Erneuerbarer Wasserstoff

Grüner (erneuerbarer) Wasserstoff – Was ist das?

In einer nachhaltigen Energiewirtschaft wird Wasserstoff eine wesentliche Rolle im Verkehr und auch bei der Speicherung regenerativer Energien spielen. Dafür ist die Entwicklung effizienter Verfahren zur großtechnischen Erzeugung von Wasserstoff Voraussetzung.

Mittelfristig ist die Wasserstoffbereitstellung mit Hilfe von Strom aus erneuerbaren Energien die sinnvollste Variante. Langfristig können auch solarthermochemische Prozesse, wie etwa die solar beheizte Reformierung von Erd- oder Biogas oder die Spaltung von Wasser in Kreisprozessen auf Grund ihrer hohen Effizienz interessante Alternativen sein.

Materialien zum Thema Grüner Wasserstoff

Unsere Expert*innen für Grünen Wasserstoff

Elektrolyseur

Elektrolyseur (DLR)

Elektrolyseur ©DLR

Pluspunkte für Grünen Wasserstoff

Erneuerbarer Wasserstoff bietet eine Reihe von Vorteilen:

  • Er ist flexibel nutzbar im Verkehr, in chemischen Prozessen, zur Elektrizitätserzeugung und für Wärmegewinnung.
  • Die Verwendung von Wasserstoff ist „sauber“, da er rückstandsfrei zu Wasser verbrennt.
  • Grüner Wasserstoff ermöglicht Unabhängigkeit von fossilen Rohstoffquellen.
  • Wasserstoff dient als Basis für die Erzeugung synthetischer Kraftstoffe.
  • Die hochdynamische Wasserstoffproduktion hat einen guten Wirkungsgrad.
  • Wasserstoff kann zentral großskalig gespeichert werden (z. B. in Salzkavernen) und ist dann mittels Pipelines verteilbar.
  • Wasserstoff kann auch dezentral (z. B. über Tankstellen) zur Verfügung gestellt werden.

Wie kann man erneuerbaren Wasserstoff herstellen?

Die folgenden potenziell CO2-freien Verfahren zur Wasserstoffproduktion befinden sich in unterschiedlichem Forschungs-, Entwicklungs- und Anwendungsstadium:

Alkalische Elektrolyse

AEL ist schon für die Erzeugung von Wasserstoff als chemischer Rohstoff industriell im Megawatt-Maßstab verfügbar (Betriebstemperatur ca. 80 °C).

Polymer-Elektrolyt-Membran-Elektrolyse

PEM basiert auf einer protonenleitenden Polymermembran als Elektrolyt. Sie ist im MW-Maßstab bereits für Demonstrationszwecke verfügbar (Betriebstemperatur bei ca. 60–80 °C) und wird aktuell weiterentwickelt.

Hochtemperatur-Wasserdampfelektrolyse

SOEC basiert auf einem Sauerstoffionenleiter als Elektrolyt. Die Technologie befindet sich noch im Forschungsstadium und kann erst im unteren Kilowattbereich als Versuchsanlage betrieben werden (Betriebstemperatur ca. 800 –1000 °C).

Solar-thermochemische Kreisprozesse

Wasser kann auch thermochemisch über sogenannte Kreisprozesse gespalten werden. Die notwendige Wärme von 800 bis 1500 °C wird über konzentrierende Solarsysteme erzeugt. Die Technologien befinden sich in einem technischen Erprobungsmaßstab von bis zu 750 kW thermisch.

Photo-Elektrochemische Wasserspaltung

Die direkte photoelektrochemische (PEC) Umwandlung von Wasser zu Wasserstoff und Sauerstoff mit modifi-zierten Halbleitermaterialien ermöglicht die Integration von Lichtabsorption und Elektrokatalyse in einem Bauelement. Die besten Wirkungsgrade variieren zurzeit zwischen 5 – 15 % für kostengünstige Metalloxide bzw. komplex aufgebaute III-V-Halbleiterelektroden. Derzeitige F&E-Arbeiten streben ein Verständnis der grundlegenden Mechanismen bei der lichtinduzierten Wasserspaltung an und entwickeln neue, im Kontakt mit einem wässrigen Elektrolyten chemisch stabile Halbleiterschichten und Katalysatoren, sowie Konzepte für skalierbare Systemlösungen.

