Wasserstoff bei PtJ

Baustein der Energiewende

Wasserstoff gilt als einer der wichtigsten Schlüsselfaktoren für die Energiewende. Die 2020 verabschiedete Nationale Wasserstoffstrategie gibt dafür einen einheitlichen Handlungsrahmen vor − insbesondere für die Erzeugung, den Transport, die Nutzung und die Weiterverarbeitung von Wasserstoff. Die Umsetzung der Nationalen Wasserstoffstrategie wird vom Nationalen Wasserstoffrat und von der Leitstelle Wasserstoff, in der auch der Projektträger Jülich (PtJ) vertreten ist, begleitet.

Wesentliches Instrument für die Umsetzung der Nationalen Wasserstoffstrategie ist die Projektförderung. PtJ setzt für die Bundesregierung zentrale Programme um, darunter das 7. Energieforschungsprogramm und weitere neu aufgelegte Programme. Dazu zählt die Förderung von nationalen und europäischen Wasserstoffprojekten im Rahmen des europäischen Instruments der Important Projects of Common European Interest (IPCEI); es erlaubt den beteiligten europäischen Mitgliedstaaten Investitionen in den Aufbau integrierter strategischer Wertschöpfungsketten in der Wasserstoffwirtschaft. Ziel sind Investitionen in die Erzeugung von grünem Wasserstoff, in die Wasserstoffinfrastruktur und die Nutzung von Wasserstoff in der Industrie und für die Mobilität.

Neben diesen Programmen im Auftrag des Bundesministeriums für Wirtschaft und Klimaschutz (BMWK) betreut PtJ für das Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) die Wasserstoff-Leitprojekte sowie Vorhaben der Grundlagenforschung zu grünem Wasserstoff.

2021 hat sich PtJ erfolgreich auf die Projektträgerschaften der genannten Programme beworben und setzt die Aufträge für das BMWK im Geschäftsfeld Energie und Klima, die Aufträge für das BMBF im Geschäftsfeld Nachhaltige Entwicklung und Innovation um.

Den Markthochlauf neuer Mobilitätskonzepte begleitet PtJ im Rahmen des Nationalen Innovationsprogramms Wasserstoff- und Brennstofftechnologien (NIP). PtJ betreut dieses Programm im Auftrag des Bundesministeriums für Digitales und Verkehr (BMDV) seit 2007 und konnte die Projektträgerschaft dazu Ende 2021 erfolgreich wiedereinwerben. Das NIP umfasst Fördermaßnahmen im Bereich der Marktvorbereitung entsprechender Technologien im Rahmen geltender Richtlinien für Forschung, Entwicklung und Innovation.

PtJ setzt zudem die Förderung von internationalen Wasserstoffprojekten zum Aufbau eines globalen Marktes für grünen Wasserstoff bzw. von Handelsbeziehungen mit potenziellen Exporteuren von grünem Wasserstoff und seinen Derivaten um.

Mit den Forschungsnetzwerken Energie hat die Bundesregierung ein offenes Expertenforum geschaffen, in dem Vertreterinnen und Vertreter aus Wirtschaft und Wissenschaft sowie Multiplikatoren der Energiewende Impulse für die Energieforschungsförderung geben. PtJ moderiert die neun Forschungsnetzwerke Energie zu Bioenergie, Gebäude und Quartiere, Erneuerbare Energien, flexible Energieumwandlung, Industrie und Gewerbe, Stromnetze, Start-ups, Systemanalyse sowie Wasserstoff.

Länderebene


Landesförderung NRW

Im Förderprogramm für rationelle Energieverwendung, regenerative Energien und Energiesparen (progres.nrw) bündelt das Land Nordrhein-Westfalen den Großteil seiner klima- und energiepolitischen Förderaktivitäten. Der Programmbereich „progres.nrw – Innovation“ hat zum Ziel, anwendungsorientierte wissenschaftliche und technologische Grundlagen für die Bewältigung der Zukunftsaufgaben im Themenbereich Energie in nordrhein-westfälischen Unternehmen und Forschungseinrichtungen zu schaffen und so die energie- und klimapolitischen Ziele des Landes zu unterstützen sowie einen Beitrag zur Umsetzung des Gesetzes zur Förderung des Klimaschutzes zu leisten. Zudem ist die Richtlinie ein Baustein der Forschung für nachhaltige Entwicklung auf den entsprechenden Feldern der großen gesellschaftlichen Herausforderungen, die in der Forschungs-strategie Fortschritt NRW benannt werden.

Mit Förderung des Landes NRW werden auch einige Projekte zum Thema Wasserstoff unterstützt. Beispielsweise HyGlass: Wasserstoffnutzung in der Glasindustrie, eine Möglichkeit der Dekarbonisierung,ELEFACT: Maschinenblueprints für die AEM-Massenfertigung, H2 in der Ziegelindustrie: Energieeffizienz und Emissionsreduzierung – Einsatz von Wasserstoff in der ZiegelindustrieundH2-Campus Hüttenheim: Entwicklung eines Forschungscampus Wasserstoff in Duisburg Hüttenheim und Weiterentwicklung von Forschungskapazitäten für Wasserstoffanwendungen in NRW.

Mittelstand Innovativ & Digital (MID)

Mit dem Förderprogramm Mittelstand Innovativ & Digital (MID) stärkt das Ministerium für Wirtschaft, Industrie, Klimaschutz und Energie des Landes Nordrhein-Westfalen (MWIKE) kleine und mittlere Unternehmen darin, ihre Produkte, Dienstleistungen und Produktionsverfahren digital weiterzuentwickeln.

Im Rahmen des Teilprogramms MID-Assistenz entwickelte ein Automobilzulieferer beispielsweise neue Produkte, die zur Befüllung von Wasserstofffahrzeugen benötigt werden. Auf diese Weise wird der praktische Einsatz neuer Antriebstechnologien unterstützt.

