da ein Tankwagen zehn Mal so viel flüssigen Wasserstoff transportieren kann wie gasförmigen. Der Kunde reduziert seine Treibhausgas-Emissionen, ohne in seine eigenen Anlagen eingreifen zu müssen“, so Andreas Dietrich, zuständiger On-Site Accountmanager bei Linde. Zudem sorge die Verflüssigung für eine höhere Produktreinheit, die vor allem in der Herstellung von Elektronikkomponenten benötigt werde.

Kernelement der Energiewende

Rund 60 Millionen Euro lässt sich das Unternehmen den Neubau insgesamt kosten, unterstützt wird es dabei im Rahmen der Gemeinschaftsaufgabe „Verbesserung der regionalen Wirtschaftsstruktur“ vom Land Sachsen-Anhalt sowie vom Bund mit 15 Millionen Euro. Linde begründet sein Engagement mit der gestiegenen Nachfrage nach grünem Wasserstoff. Dieser ist unter anderem Teil der Nationalen Wasserstoffstrategie, die ihn als Kernelement der Energiewende einordnet. Für den Neubau hätten außerdem, neben dem bereits vorhandenen Linde-Produktionsportfolio von Industriegasen, das gut ausgebaute Rohrleitungsnetz und die hervorragende Infrastrukturanbindung gesprochen. Zudem wird zur Vorkühlung flüssiger Stickstoff benötigt, der günstig am Standort produziert wird.

Zunächst nutzt Linde zur Herstellung des Wasserstoffs zertifizierten Ökostrom, später soll ausschließlich erneuerbare Energie aus der Region zum Einsatz kommen. „Zur Versorgung mit nachhaltig erzeugtem Strom ab 2022 werden in der unmittelbaren Umgebung des Industriestandortes zurzeit geeignete Flächen für die Errichtung neuer Solar- oder Windkraftkapazitäten untersucht“, erklärt Dietrich.

Sachsen-Anhalt hat aufgrund der bereits bestehenden Energieinfrastruktur aus Leitungsnetz, Kavernenspeichern und Anlagen zur Erzeugung erneuerbarer Energien hervorragende Voraussetzungen, sich zu einer zukunftsweisenden CO₂-freien Wasserstoff-Modellregion zu entwickeln, in der die Herstellung, Verteilung, Speicherung und Nutzung von grünem Wasserstoff zeitnah und vor Ort umgesetzt werden kann. Synergien ergeben sich da fast schon von allein: Linde zum Beispiel kooperiert mit HYPOS, dem deutschlandweiten Wasserstoffnetzwerk am Fraunhofer IMWS in Halle (Saale). Außerdem prüft Linde in enger Abstimmung mit den zuständigen Landesministerien in Sachsen-Anhalt und Sachsen und Firmen der Region die Erweiterung des Wasserstoffnetzes um den Chemiepark, speziell in Richtung Leipzig Nord und den Kavernen in Bad Lauchstädt.

8-Punkte-Plan

Linde fügt sich mit seinem Engagement hervorragend ein in die neue Wasserstoffstrategie des Landes Sachsen-Anhalt, die vor wenigen Tagen verabschiedet wurde, um ein Leitbild für eine grüne Wasserstoffwirtschaft im Industrie- und Energieland Sachsen-Anhalt aufzustellen. Für die kommenden Jahre hat sich die Landesregierung auf einen 8-Punkteplan verständigt. Darin werden Maßnahmen aufgezeigt, die prioritär durch das Land angegangen werden. Für die Zeiträume bis 2030 sowie bis 2040 sind Ziele für die Wasserstoffwirtschaft formuliert. Die Strategie ist in enger Zusammenarbeit des Ministeriums für Umwelt, Landwirtschaft und Energie, des Ministeriums für Wirtschaft, Wissenschaft und Digitalisierung sowie des Ministeriums für Landesentwicklung und Verkehr entstanden.

Autorin: Anja Falgowski/IMG Sachsen-Anhalt

Elektrolyseplattform

Elektrolysetest- und -versuchsplattform ELP und Skalierungsplattform Hy2Chem in Leuna

Mit einer einzigartigen Forschungseinheit, der Fraunhofer Elektrolysetest- und -versuchsplattform ELP, werden zukünftig innovative Technologien zur Erzeugung von regenerativem Wasserstoff im Großmaßstab mit einer exzellenten Infrastruktur an Gaspipelines und Gasspeichern am Chemiestandort Leuna zusammengeführt. Die Entwicklung und Skalierung von neuen Elektrolysesystemen und der chemischen Nutzung des mit regenerativer Energie erzeugten »grünen« Wasserstoffs wird dabei gemeinsam vom Fraunhofer-Zentrum für Chemisch-Biotechnologische Prozesse CBP in Leuna und dem Fraunhofer-Institut für Fraunhofer-Institut für Windenergiesysteme IWES in Halle (Saale) (vormals als Thema angegliedert im Fraunhofer IMWS) vorangetrieben.

Bakterien in der Wasserstofffabrik der Zukunft

Die MicroPro GmbH in Gommern forscht an regenerativer Wasserstofferzeugung aus Biomasse

Die Vision vom Wasserstoff als Energieträger ist über 100 Jahre alt. Effizient und kostensparend umzusetzen sei die Idee allerdings erst jetzt mit der Entwicklung entsprechender Technologien, sagt Mikrobiologe Martin Wagner. Sein Biotechnologieunternehmen MicroPro in Gommern bei Magdeburg hat ein Verfahren entwickelt, das bei der Vergärung von Biomasse Wasserstoff erzeugt.

„Die Neugier steht immer an erster Stelle eines Problems, das gelöst werden will.“ Martin Wagner hat  dieses Zitat von Galileo Galilei als Maxime über sein Berufsleben gestellt. „Ich bin in erster Linie neugierig, ohne gleich zu kalkulieren, was eine Idee wirtschaftlich bringt“, sagt der Geschäftsführer der MicroPro GmbH in Gommern. Was nicht heißen soll, dass er seine Firma aus purem Forscherdrang in schwierige Fahrwasser bringt. Im Gegenteil: MicroPro zählt zu den kleinen und dennoch innovativsten, kreativsten Biotechnologieunternehmen in Sachsen-Anhalt. Gegründet wurde esauf der Basis hoher fachlicher Kompetenz. Zur DDR-Zeit gehörte das mikrobiologische Labor zum Forschungsinstitut für die Erkundung und Förderung von Erdöl und Erdgas und somit zum Erdöl- und Erdgas-Kombinat, das in Gommern seinen Stammsitz hatte. Der Nachfolgebetrieb ab 1990 war die Erdöl-Erdgas Gommern GmbH. Die langjährigen Erfahrungen auf den speziellen Gebieten der Geomikrobiologie,der technischen Mikrobiologie und die internationalen Kontakte waren für die Eltern Dr. Manfred und Dorothea Wagner ein gutes Startkapital, als sie 1996 den mikrobiologischen Arbeitsbereich als MicroPro GmbH ausgründeten. Martin Wagner studierte zu jener Zeit in Greifswald Mikrobiologie und arbeitete auf diesem Gebiet an seiner Dissertation. Obwohl – oder gerade weil er als Kind und Jugendlicher vom spannenden „Leben der Mikroben in terrestrischen Räumen“ nicht aus eigener Anschauung, sondern nur aus Erzählungen seines Vater erfuhr. Streng geheim war die Arbeit im Kombinat, das für die geologische Erkundung von Erdöl- und Erdgaslagerstätten im gesamten DDR-Gebiet und in Osteuropa zuständig war.

Neue Forschungsfelder erschließen

„Die Neugier steht immer an erster Stelle ...“ Neben der Beibehaltung umfangreicher Serviceleistungen was mikrobiologische Untersuchungen betrifft, wollte sich Wagner Junior neue, eigene Forschungsfelder erschließen, als er 1997 in die MicroPro eintrat. Zu jener Zeit waren das beispielsweise  kontaminierte Böden. „Wir haben dafür im Labor unter anderem an Bakterien geforscht, die Kohlenwasserstoff abbauen“, sagt Wagner. Wegen dieser Erfahrungen ist sein Labor  heutzutage im HYPOS-Netzwerk (Hydrogen Power Storage & Solutions East Germany) ein gefragter Partner, wenn es um bakterielle Prozesse etwa in den unterirdischen Wasserstoffspeichern geht. Martin Wagner schlägt die gedankliche Verbindung zu solchen Bakterien, die Wasserstoff produzieren. In einem Forschungsprojekt zu Nutzungsmöglichkeiten von Holz als nachwachsendem Rohstoff war aufgefallen, dass unter bestimmten Bedingungen während des Gärungsprozesses Wasserstoff in großen Mengen frei wird. – Das ist 20 Jahre her. „Ob Forschungsprojekte bis zu einem wirtschaftlichen Gewinn führen, ist immer ein Risiko, das ich aber oft bereit bin einzugehen“, sagt der MicroPro-Geschäftsführer. Denn: Jeder Erkenntnisgewinn addiere sich immer auf die Habenseite .