(Photo)-Bioelektrochemische Wasserspaltung

Alternativ zur abiotischen elektrochemischen Wasserspaltung gibt es die Möglichkeit einer biologisch basierten (photo)-bioelektrochemischen Wasserstoffproduktion. Hierbei dienen wasserstoffproduzierende Enzyme und Mikroorganismen als Bioelektrokatalysatoren. Von besonderem Interesse sind dabei mikrobielle Elektrolyseure, welche rein durch elektrischen Strom angetrieben werden, sowie auf Photoelektroden basierende Elektrolyseure. Während erste auf elektroaktiven Mikroorganismen basieren, basieren letztere auf biologischen Komponenten, welche die Photosynthese von Pflanzen bzw. von Algen nachahmen.

Bio-Artifizielle Photosynthese

Diese Art der Wasserstoffproduktion wird durch Sonnenenergie angetrieben. Hierbei werden wasserstoffproduzierende Enzyme an die natürliche Photosynthese von Mikroalgen gekoppelt. Diese Technologie befindet sich in einem frühen Forschungs- und Entwicklungsstadium. Ziel ist unter anderem auch die Entwicklung von wasserspaltenden/wasserstoffproduzierenden Katalysatoren zu ermöglichen, deren Komponenten die Photosynthese von Pflanzen bzw. von Algen nachahmen. Der Schwerpunkt liegt jedoch auf der Entwicklung zellbasierter Systeme.

Forschungs- und Entwicklungsbedarf für erneuerbaren Wasserstoff

  • Kostengünstige Materialien, Materialkombination und Ersatzstoffe für Katalysatoren, Membranen, Stromübertragungs- und Gasverteilungs-Schichten, Rahmen- und Dichtungsstrukturen für alkalische, PEM- und Hochtemperaturelektrolyseure
  • Entwicklung kostengünstiger, langzeitstabiler Elektrodensysteme mit innovativen Elektrodenstrukturen und Elektrodenzusammensetzungen
  • Entwicklung von sicheren, effizienten HochdruckElektrolyseverfahren
  • Entwicklung kostengünstiger, großserientauglicher Produktionstechnologien
  • Entwicklung solarchemischer Verfahren zur Reformierung von Methan mit Hilfe konzentrierender Solarsysteme
  • Realisierung der direkten Wasserspaltung mit Hilfe thermochemischer Kreisprozesse, um solaren Wasserstoff herzustellen
  • Entwicklung von Betriebs- und Sicherheitsüber­wachungssystemen für den vollautomatischen Wasserstofferzeugungsbetrieb; Verbesserung der Zuverlässigkeit der Anlagen
  • Grundlagen der Erzeugung von Wasserstoff aus biogenen Ressourcen:
    – effiziente Kopplung von Hydrogenasen an die Photosysteme
    – Etablierung von geeigneten mikrobiellen Wirts­systemen
    – Kontinuierliche biologische Produktionssysteme

Schnittstellentechnologien zu einer zukünftigen Wasserstoffwirtschaft

  • Optimierung der systemtechnischen Einbindung und Betriebsführung; Reduktion der System­ komplexität
  • Reduktion des Eigenenergiebedarfs
  • Verbesserte Nutzung von Stoff- und Energie­ strömen; Kopplung mit regenerativen Energien
  • System- und regelungstechnische Einbindung in Energiespeichersysteme
    (Netz – Elektrolysesystem – Speicher – ggf. Rückverstromung – Nutzen von Abwärmen)

Optimierung der Betriebsführung zur schnellen Bereitstellung von Regelenergie und zum Umgang mit fluktuierendem (Überschuss-)Stromangebot (z. B. dynamisches Abfahren realer Wind- und PV-Profile, intermittierender Betrieb, Umsetzen rascher Leistungssprünge)

Photosynthese zur Wasserspaltung

  • Entwicklung von edelmetallfreien Katalysatoren, die ungiftig, kostengünstig und leicht verfügbar sind
  • Erforschung der kinetischen Prozesse bei der
    Wasserspaltung in künstlichen und natürlichen Systemen
  • Entwicklung stabiler Photoabsorber und Photo­ katalysatoren auf molekularer und anorganischer Basis.