Operationelles Programm NRW 2014-2020 für den Europäischen Fonds für Regionale Entwicklung „Investitionen in Wachstum und Beschäftigung“ (OP EFRE NRW)

Ziel des OP EFRE NRW 2014-2020 ist intelligentes, nachhaltiges und integratives Wachstum sowie wirtschaftlicher, sozialer und territorialer Zusammenhalt. Zur Unterstützung innovativer Forschung- und Entwicklungsaktivitäten wurden in diesem Zusammenhang verschiedene Leitmarkt- und Klimaschutzwettbewerbe durchgeführt, unter denen in den folgenden auch ein wichtiger Beitrag zum Themenbereich Wasserstoff geleistet wird:

Leitmarktwettbewerb EnergieUmweltwirtschaft.NRW

Mit dem Leitmarktwettbewerb EnergieUmweltwirtschaft.NRW verfolgt das Land Nordrhein-Westfalen das Ziel, den Standort NRW für eine moderne Energiewirtschaft sowie für Effizienz- und Umwelttechnologien zu stärken, aber auch die entsprechenden Forschungspotentiale auszubauen. Ziel ist es, eine leistungsfähige heimische Klimaschutz- und Umweltwirtschaft zu unterstützen. Im Fokus der Förderung stehen Forschungs- und Entwicklungsprojekte aus verschiedenen Themenbereichen, unter anderem zum Thema Wasserstoff die Projekte H2Loop: Quasi-geschlossene Heliostatenfeld-Regelung eines Multi-Kammer-Reaktors zur solaren Wasserstofferzeugung, HyHeatStore: Entwicklung und Demonstrationsbetrieb eines anwendungsnahen, wasserstoffbasierten Hochtemperatur-Wärmespeichersystems und NH3toH2: Hocheffiziente Wasserstofferzeugung aus Ammoniak als kohlenstofffreier Energiespeicher.

Leitmarktwettbewerb MobilitätLogistik.NRW

Der Leitmarktwettbewerb MobiltätLogistik.NRW adressiert Innovationen in den Bereichen Mobilität und Logistik, zwei in NRW besonders starke Branchen. Digitale Lösungsansätze im Bereich Mobilität und Logistik leisten dabei einen wichtigen Beitrag, das Megathema der Digitalisierung von Wirtschaft, Wissenschaft und Gesellschaft voranzutreiben.

Im Vordergrund steht die Förderung kleiner und mittlerer Unternehmen. Der Wettbewerb zielt auf die Ermöglichung nachhaltiger, effizienter Mobilität von Menschen und Gütern. Projektvorschläge müssen sich dabei einer der beiden thematischen Säulen des Wettbewerbs zuordnen lassen: Innovation für Mobilität und Automotive oder Innovative Logistik.

Das Wasserstoff-Projekt FlyGo beschäftigt sich mit Brennstoffzellenunterstützter-Mobilität für umweltfreundliche Fahrzeuge und Fluggeräte.

Klimaschutzwettbewerb EnergieSystemWandel.NRW

Im Rahmen des OP EFRE NRW 2014-2020 startete im April 2018 der neue Klimaschutzwettbewerb EnergieSystemWandel.NRW. Gegenstand des Wettbewerbs sind Vorhaben, die durch innovative Technologien zur Verringerung der CO2-Emissionen in verschiedenen Sektoren der Energiesysteme und in verschiedenen wirtschaftlichen und gesellschaftlichen Bereichen beitragen.

Mit dieser Fördermaßnahme als übergreifendem Dachwettbewerb zu den bisherigen Themen der Klimaschutzwettbewerbe wird die Marke „Klimaschutzwettbewerbe“ fortgeführt, gleichzeitig werden aber Inhalt und Struktur weiterentwickelt, um die Attraktivität des Förderangebots zu steigern. Aspekte der Digitalisierung der Energiewende sowie der Ausbau der Elektromobilität finden dabei stärkere Beachtung. In diesem Zusammenhang werden auch einige Wasserstoff-Projekte, z. B. Hydra15: Entwicklung einer Demonstrationsanlage zur Langzeituntersuchung einer modularen 15 Nm³/h PEM-Hochdruck-Elektrolyse auf Basis der hydraulischen Verpressung, PtG-MSE: Power to Gas-Modellvorhaben für sektorübergreifende Energiesysteme sowie ASTOR_ST: Automatisierung Solar-Thermochemischer Kreisprozesse zur Reduzierung von Wasserstoffgestehungskosten auf einem Solar-Turm gefördert.

 

Nationale Ebene


Nationale Wasserstoffstrategie

Die Bundesregierung hat mit der Nationalen Wasserstoffstrategie den Fahrplan für den Markthochlauf einer Wasserstoff-Wirtschaft vorgelegt. Im Aktionsplan sind 38 Maßnahmen definiert, mit denen eine schnelle und zielgerichtete Umsetzung der Strategie gewährleistet werden soll.

Nationales Innovationsprogramm Wasserstoff- und Brennstoffzellentechnologie (NIP)

Das Nationale Innovationsprogramm Wasserstoff- und Brennstoffzellentechnologie (NIP) soll Technologien für den Markt vorbereiten und eine international wettbewerbsfähige Industriebranche in Deutschland schaffen. In der zweiten Phase des Programms (NIP 2) soll die Wasserstoff- und Brennstoffzellentechnologie bis 2026 wettbewerbsfähig im Verkehrssektor und im Energiemarkt etabliert sein.

Beteiligt sind neben dem Bundesministerium für Digitales und Verkehr (BMDV) auch die Bundesministerien für Wirtschaft und Klimaschutz (BMWK), für Bildung und Forschung (BMBF) sowie für Umwelt, Naturschutz, nukleare Sicherheit und Verbraucherschutz (BMUV).

Die BMWK-Förderaktivitäten für Wasserstoff- und Brennstoffzellen-Technologien des 7. Energieforschungsprogramms sind ebenfalls Teil des NIP.