Im erwähnten Fall war das so. Sein Laborteam hatte die Wasserstoff-produzierenden Bakterien gedanklich nie ganz beiseitegeschoben – bis das von Galilei besagte Problem gelöst werden wollte: Nach dem Reaktorunfall in Fukushima 2011 beschloss Deutschland den Atomausstieg und forcierte die Energiewende. Mit dem Klimaprogramm der Bundesregierung, bis 2030 den Ausstoß von Treibhausgasen um 55 Prozent gegenüber 1990 zu verringern, rückte  der Wasserstoff als Energielieferant der Zukunft wieder in den Fokus. „Die Idee ist über 100 Jahre alt“, sagt der Mikrobiologe. Jetzt käme es auf umweltschonende und kostensparende Technologien zur Herstellung von Wasserstoff an. „Warum das nicht von Bakterien machen lassen? Die arbeiten sogar kostenlos!“

HyPerFerment-Projekt

Vor einem Jahr hat die MicroPro GmbH – unterstützt vom Europäischen Fonds für regionale Entwicklung (EFRE) – intensive Forschungen wieder aufgenommen und die Experten vom Fraunhofer Institut für Fabrikbetrieb und -automatisierung IFF Magdeburg als wissenschaftliche Begleiter mit in das HyPerFerment-Projekt geholt. Das IFF sieht in dem HyPerFerment-Verfahren zur kontinuierlichen Produktion von grünem Wasserstoff einen wichtigen Baustein für die Wasserstofffabrik der Zukunft. Was den Anlagenbau betrifft, ist der Streicher Anlagenbau GmbH & Co.KG aus Gommern ein kompetenter Partner. Das Unternehmen plant und baut innovative Anlagen für Gastechnik, Tankbau, Raffinerietechnik, Biogaseinspeisung sowie Versorgungstechnik.

Mittlerweile wurde das neue Fermentationsverfahren im Technikumsmaßstab erfolgreich getestet. In einem speziellen Gärungsverfahren entsteht als Stoffwechselprodukt der dafür eingesetzten Organismen ein Gasgemisch aus Wasserstoff und Kohlendioxid. „Unnötige Energieverluste durch zusätzliche Umwandlungsschritte wie Elektrolyse treten unter Verwendung von Bakterien nicht auf“, erklärt Martin Wagner und dass nach Abtrennung von Kohlendioxid aus einer Tonne organischer Reststoffe acht bis 15 Kilogramm reiner Wasserstoff gewonnen werden. Eine Anlage mit einem Volumen von 1500 Kubikmetern könnte eine Wasserstoffmenge für den Betrieb von zirka 1400 Brennstoffzellen-Fahrzeugen produzieren.

Selbstversorger des eigenen Fuhrparks

Das weist auf eine Anwendungsmöglichkeit in der Praxis hin: Das HyPerFerment-Verfahren wird als Vorstufe in Biogasanlagen integriert. Maissilage etwa könne genutzt werden, ohne dass die nachfolgende Biogasproduktion negativ beeinflusst werde. Im Gegenteil: Bisherige Messdaten zeigen, dass die Substrate im Anschluss noch besser aufgeschlossen werden und sich die Methanproduktion erhöhe, sagt Martin Wagner. Demnächst wird eine Pilotanlage errichtet, die im Herbst des kommenden Jahres in Betrieb gehen soll. „Auch was Biogasanlagen betrifft, haben wir in Sachsen-Anhalt innovative und risikobereite Betreiber, die in gute Ideen investieren“, betont Martin Wagner.

Eine weitere Anwendungsvariante des neuen Fermentationsverfahrens sei dessen Einsatz bei organischen Produktionsabfällen. Wagner denkt da an Kaffee, Apfelreste, Kleie oder das aufbereitete Molke-Restprodukt Melasse. „Ein Landwirtschaftsbetrieb könnte auf diese Weise Selbstversorger seines eigenen Fuhrparks sein“, ist eine Vision des MicroPro-Chefs. Eines weiß er sicher: „Der durch Gärung erzeugte Biowasserstoff wird bei der dezentralen Produktion dieses Energieträgers eine bedeutende Rolle spielen.“

Autorin: Kathrain Graubaum/IMG Sachsen-Anhalt

Elektrolyse: Bessere Elektroden

Ein kleiner Schritt im Labor, ein großer auf dem Weg zur Wasserstoff-Modellregion

Chemiker der Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg in Sachsen-Anhalt haben entdeckt, wie sich Elektroden zukünftig mittels eines neuartigen Prozesses verbessern lassen. Damit könnten die Materialien auch den schwankenden Bedingungen standhalten, die die Nutzung Erneuerbarer Energien mit sich bringt und so die Produktion von grünem Wasserstoff vereinfachen.

Sachsen-Anhalt, so das erklärte Ziel, will zu einer Modellregion für Wasserstoff  werden. Einen zunächst kleinen, aber mit Potential zum großen Schritt in diese Richtung sind jetzt Chemiker der Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg gegangen. Ihnen gelang es durch einen neuartigen Prozess, Materialien für Elektroden so zu behandeln, dass sie zukünftig den Anforderungen unter dynamischen Bedingungen - Stromzufuhr aus erneuerbaren Energien - gewachsen sind.

Weiterentwicklung der Materialien

Die alkalische Wasserelektrolyse, die es zur Produktion von Wasserstoff braucht, wird seit Jahrzehnten industriell angewandt. „Das funktioniert sehr gut unter konstanten Bedingungen“, erklärt Prof. Dr. Michael Bron vom Institut für Chemie an der Universität. „Die derzeitigen Systeme sind aber nicht geeignet für die Schwankungen, die es durch die Verwendung Erneuerbarer Energien gibt.“ Der zyklisch unterschiedlich zur Verfügung stehende Strom aus Sonne und Wind würde die Haltbarkeit der verwendeten Materialien verkürzen, sie würden schnell an Aktivität verlieren. „Wir haben das Material so weiterentwickelt, dass es in der Elektrolyse diesen Bedingungen standhält.“

Zwar gibt es hoch aktive Katalysatoren wie Iridium oder Platin, die mit schwankender Energiezufuhr besser zurechtkommen. Die aber sind teuer. Nickelhydroxid ist die preiswertere Alternative. Normalerweise wird, um die Stabilität zu erhöhen, das Material auf etwa 300 Grad Celsius erwärmt und dadurch zum Teil in Nickeloxid umgewandelt. Noch höhere Temperaturen aber zerstören das Hydroxid komplett, es kommt zu Schäden.

Die Chemiker um Prof. Bron  sind einen Schritt weitergegangen. Sie haben das Material im Labor sogar auf bis zu 1000 Grad Celsius erhitzt und beobachteten die Veränderungen per Elektronenmikroskop. Zunächst geschah das Erwartete: Die Partikel wandelten sich in Nickeloxid um und vergrößerten ihre Struktur. In diesem Zustand wären sie eigentlich für die Elektrolyse unbrauchbar, da bislang kleinere Strukturen als die aktiveren galten. Dann aber zeigte sich, dass die Partikel auch nach der starken Erhitzung eine gleichmäßig hohe Aktivität aufwiesen. Offenbar tritt dieser Effekt erst bei sehr hohen Temperaturen so deutlich auf, Ursache sind nach Erkenntnis der Wissenschaftler aktive Oxid-Defekte an den Partikeln.

Wirkungsgrad steigt

Der Effekt, den die Wissenschaftler um Prof. Bron entdeckt haben, zeigte sich auch nach 6000 Zyklen noch – die erhitzten Partikel generierten immer noch 50 Prozent mehr Strom als die unbehandelten Partikel. „Der Wirkungsgrad steigt also, und die Stabilität des Materials ist viel besser“, konstatiert Michael Bron. Die derart behandelten Elektroden sind damit also wie geschaffen für die Großindustrielle Anwendung bei der Produktion von grünem Wasserstoff.

Der dafür erforderliche Hochtemperaturschritt muss freilich von der Elektrolysesysteme herstellenden Industrie erst gegangen werden; an der Universität ist er nur in kleinem Maßstab realisierbar. Nun müssten die Forschungs- und Entwicklungsabteilungen in den Firmen – Start ups oder Fraunhofer-Institute – aktiv werden, so Prof. Bron. „Elektrolyseure sind etablierte Systeme; vermutlich ist nur noch wenig Forschung nötig, weil die Materialien bekannt sind.“ In einem Jahr schon könnten nach Einschätzung des Wissenschaftlers die Prozesse in großem Maßstab realisiert werden.

Ziel rückt näher

Damit könnte sich Sachsen-Anhalt seinem Ziel der Modellregion für Wasserstoff ein ganzes Stück nähern. Es gibt bereits viele weitere Entwicklungsprojekte. Sachsen-Anhalt setzt auf die Kraft dieses umweltfreundlichen Energieträgers: In der „Energieregion Staßfurt“ wird ein innovatives Konzept für die Energiewende auf Stadtebene erprobt, in Magdeburg wird die „Wasserstofffabrik der Zukunft“ entwickelt und in der Region Anhalt entwickelt das Bahntechnologie-Bündnis TRAINS einen Grünen Triebwagen. Außerdem sollen im „Energiepark Bad Lauchstädt“ Salzkavernen als großvolumige Speicher für Wasserstoff genutzt werden. Auch das große Potenzial als Energieträger und -speicher sowie als nachhaltiger Rohstoff für die chemische Industrie soll erschlossen werden. Mit mehr als acht Millionen Euro aus EU- und Landesmitteln fördert Sachsen-Anhalt beispielsweise den Aufbau zweier einzigartiger Pilotanlagen des Fraunhofer-Zentrums für Chemisch-Biotechnologische Prozesse CBP im Chemiepark Leuna. Dort soll die Elektrolyse-Technologie für den industriellen Maßstab weiterentwickelt und der grüne Wasserstoff als Rohstoff genutzt werden.

