Team 3

Flüssige Wasserstoffspeicher – Wegbereiter einer zukünftigen Wasserstoffgesellschaft

Beschreibung der Institute und Unternehmen zu ihren nominierten Projekten

Stellt man Überlegungen über ein CO2-freies Energiesystem der Zukunft an, ist Wasserstoff als Energieträger fast unumgänglich. Das leichteste chemische Element ist bezogen auf sein Gewicht deutlich energiereicher als Benzin: Ein Kilogramm Wasserstoff enthält fast so viel Energie wie drei Kilogramm des fossilen Treibstoffs. Wasserstoff kann in einer Brennstoffzelle zu elektrischem Strom gewandelt werden und auf diese Weise als Kraftstoff in der Mobilität und in anderen Bereichen der Energiewirtschaft eingesetzt werden. Wird der verwendete Wasserstoff durch Zerlegung von Wasser mittels Sonnen- oder Windstrom gewonnen, entsteht ein Energiesystem, das komplett frei von CO2 und anderen schädlichen Emissionen funktioniert.

Wasserstoff-Fahrzeuge, die bereits heute in wachsender Zahl auf dem Markt verfügbar sind, ermöglichen zunehmend eine mit Benzin- und Dieselfahrzeugen vergleichbare Reichweite. Auch die Betankungszeiten gleichen denen an der Benzintankstelle. Damit eignet sich die Wasserstoffbetankung insbesondere für lange Strecken und größere Fahrzeuge einschließlich Busse, LKW, Schiffe und Züge. Aufgrund der wahrnehmbaren Folgen des Klimawandels, der starken Luftverschmutzung in vielen dicht besiedelten Regionen der Erde und daraus resultierenden globalen Bestrebungen zu mehr Nachhaltigkeit im Verkehrssektor gewinnt Wasserstoff in der öffentlichen Diskussion der letzten Jahre immens an Bedeutung. Große Konzerne wie Toyota, Daimler, Hyundai, Audi, Engie, Alstom und Shell positionieren sich mit ihren Produkten in diesem Wachstumsmarkt.

Trotz aller Fortschritte stellt die kostengünstige und sichere Speicherung und Handhabung von Wasserstoff jedoch nach wie vor eine Herausforderung dar: Die volumenbezogene Energiedichte von Wasserstoffgas ist bei Umgebungsbedingungen nämlich sehr gering. Für Speicherung und Transport von Wasserstoff muss die Dichte daher durch technische Maßnahmen erhöht werden. Heute wird Wasserstoff zumeist unter sehr hohem Druck von bis zu 700 bar gesetzt oder bei Temperaturen von unter -250 °C verflüssigt. Beides ist aufwändig und teuer, insbesondere da für diese Art von Wasserstoffhandhabung flächendeckend eine komplett neue Infrastruktur aufgebaut werden müsste. Um zukünftig Wasserstoff anstelle von Erdölprodukten als Energieträger verwenden zu können, muss also seine Speicherung und sein Transport effizient und sicher in bereits bestehenden Infrastrukturen möglich gemacht werden.

Mit dieser Vision eines auf Wasserstoff basierenden nachhaltigen Energiesystems im Kopf haben Prof. Dr. Peter Wasserscheid von der FAU und vom Helmholtz Institut Erlangen-Nürnberg für Erneuerbare Energien des Forschungszentrums Jülich, Prof. Dr. Wolfgang Arlt von der FAU und Dr. Daniel Teichmann, Geschäftsführer der Hydrogenious Technologies GmbH, einen Weg zur umfassenden Nutzung von Wasserstoff entwickelt, der ohne die aufwändige Handhabung von molekularem Wasserstoff auskommt. Stattdessen wird Wasserstoff an eine ungefährliche und gut zu handhabende Trägerflüssigkeit chemisch gebunden, die gefahrlos in der bestehenden Infrastruktur heutiger Kraftstoffe genutzt werden kann. Bei Bedarf wird der Wasserstoff wieder freigesetzt, wobei die Trägerflüssigkeit als „flüssige Pfandflasche“ erhalten bleibt und neu beladen werden kann. Die sogenannte LOHC-Technologie (liquid organic hydrogen carrier) ermöglicht damit eine einfache und effiziente Möglichkeit der Speicherung und des Transports von Wasserstoff.