Empfehlungen des FVEE zur Weiterentwicklung der Nationalen Wasserstoffstrategie (Juli 2021)

Die Europäische Kommission hat im Herbst 2019 festgelegt, dass Europa bis spätestens 2050 klimaneutral werden soll, für Deutschland plant die Bundesregierung das Erreichen der Klimaneutralität für das Jahr 2045. Dabei spielt Wasserstoff eine wichtige Rolle. Denn grüner Wasserstoff auf Basis von erneuerbaren Energien ist prädestiniert für die „Defossilisierung“ des Energiesystems. Folgerichtig baut die Nationale Wasserstoffstrategie der Bundesregierung auf grünen Wasserstoff für die Klimaschutzziele.
Der FVEE möchte mit diesen Empfehlungen Denkanstöße für eine zielgerichtete Weiterentwicklung der Wasserstoffstrategie geben, damit Wasserstoff einen bestmöglichen Beitrag für das nachhaltige Energiesystem leisten kann.

Die Empfehlungen des FVEE zur Weiterentwicklung der Nationalen Wasserstoffstrategie finden Sie hier.

Aktuelle Materialien

Hier sehen Sie einzelne Artikel zum Thema „Erneuerbarer Wasserstoff“. Eine komplette Übersicht über alle Publikationen finden Sie im Publikationsbereich.

Artikel aus "Forschungspolitische Papiere des FVEE"

Empfehlungen des FVEE zur Weiterentwicklung der Nationalen Wasserstoffstrategie

Erneuerbarer Wasserstoff

Die Europäische Kommission hat im Herbst 2019 festgelegt, dass Europa bis spätestens 2050 klimaneutral werden soll, für Deutschland plant die…

Artikel aus "Themenhefte"

Themen 2021: Mit Wasserstoff zur Klimaneutralität – von der Forschung in die Anwendung

Erneuerbarer Wasserstoff
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Wasserstoff kann einen entscheidenden Beitrag für die dringend notwendige Klimaneutralität des Energiesystems leisten. Grüner Wasserstoff auf Basis von erneuerbaren Energien…

Grüner Wasserstoff in der Industrie – kurzfristige Einsatzpotenziale und langfristige Bedarfe in Deutschland

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Wasserstofftechnologie und Fahrzeuge

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  In Studie der wurde untersucht, wie sich die Kosten für verschiedene elektrische Fahrzeugtypen bis 2050 entwickeln und wann sie…

Woher kommt der Kohlenstoff für synthetische Wasserstofffolgeprodukte?

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Großskalige Wasserstoffspeicherung als notwendiges Bindeglied zwischen Erzeugung und Verbrauch

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Mit der Nationalen Wasserstoffstrategie (NWS) [1] definiert die Bundesregierung einen Handlungsrahmen für den Einsatz von Wasserstofftechnologien als Kernelemente der Energiewende.…

Artikel aus "Programmbroschüren"

Erneuerbarer Wasserstoff

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Forschungsziele 2019

Erneuerbarer Wasserstoff
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Diese Broschüre informiert über die Forschungsthemen im FVEE zu: Energiebereitstellung Systemkomponenten Energienutzung Energiesystemgestaltung Außerdem finden Sie hier die Ziele des…

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Expert*innen

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Prof. Dr. André Thess

DLR
Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.V.
Linder Höhe, 51147 Köln
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Dr. Alexander Dyck

DLR
Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.V.
Linder Höhe, 51147 Köln
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Prof. Dr. Christian Sattler

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Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.V.
Linder Höhe, 51147 Köln
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Fraunhofer IEE

Jochen Bard

Fraunhofer IEE
Fraunhofer-Institut für Energiewirtschaft und Energiesystemtechnik
Joseph-Beuys-Straße 8, 34117 Kassel
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Fraunhofer ISE