„Wasserstoff-Dorf“

Ein „Wasserstoff-Dorf“ im Testbetrieb

In Zeiten des Energiewandels zeigt Sachsen-Anhalt wie intelligente und effiziente Gebäudeversorgung durch ein grünes Wasserstoff Netz funktioniert

Am Zukunftsort Chemiepark Bitterfeld-Wolfen schreibt man mit grünem Wasserstoff ein neues Kapitel: Im „H2-Testdorf“ werden Versorgungsinfrastruktur und Endanwendungen unter Realbedingungen getestet. Eine wichtige Rolle spielen dabei auch die Materialien und Technologien, die den Energieträger zur Gebäudeenergieversorgung nutzbar machen.

Einst Synonym für Gestank und verseuchten Boden, haben sich die Chemiestandorte Leuna, Merseburg und Bitterfeld-Wolfen in Mitteldeutschland als Wasserstoff-Modell-Region etabliert. Das HYPOS-Bündnis (Hydrogen Power Storage & Solutions East Germany) entwickelt hier die komplette Wertschöpfungskette für grünen Wasserstoff aus erneuerbarem Strom und wird dabei vom Bundesforschungsministerium im Rahmen des Programms „Zwanzig20 – Partnerschaft für Innovation“ gefördert.

Ideale Voraussetzungen für Wasserstoff-Revolution 

Nicht ohne Grund ist die Modellregion des HYPOS-Netzwerks in Mitteldeutschland angesiedelt: Durch Sachsen-Anhalt verläuft die zweitlängste Wasserstoffpipeline Deutschlands, welche den effizienten Transport von grünem Wasserstoff gewährleisten kann. Mehrere Chemie- und Kraftstoffunternehmen, gewaltige unterirdische Salzspeicher – sogenannte Kavernen –, die enorme Mengen Wasserstoff speichern können. Erneuerbare Energien kommen in Sachsen-Anhalt mittlerweile auf einen Anteil von 60 Prozent. Auch deshalb wurde hier das Wasserstoffdorf angesiedelt und einiges getan: 675 Meter Kunststoffleitungen wurden verlegt, um standardmäßig verwendete Metallleitungen zu ersetzen.

Erdgas-Infrastruktur wird umgenutzt

Um den Nachweis zu erbringen, dass die traditionell für Erdgas verwendete Gasinfrastruktur auch mit reinem Wasserstoff funktioniert, wurde 2019 auf einem 12.000 Quadratmeter großen Gelände inmitten des Chemieparks eine Wasserstoff-Testinfrastruktur errichtet.

Auch die Endanwendungen auf Wasserstoffbasis werden hier erforscht und dazu verschiedene Verbrauchseinrichtungen an das H2-Netz angeschlossen. Das umfasst unter anderem die Anbindung an Gebäude. Wer die öffentlichen Führungen am Tag der offenen Tür durch das Wasserstoff-Dorf nutzt (event.enviam-gruppe.de/hypos-h2-netz), bekommt eine Vorstellung davon, wie in Zukunft die Versorgung eines Wohngebietes durch ein H2-Netz funktionieren kann. Damit es nicht bei einer „Vision“ bleibt, werden hier auf dem Testfeld die Infrastruktur und die Verwendung von Wasserstoff technisch, wirtschaftlich und ökologisch bewertet.

„H2-Home“ Wasserstoffbetriebenes Blockheizkraftwerk heizt und kühlt

„H2-Home“ heißt ein HYPOS-Projekt, das sich unter anderem mit der Entwicklung und Realisierung eines Wasserstoff-Brennstoffzellen-Blockheizkraftwerk (BHKW) etwa für neue Wohnhäuser und Wohnsiedlungen befasst. Mit den Brennstoffzellen-Blockheizkraftwerken ließen sich Gebäude nicht nur beheizen, sondern auch mit elektrischer Energie versorgen, sagt H2-Home-Projektleiter Steffen Theuring von der inhouse engineering GmbH. Das Berliner Unternehmen entwickelt und baut solche H2-BHKW. „Die Erzeugung von Wasserstoff ist bislang zwar teurer als Erdgas“, so Theuring, „dafür aber ist die Kraft-Wärme-Kopplung hocheffizient.“ Der richtige Durchbruch für die firmeneigene Forschung und Entwicklung kam mit dem Kontakt zum HYPOS-Netzwerk. Das innerhalb von HYPOS entwickelte H2-Brennstoffzellen-Blockheizkraftwerk „inhouse5000+ Hydrogen“ macht es möglich, dass unter Verwendung von Wasserstoff Strom und Wärme für den Winter und unter Nutzung einer zusätzlichen Wärmepumpe auch Kälte für den Sommer generiert wird. Eingebunden in dieses HYPOS-Projekt sind die DBI-Gas- und Umwelttechnik GmbH Freiberg, die TU Bergakademie Freiberg, das Fraunhofer IMWS Halle (Saale) sowie der Berliner Elektronikdienstleister ENASYS.

Wer an kühlen wie auch an heißen Tagen den beispielhaft „grün“ leuchtenden Innovationspavillon im Wasserstoff-Dorf betritt, merkt spürbar, dass die Strom-Wärme- bzw. Kälte-kopplung funktioniert.

Schwefelgeruch verhilft zur Wachsamkeit

Eine Menge Entwicklungsarbeit sei nötig, um das Wasserstoff-BKHW bestmöglich in ein Gebäude zu integrieren, sagt Projektleiter Theuring und nennt etwa die Annäherung des Wasserstoffanschlussdrucks an das derzeit bestehende Hausanschlusssystem für Erdgas. Die Übertragung des Wasserstoffs muss demnach sowohl unter hohem Druck funktionierende Durchströmung der in den Übertragungsleitungen funktionieren also auch unter niedrigem Druck in den Verteilnetzen der Endnutzer ankommen. Inzwischen ist das H2-BKHW soweit entwickelt, dass es auch Notstrom liefern und als sogenannter Inselversorger bereitstehen kann.

Steffen Theuring kommt auch auf das erhöhte Sicherheitsniveau innerhalb eines H2-Netzes zu sprechen. Nur so könne eine Akzeptanz für Wasserstoff erreicht werden. Darum sei auch die „Riechbarmachung“ des eigentlich geruchlosen Wasserstoffs ein Bestandteil der Forschungen. Der Wasserstoff wird mit einem sogenannten Odormittel versetzt: mit einem Geruch also, der beinahe jeder Nase Gefahr signalisiert. Im H2-Dorf wurden deshalb mit der Brennstoffzelle unter anderem schwefelhaltige Odormittel getestet. „Die Odormittel müssen allerdings vor dem Eintritt in das H2-BHKW wieder aus dem Wasserstoff entfernt werden“, erklärt Theuring und ergänzt, dass dieser kostenintensive und effizienzmindernde Gasaufbereitungsprozess noch optimiert werden müsse.

Die Energie wird im Pkw-Anhänger mobil

„Bislang existiert noch keine intelligent agierende dezentrale Versorgungsinfrastruktur für Industrie- und Gewerbegebiete mit kleinen Wasserstoffanwendungen“, sagt Torsten Birth, Leiter des Bereiches Energie- und Ressourceneffiziente Systeme am Fraunhofer-Institut für Fabrikbetrieb und -automatisierung IFF in Magdeburg. MMH2P heißt ein dort angesiedeltes Forschungsprojekt. In dem Akronym stecken „mobil“, „modular“, „Wasserstoff“, „portabel“. Der Prototyp dieses Service-Speicher-Systems steht auf vier Rädern und ist leichter als ein Pkw-Anhänger. Er soll eine Lücke füllen, die sich im Vergleich zu den klassischen stationären und mobilen Speichern in der Wasserstoffinfrastruktur auftut – anwendbar überall dort, wo H2-Erzeuger und -Verbraucher nicht durch Pipelines miteinander verbunden sind, wo stationäre und transportable Flüssig- oder Gasspeicher ungeeignet sind.

Seinen Pilottest soll das Kleinverteilsystem nun im Wasserstoff-Dorf absolvieren, wo es das H2-Netz anzapfen und den Energieträger gleich wieder an die H2-Home-Anwendungen abgeben kann.

Neben den Industrie- und Gewerbeparks zählt Torsten Birth weitere potenzielle Kunden für den transportablen Wasserstoffspeicher auf – etwa sich selbst versorgende Stadtwerke und Kommunen oder die Fahrzeugflotten von Polizei und Feuerwehr.

