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Die grüne Zukunft

Bis 2050 soll die EU klimaneutral werden – und bereits in zehn Jahren der Ausstoß an Treibhausgasen 55 Prozent niedriger sein als 1990. Um dieses ehrgeizige Ziel zu erreichen, richtet sich die Aufmerksamkeit auf einen kleinen Helfer, der gewöhnlicher nicht sein könnte: Wasserstoff. Er ist das leichteste und häufigste chemische Element überhaupt. Wasserstoff ist nicht nur Bestandteil von Wasser, sondern auch der meisten organischen Verbindungen. In seiner molekularen Zweierbeziehung bildet er H2, ein farb- und geruchloses Gas, das unsere Industriegesellschaft nachhaltig verändern wird. Damit aus Wasserstoff eine Erfolgsgeschichte wird, entwickeln Expertinnen und Experten von TÜV NORD innovative Lösungen.

 

Wenn es um die grüne Zukunft von Technologien geht, sind Athina Megari und Patrick Krieger voller Elan. Beide betreuen in ganz unterschiedlichen Bereichen von TÜV NORD Projekte, in denen die Nutzung von Wasserstoff im Mittelpunkt steht. Athina Megari ist Prozessingenieurin und beschäftigt sich in Hamburg im Team von ENCOS mit der Implementierung von Wasserstoff-Anwendungen in bestehende Industrieanlagen. Patrick Krieger ist bei ENERGY ENGINEERS in Gelsenkirchen eher für das Große und Ganze zuständig. Der Ökonom betreut als Projektmanager wichtige Wasserstoff-Initiativen in Nordrhein-Westfalen. Megari und Krieger sind beide davon überzeugt, dass mit Wasserstoff die Energiewende und eine Zukunft ohne schädliche Treibhausgase möglich sind.

 

Wasserstoff verändert die gesamte Industrie

»Das Interesse an Wasserstoff ist eigentlich nicht neu«, sagt Patrick Krieger. »Früher ging es aber immer nur um Insellösungen, etwa um Alternativen zum Benzin bei Autos.« Heute ist der Blick viel umfassender. »Wasserstoff bietet die Chance für ein nachhaltiges Gesamtkonzept, das alle Bereiche der industriellen Wertschöpfung verändert.« Das bedeutet: Mit Wasserstoff-Technologien lassen sich aus regenerativen Quellen erzeugte Energie nicht nur speichern, sondern auch völlig neue Verfahren für industrielle Produktionsprozesse entwickeln – ohne schädliche Emissionen von Treibhausgasen. »Die Stärke von Wasserstoff liegt eindeutig in seinen energetischen und stofflichen Eigenschaften«, erklärt der Projektmanager.

 

Was macht Wasserstoff so besonders? »Mein Professor an der Uni in Thessaloniki meinte immer: Wasserstoff ist sehr nützlich, aber leider fast nie allein«, erzählt Athina Megari. »Das ist eine große Herausforderung und riesige Chance zur gleichen Zeit.« Da reiner Wasserstoff in der Natur kaum vorkommt, muss man ihn zunächst aus Wasser gewinnen und per Elektrolyse vom Sauerstoff trennen – oder von Kohlenstoff-Atomen, etwa wenn er durch andere Verfahren aus Erdgas oder Biomasse gewonnen wird. Gleichzeitig bietet die enorme »Kontaktfreudigkeit« der Wasserstoff-Atome aber auch große Vorteile: »Geht reiner Wasserstoff wieder eine Verbindung mit Kohlenstoff ein, kann er gasförmig als Methan oder als flüssiges Methanol über weite Strecken transportiert werden. Und er kann als Basis für die Herstellung von synthetischen Kraftstoffen in Raffinerien oder als Grundstoff für die Industrie dienen«, sagt die Prozessingenieurin.

