Wasserstoff-Forschung
Die bedeutende Rolle von Wasserstoff in der Energiewende 2.0
"Grüner Wasserstoff ist das Erdöl von morgen."
Es ist allgemein bekannt, dass es an der Zeit für Alternativen zu fossilen Energieträgern ist, um den Klimaschutz voranzutreiben und bei der Energiewende einen langfristigen Erfolg zu erzielen. Oberste Priorität hat dabei die CO2-Reduzierung. Ein möglicher Weg dorthin beinhaltet eine nationale und flächendeckende Versorgung mit CO2-freiem Wasserstoff („grüner“ Wasserstoff) und dessen Folgeprodukten. Dafür bedarf es allerdings konkreter Maßnahmen.
Konkrete Maßnahmen hat die deutsche Bundesregierung in ihrer kürzlich vorgestellten Nationalen Wasserstoffstrategie dargelegt. Dieser Aktionsplan der Bundesregierung sieht eine Dekarbonisierung auf Basis von CO2-freiem Wasserstoff vor. Dazu sollen Wasserstoffproduktionsanlagen mit einer Gesamtleistung von zunächst bis zu 5 GW gebaut werden. Wasserstoff wird so zum Schlüsselrohstoff und modernste Wasserstofftechnik zum Kernelement der Energiewende.
Wasserstoff als Schlüsselrohstoff
Warum benötigen wir Wasserstoff zur Dekarbonisierung?
Eine große Herausforderung der Energiewende ist die Sektorkopplung. Bei Betrachtung aller Sektoren (Industrie, Verkehr, Haushalte, Gewerbe, Handel und Dienstleistungen) wird deutlich, dass derzeit nur rund 20% des gesamten Energieverbrauchs in Deutschland in Form von Strom abgedeckt wird, der übrige Verbrauch entfällt im Wesentlichen auf Energieträger wie Mineralölprodukte (36%) und Gase (25%).1 Es ist daher von zentraler Bedeutung, dass insbesondere diese Energieträger durch CO2-ärmere/-freie Energieträger ersetzt werden. Sie durch klimaneutralen Strom zu ersetzen, um so alle Sektoren vollständig zu dekarbonisieren, ist laut Experten technisch und wirtschaftlich nicht möglich und sinnvoll, zumal der Strombedarf erwartungsgemäß weiter steigen wird. Beispiel: Die im Verkehrssektor notwendigen hohen Reichweiten und Nutzlasten sowie der Bedarf an schneller Betankung sind durch rein batterieelektrische Antriebe kaum realisierbar.
Der deutsche Energiebedarf übertrifft den energiewirtschaftlich geeigneten Ausbau an erneuerbaren Energien nach derzeitigem Erwartungswert um das Zweifache.2 Das heißt, dass nach heutigem Ermessen alleine mit dem Ausbau von beispielsweise Windkraft- und Solaranlagen der zu erwartende Primärbedarf nicht zu bedienen ist. Daher bedarf es klimaneutraler Energieträger, die auch Anwendungsfelder bedienen, die sich schwer elektrifizieren lassen. Hierbei kann die Elektrolyse ein zentrales Verfahren und Wasserstoff Bindeglied zwischen der elektrischen und stofflichen Welt sein.
Das Potential von Wasserstoff erkennen und erschließen
Wasserstoff als Alleskönner?
Wasserstoff ist auf der Erde reichlich vorhanden, allerdings fast ausschließlich in chemischen Verbindungen (Wasser, Säuren, etc.). Die Gewinnung des Wasserstoffs erfolgt durch die Aufspaltung von Wasser (H2O) in die Bestandteile Sauerstoff (O2) und Wasserstoff (H2) mit Hilfe elektrischen Stroms (Elektrolyse).
Wasserstoff wird aufgrund seiner Eigenschaften heute vor allem in der chemischen Industrie als Rohstoff, zum Beispiel zur Herstellung von Dünger oder in Erdölraffinerien zur Raffinierung von Mineralöl verwendet. Auch bei der Herstellung von synthetischen Kraftstoffen spielt Wasserstoff eine große Rolle.