Autorin: Kathrain Graubaum/IMG Sachsen-Anhalt

Weltweit erster Wasserstoffspeicher unter Tage

Der weltweit erste Wasserstoffspeicher unter Tage entsteht in Sachsen-Anhalt

Grüne Energie im Untergrund

VNG Gasspeicher Bad Lauchstädt © VNGTorsten Proß, Jeibmann Photografik

Im „Energiepark Bad Lauchstädt“ in Sachsen-Anhalt wird in einem weltweit einzigartigen Großversuch eine Salzkaverne zum Großspeicher umgerüstet: Der künftige Inhalt: klimaneutraler Wasserstoff, der in einem „Power to Gas“-Verfahren aus Windstrom umgewandelt wird. Sachsen-Anhalt baut in diesem Modellprojekt seine Stärken in der Wasserstoffinfrastruktur weiter aus.

Eine riesige Kaverne für großtechnische Speicherung

700 bis 900 Meter tief unter der Goethestadt Bad Lauchstädt im südlichen Sachsen-Anhalt wurde mit Sole ein Hohlraum in das unterirdische Salzgebirge gespült. Die entstandene Kaverne, die die VNG Gasspeicher GmbH (VGS) als kombinierte Kavernen- und Lagerstättenspeicher nutzt, fasst rund 50 Mio. Kubikmeter; das Leipziger Völkerschlachtdenkmal würde zweimal hineinpassen. Hier soll nicht Erdgas gespeichert werden, sondern Wasserstoff, grüner Wasserstoff. „Hier im Energiepark Bad Lauchstädt soll weltweit die erste großtechnische Speicherung von grünem Wasserstoff umgesetzt werden. Es ist auch der erste Versuch, Wasserstoff in dieser Größenordnung aus Windstrom herzustellen, diesen zu speichern und dann weiter zu verarbeiten“, erläutert Cornelia Müller-Pagel, Leiterin des Bereichs „Grüne Gase“ beim mitteldeutschen Gasversorgungsunternehmen VNG AG. Bis 4.500 Tonnen klimaneutralen Wasserstoff soll der Speicher bei Bad Lauchstädt fassen. Dies würde ausreichen, um 64.000 2-Personen-Haushalte ein Jahr lang mit Strom zu versorgen. Und: „Ein per Brennstoffzelle betriebener LKW könnte damit 1.100 Mal um den Äquator fahren“, ordnet Müller-Pagel die gespeicherte Menge ein.

Volatilen Windstrom speichern und verteilen – Knackpunkte der Energiewende

Der Wasserstoffspeicher untertage ist das Kernstück des innovativen Zukunftsprojekts „Energiepark Bad Lauchstädt“. Dieses Verbundprojekt soll aus einer Großelektrolyse-Anlage mit einer Leistung von bis zu 30 MW bestehen, in der im großen Stil Wasser zu Sauerstoff und grünem Wasserstoff aufgespalten wird. Dafür wird eigens ein Windpark errichtet, der den klimafreundlichen Strom für die Herstellung des grünen Wasserstoffs liefert. Im einzigartigen Vorhaben „Energiepark Bad Lauchstädt“ haben sich für diesen Großversuch sechs Akteure zusammengeschlossen, um unter realen Bedingungen Herstellung, Transport und Speicherung sowie den wirtschaftlichen Einsatz von grünem Wasserstoff in industriellem Maßstab zu untersuchen. In der Praxis ist der Wasserstoff vor allem zur Nutzung in den Chemieparks der Region gedacht.

In Bad Lauchstädt, einer Kleinstadt in der Nähe von Halle (Saale), sind die notwendigen Voraussetzungen für den Großversuch gegeben um eine Elektrolyse-Anlage und volatilen Windstrom im großen Stil direkt zu koppeln und den Wasserstoff zu speichern sowie zu transportieren. Ideale Standortbedingungen sind: viel Wind für die Stromerzeugung, der Untergrundgasspeicher der VGS für die Speicherung und die bereits vorhandene Infrastruktur, darunter Gasleitungen und Abnehmer wie das nahe gelegene Mitteldeutsche Chemiedreieck mit seinen großen Standorten Leuna und Schkopau.

Prämiertes Innovationsprojekt erhält Bundes-Fördermittel

Als eines von zehn Innovationsprojekten war der „Energiepark Bad Lauchstädt“ Sieger im Ideenwettbewerb „Reallabore der Energiewende“, den das Bundesministeriums für Bildung und Forschung im Jahr 2019 ausgeschrieben hat. Mit der Aussicht auf Förderung werden die wissenschaftlichen Vorbereitungen und Planungen für das Großprojekt „Energiepark Bad Lauchstädt“ derzeit abgeschlossen. „Die Projektpartner rechnen mit einer Förderzusage durch das Bundesforschungsministerium im Spätsommer. Dann beginnt die zweite Phase mitzwei Abschnitten. Während der kommenden fünf Jahre wird die Errichtung und Inbetriebnahme des Windparks, des Elektrolyseurs und der Leitung realisiert. Zudem werden wichtige Bestandteile der Obertageanlage des Speichers erforscht. Danach schließt sich ein zweiter Bauabschnitt an, in dem die untertägige und die restliche obertägige Anlage für den Speicher errichtet wird,“ erläutert VNG-Bereichsleiterin Cornelia Müller-Pagel. Insgesamt würde ein dreistelliger Millionenbetrag investiert. Der Probebetrieb der gesamten Wertschöpfungskette werde voraussichtlich bis 2030 andauern.

Die VGS hat für die Realisierung schon Grundlagen geschaffen: Die vorgesehene Kaverne des Untergrundgasspeichers ist bereits fertig mit Sole gefüllt. Bei der Gaserstbefüllung wird der Wasserstoff in die Kaverne geleitet und verdrängt die Sole. Allein die Erstbefüllung der Kaverne wird circa zwei Jahre dauern. „Wasserstoff ist diffusionsfreudiger als Erdgas. Für das Salzgestein ist das kein Problem, es ist dicht. Aber sämtliche Leitungen und Armaturen sowohl über- als auch untertage müssen für die Wasserstoffnutzung ertüchtigt werden“, erläutert Cornelia Müller-Pagel. So werde auch eine 20 Kilometer lange Anschlussleitung der ebenfalls zum VNG-Konzern gehörenden Transporttochter ONTRAS Gastransport GmbH umgestellt.

Modellregion mit langer Tradition und starken Abnehmerindustrien

Hinter dem Energiepark Bad Lauchstädt stehen die VNG-Töchter VGS und ONTRAS sowie die DBI - Gastechnologisches Institut gGmbH Freiberg, die Terrawatt Planungsgesellschaft mbH und Uniper Hydrogen GmbH. Das großtechnische Power-to-Gas-Projekt „Energiepark Bad Lauchstädt“ baut zudem auf die Vorarbeiten mehrerer Forschungsvorhaben im Rahmen der Aktivitäten des Vereins HYPOS – „Hydrogen Power Storage & Solutions East Germany“ auf. Dieses bereits 2013 gegründete Konsortium aus Unternehmen und Forschungseinrichtungen entwickelt und fördert vor allem in Mitteldeutschland und in Sachsen-Anhalt die Bildung einer flächendeckenden, grünen Wasserstoffwirtschaft.

Sachsen-Anhalt ist dafür die ideale Modellregion. Im Bundesland haben Unternehmen gerade im mitteldeutschen Chemiedreieck eine lange Tradition im Umgang mit Wasserstoff. Laut einer aktuellen Studie des Instituts der deutschen Wirtschaft gibt es im bundesweiten Vergleich keine andere Region, in der die Wasserstoffinfrastruktur bereits so gut ausgebaut ist: Die Chemiestandorte in Mitteldeutschland sind bereits jetzt mit einer 150 Kilometer langen Wasserstoffleitung verbunden. Der „Energiepark Bad Lauchstädt“ gehört daher zu den Leuchtturmprojekten in Sachsen-Anhalt, mit denen grüner Wasserstoff im industriellen Maßstab zum Erfolg geführt werden soll.

Autor: Michael Falgowski/IMG Sachsen-Anhalt

Wasserstofffabrik der Zukunft

Das Fraunhofer-Institut für Fabrikbetrieb und -automatisierung IFF bietet eine bedarfsgerechte, dezentrale, modulare Lösung zur Produktion und Verteilung von grünem Wasserstoff.

Der Ausstoß von Treibhausgasen muss weltweit massiv reduziert werden. Nur so lässt sich die globale Erwärmung begrenzen. Power-to-X-Technologien gelten als vielversprechend, um dieses Ziel zu erreichen: Strom aus regenerativen Energien wird in Wasserstoff umgewandelt, um damit beispielsweise Brennstoffzellen-Fahrzeuge anzutreiben. Forscherinnen und Forscher des Fraunhofer IFF in Magdeburg gehen noch einen Schritt weiter: Mit der Wasserstofffabrik der Zukunft etablieren sie ein Konzept, um grünen Wasserstoff dezentral und modular für Industrie, Gewerbe und Verkehr entlang der Wertschöpfungskette zu produzieren und zu verteilen. »Mit dem Strom aus Sonne und Wind wird Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff gespalten. Diesen Vorgang bezeichnet man als Elektrolyse. Der Wasserstoff wird gespeichert und kann mithilfe von Brennstoffzellen in Fahrzeugen wieder in elektrische Energie zum Fahren umgewandelt werden. Hier denken wir vor allem an Fahrzeugflotten mit Kleintransportern und Gabelstaplern, die in Industrie- und Gewerbeparks unterwegs sind«, erläutert Dr. Torsten Birth, Wissenschaftler am Fraunhofer IFF. »Darüber hinaus wollen wir die Industrie mit Strom, Gas und Wärme versorgen. Der bei der Elektrolyse entstehende Wasserstoff lässt sich ins Gasnetz einspeisen, als Treibstoff nutzen, in Methan oder Methanol um-wandeln und der Industrie als Rohstoff zur Verfügung stellen.«

Ankopplung der Wasserstoffproduktion an eine Biogasanlage

Um das Konzept der Wasserstofffabrik umsetzen zu können, entwickeln die Forscherinnen und Forscher modular erweiterbare Teilkomponenten, die – miteinander vernetzt – in Gewerbe- und Industrieparks realisiert werden. Abhängig von den Gegebenheiten vor Ort werden für die Erzeugung des Wasserstoffs elektro- oder biochemische Verfahren genutzt. »Es ist nicht überall möglich, Wind- und Photovoltaik-Anlagen zu bauen.

