Abb. Elektrolyse mit Schaltschrank, der die gesamte Steuerungstechnik enthält (Quelle: petrmalinak@shutterstock.com)
Solar-, Wind- und Wasserenergie lösen fossile Energieträger sowie die Kernenergie ab. Soweit der Plan, der zunächst durch die Klimakrise getrieben wurde. Inzwischen hat die Abhängigkeit von Erdgas und Erdöl aus Russland gezeigt, wie dringlich die Energiewende ist. In den nächsten Jahren sollen deutlich mehr Windkraft- und Photovoltaikanlagen errichtet werden.
Da die Sonne nicht 24 Stunden an jedem Tag scheint und der Wind ununterbrochen weht, sind die regenerativen Quellen durch Technologien zu ergänzen, die überschüssige Energie speicherbar sowie bei Flaute oder Dunkelheit flexibel nutzbar machen. Dies kann durch sog. Power-to-X-Technologien (PtX, P2X) gelingen. In diesem Zusammenhang wird erneuerbarer Strom (Power) zu X umgewandelt, wobei der Buchstabe X für Gas (PtG) – etwa Methan, Wasserstoff oder Synthesegas –, Chemicals (PtC) oder Fuels (PtF) stehen kann.
Insbesondere für die Sektorenkopplung – also die energetische Verknüpfung von Verkehr, Industrie und Gebäuden mit den Energiesektoren Strom, Wärme und Gas – erweisen sich die PtG-Verfahren als wichtig. Über die bestehende Gasnetz-Infrastruktur lässt sich grünes Gas monatelang speichern und bei Bedarf transportieren. Die VISION eines „European Hydrogen Backbone“ [1] beinhaltet beispielsweise deren Umnutzung sowie Erweiterung um neue dedizierte Wasserstoffpipelines und Kompressorstationen. Bis 2030 sollen 11.600 km Pipeline, bis 2040 sogar 39.700 km Pipeline für Wasserstoff einsetzbar sein.
Das Ziel: serienmäßige Herstellung von Elektrolyseuren
In Deutschland gehen immer mehr PtG-Anlagen in Betrieb. Sie arbeiten nach unterschiedlichen Elektrolyseverfahren – PEM-, SOEC-, alkalische oder AEM-Elektrolyse – und verfügen über eine Nennleistung bis zu einigen Megawatt. In Niedersachen sind bereits drei Anlagen mit einer Nennleistung von 100 Megawatt in Planung [2]. Künftige Elektrolyseure, die Leistungen im Gigawatt-Bereich abdecken sollen, kommen in Zukunft im saudi-arabischen Megacity-Projekt NEOM sowie im Hafen von Rotterdam zur Anwendung. Um eine derart hohe Leistung zu erreichen, ist eine Vielzahl von Elektrolyseuren zusammenzuschalten, die zukünftig serienmäßig hergestellt werden sollen. Das Leitprojekt H2Giga des Bundesministeriums für Bildung und Forschung (BMBF) unterstützt dies im Rahmen der Nationalen Wasserstoffstrategie. Bis 2030 sollen allein in Deutschland 10 GW Elektrolysekapazität aufgebaut werden.
Am Ende der Kette steht die Rückumwandlung des grünen Wasserstoffs – entweder direkt in mechanische Arbeit und Wärme oder in elektrische Energie –, wozu Brennstoffzellen verwendet werden. Eine andere Möglichkeit der Wasserstoffnutzung stellt die chemische Umwandlung in Stoffe wie Ammoniak oder Methanol dar. Für alle Prozesse von der Erzeugung des grünen Wasserstoffs bis zu seinem Verbrauch sind geeignete Strategien und Produkte für die Automation, Elektrifizierung und Kommunikation zu finden. Dabei haben Pilotanlagen abweichende Anforderungen gegenüber Anlagen, die in Serie gefertigt werden.