Vielseitig verwendbar

Dr. Christoph Stiller – Leiter Energieproduktion und Speicherung Linde Innovationsmanagement (Bild)

Dr. Christoph Stiller – Leiter Energieproduktion und Speicherung, Linde Innovationsmanagement

Reportage

Wasserstoff ist nicht nur ein umweltfreundlicher Energieträger, sondern eignet sich auch hervorragend als Speichermedium – etwa für Energie aus regenerativen Quellen wie Sonne oder Wind. Linde ist technologischer Vorreiter auf diesem Gebiet und arbeitet an vielen Projekten, um die Vision einer nachhaltigen Energieversorgung und einer sauberen Mobilität Wirklichkeit werden zu lassen.

»Wie speichern wir die wachsenden Mengen an regenerativ erzeugter Energie am Besten?«

Dr. Christoph Stiller

Wasserstoff als Energiespeicher

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Wenn es um die Energieversorgung der Zukunft geht, ist eine der zentralen Fragen stets: Wie lässt sich sauberer Strom erzeugen? Mit Hilfe der Sonne, durch Wind oder durch Wasserkraft? Dr. Christoph Stiller, Leiter Energieproduktion und Speicherung beim Linde Innovationsmanagement, ist schon einen Schritt weiter. Für ihn lautet bei einer nachhaltigen Energieproduktion die entscheidende Frage: „Wie speichern wir die wachsenden Mengen an regenerativ erzeugter Energie am besten?“

Stiller steht vor einem Windpark im Süden Berlins, die einhundert Meter hohen Windrad-Türme rauschen im Herbstwind, die Energieproduktion läuft auf Hochtouren. Das ist nicht immer so, denn die Energieerzeugung aus Wind oder Sonne unterliegt – naturgemäß – Schwankungen: Der Wind bläst nicht immer und schon gar nicht gleichmäßig stark, und die Sonne scheint nur tagsüber – und auch das nicht immer – und in den gemäßigten Breiten auch nur im Sommer intensiv genug. Deshalb ist es für eine verlässliche Stromversorgung erforderlich, die aus Wind und Sonne gewonnene Energie zu speichern, um sie bei Bedarf abrufen zu können. Hierfür ist Wasserstoff (H2) geeignet. „Wasserstoff ist ein Schlüssel für unsere Energiezukunft“, erklärt der Ingenieur. „Er hat eine hohe Energiedichte, und er kann transportiert werden.“ Zudem ist Wasserstoff als großtechnischer Energiespeicher unschlagbar günstig. „Speichert man Energie in einer Batterie, muss man pro Kilowattstunde Speicherkapazität rund 400 Euro investieren. Speichert man Energie in Form von Wasserstoff in unterirdischen Kavernen, kostet das für die gleiche Kapazität deutlich weniger als einen Euro.“

Auch im Vergleich zu einem Pumpspeicherkraftwerk schneidet Wasserstoff gut ab. Die Kapazitäten von Pumpspeichern sind begrenzt, in Deutschland etwa können sie derzeit lediglich 40 Gigawattstunden Energie aufnehmen. Experten schätzen jedoch, dass für eine Stromversorgung ausschließlich aus erneuerbaren Energiequellen hierzulande rund 40 Terawattstunden nötig wären, also das Tausendfache. Ein weiterer Vorteil des Speichermediums Wasserstoff ist, dass es keinen Selbstentladungseffekt wie beispielsweise bei Batterien gibt.

Wasserstoffbetriebene Brennstoffzellenfahrzeuge erzielen problemlos Reichweiten von 400 Kilometern und mehr. (Bild)
Christoph Stiller fährt Auto (Bild)
Fernsehturm Berlin (Bild)
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Wasserstoffbetriebene Brennstoffzellen-Fahrzeuge erzielen problemlos Reichweiten von 400 Kilometern und mehr.

Reichweite und Leistung werden im Bordcomputer angezeigt. (Bild)
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Mercedes F-Cell (Bild)

Reichweite und Leistung werden im Bord-Computer angezeigt.

