H2Giga

Wie das Leitprojekt H2Giga Elektrolyseure zur Wasserstoff-Herstellung in die Serienfertigung bringen will

Um Deutschlands Bedarf an Grünem Wasserstoff decken zu können, braucht es große Kapazitäten an leistungsfähigen, kostengünstigen Elektrolyseuren. Zwar sind bereits heute leistungsfähige Elektrolyseure am Markt – allerdings erfolgt ihre Herstellung noch immer größtenteils in Handarbeit. Das Leitprojekt H2Giga wird daher die serienmäßige Herstellung von Elektrolyseuren unterstützen.

Das Bild zeigt Elektrolyseure auf einem Laufband in einer Fabrik. 
Grafik: Projektträger Jülich im Auftrag des BMBF

Wie hoch genau Deutschlands Bedarf an Grünem Wasserstoff zukünftig sein wird, ist derzeit noch nicht absehbar. Klar ist allerdings, dass der Bedarf mehrere Hundertmillionen Tonnen Wasserstoff jährlich betragen wird. Ziel der Nationalen Wasserstoffstrategie ist der Aufbau von möglichst 5 Gigawatt Elektrolyse-Kapazität bis 2030 allein in Deutschland.

Dafür braucht es effiziente, langlebige, robuste, günstige und skalierbare Elektrolyseure. Zwar sind bereits heute große Elektrolyseure auf dem Markt, die effizient und über lange Zeiträume arbeiten, allerdings erfolgt ihre Herstellung noch immer größtenteils in Handarbeit. Das ist zeitaufwändig, kostenintensiv und fehleranfällig. Was es da braucht, ist die serienmäßige Herstellung von Elektrolyseuren, die modular an ihre jeweiligen Einsatzorte angepasst werden können. In Serie hergestellte Elektrolyseure sind zudem notwendig, um Grünen Wasserstoff wettbewerbsfähig zu machen.

Was ist Elektrolyse?

Elektrolyse bezeichnet eine chemische Reaktion, bei der ein Ausgangsstoff mit Hilfe von elektrischem Strom in höherwertige energetische (also chemisch wertvollere) Bausteine gespalten wird. Beispielsweise liefert die Elektrolyse von Wasser neben Sauerstoff den Energieträger Wasserstoff.

Das Leitprojekt H2Giga verschreibt sich daher der Entwicklung serieller Produktion von Elektrolyseuren – und das technologieoffen. Gemeinsam bringen etablierte Elektrolyseur-Hersteller, Zulieferer aus verschiedenen Technologiebereichen, darunter viele mittelständische und kleine Unternehmen, sowie Forschungseinrichtungen und Universitäten bestehende Elektrolyse-Technologien weiter voran. Folgende Technologien sollen anschließend reif für’s Fließband sein:

  • Die PEM-Elektrolyse (PEM = Proton Exchange Membrane, zu Deutsch: Protonenleitende-Membran-Elektrolyse).
  • Die alkalische Elektrolyse (AEL).
  • Die Hochtemperatur-Elektrolyse (HTEL).

Forschungsseitig soll zudem die Elektrolyse mit anionenleitender Membran (AEM) weiterentwickelt werden.

All diesen Verfahren ist gemein, dass sie Wasser mithilfe von erneuerbarem Strom in Wasserstoff und Sauerstoff auftrennen – der Unterschied der Verfahren liegt in der Art, wie genau das geschieht.

Dabei sind die verschiedenen Elektrolyseur-Typen jeweils für spezielle Einsatzgebiete besonders geeignet. Deshalb wird die Entwicklung und Skalierung der einzelnen Technologien mit den Branchen abgestimmt, in denen sie anschließend zum Einsatz kommen. Zudem soll das Leitprojekt einen ständigen Austausch zwischen Wirtschaft und Wissenschaft gewährleisten, wobei die Wirtschaft ihre Bedarfe und Wissenslücken an die Wissenschaft kommuniziert.

So sollen zeitnah effiziente Produktionsverfahren entwickelt werden, die auch Aspekte wie Recycling und einen flexiblen Betrieb berücksichtigen. Flexibel bedeutet, dass Elektrolyseure möglichst schnell an- und ausgeschaltet werden können und dass sie auf unterschiedlichen Leistungsniveaus gefahren werden können.

Ein Innovationspool soll zudem garantieren, dass H2Giga seine Innovationsfähigkeit auch mit Blick auf die Zukunft nicht verliert. Des Weiteren wird das Leitprojekt für Ausbildung sowie Weiterbildung sorgen und somit auch zukünftig eine Vielzahl an Arbeitsplätzen schaffen.

 

Das sind die H2Giga-Projekte

H2Giga umfasst zahlreiche Projekte zum Thema Scale-up. Darin wollen Elektrolyseurhersteller etablierte Elektrolyse-Verfahren bereit fürs Fließband machen (PEM-Elektrolyse, alkalische Wasserelektrolyse, Hochtemperatur-Elektrolyse). Heute ist die Herstellung von Elektrolyseuren meist Handarbeit. Die Scale-up-Projekte wollen das ändern. Die Herausforderungen reichen dabei von den verwendeten Materialien über die Hochskalierung bis zu Technologien für die Fertigung der Elektrolyseure. An diesen Fragestellungen arbeiten Industrie und Forschung gemeinsam, um eine automatisierte Fertigung von Elektrolyseuren im Gigawatt-Maßstab zu realisieren.

Einige Arten von Elektrolyseuren sind heute bereits so weit entwickelt, dass sie in Serienproduktion gehen könnten. Dabei gibt es weitere Elektrolyse-Verfahren, die ebenfalls vielversprechend sind. Manche kommen ganz ohne Edelmetalle aus, andere sind hoch effizient. Deswegen widmen sich drei H2Giga-Projekte im Next Generation Scale-up den Technologien von morgen und übermorgen. Ziel ist es, neue Verfahren weiterzuentwickeln und im größeren Maßstab zu testen. Zudem erarbeiten die Partner in diesem Bereich neue Designs verschiedener Elektrolyseur-Komponenten, um künftig Herstellungskosten zu reduzieren und die serielle Fertigung zu vereinfachen.

Der wissenschaftsnahe Innovationspool untersucht und entwickelt übergreifende Verfahren, Technologien und Komponenten rund um die Elektrolyse. Insbesondere die Prüfung von neuen Materialien und Fertigungstechnologien steht im Fokus. Ebenso Fragen zu Lebensdauer, Recyclingfähigkeit und Automatisierungsmöglichkeiten. Zudem kann die Wirtschaft über den Innovationspool Forschungsbedarfe und Wissenslücken an die Wissenschaft kommunizieren. So wird gewährleistet, dass das Leitprojekt seine Innovationsfähigkeit behält.

Die Leitprojekte

Die Grafik zeigt Elemente aus jedem Wasserstoff-Leitprojekt: Zur Serienfertigung von Elektrolyseuren, zum Transport von Wasserstoff und zur Wasserstoffproduktion auf See.
Grafik: PtJ im Auftrag des BMBF

Wie die Wasserstoff-​Leitprojekte Deutschlands Einstieg in die Wasserstoffwirtschaft unterstützen

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H2Mare

Die Grafik zeigt ein Windrad im Meer, dass via Elektrolyse Wasserstoff herstellt. Ein PtX-Container daneben produziert auch PtX-Produkte.
Grafik: PtJ im Auftrag des BMBF

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TransHyDE

Die Grafik zeigt verschiedene Arten des Wasserstofftransports: via Behälter, Flüssig, gebunden an LOHC und via Gasleitung.
Grafik: PtJ im Auftrag des BMBF

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