Ideenwettbewerb Wasserstoffrepublik Deutschland

Im Juni 2020 hat das Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) den Ideenwettbewerb „Wasserstoffrepublik Deutschland“ gestartet. Ausgeschrieben waren Ideen für die Wasserstoff-Leitprojekte und Ideen zu Projekten der Wasserstoff-Grundlagenforschung. Im März 2021 sind die ersten 16 Projekte der Wasserstoff-Grundlagenforschung gestartet. Während in den Leitprojekten zentrale Herausforderungen der Wasserstoffwirtschaft der kommenden Jahre im Mittelpunkt stehen, adressieren die Grundlagenforschungsprojekte die nächste und die übernächste Technologiegeneration. Sie sollen dazu beitragen, Antworten auf grundlegende Fragen der Wasserstoffwirtschaft zu finden und so die wissenschaftliche Basis für neue Produkte und Anwendungen legen. Mehr als 100 weitere Projektideen wurden für eine zweite Förderrunde begutachtet, 17 davon wurden ausgewählt und bewilligt. Die ersten Projekte sind bereits gestartet. Im Rahmen einer dritten und vierten Begutachtungsrunde wurden weitere 160 Projektideen eingereicht, welche sich derzeit im Begutachtungsprozess befinden. Die Einreichungsfrist der vierten Runde endete im März 2022, neue Einreichungen sind derzeit nicht mehr möglich.

Wasserstoff-Leitprojekte

Die Wasserstoff-Leitprojekte bilden eine der größten Forschungsinitiativen des Bundesministeriums für Bildung und Forschung (BMBF) zum Thema Energiewende. In den industriegeführten Leitprojekten entwickeln Wirtschaft und Wissenschaft gemeinsam Lösungen, um Hürden auszuräumen, die eine deutsche Wasserstoffwirtschaft noch behindern:

  1. Die Serienfertigung von großskaligen Elektrolyseuren (H2Giga).
  2. Die Erzeugung von Wasserstoff auf See (H2Mare).
  3. Technologien für die Speicherung und den Transport von Wasserstoff (TransHyDE).
  4. Werkzeug zur Erstellung einer Roadmap für eine deutsche Wasserstoffwirtschaft (H2-Kompass).

Die Leitprojekte haben im April 2021 mit ihrer Arbeit begonnen.

H2Giga – Serienfertigung von Elektrolyseuren

Das Leitprojekt H2Giga will die serielle Produktion von großskaligen Elektrolyseuren ermöglichen. Denn um Deutschlands Bedarf an grünem Wasserstoff decken zu können, braucht es große Kapazitäten an effizienten, robusten und kostengünstigen Elektrolyseuren. Zwar sind heute bereits leistungsfähige Elektrolyseure am Markt – allerdings erfolgt ihre Herstellung noch immer größtenteils in Handarbeit. Das ist zeitaufwändig und kostenintensiv. Daher machen im Leitprojekt H2Giga etablierte Elektrolyseurhersteller, Zulieferer und Forschungseinrichtungen drei bestehende Elektrolyse-Technologien bereit fürs Fließband und für die Hochskalierung: die PEM-Elektrolyse (PEM = Proton Exchange Membrane = protonenleitende Membran), die alkalische Elektrolyse (AEL) und die Hochtemperatur-Elektrolyse (HTEL). Forschungsseitig soll zudem auch die edelmetallfreie und hocheffiziente Elektrolyse mit anionenleitender Membran (AEM) weiterentwickelt werden.

H2Mare – Offshore-Produktion von Grünem Wasserstoff

Das Leitprojekt H2Mare will erforschen, wie ohne Netzanschluss und mithilfe von Offshore-Anlagen grüner Wasserstoff auf hoher See erzeugt werden kann. Zudem testet es die offshore Herstellung von Wasserstoff-Folgeprodukten via Power-to-X-Prozessen. Die Produktion von grünem Wasserstoff auf See ohne Anschluss an das örtliche Stromnetz hat den Vorteil, dass Windräder offshore mehr und regelmäßiger Strom erzeugen als onshore. Zudem könnte die direkte Kopplung von Windrad und Elektrolyseur Wasserstoff-Produktionskosten sparen und das lokale Stromnetz entlasten. Neben der offshore Wasserstoff-Erzeugung will H2Mare die offshore Herstellung der Power-to-X-Produkte Methan, Methanol, Ammoniak und Fischer-Tropsch-Produkten erforschen. Dazu treibt das Projekt auch die Forschung zur Meerwasserelektrolyse, zur Hochtemperaturelektrolyse sowie zur Gewinnung von CO2 und Stickstoff aus der Luft und dem Meer voran. Zusätzlich sollen Antworten auf offene Fragen zu Sicherheit und möglichen Umweltauswirkungen erarbeitet werden, ebenso Lebenszyklusanalysen und Technologiebewertungen.

TransHyDE – Transporttechnologieentwicklung für Grünen Wasserstoff

Das Leitprojekt TransHyDE bewertet und testet Wasserstoff-Transportlösungen. Denn ohne eine geeignete Infrastruktur kann eine Wasserstoffwirtschaft nicht funktionieren. Bisher ist allerdings noch unklar, welche Speicher- und welche Transport-Lösung am besten wo in welchem Umfang eingesetzt werden wird. TransHyDE treibt daher in Demonstrations-Projekten vier Transporttechnologien weiter voran: (1) den Wasserstofftransport in Hochdruckbehältern, (2) den Wasserstoff-Transport in bestehenden und neuen Gasleitungen sowie den Transport von (3) in Ammoniak oder (4) dem Trägermedium LOHC gebundenem Wasserstoff.

