Wasserstoff

Von der Wasserstofferzeugung bis zur Wasserstoffnutzung

Der Zukunftscluster-Finalist Wasserstoff möchte Akteure aus allen Bereichen der Wasserstoff-Wertschöpfungskette von Erzeugung, über Speicherung und Verteilung bis zur Nutzung in gemeinsamen Forschungs- und Entwicklungsaktivitäten verbinden. So sollen in Nordrhein-Westfalen Wasserstofftechnologien nachhaltig in die Anwendung überführt werden.

Brennstoffzellenprüfstand am VKA
Brennstoffzellenprüfstand am VKA. Quelle: © Lehrstuhl für Verbrennungsmaschinen (VKA), RWTH Aachen University

Was macht den Zukunftscluster-Finalisten aus?

Wasserstoff als Energieträger bietet die Möglichkeit, eine globale und lokal CO2-neutrale Energiewirtschaft zu etablieren. Der gleichnamige Zukunftscluster-Finalist bündelt die bereits vorhandene starke Expertise im Bereich der Wasserstofftechnologie im Raum Aachen und Jülich durch Akteure aus Wirtschaft, Wissenschaft und Gesellschaft. Sie sollen den gesamten Wasserstoff-Lebenszyklus betrachten – von der Erzeugung über die Speicherung bis hin zur Nutzung. Den Startpunkt der Untersuchung bildet überschüssige, jedoch nicht durchgehend verfügbare elektrische Energie aus erneuerbaren Energiequellen. Um eine nachhaltige Versorgungssicherheit zu ermöglichen, müssen ebenso großvolumige zentrale Speicherstätten beziehungsweise mobile Speichertechnologien und leistungsfähige Verteilungsinfrastrukturen erforscht werden. Der ganzheitliche Ansatz ermöglicht weitsichtige Verknüpfungen unter den wasserstoffbasierten Anwendungsfeldern.

Welche Vorteile bringt der Ansatz für den Innovationsstandort Deutschland?

Wasserstofftechnologien gehören zu den Zukunftsfeldern, die vor allem im Bereich der Mobilität von Morgen diskutiert werden. Jedoch nutzen vorhandene Forschungs- und Entwicklungsaktivitäten die inter- und transdisziplinären Potenziale noch zu selten. Mit einem Zukunftscluster, der Akteure aus allen Bereichen der Wertschöpfungskette in gemeinsamen Forschungs- und Entwicklungsaktivitäten verbindet, kann eine nachhaltige Überführung der neuen Technologie von der Forschung in die flächendeckende Nutzung erreicht werden. So soll im Rheinland eine starke Wasserstoffregion in Deutschland entstehen.

Warum „Zukunftscluster-Finalist“?

In der 1. Wettbewerbsrunde wurden 16 Zukunftscluster-Finalisten ausgewählt, die in der Konzeptionsphase eine Clusterstrategie entwickeln sollen. Ende Januar 2021 wird eine unabhängige Jury dem BMBF bis zu sieben Finalisten zur weiteren Förderung empfehlen. Diese ausgewählten Finalisten dürfen dann den Titel „Zukunftscluster“ tragen.

Weitere Hintergrundinformationen zum Finalisten Wasserstoff

Mit den folgenden Texten stellt sich Ihnen der Zukunftscluster-Finalist Wasserstoff vor.

Der Zukunftscluster-Finalist Wasserstoff verfolgt die Vision einer internationalen, wasserstoffbasierten Energiewirtschaft, bei der vorwiegend Erneuerbare Energien zum Einsatz kommen, um die Energiebedarfe unterschiedlicher Sektoren zu befriedigen und dabei wasserstoffbasierte Stoffe zur chemischen Energiespeicherung und als Kraftstoff verwendet. Kohlenstofffreie und –neutrale Kreisläufe sollen die CO2-Emissionen und damit die fortschreitende Erderwärmung vermeiden. Deutschland soll in dieser internationalen Wasserstoffwirtschaft die Rolle des Vorreiters und des Technologie-/Marktführers einnehmen: „Wasserstofftechnologien made in Germany“ soll weltweit für herausragende, innovative Spitzentechnologien deutscher Ingenieurskunst stehen.

Um diese Vision zu erreichen, plant der Zukunftscluster-Finalist die gesamte Wertschöpfungskette bzw. den gesamten Lebenszyklus des Energieträgers Wasserstoff zu betrachten: von der Erzeugung über die Speicherung und Verteilung bis hin zur Nutzung. Dies soll es ermöglichen, Wasserstofftechnologien gezielt weiterzuentwickeln und dabei die Schnittstellen zu den vor- und nachgelagerten Schritten im Wasserstofflebenszyklus zu berücksichtigen. Regionale und überregionale Akteure aus Wirtschaft, Wissenschaft und Gesellschaft sollen in gemeinsamen Vorhaben vernetzt werden und mit vereinten Kompetenzen Wasserstofftechnologien von der Forschung und Entwicklung in die Anwendung überführen. Die Region des Zukunftscluster-Finalisten soll sich langfristig zum „Innovation Valley der Wasserstofftechnologien“ entwickeln, das geprägt ist vom starken Netzwerk der Akteure, technologischem Fortschritt, schnellen Entwicklungs- und Produktionsprozessen, hohem Innovationsgrad, Diversifikation, hoher Anzahl an Neu- und Ausgründungen (Start-Ups und KMUs), hervorragender Infrastruktur, exzellenten Aus- und Weiterbildungsmöglichkeiten sowie sicheren Arbeitsplätzen.

