F&E von Wasserstofftechnologien

Klimawende mit grünem Wasserstoff-Rückenwind

Die Wasserstoffstrategie der EU und der Bundesregierung erkennt im grünen Wasserstoff als Energieträger der Zukunft einen entscheidenden Baustein für die Herstellung der CO2-Neutralität bis 2050. Um die Transformation zur Wasserstoffwirtschaft zu vollziehen, müssen in kürzester Zeit Wasserstofftechnologien erforscht und sodann anwendungsorientiert weiterentwickelt werden. Dabei sind ganz unterschiedliche technische Aspekte betroffen: von der Wasserstofferzeugung über die Speicherung und den Transport bis hin zum Einsatz als Ersatz für die heute genutzten fossilen Energieträger in der Industrie, der Mobilität und der Energieversorgung von Gebäuden. Für die Bewältigung dieser bedeutenden Forschungs- und Entwicklungsaufgabe werden vielfältige Kooperationen von Unternehmen unterschiedlicher Branchen sowie die Einbindung von Hochschulen und Instituten erforderlich. Zur Förderung der Initiierung und Durchführung solcher F&E-Kooperationsprojekte sieht sowohl die nationale als auch die europäische Wasserstoffstrategie erhebliche Finanzbeihilfen vor.

Neue Wege bei der Erzeugung grünen Wasserstoffs

Es ist unbestritten, dass die Klimawende nur mit grünem Wasserstoff zu schaffen ist. Daher legt die nationale Wasserstoffstrategie einen klaren Fokus auf den grünen Wasserstoff. Derzeit wird dieser nahezu ausschließlich durch Elektrolyse unter Einsatz von mittels erneuerbarer Energien gewonnenem Strom erzeugt. Insofern kann grüner Wasserstoff als Speicher- und Transportmedium genutzt werden, um bspw. die in Norddeutschland gewonnene Windenergie – unabhängig von den teils hochumstrittenen neu zu errichtenden Stromtrassen – nach Süddeutschland zu transportieren. Hierfür müssen nicht nur kurzfristig Elektrolysekapazitäten geschaffen werden. Vielmehr muss der Wirkungsgrad der heutigen Elektrolyseverfahren und anlagen durch erhebliche F&E-Investitionen verbessert werden, um die teils gravierenden Energieverluste bei der Umwandlung des grünen Stroms in grünen Wasserstoff nicht zuletzt aus Wirtschaftlichkeitsaspekten deutlich zu reduzieren.

Gleichzeitig wird bereits jetzt an der Forschung und Entwicklung alternativer Verfahren zur Herstellung grünen Wasserstoffs gearbeitet. Erste vielversprechende Ergebnisse wurden in der Grundlagenforschung bereits erzielt. So arbeitet eine Forschungsgruppe in dem am Helmholtz-Zentrum Geesthacht eingerichteten Hydrogen Technology Centre (HTC) an Materialien und Verfahren zur photoelektrochemischen Herstellung von Wasserstoff direkt aus Solarenergie. Einen anderen Ansatz verfolgt bspw. eine Forschungsgruppe an der Christian-Albrechts-Universität zu Kiel. Dort wird durch biotechnologisch veränderte Cyanobakterien Wasserstoff mittels Photosynthese hergestellt. Beide noch in der Grundlagenforschung befindlichen Ansätze für alternative Wege der Herstellung grünen Wasserstoffs erscheinen aussichtsreich, müssen jedoch weiter erforscht und entwickelt werden, sodass ein Einsatz im Industriemaßstab erfolgen kann. Die im Zusammenhang mit F&E-Kooperationen zwischen Unternehmen und öffentlich finanzierten Forschungseinrichtungen aufgeworfenen Fragen der Zuordnung von Entwicklungsergebnissen und ihrem Schutz sowie beihilferechtliche Implikationen sind uns bestens bekannt. 

Flüssig oder fest: innovative Wasserstoffspeicherung

Die Speicherung von Wasserstoff stellt eine besondere Herausforderung dar. Natürlich kann man hier ähnlich wie bei dem netzgebundenen Transport auf die Erfahrungen mit Erdgas zurückgreifen. Heute kommen weit überwiegend noch Flüssigwasserstofftanks zum Einsatz und stehen auch für die nahe Zukunft im Fokus. So sieht Airbus bspw. in seinen drei Konzeptstudien für wasserstoffbetriebene Flugzeuge, die ab dem Jahre 2035 vermarktet werden sollen, die Verwendung von Flüssigwasserstoff für einen hybriden Wasserstoffantrieb vor. Die Speicherung von Flüssigwasserstoff stellt – insbesondere im Mobilitätsbereich – hohe Anforderungen an die für die Tanks verwendeten Materialien, da es auf –253 °C heruntergekühlt werden muss. Die Speicherung von Wasserstoff in gasförmigem Zustand erfolgt unter hohem Druck, was wiederum die Verwendung äußerst druckfester Materialien und mehrwändiger Tanks bedingt. 

Als weitere Alternative für die Speicherung von Wasserstoff wird derzeit auch intensiver an der Verwendung von Metallhydriden geforscht. Diese absorbieren den gasförmigen Wasserstoff. Die Beladung und Entladung der Metallhydrid-Speicher erfolgt unter hohem Druck. Der wesentliche Nachteil dieser Speicher ist derzeit noch, dass sie im Verhältnis zur aufgenommenen Wasserstoffmenge relativ schwer sind. Im Hinblick auf diesen Aspekt wird am Helmholtz-Zentrum Geesthacht daher derzeit an der Verwendung von Leichtmetallhydriden bzw. Hydridkompositen für Feststoffspeicher gearbeitet. Diese können aus Sicherheitsgesichtspunkten erheblich vorteilhafter für mit Brennstoffzellen betriebene Autos sein. Auch hier wird es nun nach dem Proof of Concept um die anwendungsbezogene Weiterentwicklung in Kooperation mit verschiedenen Unternehmen gehen.

