Tools


Siemens Worldwide

Pictures of the Future

Contact

Kontakt

sts.components.contact.mr.placeholder Sebastian Webel
Herr Sebastian Webel

Chefredakteur

Tel: +49 89 636-32221

Fax: +49 89 636-35292

Werner-von-Siemens-Straße 1
80333 München

Pictures of the Future
Das Magazin für Forschung und Innovation
 

Die Zukunft der Energie

Wundermittel Wasserstoff

Erneuerbare Energien stellen die Stromnetze vor große Herausforderungen. Helfen können Technologien wie die Elektrolyse. Sie wandelt mit elektrischer Energie Wasser in Sauerstoff und Wasserstoff. Letzterer dient als Speichermedium, Energieträger, CO2-neutraler Treibstoff oder Ausgangsstoff für viele industrielle Anwendungen.

Der wachsende Anteil erneuerbarer Energien an der weltweiten Stromerzeugung hilft maßgeblich, die CO2-Emissionen auf der Erde zu reduzieren. Die Stromnetze allerdings stellt er vor große Herausforderungen – sie müssen künftig viel flexibler werden. Helfen können Technologien wie die Elektrolyse. Sie wandelt mit elektrischer Energie Wasser in Sauerstoff und Wasserstoff. Letzterer dient als Speichermedium, Energieträger, CO2-neutraler Treibstoff oder Ausgangsstoff für viele industrielle Anwendungen. Damit treibt der Wasserstoff die Dekarbonisierung voran und ebnet den Weg in ein neues, regeneratives Stromzeitalter.

Dass heute weltweit fast die Hälfte der Menschen über ihr Smartphone mobilen Zugriff auf das Internet hat, war noch vor wenigen Jahren unvorstellbar. Inzwischen ist es Alltag. Eine Entwicklung, die ebenfalls kaum jemand für möglich gehalten hat, könnte künftig auch auf einem ganz anderen Gebiet passieren: dem der Kosten für „grünen“ Strom. Lag der Preisrekord für Solarstrom 2014 noch bei 7 US-Cent pro Kilowattstunde, so ist er drei Jahre später bereits auf rund 2 US-Cent gefallen. Hält dieser Preissturz an, könnten die Kosten für die Stromerzeugung aus Wind und Sonne bald auf ein absolutes Minimum fallen. Der Grund: die stets steigenden Mengen des generierten Ökostroms.  

Erneuerbare erfordern flexible Stromnetze

Was auf den ersten Blick erfreulich wirkt, birgt aber auch Herausforderungen. Denn beispielsweise in Deutschland wird schon heute zeitweise mehr Strom erzeugt, als die Netze aufnehmen können. Dieses Phänomen wird sich vor allem in Ländern verschärfen, in denen künftig die Erzeugungskosten für Energie aus Wind und Sonne weiter sinken – also Wind- beziehungsweise sonnenreiche Regionen. Netze müssen flexibel auf die schwankende Einspeisung von Erneuerbaren reagieren – nur so sind Systemstabilität und Versorgungssicherheit gewährleistet.

Die Wasserstoffelektrolyse kann helfen, die Dekarbonisierung voranzutreiben. Gabriele Schmiedel leitet bei Siemens eine Abteilung, die diese Technologie entwickelt, herstellt und vertreibt.

Energiespeicher sind eine Lösung, um die Flexibilität im Stromnetz zu erhöhen. Indem sie Strom in Zeiten mit viel Wind und Sonne aufnehmen und ihn in Flautephasen oder bei bedecktem Himmel in das Netz einspeisen, können sie für einen Ausgleich von Erzeugung und Verbrauch sorgen – und beide zeitlich entkoppeln. Deshalb ist unumstritten: Speicher werden nicht nur immer wichtiger – sie sind absolut notwendig, sollten wir den Großteil unseres Stroms aus erneuerbaren Energien beziehen wollen. Für Deutschland prognostizieren verschiedene Untersuchungen den Leistungsbedarf von Speichern für das Jahr 2030 auf bis zu 50 Gigawatt (GW), wie die Studie „Energiespeicher“ der Fraunhofer-Institute UMSICHT und IWES zeigt.

Wasserstoffelektrolyse – vielseitig einsetzbar

„Künftig werden heutige Technologien wie Batterien, Kondensatoren, Schwungrad- oder auch Druckluftspeicher nicht ausreichen“, erklärt Gabriele Schmiedel, Leiterin von Hydrogen Solutions bei Corporate Technology. „Wir brauchen Speicherlösungen mit einem bisher nicht erreichten Speichervolumen, und zwar im Bereich der Terawattstunden.“ Ideal geeignet dafür ist der Energieträger Wasserstoff.

Wir brauchen Speicherlösungen mit einem bisher nicht erreichten Speichervolumen. Ideal geeignet dafür ist der Energieträger Wasserstoff.

