Die Einsatzmöglichkeiten für Wasserstoff als Energieträger sind vielfältig; sie reichen von Kraftstoff für Autos bis hin zum Brennstoff für Heizungen. Die Herstellung von Wasserstoff erfolgt durch die Elektrolyse von Wasser. Wird der hierfür notwendige Strom aus erneuerbaren Energien gewonnen, so spricht man von Grünem Wasserstoff. Grauer Wasserstoff wird dagegen mittels Power-to-Gas-Anlagen aus fossilem Erdgas hergestellt.
Das Thema Nachhaltigkeit bei der Herstellung wird deshalb immer relevanter. Umweltverschmutzung, knappe Ressourcen und Unsicherheiten auf dem Weltmarkt zeigen, dass der Bedarf nach einer sicheren und stets vorhandenen Energie-Ressource groß ist. Wasserstoff macht drei Viertel der gesamten bekannten Materie aus. Es ist der Stoff, aus dem unsere Welt besteht.
Sorgen um eine Verknappung besteht hier im Gegensatz zu Kohle, Gas oder Öl somit nicht. Wasserstoff als Energieträger könnte zudem ein bekanntes Problem der erneuerbaren Energie lösen: Prinzipiell gibt es genügend Sonne, Wind und Wasser. Doch nicht immer ist die Energie dort verfügbar, wo sie benötigt wird. Wasserstoff bietet die Möglichkeit, regionale und zeitliche Verfügbarkeit zu überbrücken und an anderer Stelle zur Verfügung zu stellen.
Preis-Problematik
Wo steht die deutsche Industrie heute in Bezug auf Wasserstoff? Der Einsatz klingt verlockend, ein Ausbau wird dringend benötigt. Doch leider sieht es in der Realität noch etwas ernüchternd aus, denn der Herstellungspreis wirkt noch abschreckend. Ebenso fehlt die Verfügbarkeit regenerativer Energien, sodass auch hier erneut auf Partnerschaften und Zusammenarbeit mit anderen Ländern gesetzt werden muss.
Der geringe Ausbau erneuerbarer Energien führte dazu, dass Wasserstoff in Deutschland noch zu 90 Prozent fossil hergestellt wird. Gleichzeitig ist Wasserstoff als Triebkraft für die Emissionssenkung der Industrie geplant: Der Bedarf für 2030 wurde laut Nationaler Wasserstoffstrategie auf ungefähr 90 bis 110 Terrawattstunden geschätzt.
Bislang werden in Deutschland von grün hergestelltem Wasserstoff nur 30 Prozent von der Industrie genutzt. Vergleicht man die Preise, wird auch der Grund schnell deutlich: Ein Kilo aus fossiler Energie hergestelltem Wasserstoff kostete 2020 ungefähr 1,50 Euro. Die Erzeugung von Wasserstoff mithilfe von erneuerbaren Energien kostete aber zwischen 2,50 bis 5,50 Euro. Laut des BMBF-Projektes „Potenzialatlas Wasserstoff“ lässt sich mittlerweile in Teilen Westafrikas Grüner Wasserstoff herstellen, der immerhin bereits unter 2,50 Euro pro Kilo kostet.
Bis 2030 werden aber generell sinkende Erzeugungskosten prognostiziert. Rund ein Drittel weniger könnte die Herstellung dann kosten. Bis 2050 könnten die Preise bereits um zwei Drittel gesunken sein.
Einsparpotenzial bei Elektrolyse
Der Preis stellt somit noch eine große Hürde für die Umstellung auf Grünen Wasserstoff dar. Doch wie lässt sich dieses Problem lösen? Mit dieser Frage befasst sich ABB Motion. Das große Potenzial des Energieträgers als Schlüssel für die Dekarbonisierung erkannte das Unternehmen frühzeitig. Mit dem Ziel, alle Kunden auf ihrem Weg fort von fossilen Brennträgern mit den erforderlichen Technologien zu unterstützen, entstanden zahlreiche Projekte rund um das Thema Wasserstoff.
Mit dem Fokus auf die Elektrolyse befasst sich ABB intensiv damit, die Kosten für die Herstellung von Grünem Wasserstoffs zu senken. Das größte Einsparpotenzial bietet die effiziente Gleichstromversorgung über den ganzen Herstellungsprozess hinweg: Für eine Tonne produziertem Wasserstoff, der eine Energiemenge von 36.000 kWh speichert, sind 55.000 kWh grüner Strom notwendig. Das zeigt die Wichtigkeit einer effizienten Gleichstromversorgung.