Neben der direkten Nutzung erfährt Wasserstoff durch seine hohe Speicher- und Transportierbarkeit auch eine zunehmende Bedeutung für die Systemintegration von erneuerbaren Energien. Dadurch erschließen sich verschiedenste Anwendungsbereiche für Wasserstoff, zum Beispiel als Antriebsenergie von Fahrzeugen, Schiffen und Flugzeugen (Power-to-Fuel) oder für die Rückverstromung in Gaskraftwerken oder Brennstoffzellen. Wasserstoff und darauf basierende (chemische) Energieträger haben demnach ein großes Potential zur Umsetzung einer nachhaltigen Energiewende.
Herausforderungen
Die Produktion von grünem Wasserstoff benötigt große Mengen an erneuerbarem Strom und ist derzeit noch sehr teuer und nicht wirtschaftlich. Die Umstellung auf wasserstoff-basierte Anlagen erfordert darüber hinaus hohe Investitionen. Dadurch ist die Konkurrenz zu sehr günstigen fossilen Energieträgern und etablierten Erzeugungs- und Verbrauchstechnologien groß. „Um die Entwicklung voranzutreiben und eine Kostendegression zu erreichen, müssen Erzeugungsanlagen im industriellen Maßstab aufgebaut und eine entsprechende Größenordnung in der Herstellung von CO2-freiem Wasserstoff mit einem deutlich wachsenden Absatzmarkt erreicht werden."3
Lösung: Forschung
Um Wasserstoff als flexiblen Energieträger/-speicher vielfältig einsetzbar zu machen, bedarf es noch intensiver Forschungs- und Entwicklungsanstrengungen im Bereich innovativer Wasserstofftechnologien.
Grüner Wasserstoff: Herstellung von Wasserstoff mittels Elektrolyse, bei der Strom aus erneuerbaren Energien wie Wind und Sonne verwendet wird.
Blauer Wasserstoff: Durch CO2-Abscheidung und -Speicherung produzierter Wasserstoff. Gilt als CO2-frei, wenn bei der Herstellung kein CO2 in die Atmosphäre entweicht.
Grauer Wasserstoff: Bei der Gewinnung fällt in jedem Fall CO2 an, da er aus fossilen Energiequellen wie beispielsweise Erdgas gewonnen wird.
Wasserstoff-Forschung am Max-Planck-Institut für Chemische Energiekonversion
„Wir schmieden die Schraubenschlüssel, mit denen andere dann die Technologien bauen.“
Eine unserer Aufgaben am MPI CEC ist es, Wasserstoff, seine Herstellung sowie seine Speicher- und Nutzungsmöglichkeiten grundlegend zu erforschen. Ganz nach Max Plancks Philosophie „Dem Anwenden muss das Erkennen vorausgehen“ wollen wir im Detail aufschlüsseln, welches Grundlagenverständnis nötig ist, um effiziente Technologien zu entwickeln.
„Wir müssen die Schraubenschlüssel schmieden, mit denen andere dann die Technologien bauen“, so Prof. Robert Schlögl, Geschäftsführender Direktor am MPI CEC und stellvertretender Vorsitzender des Nationalen Wasserstoffrats der Bundesregierung.
Forschungsschwerpunkte am MPI CEC sind bspw. die Wasserstoffgewinnung durch Elektrolyse (Wasserspaltung), die chemische CO2 Reduktion, die Umwandlung von Wasserstoff in andere chemische Produkte und transportable und besser speicherbare Formen, wie z.B. Methanol oder Ammoniak. Ebenso beschäftigen wir uns mit der Optimierung dieser Prozesse und legen besonderes Augenmerk auf die verschiedenen Formen der Katalyse. Denn für die Elektrolyse und andere Umwandlungsprozesse ist die Katalyse eine essentielle Technologie. Wir versuchen daher, Katalysatoren zu entwickeln, die sowohl aus nachhaltigen als auch kostengünstigen Materialien bestehen.
Die Wasserstoffgewinnung mit Hilfe der Elektrolyse ist allerdings noch immer ein sehr kostenintensiver Prozess, da die Anlagen bisher nicht in großem Umfang vorhanden sind. Die Produktion der entsprechenden Anlagen ist zwar keine Aufgabe für die Grundlagenforschung, hier sind unsere Industriepartner gefragt. Doch wir können einen wichtigen Beitrag für die dafür nötigen Katalysatoren leisten. „Da es spezielle Anforderungen an die Katalysatoren gibt, ist auch hier ein umfassendes Grundlagenwissen essentiell,“ so Schlögl. Bei der Herstellung von Katalysatoren folgen Chemiker bestimmten „Rezepten“, hinter denen hochkomplexe Reaktionen stecken. Wir am MPI CEC versuchen, Katalysatoren auf atomarem Level zu verstehen und quantenmechanisch zu beschreiben, warum eine Reaktion auf bestimmte Art und Weise abläuft. Dies ist bisher noch immer eine große Herausforderung an die Wissenschaft.