Zusätzlich dazu widmet sich das Projekt dem Wasserstoff-Transport in fünf wissenschaftlichen Projekten und schafft damit den systemischen Rahmen. Die wissenschaftlichen Projekte befassen sich mit (1) der Erstellung einer Roadmap, wie eine umfassende Wasserstoff-Infrastruktur zukünftig aussehen könnte, (2) der Erarbeitung möglicher Standards, Normen und Sicherheitsvorschriften von Wasserstoff-Transporttechnologien, (3) der Sicherheit von Wasserstoff-Transport-Technologien (Materialien, Werkstoffe und Sensorik), (4) der effizienten Lösung von Wasserstoff aus Ammoniak und (5) dem Wasserstoff-Flüssig-Transport.

H2-Kompass

Das ressortübergreifende Projekt H2-Kompass widmet sich der übergeordneten Aufgabe, eine daten- und faktenbasierte Grundlage für die Erarbeitung einer Wasserstoff-Roadmap zu liefern. Das Projekt erstellt und bewertet dazu Handlungsoptionen und Anwendungsszenarien im Bereich Wasserstoff. Mit Hilfe eines breit angelegten partizipativen Prozesses werden alle Dimensionen einer künftigen Wasserstoffwirtschaft adressiert. Ziel ist es, die Innovationsschritte und Handlungsbedarfe transparent zu machen und zu zeigen, mit welchen Wasserstoff-Innovationen Deutschland zum Vorreiter einer wettbewerbsstarken und klimaneutralen Industrie werden kann. Das Vorhaben ist dazu eng mit wichtigen Stakeholdern und Entscheidungsträgern vernetzt, insbesondere mit dem Nationalen Wasserstofftrat und den Forschungsnetzwerk Wasserstoff. H2-Kompass wird gemeinsam von BMBF und Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz (BMWK) im Rahmen des 7. Energieforschungsprogramms gefördert.

7. Energieforschungsprogramm

Das 7. Energieforschungsprogramm von 2018 definiert die Ziele, Leitlinien und Schwerpunkte für die Forschungsförderung und Innovationspolitik im Energiebereich. Die Energieforschung ist ein strategisches Element der Energiepolitik der Bundesregierung. Die Bundesministerien für Wirtschaft und Klimaschutz (BMWK), für Bildung und Forschung (BMBF) sowie für Ernährung und Landwirtschaft (BMEL) fördern darüber Projekte, die dazu beitragen, die energiepolitischen Ziele zu erreichen. Dabei wird nicht nur die Wissenschaft gefördert, sondern über Verbundprojekte auch eine starke Partnerschaft zwischen Wirtschaft und Wissenschaft erzielt. Auch die sogenannten Reallabore der Energiewende spielen eine wichtige Rolle. Außerdem werden technologieübergreifende Querschnittsthemen adressiert, denn es ist notwendig, dass das Energiesystem gesamtgesellschaftlich umgestaltet wird. Jährlich informiert der Bundesbericht Energieforschung über den Fortschritt des Programms.

Reallabore der Energiewende

Im Rahmen der Vorhaben dieses Förderformats testen Fachleute die praktische Anwendung innovativer Technologien unter realen Bedingungen und im industriellen Maßstab. Das geschieht zum Beispiel in konkreten Quartieren, Städten oder Regionen, für die das systemische Zusammenspiel von Energiebereitstellung und -bedarf untersucht wird. Ihren Ursprung haben die Reallabore der Energiewende im 7. Energieforschungsprogramm. Mit dieser Förderung schließt das Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz (BMWK) die Lücke zwischen anwendungsnaher Forschung und breiter Umsetzung. Dieses Angebot richtet sich insbesondere an Akteure aus der Energiewirtschaft, der energieintensiven Industrie und der Wohnungswirtschaft. Zu Wasserstofftechnologien und zur Sektorkopplung wird im Rahmen der Reallabore der Energiewende ebenfalls breit geforscht.

Technologieoffensive Wasserstoff (TOW)

Das Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz (BMWK) fördert mit dem Förderaufruf Technologieoffensive Wasserstoff (TOW) Forschungs- und Entwicklungsprojekte im Bereich Wasserstoff. Dabei sollen alle Aspekte, wie Erzeugung, Transport, Speicherung, Nutzung, Weiterverwendung, aber auch die Integration der Wasserstoffinfrastruktur, abgedeckt werden. Denn auch techno-ökonomische und gesellschaftliche Fragestellungen müssen untersucht werden. Die Technologieoffensive Wasserstoff ist Teil der Nationalen Wasserstoffstrategie (NWS). Ziel ist es, das Potenzial von grünem Wasserstoff zur Dekarbonisierung zu heben – besonders im Industriesektor.

Existenzgründungen aus der Wissenschaft (EXIST)

Mit den Programmsäulen EXIST-Gründerstipendium und EXIST-Forschungstransfer unterstützt das Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz (BMWK) Hochschulabsolventinnen, -absolventen, Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler sowie Studierende bei der Vorbereitung ihrer technologieorientierten und wissensbasierten Existenzgründungen. Darüber hinaus fördert EXIST seit 1998 in Wettbewerben eine lebendige und nachhaltige Gründungskultur an öffentlichen und privaten Hochschulen, aktuell mit der Programmsäule EXIST Potentiale. Die aus dem Programm resultierenden Unternehmensgründungen adressieren im Einzelfall ebenfalls Themen im Bereich der Wasserstofftechnologie, beispielsweise die Verbesserung der Kosteneffizienz von Brennstoffzellen und Elektrolyseuren.

Maritimes Forschungsprogramm

Das Maritime Forschungsprogramm des Bundesministeriums für Wirtschaft und Klimaschutz (BMWK) unterstützt die deutsche maritime Wirtschaft bei der technologischen Weiterentwicklung und internationalen Wettbewerbsfähigkeit. Im Rahmen des Förderschwerpunktes MARITIME.green werden innovative Technologien zu den Themen alternative Kraftstoffe, Energiesysteme, Emissionsreduktion sowie Effizienzerhöhung entwickelt. Beispiele aus diesen Technologiefeldern sind Untersuchungen zu Ammoniak, Methanol und Wasserstoff als zukünftige maritime Kraftstoffe, Innovative Energiemanagementsysteme sowie batterie- und brennstoffzellenbasierte Energiesysteme.