Wir setzen auf standortabhängige Lösungen und nutzen gegebenenfalls Biogasanlagen für die Produktion. Eine Pilotanlage bei Gommern in Sachsen-Anhalt ist in Planung«, führt der Ingenieur aus. »Das Endergebnis ist aber immer grüner Wasserstoff.«

Im Projekt HyPerFerMent I arbeitet das Fraunhofer IFF gemeinsam mit der MicroPro GmbH und der Streicher Anlagenbau GmbH & Co. KG an der regenerativen Wasser-stoffproduktion aus Biomasse. Durch ein spezielles Gärungsverfahren, ähnlich dem der Biogasproduktion, und unter Einsatz bestimmter Mikroorganismen könnte direkt aus organischen Reststoffen Wasserstoff erzeugt werden. Als Stoffwechselprodukt bestimmter Bakterien entsteht ein Gasgemisch aus H₂ und CO₂ mit 50 bis 60 Prozent Wasserstoffgehalt, das durch nachfolgende CO₂-Abtrennung problemlos aufgereinigt werden kann. »Die fermentative Erzeugung von Biowasserstoff wird künftig eine wichtige Rolle bei der dezentralen Produktion des Energieträgers spielen«, sagt Birth.

Mobile Wasserstofftankstelle für Industrie- und Gewerbeparks

Mit dem Kleinverteilsystem Mobile Modular H₂ Port (MMH₂P) realisieren die Forscherinnen und Forscher vom Fraunhofer IFF in Zusammenarbeit mit der Anleg GmbH eine der erwähnten Teilkomponenten: eine mobile, modulare Wasserstofftankstelle für Kurzstrecken unter 200 Kilometer. Auf einem Kleinanhänger befinden sich erweiterbare Druckspeichersysteme mit Kompressoren, die betankt werden können und zudem in der Lage sind, Wasserstoff abzugeben. Das Bundesministerium für Bildung und Forschung BMBF fördert das Vorhaben.

Desinfektion mit Ozon

Wichtig ist den Forschern eine systemisch integrierte Wasserstoffproduktion. Das heißt, sie nutzen nicht nur den bei der Elektrolyse erzeugten Wasserstoff, sondern auch den Sauerstoff – etwa für Schweißprozesse oder zur Ozonierung für Kläranlagen. Mit der Zufuhr von Ozon lassen sich problematische Mikroverunreinigungen wie Pharmaka, Pflanzenschutzmittel oder Kosmetika aus Abwässern entfernen. Ein weiteres Anwendungsszenario: In der Landwirtschaft kann der Sauerstoff für die Entschwefelung der Biogasanlage verwendet werden.

Umfassendes Know-how zur Umsetzung der Wasserstofffabrik konnte das Forscherteam in den Projekten »Energieregion Staßfurt 2020« und »Energieregion Ostharz« sammeln. In den Vorhaben ging es um die Umsetzung eines regionalen Energiekonzeptes zur Umstellung der Energieversorgung in den verschiedenen Sektoren (Strom, Gas, Wärme, Mobilität) von fossilen Energieträgern auf regional erzeugte Erneuerbare Energien (EE) sowie um die Entwicklung regenerativer Sektorenkopplungssysteme.

Wasserstoff-Sauerstoff-Kreislaufmotor

Der fehlende Baustein der Energiewende

Sachsen-anhaltisches Unternehmen entwickelt Wasserstoff-Sauerstoff-Kreislaufmotor

„Das Wasser ist die Kohle der Zukunft“, so schrieb es Jules Verne bereits 1875. Diese Zukunft steht nun unmittelbar bevor. Wasserstoff gilt als Baustein für eine umfassende Energie- und Mobilitätswende. Gefragt sind aktuell Lösungen für die Speicherung und bedarfsgerechte Lieferung. Das Wissenschaftlich-Technische Zentrum für Motoren- und Maschinenforschung Roßlau (WTZ) hat mit dem Zero-Emission-Kreislaufmotor eine solche Lösung entwickelt und bringt viele weitere grüne Projekte auf den Weg.

Die Preisjury des „Hugo-Junkers-Preis für Forschung und Innovation aus Sachsen-Anhalt“ war sich sicher: Der Zero-Emissions-Kreislaufmotor könnte schon bald der fehlende Baustein in der Energiewende sein. Das WTZ-Projekt wurde vor zwei Jahren in der Kategorie „Innovativstes Projekt der angewandten Forschung“ mit dem ersten Preis ausgezeichnet. Vereinfacht gesagt werden im weltweit ersten Motor seiner Art regenerativ erzeugter Wasserstoff und Sauerstoff mittels Druckelektrolyse in Elektroenergie und Wärme umgewandelt. Da Kohlenstoff und Stickstoff in diesem Verbrennungsprozess fehlen, entstehen Kohlenstoffdioxid und Stickoxide im Gegensatz zu normalen Verbrennungsmotoren gar nicht erst. Somit werden keine umweltschädlichen Abgase ausgestoßen. Einziges Reaktionsprodukt des Motors ist reines Wasser.

„Wir liefern eine Energieumwandlungsmaschine.“

Die Motoren-Entwickler aus Sachsen-Anhalt sehen die Einsatzgebiete ihres Motors, den es bisher als Prototypen gibt, zunächst in der Rückverstromung in der Energiewirtschaft, bei Haushalten, die mit Photovoltaik ausgestattet sind oder etwa bei Landwirtschaftsbetrieben mit einer Windkraftanlage. Projektleiter Manuel Cech erklärt den wichtigsten Vorteil: „Häufig kommen Verbrennungsmotoren zum Einsatz, die meistens Erdgas verbrennen. In unserem Motor wird statt fossiler Brennstoffe grüner Wasserstoff verwendet.“ Das System beschreibt er wie ein Speicherkraftwerk: „Strom aus erneuerbaren Energiequellen wird, wenn er zuhauf vorhanden ist, mit Hilfe von Elektrolysen zwischengespeichert – als Sauerstoff und Wasserstoff. Wenn keine oder wenig erneuerbaren Energien da sind, können aus den Tanks wieder Strom, Wärme und Wasser erzeugt werden. Das Wasser wird dabei immer wieder verwendet. Mit unserem Motor liefern wir im Prinzip eine Energiewandlungsmaschine, die kostengünstig Wasserstoff und Sauerstoff wieder zu Strom zusammenführt.“

Vorbild Junkers: Entwicklungen sollen in marktfähige Produkte überführt werden

Hervorgegangen ist das Projekt aus „LocalHy“, einem Leuchtturmprojekt des vom Bundesforschungsministerium geförderten mitteldeutschen Forschungskonsortiums „HYPOS“. „Hydrogen Power Storage & Solutions East Germany“ entwickelt die gesamte Wertschöpfungskette, in der die bislang nichtspeicherbaren Energie aus Biomasse, Wind- und Sonne in den speicherbaren Energieträger Wasserstoff umgewandelt wird.

Wie schon das große Vorbild Hugo Junkers, der 1914 in Dessau das erste Flugzeug ganz aus Metall gebaut und 1889 eine Versuchsstation für Gasmotoren gegründet hat, um eine Antriebsmaschine für Elektroenergie zu konstruieren, wollen die WTZ-Ingenieure ihre Entwicklungen in marktfähige Produkte überführen. Das Team aus dem im Jahr 1950 gegründeten wissenschaftlich-technischem Zentrum ist dem berühmten Ingenieur also nicht nur räumlich sehr nahe. „Wir sehen uns als Schnittstelle zwischen Industrie und reiner Forschung“, sagt Projektleiter Manuel Cech. Das WTZ kooperiert mit zahlreichen Universitäten, hält Kontakte mit der Industrie, die nach der Auszeichnung verstärkt auf die sachsen-anhaltischen Entwicklerinnen und Entwickler aufmerksam geworden ist. Viele Motorenbauer wollen bei der gemeinnützigen Forschungseinrichtung in Dessau-Roßlau auf dem Laufenden bleiben, wie es weitergeht in Sachen „grüner“ Wasserstoff und Nachhaltigkeit. Was 2019 mit dem Landespreis gekrönt wurde, bezeichnet Manuel Cech gern als „Real-Labor“ und sagt: „Wir haben erstmals erlebbar gemacht, was auf dem Gebiet möglich ist.“ Derzeit befindet sich der „grüne Wasserstoffmotor“, in der zweiten Ausbaustufe, bei dem die Effektivität des Gesamtsystems noch weiter optimiert werden soll, um ihn an die Leistungsfähigkeit bisheriger Serien-Motoren heranzuführen.