 

Das politische Ziel lautet, etwa auch in der Nationalen Wasserstoffstrategie der Bundesregierung, grünen Wasserstoff so schnell wie möglich nutzbar zu machen. Allerdings müssen dafür viele Grundlagen erst geschaffen werden. So reichen weder die Elektrolysekapazitäten noch die Menge an erzeugter Energie aus regenerativen Quellen, um den gewaltigen Bedarf zu decken. Dazu kommt, dass für die stoffliche Nutzung, etwa in der Stahlindustrie, gewaltige Investitionen notwendig sind. Denn die herkömmlichen Hochöfen müssten für die Erzeugung »grünen« Stahls durch Direktreduktionsanlagen ersetzt werden. Dennoch sind sich beide Experten einig, dass es langfristig einen kompletten Umstieg auf grünen Wasserstoff geben muss. »Bis dahin werden wir in einer Übergangszeit noch auf das gesamte Farbspektrum des Wasserstoffs zurückreifen«, sagt Patrick Krieger. Auch für Athina Megari ist klar: »Um zu einer komplett grünen Industrie zu kommen, sind viele kleine Schritte notwendig.«

»Um zu einer komplett grünen Industrie zu kommen, sind viele kleine Schritte notwendig.«

Athina Megari

 

Die Wasserstoff-»Farbenlehre«

Weil natürlicher Wasserstoff immer in Verbindung mit anderen Elementen vorkommt, hat sich für das eigentlich farblose Gas eine »Farbenlehre« entwickelt:

»Grün« steht für Wasserstoff, der unter dem Einsatz von regenerativem Strom aus Windkraft oder Photovoltaik durch Wasserelektrolyse gewonnen wird. Dabei entsteht kein klimaschädliches CO2.

»Blauer« Wasserstoff wird durch die Erhitzung (Dampf­reformierung) von Erdgas gewonnen, wobei das
frei werdende CO2 gespeichert (CCS-Technologie) oder weiterverarbeitet wird.

Auch bei »türkisfarbenem« Wasserstoff aus der thermischen Spaltung von Methan (Methanpyrolyse) entsteht fester Kohlenstoff, der für die Zement- oder Reifenproduktion genutzt werden kann.

Nicht klimaneutral ist »grauer« Wasserstoff: Er wird wie »blauer« Wasserstoff durch Dampfreduktion gewonnen, das CO2 entweicht aber ungenutzt in die Atmosphäre.

 

»Die langfristige Vision ist ein klimaneutraler Güterverkehr auf Wasser, Schiene und Straße zwischen Nordsee und Alpen.«

Patrick Krieger

 

Klimaneutraler Güterverkehr von der Nordsee zu den Alpen

Patrick Krieger ist Projektleiter von »RH2INE«, an dem das Land Nordrhein-Westfahlen und die Provinz Südholland beteiligt sind. »Die langfristige Vision ist ein klimaneutraler Güterverkehr auf Wasser, Schiene und Straße zwischen Nordsee und Alpen«, erläutert er. Zunächst soll die Binnenschifffahrt auf Wasserstoff umgestellt werden. Dabei wird so viel wie möglich von der vorhandenen Infrastruktur genutzt. Etwa das niederländische Leitungsnetz, das nach der Einstellung der Erdgasförderung nun für den Transport von Wasserstoff fit gemacht wird. Zudem werden neue Wasserstoffquellen erschlossen: »Weil auch Unternehmen der chemischen Industrie beteiligt sind, können wir auch sogenannten Nebenproduktwasserstoff aus der Chlorproduktion verwenden«, erzählt er. »Kohlenstoff, der bei der Methanpyrolyse anfällt, könnte in der Reifenindustrie verwendet werden.« Dafür koordiniert Patrick Krieger alle wichtigen Akteure: Reedereien, Häfen, Eisenbahnunternehmen, die Logistikbranche und lokale Industrieunternehmen.

 

Eine besondere Herausforderung stellt die Betankung der Schiffe mit Wasserstoff dar. »Herkömmliche Anlagen sind nicht geeignet, da Wasserstoff als Gas völlig andere Anforderungen stellt als das Schweröl«, erläutert der Projektmanager. »Wir entwickeln daher ein System mit Wechselcontainern, die an Land mit Wasserstoff befüllt und an Bord der Schiffe nur ausgetauscht werden müssen.« Ein großes Problem ist aber nicht nur die Implementierung neuer Technologien, sondern sind auch die Lücken im gesetzlichen Rahmen: »Wir erwarten, dass erst 2025 der Einsatz von Brennstoffzellen auf Rheinschiffen, die mit Wasserstoff angetrieben werden, vollumfänglich reguliert sein wird.«

 

 