Kopernikus-Projekt P2X – Power-to-X-Technologien

Die Kopernikus-Projekte bilden eine der größten deutschen Forschungsinitiativen zum Thema Energiewende. Ihr Ziel ist eine saubere, sichere und bezahlbare Stromversorgung. In allen Projekten arbeiten Vertreter aus Wirtschaft, Wissenschaft und Zivilgesellschaft zusammen. Über zehn Jahre entwickeln sie klimafreundliche Lösungen bis zur Anwendbarkeit im industriellen Maßstab.

Das Kopernikus-Projekt P2X untersucht Power-to-X-Technologien. In der zweiten Förderphase rückt das Projekt dabei zwei Ausgangsstoffe besonders in den Fokus: Grünen Wasserstoff und Synthesegas. Synthesegas ist ein Gemisch aus Wasserstoff und Kohlenmonoxid.

Wasserstoff: Woran P2X forscht

• P2X versucht, den Bedarf an teurem und seltenem Iridium in PEM-Elektrolyseuren zu minimieren.

• P2X untersucht, wie Wasserstoff und CO2 in Grundstoffe umgewandelt werden können, die die Chemieindustrie dringend benötigt und Erdöl als Rohstoff ersetzen können.

• P2X entwickelt Konzepte für den optimalen Betrieb von Wasserstoff-Tankstellen.

• P2X testet, wie Wasserstoff in der Glasindustrie als Heizgas verwendet werden kann.

• P2X untersucht den effizienten Transport von Wasserstoff mit LOHC.

Synthesegas und Folgeprodukte: Woran P2X forscht

• Im Bereich Synthesegas forscht P2X vor allem an Möglichkeiten, Gas-Gemische effizienter herzustellen. Solche Gase können eine Schlüsselrolle in der Verkehrswende spielen. Bisher ist nicht abzusehen, dass alle LKWs, Schiffe und Flugzeuge ausschließlich batterie-elektrisch oder direkt mit Wasserstoff betrieben werden können. Aus Synthesegas lassen sich Kraftstoffe synthetisieren. Solche Kraftstoffe belasten die Umwelt deutlich weniger als heutige, fossile Kraftstoffe. Denn das CO2, das sie beim Verbrennen ausstoßen, wurde bei der Produktion zuvor bereits aus der Luft gezogen.

• Bis 2022 will P2X eine Anlage bauen, die jeden Tag 200 Liter synthetischen Kraftstoff herstellen kann. Die Anteile dieses synthetischen Kraftstoffs können Diesel, Benzin sowie Flugzeug-Kerosin ersetzen.

• Parallel erarbeitet P2X eine Roadmap. Sie verfolgt die Entwicklungen der verschiedenen P2X-Technologien und bewertet sie nach ökologischen, ökonomischen und sozialen Nachhaltigkeits-Kriterien. Ihre Ergebnisse fließen in die weitere Entwicklung der P2X-Technologien mit ein.

Das Vorhaben hat für die mögliche dritte und letzte Projektphase Vorschläge für Demonstrationsvorhaben ausgearbeitet, die vom Kopernikus-Beirat evaluiert wurden. Dabei stehen die Herstellung von klimaneutralen Flugtreibstoffen und Polymeren im Vordergrund.

Carbon2Chem

In Carbon2Chem sollen bei der Stahlerzeugung anfallende Hüttengase durch die branchenübergreifende Zusammenarbeit von Stahl-, Chemie- und Energieindustrie in wirtschaftlich verwertbare Vorprodukte für Kraftstoffe, Kunststoffe oder Düngemittel umgewandelt werden. Der jährliche CO2-Ausstoß der deutschen Stahlindustrie soll so künftig um bis zu 20 Millionen Tonnen gesenkt werden. Zudem lässt sich das Verfahren auch auf andere Branchen übertragen, beispielsweise die Zement- und Müllverbrennungsindustrie. Carbon2Chem ist auf drei Phasen über 10 Jahre Gesamtlaufzeit angelegt und Teil des Rahmenprogramm Forschung für Nachhaltige Entwicklung (FONA) des Bundesministeriums für Bildung und Forschung (BMBF).

CAMPFIRE

Das CAMPFIRE-Bündnis wurde im Rahmen des Förderprogramms WIR! – Wandel durch Innovation in der Region des Bundesministeriums für Bildung und Forschung (BMBF) gegründet. In 2021 wurde CAMPFIRE als ein Teilprojekt in der BMBF-TransHyDE-Plattform zur umfassenden Entwicklung von Transport-Technologien für grünen Wasserstoff ausgewählt. CAMPFIRE entwickelt in enger Zusammenarbeit mit den TransHyDE-Forschungsverbünden Ammoniak als Wasserstoff-Transportlösung.

Wasserstoffquell- und Wertschöpfungsregion Main-Elbe-LINK (h2-well)

Das Bündnis Wasserstoffquell- und Wertschöpfungsregion Main-Elbe-LINK (h2-well) wird im Rahmen des Programms WIR! – Wandel durch Innovation in der Region gefördert. Das Bündnis möchte mit seinen Aktivitäten dazu beitragen, eine dezentral organisierte, grüne Wasserstoffwirtschaft aufzubauen und dabei die regionale Wertschöpfung zu steigern. So soll die Main-Elbe-Region mit Schwerpunkt in Thüringen zur Wasserstoffquell- und Wertschöpfungsregion werden. Das Bündnis hat sich zum Ziel gesetzt, die Potenziale der gesamten Wertschöpfungskette von grünem Wasserstoff aus erneuerbarer Elektrizität aufzuzeigen. h2-well deckt somit alle Stufen von der dezentralen Erzeugung und Speicherung, über die Verdichtung und den Transport von Wasserstoff bis hin zur Vor-Ort-Nutzung des Wasserstoffs in verschiedenen Bereichen (Mobilität, Wärmeversorgung, Rückverstromung) ab.