Vision wird Realität: Grüner Wassersstoff soll ins Erdgasnetz eingespeist werden

Parallel dazu initiiert das WTZ zahlreiche Projekte. Eins davon wird derzeit in Sonneberg realisiert im Rahmen der Initiative „H2-Well“, bei der mehr als 40 Partner*innen und Unterstützer*innen zwischen Main und Elbe mit Wasserstofftechnologien neue Wertschöpfungsmöglichkeiten generieren wollen. Die Entwicklerinnen und Entwickler aus Sachsen-Anhalt beteiligen sich mit ihrem „grünen Wasserstoffmotor“ an der Lieferung von Strom für das Rathaus der thüringischen Kommune.

Im Forschungszentrum in Dessau-Roßlau beschäftigt sich indes die neu gegründete Abteilung „Energiesysteme“ damit, die gesamte Energiezelle abbilden zu können – also Sauerstoff und Wasserstoff effizient zu speichern, den Verlust zwischen einzelnen Schritten abzufangen und als Wärme zu nutzen. „Unser übergeordnetes Ziel heißt hierbei, wie bei allem, was wir tun: Wir wollen weg von den fossilen Medien“, sagt Manuel Cech. Dafür arbeiten die Forscherinnen und Forscher mit zahlreichen Firmen im Land zusammen. „Die Energiewende“, so der Projektleiter, „ist eine Chance für ganz Sachsen-Anhalt, hier wird bereits einiges auf den Weg gebracht“. Das WTZ geht diesen Weg mit und lässt nun eine weitere Vision reifen. Diese dreht sich um Blockheizkraftwerke, die bisher Energie und Wärme aus Erdgas produzieren. Diese möchten Cech und sein Team auf Wasserstoff umrüsten. und grünen Wasserstoff ins Erdgasnetz einspeisen. Cech ist sich sicher, dass man „schon in den nächsten Jahren mit der Technologie in Serie gehen könnte“.

Autorin: Manuela Bock/IMG Sachsen-Anhalt

Energieregion

Sachsen-Anhalt setzt auf grünen Wasserstoff - regionale Projekte treiben die Energie- und Mobilitätswende voran 

Power-to-X-Technologien gelten als vielversprechend, um Klimaneutralität zu erreichen: In diesen Verfahren wird mit regenerativem Strom Wasserstoff erzeugt. Dieser grüne Wasserstoff lässt sich beispielsweise als Treibstoff nutzen. Sachsen-Anhalt setzt auf die Kraft dieses umweltfreundlichen Energieträgers: In der „Energieregion Staßfurt“ wird ein innovatives Konzept für die Energiewende auf Stadtebene erprobt, in Magdeburg wird die „Wasserstofffabrik der Zukunft“ entwickelt und in der Region Anhalt entwickelt das Bahntechnologie-Bündnis TRAINS einen Grünen Triebwagen.

Die Stadt Staßfurt in Sachsen-Anhalt gestaltet die Energiewende mit: Mit Strom aus einem neuen Windpark soll in einer Elektrolyse-Anlage grüner Wasserstoff produziert werden. Das leichteste Gas der Welt wird dem Erdgas beigemischt zur Wärmeversorgung der Stadt-Wohnungen genutzt. Busse und Autos in Staßfurt tanken es statt Diesel oder Benzin an einer Zapfsäule am neuen Autohof an der A 14 in Brumby.

Energieregion Staßfurt will grüne Mobilität

Die Vision vom grünen Staßfurt soll ab 2022/23 Wirklichkeit werden. Der Windpark und die Elektrolyse-Anlage zur Produktion von Wasserstoff sollen bis dahin errichtet und in Betrieb genommen werden. Das grüne Gas wird im ersten Schritt für E-Mobilität genutzt und ins Gasnetz eingespeist. Darauf haben sich die Partner der „Energieregion Staßfurt“ geeinigt. So heißt das innovative Konzept, in dem verschiedene erneuerbare Energien miteinander verbunden und mit dem Mobilitätssektor gekoppelt werden sollen. „Vor Ort wird der grüne Strom erzeugt, vor Ort wird auch der Wasserstoff produziert, vermarktet und genutzt. Die Wasserstoff-Power-to-X-Kette aus der Region für die Region bereitzustellen ist ein neuer Ansatz in Deutschland“, sagt Dr. Torsten Birth vom Fraunhofer-Institut für Fabrikbetrieb und -automatisierung IFF. Das Magdeburger Institut hat das neuartige, regionale Konzept zur Nutzung der Erneuerbaren Energie auf Stadtebene im Auftrag der Projektpartner der „Energieregion Staßfurt“ erarbeitet. Zu diesen gehören die Stadt  Staßfurt, die Stadtwerke Staßfurt GmbH, die Erdgas Mittelsachsen GmbH und das Mannheimer Energieunternehmen MVV Energie AG.

Die 25.000-Einwohner-Kommune unterstützt engagiert die „Energieregion Staßfurt“. „Es ist ein wichtiges Projekt zum Klimaschutz und für die Energie- und Mobilitätswende. Unternehmen und Privathaushalte können damit grüne Energieprodukte nutzen. Bürger sollen zum Beispiel über Sparbriefe monetär von der Energieregion profitieren können“, sagt Sven Wagner, Oberbürgermeister der Stadt Staßfurt.

Natürlich hofft die Kommune auf Unternehmensansiedlungen und Arbeitsplätze in der nachhaltigen Energiewirtschaft; regionale, grüne Energieprodukte und neue Mobilitätskonzepte wiederum könnten Unternehmen und Privathaushalten zur Verfügung gestellt werden. Bereits jetzt laufen Gespräche mit Anbietern des ÖPNV, um künftig zum Beispiel Wasserstoff-betriebene Busse einzusetzen.

Wasserstofffabrik der Zukunft unterstützt E-Mobilität im Verkehrssektor

 Die Erfahrungen aus dem regionalen  Energiekonzept „Energieregion Staßfurt" haben die Forscher des Magdeburger Fraunhofer IFF auch bei der Entwicklung der „Wasserstofffabrik der Zukunft“ genutzt. „Es ist nicht überall möglich, Wind- und Photovoltaik-Anlagen zu bauen. Wir setzen deshalb auf standortabhängige Lösungen und nutzen gegebenenfalls Biogasanlagen für die Produktion“, erläutert Dr. Torsten Birth. Das Fraunhofer IFF entwickelt gemeinsam mit der MicroPro GmbH und der Streicher Anlagenbau GmbH & Co. KG eine regenerative Wasserstoffproduktion aus Biomasse. Wenn die Entwicklungsphase des Projektes erfolgreich abgeschlossen sein wird, soll in einem zweiten Schritt eine Biogasanlage bei Magdeburg angekoppelt werden. Dabei soll nicht nur Wasserstoff produziert werden,  der dezentral genutzt werden kann, sondern auch die Leistung der gesamten Anlage gesteigert werden. „Die fermentative Erzeugung von Biowasserstoff wird künftig eine wichtige Rolle bei der dezentralen Produktion des Energieträgers spielen“, sagt Dr. Torsten Birth. Im Zuge der Umsetzung soll eine mobile Befülleinrichtung für Fahrzeuge für mehrere Testperioden eingesetzt werden,  um Wasserstofffahrzeuge mit grünem Wasserstoff zu betanken und die gesamte Kette von der biologischen Produktion bis zur Nutzung in der E-Mobilität zu demonstrieren.

In einem weiteren Projekt realisieren die Forscherinnen und Forscher vom Fraunhofer IFF in Zusammenarbeit mit der Anleg GmbH ein mobiles, modulares System zur Versorgung wasserstoffangetriebener Fahrzeuge für Kurzstrecken unter 200 Kilometer. Auf einem Kleinanhänger befinden sich erweiterbare Druckspeichersysteme mit Kompressoren, die betankt werden können und zudem in der Lage sind, als mobile Tankstelle Wasserstoff abzugeben.

Auf Basis der Produktion von grünem Wasserstoff aus volatilen Stromquellen und Biomassesystemen bietet die Wasserstofffabrik der Zukunft - als Kombination der Produktion mit der Nutzung in Industrie, Gewerbe und Quartieren die Möglichkeit, zielgerichtet neben Wärme-, Strom- und Gas die E-Mobilität im Verkehrssektor zu unterstützen.

Modellregion für grünen Wasserstoff 

Sachsen-Anhalt setzt auf den grünen Wasserstoff. Es gibt viele weitere Entwicklungsprojekte. So tritt das Bahntechnologie-Cluster TRAINS in der Region Anhalt an, den Klimawandel auf der Schiene voranzutreiben. Zentrales Projekt des Bündnisses aus mehr als 50 regionalen Partnern ist die Umrüstung bestehender Triebzüge auf saubere Gasmotoren, die grünen Wasserstoff nutzen. Vor gut einem Jahr hat TRAINS im Förderprogramm „Wandel durch Innovation in der Region – WIR!“ des Bundesministeriums für Forschung und Soziales eine Förderung in Höhe von 12,2 Millionen Euro erhalten. Das neue grüne Mobilitäts-Projekt aus Sachsen-Anhalt setzte sich damit als eines von nur 20 Projekten aus bundesweit 107 Anträgen durch.