Die Vorteile dieser Wasserstoffspeichertechnologie sind vielfältig: Da sich die Trägerflüssigkeit wie ein herkömmlicher Kraftstoff handhaben lässt, kann dafür die vorhandene und bewährte Infrastruktur an Tankschiffen, Kessel- und Tankwagen sowie Tankstellen genutzt werden. Die hohe Speicherdichte ermöglicht zudem einen effizienten Transport auch über weite Entfernungen sowie eine beliebig lange Lagerung ohne Verluste. Eine kostengünstige Belieferung großer Wasserstofftankstellen mit regenerativ erzeugtem Wasserstoff wird damit möglich. Die verwendete Trägerflüssigkeit ist zudem kein Gefahrgut, nicht toxisch, schwer entflammbar, nicht explosiv und damit den heutigen Kraftstoffen wie auch gasförmigem Wasserstoff in Punkto Sicherheit weit überlegen. Das nominierte Team hat die LOHC-Technologie in den vergangenen Jahren maßgeblich vorangetrieben, insbesondere durch Einführung eines neuen Stoffkonzepts sowie Entwicklung der erforderlichen Katalysatoren, Apparate und Prozesse.

Um die Technologie dem Markt zugänglich zu machen, haben Dr. Daniel Teichmann, Prof. Peter Wasserscheid, Prof. Wolfgang Arlt und Prof. Eberhard Schlücker im Jahr 2013 das Unternehmen Hydrogenious Technologies GmbH mit Sitz in Erlangen gegründet. Die Firma entwickelt, baut und vermarktet seither industrielle LOHC-Systeme, die bereits in mehreren Ländern erfolgreich im Einsatz sind. So wurden kürzlich im US-Bundesstaat Tennessee gemeinsam mit dem Partner United Hydrogen Group mehrere Anlagen erfolgreich in Betrieb genommen, mit deren Hilfe Industriekunden besonders einfach und günstig mit Wasserstoff versorgt werden. Derzeit sind weitere Anlagen für den Einsatz an LOHC-belieferten Wasserstofftankstellen in Bau, die nach Fertigstellung unter anderem in Erlangen, Finnland und China zum Einsatz kommen werden.

Hydrogenious Technologies wurde bereits mehrfach ausgezeichnet, unter anderem mit dem Innovationspreis der Deutschen Wirtschaft, dem „Energy Transition Award“ der Deutschen Energieagentur und dem Bayerischen Gründerpreis. Die Firma beschäftigt inzwischen 65 Mitarbeiter und ist in Projekten in Europa, den USA und China engagiert. Hydrogenious Technologies arbeitet mit einer Vielzahl renommierter Firmen eng zusammen, darunter Clariant, Sasol, MAN und Anglo Platinum. Auf Forschungsseite bestehen weiterhin enge Verknüpfungen mit der Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg und dem Helmholtz-Institut Erlangen-Nürnberg für Erneuerbare Energien. Dort wird bereits sehr konkret an der mittelfristig realisierbaren Option geforscht, die mit Wasserstoff beladene Trägerflüssigkeit über eine sogenannte Direkt-LOHC-Brennstoffzelle direkt in Fahrzeugen als emissionsfreien Treibstoff zu nutzen.