HYPOS-Projekte Zwanzig20

Das Konsortium Hydrogen Power Storage & Solutions East Germany (HYPOS) wird im Rahmen des Programms Zwanzig20 – Partnerschaft für Innovation seit 2013 vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) mit 45 Mio. Euro gefördert.

Zentrales Thema von HYPOS ist die wirtschaftliche Erzeugung von grünem Wasserstoff durch Wasserelektrolyse in großtechnischem Maßstab. Insbesondere sollen temporäre Stromüberschüsse aus Wind, Sonne und Biomasse für die Erzeugung von Wasserstoff und somit zur Speicherung der Energie genutzt werden. Hierfür sollen Stromnetz, Gasnetz, Gasspeicher und Wasserstoff-Pipelines zu einer intelligenten Infrastruktur der Stromerzeugung, Wasserstoffgewinnung und dessen Transport und Speicherung vernetzt werden.

HC-H2: Helmholtz-Cluster Wasserstoffwirtschaft im Rheinischen Revier

Das Helmholtz-Cluster für nachhaltige und infrastrukturkompatible Wasserstoffwirtschaft HC-H2 soll neue Wasserstofftechnologien entwickeln und großskaliert demonstrieren. Dabei stehen Technologien mit klarem Marktpotenzial im Mittelpunkt, die Wasserstoff wirtschaftlich speicher- und transportierbar machen. Vor allem die Entwicklung flüssiger organischer Wasserstoffträger soll dazu beitragen, eine nachhaltige Wasserstoffwirtschaft zu etablieren. Das Cluster umfasst zwei Strukturelemente: Ein H2-Innovationszentrum als Forschungseinrichtung der Helmholtz-Gemeinschaft (Standort Jülich, institutionelle Förderung) und eine H2-Demonstrationsregion als Netzwerk von Partnern aus Industrie, Wissenschaft und den Kommunen des Rheinischen Reviers (Projektförderung). Die ersten organisatorischen Startprojekte zum Aufbau der Geschäftsstelle und eines Labors sind bereits im September 2021 gestartet, ab 2022 folgen die ersten Demonstrationsvorhaben.

Leitstelle Wasserstoff

Wasserstoff hat auf dem Weg zur Klimaneutralität eine wichtige Schlüsselfunktion – ob als Energieträger oder als industrieller Rohstoff. Als Mitglied der Leitstelle Wasserstoff unterstützt der Projektträger Jülich (PtJ) die Bundesregierung bei der Umsetzung und beim Monitoring der Nationalen Wasserstoffstrategie (NWS). Die 2020 verabschiedete Strategie bildet den Handlungsrahmen für die künftige Erzeugung, den Transport, die Nutzung und die Weiterverwendung von Wasserstoff.

Begleitend zur Nationalen Wasserstoffstrategie hat die Bundesregierung den Nationalen Wasserstoffrat und die Leitstelle Wasserstoff eingerichtet. Der Wasserstoffrat handelt als unabhängiges, überparteiliches Beratungsgremium und besteht aus hochrangigen Expertinnen und Experten aus Wirtschaft, Wissenschaft und Zivilgesellschaft. Er erarbeitet unter anderem Stellungnahmen und Handlungsempfehlungen zur Weiterentwicklung der NWS. Die Leitstelle Wasserstoff unterstützt neben den Ressorts auch den Rat bei der Koordination und der Formulierung der Handlungsempfehlungen. Das Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) hat PtJ als Mitglied der Leitstelle beauftragt.

Neben PtJ sind in der Leitstelle Wasserstoff mit Sitz in Berlin die Deutsche Energie-Agentur GmbH (dena), die Nationale Organisation Wasserstoff- und Brennstoffzellentechnologie NOW GmbH und die Zukunft – Umwelt – Gesellschaft (ZUG) gGmbH vertreten. Eine weitere Durchführungsorganisation wird kurzfristig hinzukommen.

 

 

Internationale Ebene


IPCEI Wasserstoff

Important Projects of Common European Interest (deutsch: „Wichtige Vorhaben von gemeinsamem europäischen Interesse"), kurz IPCEI, fördern Wissenschaft und Industrie auf europäischer Ebene. Dabei handelt es sich um gemeinsame Investitionsanstrengungen kooperierender Unternehmen, die mittels staatlicher Förderung unterstützt werden. Das IPCEI Wasserstoff ist ins Leben gerufen worden, um die Erzeugung von grünem Wasserstoff, eine passende Wasserstoffinfrastruktur und die Nutzung des Gases im Industrie- und Verkehrssektor in Europa voranzubringen. Ziel ist es, damit einerseits einen Akzent im europäischen Binnenmarkt zu setzen und Wachstum, Beschäftigung, Innovationsfähigkeit und globale Wettbewerbsfähigkeit in ganz Europa zu stärken. Andererseits soll grüner Wasserstoff als vielversprechender erneuerbarer Energieträger dazu beitragen, die gesteckten Klimaziele zu erreichen. Im Mai 2021 fiel der Startschuss für die Realisierungsphase. 62 deutsche Großvorhaben wurden von den Bundesministerien für Wirtschaft und Klimaschutz (BMWK) und für Digitales und Verkehr (BMDV) ausgewählt. Anschließend vernetzten sich die Beteiligten der Vorhaben untereinander in ganz Europa. Gemeinsam wollen sie Innovationen in der Stahl- und Chemieindustrie sowie bei Erzeugungsanlagen entwickeln und umsetzen. Das IPCEI Wasserstoff ist das bislang größte europäische Projekt dieser Art.