Außerdem sollen im „Energiepark Bad Lauchstädt“ Salzkavernen als großvolumige Speicher für Wasserstoff genutzt werden. Auch das große Potenzial als Energieträger und -speicher sowie als nachhaltiger Rohstoff für die chemische Industrie soll erschlossen werden. Mit mehr als acht Millionen Euro aus EU- und Landesmitteln fördert Sachsen-Anhalt beispielsweise den Aufbau zweier einzigartiger Pilotanlagen des Fraunhofer-Zentrums für Chemisch-Biotechnologische Prozesse CBP im Chemiepark Leuna. Dort soll die Elektrolyse-Technologie für den industriellen Maßstab weiterentwickelt und der grüne Wasserstoff als Rohstoff genutzt werden.

Wasserstoffzug

Das innovative Bahntechnologie-Bündnis „TRAINS“ arbeitet in Sachsen-Anhalt am Klimawandel auf der Schiene

Das Flaggschiff der künftigen Bahntechnologie-Region „Anhalt“ ist ein Zug. Genauer: ein „grüner“ Triebwagen, den die Dessauer Verkehrs AG zunächst auf der Strecke zwischen Dessau und Wörlitz im Testbetrieb fahren lassen will. Dieser Triebwagen wird der erste „Wasserstoffzug“ sein: Angetrieben wird die technische Neuheit von einem Gasmotor, der Wasserstoff als Verbrennungsmedium nutzt. Die mögliche Umrüstung bestehender Triebzüge auf saubere Gasmotoren ist das zentrale Projekt des Bahntechnologie-Clusters „TRAINS“. Das Bündnis tritt an,den Klimawandel auf der Schiene voranzutreiben, gleichzeitig die traditionsreiche Bahntechnik-Region Anhalt zu einer Hochtechnologie-Region zu machen, Arbeitsplätze zu schaffen und eine umwelt- und nutzerfreundliche Mobilität im ländlichen Raum zu fördern.

Ausgewählt aus 107 Bewerbern

Vor mehr als drei Jahren wurde TRAINS gegründet, um die Region Anhalt weiter zu entwickeln. Initiatoren waren der Verein Bahntechnologie Dessau e.V., in dem zahlreiche Unternehmen und Institutionen der Bahntechnik-Branche der Region Anhalt organisiert sind, und die Hochschule Anhalt. Inzwischen gehören dem Bündnis mehr als 50Mitglieder an, neben Unternehmen auch Forschungsinstitute, Strukturplaner, die Industrie- und Handelskammer, regionale Verbände und Politikvertreter. Vor gut einem Jahr hat TRAINS dann im Förderprogramm „Wandel durch Innovation in der Region – WIR!“ des Bundesministeriums für Forschung und Soziales den Zuschlag bekommen, verbunden mit einer Förderung in Höhe von 12,2 Millionen Euro. Das neue grüne Mobilitäts-Projekt aus Sachsen-Anhalt setzte sich damit als eines von nur 20 Projekten aus bundesweit 107 Anträgen durch.

Nun hat die praktische Umsetzung begonnen. „Studien zu Diesel-Ersatzlösungen für Bestandsbetriebszüge“ heißt das erste Projekt, das vor wenigen Tagen gestartet ist. Ein Jahr lang entwickeln Ingenieure und Wissenschaftler praktikable technische Lösungen, um Dieselmotoren auf Wasserstoffverbrennung umzurüsten. „Eine solche Lösung gibt es bisher noch nicht, lediglich mit LKW-Motoren wird bisher experimentiert. TRAINS will beweisen, dass eine Umrüstung der Flotte auf Gasmotoren für Bahnunternehmen wirtschaftlich möglich ist und damit grüne Mobilität auf der Schiene“, sagt Sascha Ziesemeier, TRAINS-Bündnismanager von der Hochschule Anhalt, der größten Hochschule für Angewandte Wissenschaften in Sachsen-Anhalt. Und natürlich sei das Ziel, so Ziesemeier, dass eine solche Umrüstung in der Region Anhalt durchgeführt werde. Im Bündnis sind Partner, die für den Einbau von Gasverbrennungsmotorenin Bestandsbetriebszügen für die Energiewendebereits über theoretische und praktische Kompetenzen verfügen: Das WTZ Roßlau und das „Institut für Mobile Systeme“ der Otto-von-Guericke-Universität in Magdeburg gehören dazu. Ebenso unterstützt die KEYOU GmbH in Unterschleißheim bei München die Umrüstung von Dieselmotoren auf Wasserstoffverbrennung.

Grün durch Wasserstoff

Zum grünen Triebwagen wird der Zug aus Sachen-Anhalt allerdings erst mit Grünem Wasserstoff als Brennstoff. Hergestellt werden soll der Wasserstoff durch Elektrolyse aus Wind- und Photovoltaik-Energie, gewonnen aus einer „Power-to-Gas-Anlage“. Mit der Nutzung des grünen Wasserstoffs als Treibstoff realisiert TRAINS die Sektorenkopplung „Erneuerbare Energien“ und „Schienenverkehr“. Auch für die Wasserstoff-Gewinnung per Elektrolyse gibt es Partner im Region-Bündnis.    

Die Region Anhalt untermauert mit TRAINS ihre Kompetenz in der Bahntechnologie. Die Bahntechnik hat hier eine mehr als 100-jährige Geschichte. Gegen Ende der DDR waren dort etwa 10.000 Menschen in diesem Bereich beschäftigt. Heute arbeiten, nach einem tiefen Einschnitt in den 1990er-Jahren, wieder rund 2.500 Personen in dieser Branche mit überwiegend mittelständischen Firmen und ihren Zulieferern. Anhalt, die Region um Dessau-Roßlau, Anhalt-Bitterfeld und Wittenberg mit etwa 390.000 Menschen, zählt zu den ältesten Industrieregionen Deutschlands. Die Chemie-, Pharma- und Luftfahrttechnik sowie Maschinen- und Anlagenbau, insbesondere im Bereich Bahntechnik, prägen die Region bis heute.

„Das Bündnis TRAINS mit etwa 20 Teilprojekten wird ja gerade erst aufgebaut. Mit den Eigenmitteln beispielsweise bei den beteiligten Industrieunternehmen werden bis 2025 insgesamt rund 16 Millionen Euro investiert“, sagt Bündnismanager Sascha Ziesemeier.  In einem weiteren Teilprojekt forschen beispielsweise Wissenschaftler der Hochschule Anhalt an einem Digitalprojekt, in dem der grüne Triebwagen mit Sensortechnik ausgestattet wird, um anhand eines digitalen „Zwillings“ eventuelle Schadensereignisse vorauszuberechnen. Begonnen hat neben den „Studien zu Diesel-Ersatzlösungen“ auch der Aufbau des „TRAINS-Centers“. An diesem Innovations- und Servicezentrum für Bahntechnologien sollen die Beteiligen technologische Entwicklungen umsetzen, um auch überregionale Forschungspartner einzubinden. Bis Ende 2025 sollen alle innovativen Mobilitäts- und Schienenverkehrsprojekte in der Bahntechnologie-Region Sachsen-Anhalt umgesetzt werden.

Schubschiff

Schiffbauer aus Sachsen-Anhalt bauen das weltweit erste Elektro-Schubboot für Binnengewässer

Das weltweit erste Schubboot, das nur mit Strom aus Batterien und wasserstoffgespeisten Brennstoffzellen fährt, entsteht derzeit auf einer Schiffswerft in Derben an der Elbe. ELEKTRA, so dessen Name, ist ein Beispiel für klima- und umweltfreundliche Mobilität aus Sachsen-Anhalt. 

Nicht nur auf den Straßen und in der Luft gehört dem emissionsfreien Verkehr die Zukunft. Gleiches soll demnächst auch für den Schiffstransport von Waren und Menschen auf dem Wasser gelten.  Firmen zwischen der Altmark und dem Burgenlandkreis stellen sich den Herausforderungen im Schwerpunkt New Mobility der Regionalen Innovationsstrategie des Landes Sachsen-Anhalt.

Auch die Schiffswerft Hermann Barthel aus Derben, einem Ortsteil von Elbe-Parey, ist dabei. Das seit über 200 Jahren Familiengeführte Unternehmen hat schon viele Schiffe gebaut, einige davon bis zu 80 Meter lang, neun Meter breit und mit bis zu 1,3 Meter Tiefgang. Derzeit arbeiten die rund drei Dutzend Werftmitarbeiter an einem neuartigen, rein elektrisch angetriebenen Schubboot für die Binnenschifffahrt auf Elbe, Havel und den Berliner Binnengewässern. Das rund 140 Tonnen schwere Schubboot ist das erste seiner Art weltweit. 