Die Energie kann noch lange nach der eigentlichen Einspeicherung wieder freigesetzt werden. Das Verfahren, regenerativ erzeugte Energie zur besseren Speicherung in Gas – also etwa Wasserstoff – durch Elektrolyse umzuwandeln, bezeichnet man als Power-to-Gas. Für die anschließende Verwendung des „grün“ produzierten Wasserstoffs gibt es eine Vielzahl von Möglichkeiten.

„Zu Spitzenbedarfszeiten kann der Wasserstoff in Gaskraftwerken zurück in Strom oder in Blockheizkraftwerken in Strom und Wärme umgesetzt werden“, erläutert Stiller. Außerdem lässt sich der Wasserstoff ins Erdgasnetz einspeisen – entweder direkt, bis zu einem Volumenanteil von 5 Prozent, oder nach der sogenannten Methanisierung sogar unbegrenzt. Bei diesem Prozess wird der Wasserstoff zunächst durch den Zusatz von CO2 in synthetisches Erdgas verwandelt.

Christoph Stiller fährt Auto (Bild)
Clean Energy-Experte Dr. Christoph Stiller an der neuen Wasserstoff-Tankstelle am Flughafen Berlin. Linde setzt sich mit seinen Partnern für den Ausbau der Wasserstofftankstellen-Infrastruktur ein. (Bild)
Die neue Wasserstoff-Tankstelle am Flughafen Berlin. (Bild)
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Clean Energy-Experte Dr. Christoph Stiller an der neuen Wasserstofftankstelle am Flughafen Berlin. Linde setzt sich mit seinen Partnern für den Ausbau der Wasserstofftankstellen-Infrastruktur ein.

Der auf bis zu –40 Grad gekühlte Wasserstoff wird über eine Spezialvorrichtung vertankt. (Bild)
Tankstutzen (Bild)
H2 – Wasserstoff (Bild)
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Der auf bis zu –40 Grad gekühlte Wasserstoff wird über eine Spezialvorrichtung vertankt.

„Wasserstoff ermöglicht ganz neue Querverbindungen im Energiesystem“, sagt Stiller. „Wasserstoff ist ein Energiespeicher und ein Produkt, das vielseitig nutzbar ist.“

Vor diesem Hintergrund könnten zukünftig verstärkt Anlagen errichtet werden, in denen elektrische Energie in Wasserstoff umgewandelt wird. Das Innovationsmanagement von Linde spielt dabei eine wichtige Rolle: Es bewertet entsprechende Projekte und Technologien, konzipiert Maßnahmen zur Umsetzung – und kümmert sich dann um die Realisierung.

Wie beispielsweise im Energiepark Mainz. Dort investieren Linde, Siemens und die Stadtwerke Mainz, unterstützt durch das Bundeswirtschaftsministerium in der „Förderinitiative Energiespeicher“, insgesamt 17 Millionen Euro in die Errichtung einer Wasserstoff-Anlage, die bis zu sechs Megawatt elektrische Leistung aufnehmen kann – also etwa die Strommenge von drei Windkraftanlagen – und bis zu 200 Tonnen Wasserstoff jährlich produzieren wird. Ein Teil des Wasserstoffs wird in eine lokale Erdgasleitung eingespeist und bei Bedarf in einem modernen Gas- und Dampfkraftwerk wieder verstromt.

Power-to-Gas kann sich nicht nur zu einer Schlüsseltechnologie für die Energiewende entwickeln, sondern auch für den Straßenverkehr. So wird in Mainz auch eine Tankwagenabfüll-Station für die Belieferung von Wasserstofftankstellen eingerichtet. Die Anlage soll über eine Kapazität verfügen, um 1.500 wasserstoffbetriebene Brennstoffzellen-Fahrzeuge zu versorgen. Auch Großkunden aus der Industrie können dann von dort grünen Wasserstoff für ihre Produktion beziehen. „Der Energiepark Mainz wird das bisher ambitionierteste Leuchtturmprojekt zur Wasserstoffenergiespeicherung, weil wir hier viele neue Technologieansätze kombinieren, und das zum ersten Mal in einer für das Energiesystem relevanten Größenklasse“, sagt Stiller. Die Inbetriebnahme ist für Frühjahr 2015 geplant.