Projekte und Kooperationen in der Wasserstoff-Forschung
Das MPI CEC ist darüber hinaus in viele verschiedene Kooperations- und Forschungsprojekte zum Thema Wasserstoff eingebunden. Beispielsweise in die Kopernikus Power-to-X Projekte, die darauf abzielen, Technologien und Prozesse zu entwickeln, die erneuerbare Energie umwandeln und speichern können.
Wasserstoff-Forschung in unseren Gruppen
Enzyme der Energiekonversion
Die Gruppe Enzyme der Energiekonversion (Dr. J. Birrell) untersucht u.a. Enzyme (= biologische Katalysatoren), die Reaktionen wie Wasserstoffoxidation und Protonenreduktion durchführen. Die Wissenschaftler wollen die Mechanismen verstehen, um bessere industrielle Katalysatoren herzustellen, die auf in der Erde reichlich vorhandenen Metallen basieren.
Die Gruppe kooperiert u.a. mit der Ruhr-Universität Bochum, um Wasserstoff umwandelnde Enzyme (Hydrogenasen) in Elektrodenmaterialien zu integrieren. So werden Wasserstoff-Brennstoffzellen, Wasserelektrolyseure und Wasserstoff-Biosensoren hergestellt.
Die Charakterisierung von [FeFe]-Hydrogenasen, der aktivsten Klasse von Hydrogenasen, ist eine essentielle Aufgabe der Gruppe. Die Wissenschaftler verwenden dafür eine breiten Palette elektrochemischer und spektroskopischer Methoden und arbeiten dabei mit vielen internen Kollegen (darunter der ehemalige CEC-Direktor Prof. Wolfgang Lubitz) als auch nationalen und internationalen Partnern zusammen. In den letzten Jahren sind die Wissenschaftler so einem umfassenden Bild des katalytischen Zyklus in diesen Enzymen sehr nahe gekommen.
Darüber hinaus befasst sich die Gruppe mit der Untersuchung der Sauerstoffempfindlichkeit von [FeFe]-Hydrogenasen und dem Mechanismus einer multifunktionellen [FeFe]-Hydrogenase aus einem thermophilen Bakterium. Diese Hydrogenase ist in der Lage, mit mehreren Elektronenquellen gleichzeitig Wasserstoff zu produzieren. Wie dies erreicht wird, ist noch unbekannt, aber die Auflösung der Struktur dieses Enzyms mit Hilfe der Kryoelektronenmikroskopie könnte helfen, den Mechanismus aufzuklären.
Zukünftig beschäftigt sich die Gruppe voraussichtlich auch mit weiteren wasserstoffbezogenen Themen:
- Kryoenzymologie von Hydrogenasen: Die Untersuchung von Enzymen bei niedriger Temperatur kann die Katalyse verlangsamen und instabile Zwischenprodukte für die strukturelle und spektroskopische Charakterisierung einfangen.
- Thermostabile Hydrogenasen für Anwendungen: Hydrogenasen aus thermostabilen Organismen könnten neue Möglichkeiten zum Lernen über Enzymmechanismen und zur Herstellung nützlicher Geräte mit verbesserter Stabilität bei erhöhten Temperaturen bieten.
- Wasserstoff zu anderen Produkten: Ferredoxin und das von bestimmten Hydrogenasen erzeugte NADH könnten zur Herstellung anderer Produkte in Biotransformationen wie der Produktion von Methanol oder der Fixierung von CO2 als CO oder Formiat verwendet werden.
- H2-Sensoren: Hydrogenasen reagieren extrem schnell mit H2 und können daher als extrem empfindliche H2-Biosensoren verwendet werden.
- An der Substrat-/Produktselektivität beteiligte Faktoren: Enzyme sind oft extrem selektiv und reagieren nur mit einem einzigen Substrat, um ein einziges Produkt zu erzeugen, während industrielle Katalysatoren zusätzliche unerwünschte Nebenprodukte erzeugen können. Der Vergleich von Enzymen mit industriellen Katalysatoren kann ein Verständnis der für die Selektivität wichtigen Faktoren liefern.