Basis für die Vision des Zukunftscluster-Finalisten Wasserstoff sind exzellente grundlegende Forschungsergebnisse unter anderem aus den Bereichen Elektrolyse, Additiver Fertigung, Werk- und Trägerstoffe sowie Wasserstoffverbrennungsmotoren und Brennstoffzellen. Ziel ist es Wasserstofftechnologien aus allen Bereichen der Wertschöpfungskette zu betrachten und die Forschungsergebnisse als Grundlage für nachhaltige Innovationsschübe zu nutzen.

Im Bereich Elektrolyse wurden bis dato diverse Forschungs- und Entwicklungsprojekten erfolgreich abgeschlossen. Diese erstrecken sich von grundlegenden Arbeiten zu Reaktions- und Degradationsmechanismen bis hin zur Stack- und Systementwicklungsansätzen. Dabei wird auf der „Stackebene“ der Einfluss einer Leistungsskalierung vom Labormaßstab bis hin zu 0,4 MW untersucht. Durch fortlaufende Erforschung der Elektrodenherstellung und Analyse des Betriebsverhaltens konnten Konzepte zur Verminderung der Degradation entwickelt werden.

Für eine effiziente Speicherung und Verteilung des produzierten Wasserstoffs werden Lösungen vom gasförmigen, reinen Zustand bis hin zu Hilfsträgerstoffen und Beimischungen entwickelt. Expertise in Additiver Fertigung, Erforschung geeigneter Werk- und Trägerstoffe und Konzepte zur effektiven Aufreinigung bieten neue Lösungen im Bereich großvolumiger und mobiler Speichertechnologien.

Im Bereich der Wasserstoffnutzung bilden vor allem Forschungs- und Entwicklungsaktivitäten in den Bereichen Wasserstoffverbrennungsmotor und Brennstoffzelle eine bedeutsame Grundlage für den Zukunftscluster-Finalisten: umfangreiches Wissen über den konventionellen wie auch den hybriden Antriebsstrang wird ergänzt durch innovative Arbeiten an Wasserstoffverbrennungsmotoren. Auf dem Gebiet der Brennstoffzelle wurden sowohl im Bereich Modellbildung und Simulation als auch in den Bereichen „Testing“ und Fahrzeugintegration signifikante Ergebnisse erzielt. Hervorzuheben ist die Entwicklung eines Brennstoffzellenstacks, bei dem die relevanten Systemkomponenten in den Endplatten integriert sind. Auch die umfangreichen Erkenntnisse über die Wechselwirkungen der Systemkomponenten miteinander und mit dem Stack bilden eine relevante Grundlage –  insbesondere für Optimierungen der Betriebsstrategie.

In der Konzeptionsphase werden die RWTH Aachen University und das Forschungszentrum Jülich gefördert, um gemeinsam einen Zukunftscluster zum Thema Wasserstoff zu konzipieren. Unter Berücksichtigung der langfristigen Vision einer globalen Wasserstoffwirtschaft, in der Deutschland die Rolle des Technologieführers einnimmt, werden in der Konzeptionsphase die Strategie des Clusters und Projekte für ihre Umsetzung (insbesondere für die erste Umsetzungsphase) entworfen. Mit dem Ziel, eine starke Vernetzung der relevanten Akteure aus den Bereichen Wirtschaft, Wissenschaft und Gesellschaft zu erzielen, werden diese bei dem Prozess beratend involviert.

Auf einen Blick
  • Projektlaufzeit: 01.05.2020 bis 31.10.2020
  • Zuwendung des Verbundes: 244.701,84 € (inkl. Projektpauschale)
  • Zuwendungsempfänger: RWTH Aachen University; Forschungszentrum Jülich GmbH
  • Weitere Partner, die die Arbeiten der Konzeptionsphase unterstützen: Unterschiedliche Institute der RWTH Aachen University und des Forschungszentrum Jülich GmbH sowie relevante Akteure aus Wissenschaft, Wirtschaft und Gesellschaft.

Die Vision des Zukunftscluster-Finalisten Wasserstoff zahlt direkt auf die Hightech-Strategie 2025 der Bundesregierung ein und steht in direktem Zusammenhang zum Bereich „Nachhaltigkeit, Klimaschutz und Energie“. Im Einklang mit der Hightech-Strategie sowie der Nationalen Wasserstoffstrategie der Bundesregierung möchte der Finalist den technologischen Wandel in der Energieversorgung auf Basis eines vornehmlich grünen Wasserstoffs ermöglichen. Aus Sicht der beteiligten Partner wird durch die Sektorkopplung einer wasserstoff-basierten Wirtschaft auch die Dekarbonisierung weiterer Sektoren wie die der Mobilität, der Chemie, der Stahlherstellung oder der Wärmeerzeugung ermöglicht. Der Zukunftscluster-Finalist Wasserstoff setzt sich zum Ziel, nicht nur die Technologien zu entwickeln, sondern im Einklang mit der Hightech-Strategie ebenfalls die Transformation der Gesellschaft und der Wirtschaft zu ermöglichen und gemeinsam mit diesen zu gestalten. Dazu entwirft das Konzeptionsphasenteam Strukturen, in denen Wirtschaft, Wissenschaft und Gesellschaft Hand in Hand in starker Partnerschaft gemeinsam daran arbeiten, die Vision Wirklichkeit werden zu lassen.