Wasserstoff als Kraftstoff

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Regenerativ erzeugter Strom kann nach der Umwandlung in Wasserstoff „geparkt“ werden. Ein ionischer Kompressor – nicht größer als ein Container – erhöht vor der Betankung den Druck des gespeicherten Wasserstoffs. (Bild)
Ionischer Kompressor (Bild)
Wasserstoff-Speicher (Bild)
Christoph Stiller (Bild)
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Regenerativ erzeugter Strom kann nach der Umwandlung in Wasserstoff „geparkt“ werden. Ein ionischer Kompressor – nicht größer als ein Container – erhöht vor der Betankung den Druck des gespeicherten Wasserstoffs.

Vor dem Windpark im Süden Berlins steigt Christoph Stiller in ein Auto und beschleunigt in wenigen Sekunden auf mehr als 50 km/h – lautlos. Der Linde Experte sitzt in einem Mercedes F-Cell, einem wasserstoffbetriebenen Brennstoffzellen-Fahrzeug. „Wasserstoff- und Elektromobilität sind keine konträren Konzepte“, sagt er. „Wie ein Batterieauto fährt auch dieses Fahrzeug elektrisch und emissionsfrei.“ Die Kombination von Wasserstoff und Brennstoffzelle ergibt bei dem Modell von Mercedes eine Reichweite von 400 Kilometern, bei einer Betankungszeit von nur drei Minuten. Das ist kaum länger, als die Betankung eines herkömmlichen Autos mit Verbrennungsmotor erfordert.

Der Wasserstoff wird dabei in Gasbehälter gedrückt, die unter der Fahrgastzelle im Boden integriert sind. Aus diesen Tanks fließt der Wasserstoff in eine Brennstoffzelle. Dort reagiert er mit Luftsauerstoff, produziert elektrischen Strom, und der Elektromotor treibt damit den Wagen über die Vorderachse an. Eine zusätzliche Hochvoltbatterie nimmt beim Bremsen Bewegungsenergie auf, die wiederum ein kraftvolles Beschleunigen ermöglicht. Bei der Fahrt zum neuen Berliner Großflughafen entstehen keine Emissionen, nur ein wenig Wasser tropft aus dem Auspuff, wenn Christoph Stiller stark beschleunigt. Ansonsten: Nur Wasserdampf, egal ob bei Stop-and-go im Stadtverkehr oder Tempo 160 auf der Autobahn. „Dieses Auto macht richtig Spaß, sagt Stiller, als er auf das Gelände der neu eröffneten Total-Tankstelle am Berliner Großflughafen einbiegt. „Es erfüllt alle Anforderungen hervorragend, die man an ein zeitgemäßes Fahrzeug stellt.“

In Blickweite der Flugzeugkerosintanks steht die Wasserstoffzapfsäule. Christoph Stiller hängt den Tankschlauch nach wenigen Minuten zurück in die Vorrichtung. Der Wagen ist schon vollgetankt, der Griff ein wenig kalt geworden. Wasserstoff strömt mit bis zu minus 40 Grad in die Druckgasbehälter des Autos. Geruch? Fehlanzeige. Der für den Straßenverkehr genutzte Wasserstoff muss zu 99,999 Prozent rein sein, auf eine Million Wasserstoffmoleküle dürfen also maximal nur zehn andere Moleküle kommen. Dafür sorgt Linde bei jedem Arbeitsschritt, direkt am Flughafen Berlin. Der Wasserstoff, den man hier tanken kann, wird zurzeit noch aus Leuna angeliefert, wo er aus Rohglycerin oder Bioerdgas hergestellt wird. Ab Mitte 2014 wird er vor Ort in einer Elektrolyse-Anlage produziert werden. Im Projekt H2-BER zeigt Linde gemeinsam mit den Partnern Total, Enertrag und McPhy, wie Power-to-Gas bereits heute den Mobilitätsalltag verändern kann. Das Projekt wird durch das Nationale Innovationsprogramm Wasserstoff und Brennstoffzellentechnologie (NIP) gefördert.