Wie kann ein Elektrolyseur dabei helfen, den wachsenden Speicherbedarf zu decken? Kurz gesagt wandelt er mithilfe von – idealerweise „grünem“ – Strom Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff. „Der Wasserstoff überzeugt durch seine Vielseitigkeit“, sagt Schmiedel. Er dient als Energieträger, mit dem elektrische Energie von wenigen Kilowatt bis hin zu Gigawatt gespeichert werden kann, und das über einen Zeitraum von mehreren Wochen. Anschließend kann er als Prozessgas in der Industrie und in der Mobilität als Treibstoff für emissionsfreie Brennstoffzellen genutzt werden. Daneben lässt er sich auch zu wertvollen Rohstoffen weiterveredeln, beispielsweise zu Ammoniak für die Düngemittelproduktion oder zu Methanol als Basischemikalie und Treibstoff. Bei niedrigem Strompreis lohnt sich sogar eine Speicherung und nachfolgende Rückverstromung über Gas- und Dampfkraftwerke, die Versorgungssicherheit garantieren. Diese Multifunktionalität unterstreicht, welche Bedeutung die Wasserstoffelektrolyse für die weltweite Dekarbonisierung haben kann. Es sind diese Großspeicher, die ein weiterhin starkes Wachstum erneuerbarer Energien und deren Integration und Nutzung erst ermöglichen. Nur dann sinken die CO2-Emissionen, und ein Ende des fossilen Zeitalters wird möglich.

Das Besondere der PEM-Elektrolyse ist die protonenleitende Proton-Exchange-Membrane. Ihre spezielle Eigenschaft: Sie ist durchlässig für Protonen, aber nicht für Gase wie Wasserstoff oder Sauerstoff.

Besonders dynamisch: die PEM-Elektrolyse

Der eigentliche Prozess der Elektrolyse ist ein altbekanntes Verfahren, wurde er doch bereits zu Beginn des 19. Jahrhunderts entdeckt. Das Team von Schmiedel aber konzentriert sich auf die innovative PEM-Elektrolyse, auf deren Basis es bereits die zweite Produktgeneration des Elektrolyseurs Silyzer entwickelt. Der Name PEM ist abgeleitet von der protonenleitenden Membran, der sogenannten Proton Exchange Membrane. Ihre spezielle Eigenschaft: Sie ist durchlässig für Protonen, aber nicht für Gase wie Wasserstoff oder Sauerstoff. Damit übernimmt die Membran in einem elektrolytischen Prozess unter anderem die Funktion des Separators, der die Vermischung der Produktgase verhindert. Auf ihrer Vorder- und Rückseite sind Elektroden aus Edelmetall angebracht, die mit dem Plus- und Minuspol der Spannungsquelle verbunden sind. Hier findet die Wasserspaltung statt. Im Vergleich zur traditionellen Alkali-Elektrolyse ist die PEM-Technologie ideal geeignet, um Wind- und Sonnenstrom, der ja volatil, also unregelmäßig erzeugt wird, aufzunehmen, da ein schnelles Ein- und Ausschalten ohne Vorwärmen möglich ist.

Je höher der Anteil an erneuerbaren Energien an der Stromerzeugung ist, desto wichtiger werden Speicher, um die Netzstabilität und Versorgungssicherheit zu garantieren.

Rekordanlagen im Betrieb

Siemens betreibt mehrere solche Anlagen bei Kunden in Europa. Die derzeit weltweit größte PEM-Elektrolyseanlage im Betrieb steht bei einer Ölraffinerie in Hamburg und verfügt über eine Leistung von 5 MW. In Österreich baut Siemens gemeinsam mit mehreren Partnern die erste Anlage der neuen Produktgeneration Silyzer 300. Geplante Leistung: 6 MW. Und das ist erst der Anfang. Denn je größer die umzuwandelnden Strommengen sind, desto größer müssen auch die Kapazitäten potenzieller Anlagen sein. Daher sind Kunden aus sonnen- und windreichen Regionen besonders interessiert Die im Vergleich zu Europa erheblich größeren Solarparks des Nahen und Mittleren Ostens oder auch Australiens könnten die Basis für Elektrolyseure komplett neuer Dimensionen sein. „Wir sprechen mit Interessenten, die in Größenordnungen von bis zu 400 MW denken“, so Schmiedel. Dass solche Szenarien, die aus heutiger Sicht noch sehr fern erscheinen, rasch Realität werden können, davon ist sie überzeugt. Und das Beispiel der mobilen Vernetzung über das Smartphone gibt ihr Recht.

Klick in die Zukunft: Begeben Sie sich mit uns auf eine virtuelle Reise in die Entwicklung der Elektrolyse.
Ulrich Kreutzer