Es basiert auf Planungen und Konzeptstudien eines Forscherteams um Professor Gerd Holbach, Leiter des Fachgebiets Entwurf Maritimer Systeme der TU Berlin. Für die Realisierung des Projektes haben sich acht Partner aus universitärer Forschung und Industrie zusammengetan - darunter die Schiffswerft Hermann Barthel, die von weiteren regionalen Unternehmen unterstützt wird. Die Aussicht, damit etwas in die Zukunft weisendes zu tun, ließ Geschäftsführer Dipl.-Ing. Hermann Barthel nicht lange zögern, als die Frage nach der Zusammenarbeit bei dem Projekt „Brennstoffzellen-Schubschiff“ anstand. 

400 km ohne Zwischenhalt

Die auffälligste Neuerung gegenüber konventionellen Schubbooten ist der Verzicht auf einen Dieselmotor. Damit entstehen auch keine klimaschädlichen Emissionen wie Kohlendioxid, Dieselruß und Stickoxide. Für eine Schubkraft von bis zu 1400 Tonnen sorgen moderne Lithium-Nickel-Mangan-Cobalt-Akkus aus den Niederlanden und drei Niedertemperatur-Brennstoffzellen eines kanadischen Unternehmens. Zusammen mit den sechs Wasserstoffdruckbehältern nehmen sie einen Großteil der Fläche des Schiffdecks hinter dem Steuerhaus ein. Deshalb verlängerte sich auch die Schiffslänge im Vergleich mit einem konventionellen Schubboot um etwa drei auf 20 Meter. Aber das ist kein Problem. Zusammen mit dem 65 Meter langen Transportkahn, dem so genannten Schwergutleichter Ursus, wird der Schubverband alle Schleusen auf dem Weg zwischen Berlin und Hamburg passieren können. „Wir erwarten, die rund 400 Kilometer lange Strecke mit einer Schublast von 1400 Tonnen ohne Zwischenhalt zum Energieaufnehmen durchzufahren zu können“, sagt Professor Holbach. Das ist durch wahlweise Hinzuschaltung der drei Wassergekühlten Brennstoffzellen möglich. Zusätzlich speist eine Photovoltaikanlage auf dem Dach Strom in das Bordstromnetz. Ein ausgeklügeltes Fahrassistenzsystem sorgt dafür, dass der Energieverbrauch möglichst gering ist und der Fahrplan optimal eingehalten wird.

Die üblicherweise aus zwei bis drei Besatzungsmitgliedern bestehende Crew eines Schubbootes wird auch weiterhin gebraucht. Neue Ausbildungsberufe bedarf es nicht, nur Zusatzqualifikationen für den sicheren Umgang mit der Wasserstofftechnologie und den Lithium-Akkumulatoren. 

Noch vor Jahresende 2020 soll der Stapellauf der ELEKTRA auf der Schiffswerft in Derben erfolgen. Danach folgen ausführliche Tests auf den Berliner Wasserstraßen und Fahrten, ausgehend vom Heimathafen der ELEKTRA, dem Berliner Westhafen, in dem auch der spätere Eigner des Schiffs, die Berliner Hafen und Lagerhausgesellschaft, ihren Hauptsitz hat. Künftig soll das Schubboot u.a. mehrere hundert Tonnen schwere Siemens-Gasturbinen, die in Berlin gefertigt werden, zum Exporthafen Hamburg befördern.

Der Praxistest muss beweisen, dass elektrische Schubschiffe, neben ihrer Umwelt- und Klimafreundlichkeit, auch sicher und konkurrenzfähig gegenüber konventionellen Binnenfrachtern sind. Dann wird man vielleicht schon in wenigen Jahren weitere emissionsfreie Schiffe auf europäischen Gewässern sehen. Menschen und Natur könnten nicht nur von einer saubereren Luft profitieren, sondern auch von einer deutlich geringeren Geräuschbelästigung. Im Unterschied zu herkömmlichen Schiffsmotoren arbeiten Brennstoffzellen und Batterien nahezu lautlos.

Optimale trimodale Anbindung in Magdeburg

In der Diskussion ist derzeit der Auf- und Ausbau von „Tankstationen“, in denen „grüne“ Schiffe Wasserstoffbehälter und Strom nachladen können. Der Industriehafen Magdeburg-Rothensee bietet sich durch seine optimale trimodale Anbindung an das Autobahn-, Eisenbahn- und Wasserstraßennetz dafür an. Nicht nur der Güterfrachtverkehr dürfte in Zukunft eine Abkehr vom Schiffsdiesel erleben, erwartet Professor Holbach. Auch auf Hausboten und Fahrgastschiffen könnten sich emissionsfreie Antriebstechniken mehr und mehr durchsetzen, wenn die politisch-wirtschaftlichen Rahmenbedingungen mehr grüne Mobilität zulassen.  

Lebensdauer von Zellen

Institut für Kompetenz in AutoMobilität (IKAM) - Forschung zur Lebensdauer von Brennstoffzellen und Batteriezellen

Beladen, entladen. Immer wieder. Fachlich formuliert: Kontinuierlich einen Energieträger tanken und diesen mit einer chemischen Reaktion in elektrische Energie wandeln. Auch als „kalte Verbrennung“ bezeichnet, beschreibt dieser Vorgang die allgemeine Funktionsweise einer Brennstoffzelle. „Seit mehr als eineinhalb Jahren wird die Lebensdauer einer solchen Brennstoffzelle bei uns nun schon getestet, im „Zeitraffer’“, wie Dr. Stefan Schünemann sagt. Wann dieser Test beendet sein wird, wann also die Zelle ihre Leistungsfähigkeit verliert, kann auch er nicht voraussagen. Stefan Schünemann ist Geschäftsführer des Instituts für Kompetenz in AutoMobilität - IKAM GmbH mit seinen zwei Standorten in Magdeburg und im Technologiepark Barleben. Das Unternehmen versteht sich als Schnittstelle zwischen Wissenschaft und Wirtschaft im Branchenschwerpunkt Automotive. Gemeinsam mit Unternehmen aus Sachsen-Anhalt werden im IKAM Produkte aus unterschiedlichen Geschäftsfeldern, auch aus der Elektromobilität, getestet. IKAM manage und moderiere dabei strategische Kooperationen zwischen den beteiligten Partnern, sagt Stefan Schünemann.

Im IKAM werden sowohl Brennstoffzellen als auch Batteriezellen getestet. Beide Technologien unterscheiden sich grundlegend: Die Batterie ist ein Energiespeicher, die Brennstoffzelle ein Energiewandler. Die Brennstoffzelle produziert dabei den Strom beispielsweise aus Wasserstoff oder Methanol. „Das Prinzip funktioniert“, sagt Stefan Schünemann, „aber momentan ist es noch zu teuer.“ Die Produktion von kosteneffizienten Brennstoffzellen in Großserie ist deshalb noch eine Vision. Stefan Schünemann aber arbeitet mit seinen Partnern an der Realisierung. BiS-Net nennt sich das von ihm vorangetriebene Projekt, ein Netzwerk von 25 Unternehmen aus ganz Deutschland. Die strategische Ausrichtung von BiS-Net zielt dabei auf das Schließen wesentlicher Entwicklungslücken, den Technologietransfer und den Aufbau integrierter Wertschöpfungsketten.

Forschungs-Beispiele

Forschungsvielfalt als Standortvorteil

Denn Sachsen-Anhalts Forschungslandschaft widmet sich in ganz verschiedenen Teilaspekten den Anforderungen der Wirtschaft und nicht zuletzt des Endkunden an Brennstoffzellen und Batteriezellen. Die Hochschule Anhalt beispielsweise spezialisiert sich im Bereich Photovoltaik der Vermessung elektrochemischer Speicher bei Einzelbatterien. Einer der Schwerpunkte des Fachbereichs Automatisierung und Informatik der Hochschule Harz ist im Bereich Leistungselektronik die Erforschung von Brennstoffzellen, Solar-Wasserstoff-Speicherung sowie von Gleichstromantrieben.

Die Forscher des Fraunhofer-Institut für Fabrikbetrieb und -automatisierung IFF in Sachsen-Anhalts Landeshauptstadt Magdeburg entwickeln intelligente Systeme für das Energiemanagement und entwerfen integrierte Produktions- und Logistiknetze, um die sichere Nutzung volatiler Energien zu ermöglichen. Gemeinsam mit dem Unternehmen Krebs und Aulich GmbH wurde - zunächst in Kleinserie für die eigene Fahrzeugflotte - ein dreiphasiges bidirektionales On-Board-Ladesystem mit netzdienlichen Funktionen für Elektrofahrzeuge zur intelligenten Netzentlastung entwickelt. Gemeinsam mit der Aktiengesellschaft ABO Wind arbeitet das Fraunhofer IFF mit regionalen Wirtschaftspartnern an Konzepten für wasserstoffbetriebene Fahrzeugflotten im gewerblichen Einsatz. Zudem erprobt das Fraunhofer IFF in Kooperation derzeit einen der größten mobilen Stromspeicher Deutschlands. Die 1-Megawatt-Batterie steckt in einem Container von der Größe eines Eisenbahnwaggons und könnte etwa 100 normale Haushalte vierundzwanzig Stunden lang autark mit Strom versorgen.

Weitere große Forschungsplayer sind in Sachsen-Anhalt das Institut für Kompetenz in AutoMobilität - IKAM GmbH sowie die Otto-von-Guericke Universität Magdeburg.