EPR-Forschungsgruppe
Die EPR-Forschungsgruppe (Dr. A. Schnegg) untersucht den Struktur-Funktions-Zusammenhang von häufig in der Erdkruste vorkommenden Übergangsmetallkatalysatoren, die für die Entwicklung neuartiger Elektrolyseure (H2-Bildung) und Brennstoffzellen (H2-Nutzung) für eine zukünftige Wasserstoffwirtschaft genutzt werden können.
- Die Photosynthese liefert die Blaupause für die Gewinnung von Sonnenenergie zur Erzeugung stabiler Brennstoffe aus erneuerbaren Energien (Kohlenwasserstoffe). Um zu verstehen wie die Wasserspaltung in Pflanzen funktioniert, untersuchen wir, wo und wie das zu spaltende Wasser im Photosynthese Protein Photosystem II (PSII) gebunden wird. Mit Hilfe moderner Elektronenspinresonanz (englisch EPR) Spektroskopie verfolgen wir den Austausch von isotopenmarkierten 17O-Wassermolekülen in den Bindungstaschen des Proteins.
- Hydrogenasen sind bei der Wasserstoffumwandlung von großer Bedeutung und katalysieren die Bildung und Oxidation von molekularem Wasserstoff. Das aktive Zentrum dieser Enzyme enthält die reichlich vorhandenen Metalle Nickel und/oder Eisen, die die H2-Umwandlung ohne Überpotential und bei Umgebungsbedingungen katalysieren. Aus diesem Grund dienen Hydrogenasen als Modell für die Entwicklung kostengünstiger und effizienter Katalysatoren, die in zukünftigen Elektrolyseuren und Brennstoffzellen eingesetzt werden sollen.
- Einzelne Eisen- und Kobaltatome eingebettet in eine Kohlenstoffumgebung können als sehr effiziente Einzelatomkatalysatoren wirken. Sie sind vielversprechende Kandidaten für den Ersatz von teuren und nur begrenzt verfügbaren Katalysatoren, wie sie bisher in Brennstoffzellen verwendet werden. Unser Ziel ist es die Funktion dieser Zentren während der katalytischen Reaktion mit sogenannten in-situ EPR-Methoden zu verfolgen. Dadurch können wir die aktiven Zentren identifizieren, quantifizieren und ihre Struktur auf atomarer Ebene bestimmen.
- Um Edelmetalle in kostengünstigen Polymer-Elektrolyt-Membran (PEM)-Elektrolyseuren zu ersetzen, werden heterogene Übergangsmetallionen-Katalysatoren erforscht. Ein besonderer Schwerpunkt liegt dabei auf Katalysatoren, die in sauren Medien arbeiten, da diese Bedingungen aus wirtschaftlicher und technischer Sicht geeigneter sind. Durch die Kombination von Elektrochemie und EPR-Spektroskopie erforschen wir die Wirkungsmechanismen dieser Materialien.
Multiphasenkatalyse
Die Gruppe Multiphasenkatalyse (PD Dr. A. Vorholt) konzentriert sich auf verschiedene Skalen der Katalyse zur Nutzung von Wasserstoff zur Speicherung von Energie und Materialien.
Die effektive Nutzung von Wasserstoff und somit auch sein Wirkungsgrad hängt sowohl vom Katalysator für die Umwandlung ab als auch vom System, in dem er eingesetzt wird.
Daher untersucht die Gruppe die verschiedenen Skalen für die Wasserstoffumwandlung:
- die molekulare Ebene des Katalysators
- die Phasenebene, in der der Katalysator solvatisiert wird
- die Prozessebene, die Trennungsschritte umfassen
Die angestrebten Reaktionen sind die Fixierung von CO2 und der Aufbau von Kohlenstoffketten für Kraftstoffe, Energiemoleküle, Synthesebausteine und neue Materialien.
Referenzen
[1] AG Energiebilanz e.V.: Auswertungstabellen zur Energiebilanz für die Bundesrepublik Deutschland 1990-2018; Umweltbundesamt: Energieverbrauch nach Energieträgern und Sektoren. Link
[2] Fraunhofer-Institut für System- und Innovationsforschung ISI, Karlsruhe; Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISE, Freiburg: Eine Wasserstoff-Roadmap für Deutschland
[3] BMWi – Artikel „Wasserstoff: Schlüsselelement für die Energiewende“ https://www.bmwi.de/Redaktion/DE/Dossier/wasserstoff.html