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Hohe Anforderungen: Wasserstoff für die Elektromobilität muss zu 99,999 Prozent rein sein.

Hohe Anforderungen: Wasserstoff für die Elektromobilität muss zu 99,999 Prozent rein sein. (Bild)
Christoph Stiller (Bild)

Energiespeicher

Kosten pro Kilowattstunde Speicherkapazität:
Batterie:
400 Euro
Wasserstoff:
<1 Euro

Die digitale Anzeige der Zapfsäule zeigt den Preis an: 9,50 Euro pro Kilogramm. Eine Tankfüllung kostet damit knapp 40 Euro. Christoph Stiller bezahlt mit Karte, wie alle Teilnehmer der „Clean Energy Partnership“, eines Zusammenschlusses von Unternehmen wie Total und Shell, Daimler, BMW, Volkswagen, Toyota und Hyundai, Siemens und Linde. Es ist ihr gemeinsames Ziel, der umweltfreundlichen Wasserstofftechnologie zum flächendeckenden Durchbruch zu verhelfen. Auf der Rückseite des Gebäudes trifft Stiller auf Alexander Zörner, der bei Linde Projektleiter für Wasserstoffanwendungen in der Region Nordost ist. „Diese Station ist etwas Besonderes“, sagt Zörner. „Wir haben hier die komplette Wasserstoffkette vereint – von der Ausgangsenergiequelle bis zur Nutzung.“ Tatsächlich entsteht beim Projekt H2-BER von der Wasserstoffproduktion bis zum Verkauf des Wasserstoffs an der Zapfsäule Mobilität an einem Ort. Die Windenergie wird in einer zwölf Meter langen Elektrolyse-Anlage in Wasserstoff umgewandelt. Der gasförmige Wasserstoff strömt mit einem Druck von rund 50 bar in einen hochmodernen von Linde entwickelten ionischen Verdichter. Hier wird der Druck so weit erhöht, dass der Wasserstoff mit 700 bar im Pkw gespeichert werden kann. Führende Fahrzeughersteller setzen mittlerweile auf Wasserstoffantriebe. In mehreren Ländern wird die Wasserstoffinfrastruktur Schritt für Schritt weiter ausgebaut hin zu einer landesweiten Abdeckung. So sollen in Deutschland bis Ende 2015 50 Tankstellen und in Japan bereits 100 Wasserstofftankstellen zur Verfügung stehen. Linde liefert schon heute Komponenten für die moderne Nutzung von Wasserstoff in die europäischen, asiatischen und amerikanischen Märkte. „Die Marktreife ist da“, sagt Christoph Stiller. „Jetzt geht es darum, in den Pilotprojekten Erfahrungen zu sammeln und der Wasserstofftechnologie schnellstmöglich, flächendeckend und wirtschaftlich zum Durchbruch zu verhelfen.“ Wie am Flughafen Berlin.

Wasserstoffkreislauf

Vernetzte Wasserstoffwelt

Windparks produzieren große Mengen regenerative Energie: Diese kann je nach Bedarf direkt ins Stromnetz fließen, aber auch Elektroautos antreiben – oder zur Wasserstoffproduktion genutzt werden. Für den erzeugten Wasserstoff öffnen sich viele Wege: Dieser kann Brennstoffzellen-Fahrzeuge antreiben, anteilig ins Erdgasnetz gespeist oder für die Methanisierung zu synthetischem Erdgas genutzt werden. Auch Blockheizkraftwerke können Wasserstoff als Brennstoff nutzen.