Dr. Tom Smolinka

Wasserstofferzeugung durch Wasserelektrolyse
Fraunhofer ISE
Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme (ISE)
Heidenhofstr. 2, 79110 Freiburg
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HZB

Prof. Dr. Roel van de Krol

Solare Brennstoffe
HZB
Helmholtz-Zentrum Berlin für Materialien und Energie
Hahn-Meitner-Platz 1, 14109 Berlin
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HZB

Prof. Dr. Sebastian Fiechter

HZB
Helmholtz-Zentrum Berlin für Materialien und Energie
Hahn-Meitner-Platz 1, 14109 Berlin
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ISFH

Dr. Rolf Reineke-Koch

Beschichtungen
ISFH
Institut für Solarenergieforschung GmbH
Am Ohrberg 1, 31860 Emmerthal
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ISFH

Dr. Raphael Niepelt

ISFH
Institut für Solarenergieforschung GmbH
Am Ohrberg 1, 31860 Emmerthal
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Dr. Bodo Groß

IZES
Institut für ZukunftsEnergie- und Stoffstromsysteme gGmbH
Altenkesseler Straße 17, Geb. A1, 66115 Saarbrücken
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Jülich
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Jülich

Prof. Dr. Karl Mayrhofer

Elektrokatalyse
Jülich
Forschungszentrum Jülich GmbH
Wilhelm-Johnen-Straße, 52428 Jülich
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Jülich

Prof. Dr.-Ing. Jochen Linßen

Jülich
Forschungszentrum Jülich GmbH
Wilhelm-Johnen-Straße, 52428 Jülich
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Jülich

Dr.-Ing. Martin Müller

Jülich
Forschungszentrum Jülich GmbH
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Jülich

Dr.-Ing. Ernst-Arndt Reinecke

Wasserstoff-Sicherheit
Jülich
Forschungszentrum Jülich GmbH
Wilhelm-Johnen-Straße, 52428 Jülich
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Jülich

Prof. Dr.-Ing. Ralf Peters

Zukünftige Kraftstoffe
Jülich
Forschungszentrum Jülich GmbH
Wilhelm-Johnen-Straße, 52428 Jülich
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Jülich

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Jülich
Forschungszentrum Jülich GmbH
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Jülich

Prof. Dr. Rüdiger-A. Eichel

Jülich
Forschungszentrum Jülich GmbH
Wilhelm-Johnen-Straße, 52428 Jülich
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KIT

Dr. Thomas Jordan

KIT
Karlsruher Institut für Technologie
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UFZ
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UFZ

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UFZ
Helmholtz-Zentrum für Umweltforschung
Permoserstraße 15, 04318 Leipzig
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UFZ

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Helmholtz-Zentrum für Umweltforschung
Permoserstraße 15, 04318 Leipzig
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Wuppertal Institut
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Wuppertal Institut

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Wuppertal Institut
Wuppertal Institut für Klima, Umwelt, Energie gGmbH
Döppersberg 19, 42103 Wuppertal
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Systemanalyse
Wuppertal Institut
Wuppertal Institut für Klima, Umwelt, Energie gGmbH
Döppersberg 19, 42103 Wuppertal
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Biokraftstoffe, Biomasse; Erneuerbare Kraftstoffe
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Wuppertal Institut für Klima, Umwelt, Energie gGmbH
Döppersberg 19, 42103 Wuppertal
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Maximilian Möckl

ZAE Bayern
Bayerisches Zentrum für Angewandte Energieforschung e.V.
Magdalene-Schoch-Straße 3, 97074 Würzburg
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ZAE Bayern

Dr. Matthias Rzepka

ZAE Bayern
Bayerisches Zentrum für Angewandte Energieforschung e.V.
Magdalene-Schoch-Straße 3, 97074 Würzburg
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Dr. Michael Specht

Strom, Kraftstoffe
ZSW
Zentrum für Sonnenenergie- und Wasserstoff-Forschung Baden-Württemberg
Meitnerstraße 1, 70563 Stuttgart
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