Wirtschaftlichkeit durch Stromumrichter
Um den für die Elektrolyse notwendigen Gleichstrom zur Verfügung zu stellen, sind Stromumrichter zwingend notwendig. Hierfür stehen verschiedene Varianten von Umrichter-Lösungen zur Verfügung: Dioden-, Thyristor- und IGBT-basierte Geräte. Dioden sind nicht steuerbar und leiten Strom in eine Richtung. Thyristor-basierte Technologien sind dagegen über ein Gate-Signal steuerbar. „Angeschaltet“ verhalten sie sich jedoch wie Dioden-basierte Geräte. Die IGBT-Technologie ist über ein schnell schaltendes Gate-Signal steuerbar und bidirektional. Sie kompensieren Oberschwingungen und verhindern so unnötige Blindleistung.
Und das Prinzip der Blindleistung lässt sich gut mit einem Glas Bier vergleichen: Das gesamte Bier stellt die sogenannte Scheinleistung dar, die elektrische Leistung also, die bezahlt werden muss. Das flüssige Bier unten im Glas ist die Wirkleistung und im oberen Teil mit dem Schaum befindet sich der Blindleistungsanteil. Die Wirkleistung wird geringer, je mehr Schaum vorhanden ist. So verhält es sich auch bei der elektrischen Leistung. Denn die Blindleistung verrichtet keine nutzbare Arbeit und sollte vermieden werden.
Bei den erwähnten Oberschwingungen handelt es sich um unerwünschte höhere Frequenzen, die die Grundschwingungen des Stromsignals überlagern. Das sorgt für durchgebrannte Sicherungen, ausgelöste Leistungsschalter, unnötige Hitzeentwicklung an Transformatoren, Kabeln oder Klemmstellen – alles erhöht das Ausfallrisiko der Anlage. Eine Gesamtverzerrung der Stromoberschwingungen (THDI-Wert) von 40 Prozent kann zu 16 Prozent mehr Verlustleistung führen – und so die Kosten deutlich in die Höhe treiben.
Effiziente Umrichter senken Kosten
Verluste kosten Geld, weswegen Oberschwingungen und einhergehend Blindleistung möglichst kompensiert werden sollten. Die unterschiedlichen Umrichter von ABB können das leisten. Für eine zukunftssichere Gleichstromversorgung für die Herstellung von Wasserstoff eignen sich sowohl DCS880-Thyristorstromrichter als auch ACS880 Dioden- und IGBT-Stromrichter von ABB.
Der DCS880 ist thyristorbasiert und verbraucht wenig Platz. Geeignet ist das Gerät in bestehenden Industrieanlagen, die bereits über eine Kompensationsanlage verfügen. Darüber hinaus ermöglicht der DCS880 bei präziser Strom- und Spannungsregelung den Elektrolyseprozess im Leistungsbereich bis zu 20 MW und einer Gleichspannung von bis zu 1.500 Volt.
Sind die Anforderungen an das Stromnetz bei einer Neuanlage hoch, dann empfiehlt ABB den Einsatz einer IGBT-Lösung. Das ACS800-IGBT-basierte Gerät kompensiert wirkungsvoll den Blindleistungsanteil – ohne zusätzlich notwendige Kompensationslösungen.
In der Praxis gibt es laut den Experten von ABB aber kein entweder oder zwischen Thyristor-, Dioden- und IGBT-Stromrichtern – zu unterschiedlich sind die spezifischen Anforderungen der Kunden sowie die jeweils zur Verfügung stehende Infrastruktur.
Aus Sicht von ABB wird somit eine Hybrid-Lösung der Umrichter-Technologien zukunftsweisend sein. Ein flexibles Portfolio von ABB ermöglicht mit verschiedenen Technologien – Thyristor, Diode und IGBT – die Herausforderungen der Stromnetze zu meistern und den sich schnell verändernden Bedarf zu bedienen. Die hohe Systemeffizienz der ABB-Stromversorgungssysteme steigert dabei die Rentabilität der Wasserstofferzeugung. Denn der Preis ist nach wie vor der größte Faktor, der die grüne Wasserstoff-Produktion gefährden könnte.
Erleichterte Lagerung
Ein anderes bislang großes Problem scheint sich hingegen zu lösen: Wasserstoff galt lange als schwierig handzuhaben, da er in Verbindung mit Sauerstoff leicht entzündlich ist. Die Lagerung ist außerdem sehr aufwendig, weil Wasserstoff die Eigenschaft besitzt, durch alle Stoffe „zu wandern“. Das erschwert den Transport und trägt zu hohen Kosten bei.
Forschern des Leibniz-Institutes gelang es nun jedoch, Wasserstoff in Carbonat- und Bicarbonatsalzen zu speichern. In den ersten Versuchen konnten 80 Prozent des Wasserstoffes aus dieser Salzbatterie zurückgewonnen werden. Weitere Entwicklung dieser Forschung versprechen eine höhere Ausbeute – und eine Sorge weniger.
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