Industrie setzt auf grüne Technologien

Für Athina Megari ist klar: Es hat ein Mentalitätswechsel stattgefunden, hin zu einem grünen Umbau der Industrie. Es müssten nun schnelle und intelligente Lösungen für alle Arten von Anlagen entwickelt werden. »Mit Carbon Capture oder Carbon Storage lassen sich Treibhausgasemissionen von Industrieanlagen jetzt schon abscheiden und lagern«, erläutert sie. Noch besser sei aber Carbon Utilization, also die weitere Nutzung. »Hier kommt grüner Wasserstoff ins Spiel, mit dessen Hilfe aus den abgeschiedenen Treibhausgasen beispielsweise synthetische Brennstoffe oder Basischemikalien hergestellt werden können.« In ihrem Team bei ENCOS berät sie Industrieunternehmen zu der Reduktion von ­Treibhausgasen und entwirft die dafür notwendigen Anlagen. So lässt sich Wasserstoff gut speichern, indem man ihn mit CO2 zu flüssigem Methanol verbindet. »Bislang war es immer sehr schwierig, Wasserstoff mit CO2 zu kombinieren«, erläutert sie. Dazu entwickeln die Experten von ENCOS mit Projektpartnern aktuell einen Mikroreaktor, der mithilfe eines speziellen Katalysators schnell und effizient Wasserstoff mit CO2 zu Methanol verbinden kann. Das Verfahren wird derzeit bereits bei ersten Kunden in der chemischen Industrie eingeführt.

Bedeutet die Dekarbonisierung durch Wasserstoff nun, dass es zu einem Bruch zwischen »alter« und »neuer« Industrie kommt? Nein, das sei keine Revolution, sondern ein ganz normaler Prozess, meint Athina Megari: »Von der Kohle zum Öl über das Erdgas ist Wasserstoff ein weiterer Schritt zur Dekarbonisierung.« Nun gilt es, die Theorie möglichst schnell in praktische und wirtschaftliche technische Lösungen umzusetzen.

 

Experten für den Übergang


Bis tatsächlich die Industrie auf die Nutzung von Wasserstoff umgestellt ist, müssen noch viele technische Voraussetzungen geschaffen werden. Es lassen sich aber auch jetzt schon schädliche Treibhausgase einsparen. DMT-Experte Michael Bohn hat dafür ein Verfahren in der Stahlindustrie entwickelt.

 

Zwar ist langfristig die Produktion von »grünem« Stahl auch mit Wasserstoff möglich, allerdings sind dafür enorme Investitionen über die kommenden Jahrzehnte erforderlich. Die konventionellen Hochöfen müssten komplett durch völlig neue, sogenannte Direktreduktionsanlagen ersetzt werden. »In aktuellen Hochöfen brauchen wir auch deswegen noch den Koks, weil sich
in der Produktion der Kohlenstoff mit dem Stahl verbinden muss«, erläutert der Ingenieur Michael Bohn. Er hat viele Jahre in einem Stahlwerk gearbeitet und kennt daher die hohen Anforderungen an die Stahlproduktion.

 

Michael Bohn und sein Team konnten mit einem Verfahren zur Feingasreinigung die CO2-Emissionen bei der Stahlproduktion heute schon deutlich senken und die Herstellung effizienter machen. Dabei nutzen sie das Gas, das bei der Herstellung von Koks sowieso entsteht – ein Gemisch mit niedrigem Brenn­wert, in dem unter anderem Ammoniak, Teer und Schwefel enthalten sind. Nach der Reinigung enthält das Kokereigas einen Wasserstoffanteil von etwa 80 Prozent. »Wir haben jetzt Erdgasqualität«, so Bohn. »Das Gas wird dann direkt vor Ort verwendet, um mit seiner wesentlich höheren Energiedichte die Koksmenge im Hochofen zu reduzieren.«

 

Darüber hinaus lassen sich damit etwa Turbinen oder Kleinkraftwerke auf dem Werksgelände oder in der Nachbarschaft betreiben. Bohn sieht darin eine wichtige Brückentechnologie: »Konventionelle Hochöfen können schon jetzt umgerüstet werden, besonders dort, wo Erdgas sehr teuer ist.« Ein weiterer Vorteil: Die Abfälle sind weiterverwertbar. »Der Schwefel, der bei der Reinigung von Kokereigas anfällt, kann auf dem Weltmarkt als Rohstoff für die Industrieproduktion verkauft werden, und wir reduzieren damit weiter die Notwendigkeit, elementaren Schwefel abzubauen.«

 


»Konventionelle Hochöfen können schon jetzt umgerüstet werden. Das Kokereigas hat nach der Reinigung Erdgasqualität, der Schwefel, der anfällt, kann als Rohstoff verkauft werden.«

Michael Bohn