IEA TCP Hydrogen

Die Internationale Energie Agentur (IEA) hat das Ziel, durch internationale Zusammenarbeit zu einem nachhaltigen, sicheren und wirtschaftlichen globalen Energiesystem beizutragen. Sie bietet eine Kooperationsplattform für Regierungen und Fachleute zu Forschung, Entwicklung und Nutzung von Energieträgern und -technologien. Denn nationale Energiesysteme sind global miteinander vernetzt. Sogenannte Technology Collaboration Programmes (TCP) sind als Technologieinitiativen das Hauptinstrument der IEA. In Deutschland liegt die Federführung für die Beteiligung an den IEA-Aktivitäten beim Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz (BMWK). Im Bereich Wasserstoff setzen sich Expertinnen und Experten im Hydrogen TCP dafür ein, die Forschung und Entwicklung von Technologien zu beschleunigen und schneller in die Anwendung zu bringen. Themenschwerpunkte sind Erzeugung, Speicherung und Integration des Gases in bestehende Infrastrukturen. Dafür analysieren Fachleute Daten und stellen ihre Erkenntnisse zu Umsetzbarkeit und Sicherheit der Politik bereit.

HySupply

Deutschland und Australien streben eine strategische Wasserstoff-Partnerschaft an. Dazu identifiziert ein deutsch-australisches Konsortium aus Wissenschaft und Wirtschaft im Rahmen der Machbarkeitsstudie HySupply bestehende regulatorische, technische und ökonomische Hemmnisse entlang der gesamten Wertschöpfungskette, die für den Aufbau einer Lieferkette überwunden werden müssen. Der deutsch-australische Austausch wird von Stakeholder-Gruppen aus beiden Ländern unterstützt. Von besonderem Interesse ist das Vorhaben für deutsche Schlüsselindustrien, die zukünftig einen großen Bedarf an erneuerbarem Wasserstoff haben werden. Daneben wird das Ziel verfolgt, deutschen Maschinen- und Anlagenbauern Technologieexporte zu ermöglichen. Das Vorhaben hat durch den regen Austausch dazu beigetragen, dass der deutsch-australische Wasserstoff-Akkord Mitte 2021 unterzeichnet wurde.

HyGATE

Die Initiative HyGATE (German-Australian Hydrogen Innovation and Technology Incubator) zielt darauf ab, eine deutsch-australische Lieferkette für grünen Wasserstoff aufzubauen. Die Zusammenarbeit im Bereich Wasserstoff-Technologien soll gestärkt, und gleichzeitig sollen Innovationsprozesse in Deutschland und Australien angeregt werden. HyGATE adressiert so zentrale Herausforderungen beim Aufbau einer globalen Wasserstoffwirtschaft. Mit der Initiative werden die zwei grundlegenden Zielstellungen der Nationalen Wasserstoffstrategie verfolgt: 1. Import von nachhaltigen Energieträgern und 2. Export von Klimaschutztechnologien „made in Germany“.

Australien hat durch die verfügbare Landfläche, hohe Sonneneinstrahlung und gute Windverhältnisse sehr großes Potenzial für die Produktion von grünem Wasserstoff. Im Juni 2021 unterzeichneten Deutschland und Australien daher eine Absichtserklärung für einen deutsch-australischen Wasserstoff-Akkord, um die Zusammenarbeit in den Bereichen Forschung und Industriekooperation zu verstärken und perspektivisch auch den Handel von Wasserstoff und seinen Derivaten zwischen beiden Ländern zu fördern. HyGATE ist eine der drei Hauptinitiativen im Rahmen dieser Absichtserklärung. Im Rahmen der im März 2022 gestarteten Initiative stehen Fördermittel in Höhe von 50 Mio. Euro (BMBF) und 50 Mio. AUD (Department of Industry, Science, Environment and Resources of Australia) zur Verfügung.

Potenzialatlas Grüner Wasserstoff in Afrika

Deutschland wird langfristig große Mengen grünen Wasserstoffs aus wind- und sonnenreichen Regionen der Welt importieren müssen. Daher bereitet die Bundesregierung derzeit globale strategische Partnerschaften, unter anderem mit den Staaten des südlichen, westlichen und östlichen Afrikas vor. Zu diesem Zweck soll der Potenzialatlas Grüner Wasserstoff für 31 afrikanische Staaten die Potenziale für die Produktion und den Export von grünem Wasserstoff untersuchen. Ziel ist die die Erstellung einer interaktiven Karte zur Darstellung von (1) verfügbaren erneuerbaren Energie- und Wasserressourcen, (2) verfügbaren Flächen für die Produktion von Grünem Wasserstoff, (3) Kosteneffizienz der Produktion von Grünem Wasserstoff, (4) lokalem Energiebedarf und Infrastruktur und (5) sozialen und gesellschaftspolitischen Bedingungen.

Förderung internationaler Wasserstoffprojekte (internationaler Markthochlauf)

Mit der Förderung internationaler Wasserstoffprojekte sollen Wasserstoffpartnerschaften im nicht europäischen Ausland aufgebaut werden. Es soll konkrete Projekte zur Erzeugung und Weiterverarbeitung von grünem Wasserstoff sowie zu Speicherung, Transport und Anwendung von Wasserstoff voranbringen. Die Förderung besteht aus einem Investitionszuschuss; es können aber auch Förderanträge für Forschungsvorhaben, Studien und Ausbildungsmaßnahmen eingereicht werden. Das Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz (BMWK) und das Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) leisten mit dieser Förderung einen zentralen Beitrag zur Umsetzung der Nationalen Wasserstoffstrategie. Ziel ist, den Einsatz deutscher Technologien im Ausland und den zeitnahen Aufbau eines globalen Markts für grünen Wasserstoff zu fördern. Außerdem sollen Strukturen für den Import vorbereitet werden. Die Stiftung H2Global unterstützt die Förderung internationaler Wasserstoffprojekte.