Das Potential der Technologie geht damit weit über die reine Belieferung von Wasserstofftankstellen oder die industrielle Wasserstofflogistik hinaus: Die LOHC-Technologie soll zukünftig die Grundlage für ein nachhaltiges Energiesystem bilden. Wasserstoff, sicher gespeichert in LOHC, wird helfen, die wetter- und tageszeitabhängige Erzeugungsleistung erneuerbarer Energien dem tatsächlichen Bedarf anzupassen. Noch wichtiger ist der globale Transport erneuerbarer Energien. Viele dünn besiedelte Regionen der Welt bieten die besten Voraussetzungen für den Bau ertragreicher Windkraft- oder Solaranlagen – ihr Strom wird aber vor allem in dicht besiedelten und hochindustrialisierten Regionen gebraucht. Die von den Nominierten entwickelte LOHC-Technologie ermöglicht einen effizienten globalen Transport und eine verlustfreie und infrastrukturkompatible Speicherung von Wasserstoff für ein zukünftiges, globales Energiesystem ohne CO2-Emissionen.

Kurzbeschreibung Hydrogenious Technologies GmbH
Die Hydrogenious Technologies GmbH wurde 2013 als Spin-off der Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg mit dem Ziel gegründet, die LOHC-Technologie zur Marktreife zu bringen. Partnerschaften mit den Firmen Anglo American, Clariant, Sasol, MAN und Broad Ocean Motor haben Hydrogenious Technologies mit starken wissenschaftlichen, strategischen und finanziellen Ressourcen ausgestattet. Das Unternehmen beschäftigt 65 Mitarbeiter und hat seinen Sitz in Erlangen. Hydrogenious Technologies ist ein weltweiter Pionier im Bereich der Wasserstoffspeichertechnologien auf Basis von Liquid Organic Hydrogen Carrier (LOHC) und baut verfahrenstechnische Anlagen für die industrielle Wasserstofflogistik und Tankstellen auf Grundlage der LOHC-Technologie.

Kurzbeschreibung FAU
Die Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU), gegründet 1743, ist mit etwa 40.000 Studierenden, rund 580 Professorinnen und Professoren und mehr als 14.000 Mitarbeiterinnen und Mitarbeitern eine der größten Universitäten Deutschlands. Im Reuters-Ranking der 100 innovativsten Universitäten Europas liegt sie gegenwärtig auf Platz 5 – vor Namen wie Oxford oder Leiden. Neben dem Exzellenzcluster „Engineering of Advanced Materials“ (EAM) und der im Rahmen der Exzellenzinitiative eingerichteten Graduiertenschule „School of Advanced Optical Technologies“ (SAOT) werden an der FAU derzeit über 40 koordinierte Programme von der DFG gefördert.

Die FAU bietet rund 260 Studiengänge an, darunter auch Bayerische Elite-Master-Studiengänge und etwa 50 mit dezidiert internationaler Ausrichtung. Keine andere Universität in Deutschland kann auf ein derart breit gefächertes und interdisziplinäres Studienangebot auf allen Qualifikationsstufen verweisen.

Kurzbeschreibung Forschungszentrum Jülich
Das Forschungszentrum Jülich mit seinen rund 5.900 Mitarbeiterinnen und Mitarbeitern leistet wirksame Beiträge zur Lösung großer gesellschaftlicher Herausforderungen in den Bereichen Information, Energie und Bioökonomie. Es konzentriert sich auf die Zukunft der Informationstechnologien und -verarbeitung, komplexe Vorgänge im menschlichen Gehirn, den Wandel des Energiesystems und eine nachhaltige Bioökonomie. Das Forschungszentrum entwickelt die Simulations- und Datenwissenschaften als Schlüsselmethode der Forschung weiter und nutzt große, oft einzigartige wissenschaftliche Infrastrukturen. Dabei arbeitet es themen- und disziplinenübergreifend und nutzt Synergien zwischen den Forschungsgebieten.

Das Vorschlagsrecht zum Deutschen Zukunftspreis obliegt den führenden deutschen Einrichtungen aus Wissenschaft und Wirtschaft sowie Stiftungen.
Das Projekt „Flüssige Wasserstoffspeicher – Wegbereiter einer zukünftigen Wasserstoffgesellschaft“ wurde von der Helmholtz-Gemeinschaft Deutscher Forschungszentren e. V. eingereicht.

Bundespräsident Frank-Walter Steinmeier verleiht am 28. November 2018 den 22. Deutschen Zukunftspreis an eines der drei nominierten Teams.