Zusammenarbeit mit Frankreich bei Forschung und Entwicklung

Das Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) und das französische Forschungsministerium Ministère de l`Enseignement supérieur de la Recherche et de l`Innovation (MESRI) haben im Rahmen eines französisch-deutschen Förderprogramms gemeinsam neun Energieforschungsprojekte auf den Weg gebracht. Sie sollen Lösungen für eine effiziente, bezahlbare und umweltfreundliche Energieversorgung auf der Grundlage Erneuerbarer Energien für Frankreich, Deutschland und Europa bereitstellen. Drei Projekte erforschen, wie aus erneuerbar erzeugtem Strom Gase und Chemikalien erzeugt werden können – zum Beispiel durch Nutzung des Klimagases Kohlendioxid (ARCADE, EL-Cat und CatVic). Zwei Projekte untersuchen, wie Wasserstoff-Brennstoffzellen verbessert und eine komplette Haus-Energieversorgung mit Wasserstoff aussehen könnte (BRIDGE und LivingH2).

Welche Projekte gefördert werden, haben die Forschungsministerien Deutschlands und Frankreichs auf Empfehlung eines international besetzten Gutachtergremiums entschieden.

ARCADE

Elektrolyse und grüner Wasserstoff werden in naher Zukunft eine Schlüsselrolle spielen, um Kohlendioxid-intensive industrielle Prozesse, wie die Herstellung synthetischer Chemikalien oder Kraftstoffe, zu entschärfen. Die Wasserelektrolyse kann auch dazu beitragen, die Schwankung der Erneuerbaren Energien auszugleichen. Als Zwischenschritt der Energieumwandlung ist die Verwertung der Abwärme aus CO2-intensiven Prozessen, wie der Methanol-Herstellung bei der Hochtemperaturelektrolyse, ein Schlüsselschritt, den CO2-Ausstoß zu verringern. Protonenleitende Zellen (PCC), die typischerweise zwischen 400°C und 600°C arbeiten, sind für solche Anwendungen besonders vielversprechend.

Ziel des deutsch-französischen Forschungsprojektes ARCADE ist es, eine kostengünstige und innovative metallgestützte protonenleitende Zelle zu bauen, die in erster Linie im Produktionsprozess von grünem Wasserstoff eingesetzt wird. Metallgestützte Zellen (MSC) sind als kostengünstige Architektur für Hochtemperaturzellen anerkannt. Um die Vorteile der Architektur metallgestützter Zellen mit denen der protonenleitenden Keramik zu vereinen, entwickeln die Fachleute aus Wissenschaft und Wirtschaft eine kostengünstige Technologie.

El-Cat

Im deutsch-französischen Forschungsprojekt EL-Cat wollen Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler klimaschädliches Kohlendioxid als Rohstoff nutzbar machen – indem sie es zu Kohlenmonoxid umwandeln, einem wichtigen Grundstoff der chemischen Industrie. Dazu wird ein Elektrolyseur entwickelt, der erstmalig ohne teure Platinmetalle auskommt. Er erreicht eine hohe Durchlässigkeit der Anionen-Austausch-Membran, braucht aber nur moderate Temperaturen. Im Vergleich zu bestehenden Kohlenmonoxid-Produktionsprozessen kommt es zu einer deutlichen Senkung von CO2-Emissionen. Werden für den Prozess Erneuerbare Energien genutzt, ist die Produktion des Kohlenmonoxids CO2-frei.

CatVic

Der deutsch-französische Forschungsverbund CatVIC entwickelt ein innovatives Power-to-X-System für einen chemischen Industriepark. Das System soll unvermeidliche CO2-Emissionen der energieintensiven Industrie verwerten und gleichzeitig wichtige Rohstoffe liefern, die in der chemischen Industrie wiederum dringend gebraucht werden. So will CatVic Abgase des Chemieparks mit Wasserstoff anreichern, um aus den Gasen hochwertige kohlenstoffhaltige Verbindungen wie Methanol herzustellen. Anders gesagt: CatVic produziert aus Abgasen der Chemieindustrie wichtige Rohstoffe für die Chemieindustrie.

BRIDGE

Emissionen im Verkehrssektor zu vermeiden, gehört zu den wesentlichen Bestandteilen der Energiewende. Hierbei können Polymerelektrolytmembran-Brennstoffzellen, die beispielsweise in Elektrobussen oder in Elektroautos eingesetzt werden, eine wesentliche Rolle spielen. Voraussetzung ist aber, dass der dazu benötigte Wasserstoff mit Strom aus Erneuerbaren Energien erzeugt wird. Die europäische Forschung ist in diesem Feld auf Augenhöhe mit asiatischen und amerikanischen Aktivitäten.

Um die Wettbewerbsfähigkeit auch weiterhin zu erhalten, sind weitere Anstrengungen erforderlich. Ein Erfolgsfaktor sind Elektroden aus leistungsfähigen und robusten Katalysatoren. Im deutsch-französischen Forschungsprojekt BRIDGE werden Elektroden mit modernen, nanostrukturierten Elektrokatalysatoren entwickelt, die hohe Aktivität mit exzellenten Stofftransporteigenschaften bei minimalem Edelmetallbedarf verbinden.

LivingH2

Das deutsch-französische Kooperationsprojekt Living Laboratory – Living H2 baut in Laborumgebung ein Brennstoffzellensystem in einem Wohnhaus auf. So könnte der Einsatz von Brennstoffzellen zur Erzeugung von Strom und Wärme (Kraft-Wärme-Kopplung) mit einem erheblichen Energie-Einspar-Potenzial einhergehen. Das Brennstoffzellensystem in LivingH2 fokussiert dabei den Betrieb mit reinem Wasserstoff. Teil der Forschungsfrage sind dabei die Installation und der sichere Betrieb einer leitungsnetz-basierten Wasserstoffversorgung in einer Hausumgebung mit Standardanschlüssen. Mit grünem Wasserstoff könnte das LivingH2-System zu einem umweltfreundlichen Leben beitragen.

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