Grüner Wasserstoff als Treibstoff der Zukunft

Die Brennstoffzellen-Technologie ist im Vergleich zu den Technologien für die Wasserstofferzeugung relativ ausgereift. Erste Ansätze gab es bereits in den 1960er Jahren. Die Brennstoffzellen-Technologie wurde zunächst in der Raumfahrt und später auch für U-Boote vorangetrieben. Ab den 1980er Jahren wurden vermehrt Anstrengungen im Hinblick auf die Entwicklung der Brennstoffzellen-Technologie im Automobilsektor unternommen. Deutschland nahm hier zur Jahrtausendwende noch eine Vorreiterrolle ein, wobei sich – möglicherweise aufgrund der niedrigen Preise für fossile Verbrennungstreibstoffe – diese Technologie seinerzeit nicht durchsetzen konnte. Mit Blick auf die Klimawende rückt diese Technologie nun nach fast zwei Jahrzehnten wieder in den Fokus, auch der deutschen Autobauer. 

Auch wenn es so simpel klingt, dass mit Brennstoffzellen betriebene Elektrofahrzeuge anstelle von Kohlendioxid nur Wasser ausstoßen, stellt die Einrichtung der erforderlichen Infrastruktur für eine überwiegend wasserstoffbasierte Mobilität eine Herausforderung dar. Allerdings haben bereits verschiedene Mineralölkonzerne bereits Konzeptstudien für die „Tankstelle der Zukunft“ erstellt, in denen neben den Ladesäulen für E-Autos auch Wasserstofftankanlagen angeboten werden. Der Vorteil des Wasserstoffs als Treibstoff der Zukunft ist zwar, dass ein Tankvorgang ungefähr genauso lang wie bei einem mit Diesel oder Benzin betriebenen Auto dauert. Allerdings müssen für einen sicheren Betankungsvorgang mit Wasserstoff standardisierte und miteinander kompatible Systeme entwickelt und geschaffen werden. Mit den rechtlichen Fragen solcher Standardisierungen und patentrechtlich geschützter Technologien sind wir bestens vertraut und beraten Sie hierzu gerne. 

Wasserstoff statt Koks

Abgesehen vom Verkehrssektor hat Wasserstoff bereits heute eine große Bedeutung in der Industrie. Allerdings wird derzeit noch überwiegend grauer Wasserstoff eingesetzt, der im Hinblick auf das Ziel der Klimaneutralität durch grünen Wasserstoff ersetzt werden muss. Hinzu kommt, dass in traditionell auf fossilen Brennstoffen basierenden Industrien Verfahren erforscht und entwickelt werden müssen, in denen Wasserstoff als Ersatz eingesetzt wird. So arbeiten derzeit mehrere Unternehmen der Stahlindustrie an der Entwicklung von innovativen Verfahren und Anlagen, in denen Wasserstoff den Koks als Reduktionsmittel ersetzt. Im Sommer 2020 wurde in Schweden eine erste Pilotanlage im Projekt HYBRIT (Hydrogen Breakthrough Ironmaking Technology) gestartet. Auch in Deutschland arbeiten Stahlproduzenten mit F&E-Kooperationspartnern, insbesondere aus dem Energiesektor, bei der Entwicklung wasserstoffbasierter Stahlproduktion im Hochofen zusammen (z. B. tkH2Steel) und ergänzen dies durch die Entwicklung eines parallelen Prozesses zur Verwertung unvermeidlichen Kohlendioxids zur Herstellung kohlenstoffbasierter Rohstoffe. 

Innovation durch Kooperation

Der politische Wille und durch die Politik beschlossene Wasserstoffstrategie allein werden den Aufbau einer Wasserstoffwirtschaft nicht voranbringen. Die Transformation der Wirtschaft und des alltäglichen Lebens weg von ihrem Basieren auf fossilen Brennstoffen und hin zur Verwendung erneuerbarer Energien und grünen Wasserstoffs ist eine Notwendigkeit, um dem Klimawandel entgegenzuwirken. Hierfür bedarf es erheblicher Investitionen in die Forschung und Entwicklung von Wasserstofftechnologien. Die im Rahmen der jeweiligen Wasserstoffstrategie vorgesehenen F&E-Beihilfen bieten eine Unterstützung für die Grundlagenforschung an Wasserstofftechnologien und deren anwendungsorientierte Weiterentwicklung durch Unternehmen. Wir unterstützen Sie gerne bei der Beantragung von Zuschüssen aus solchen F&E-Förderprogrammen für Ihre Projekte. 

Die Entwicklung von Wasserstofftechnologien und deren Anwendung in Produkten wird vielfach nur in Kooperation mit Unternehmen anderer Branchen erfolgen können. Die Unternehmen haben es dabei nicht nur mit dem jeder F&E innewohnenden Risiko eines Scheiterns zu tun, sondern sie müssen auch mit Risiken und Ungewissheiten, resultierend aus dem bislang nur rudimentären regulatorischen Rahmen, umgehen. Letzteres birgt aber auch eine Chance, da die Unternehmen im Hinblick auf die von ihnen geplanten Entwicklungen noch Einfluss auf Vorgaben nehmen können. 

Mit unserer langjährigen Erfahrung und unserem Verständnis sowohl des betroffenen Wirtschaftssektors als auch der Technologien unterstützen wir Sie gerne bei der Strukturierung, vertraglichen Gestaltung und Durchführung von F&E-Vorhaben in Bezug auf Wasserstofftechnologien. Dabei beraten wir Sie zu allen relevanten rechtlichen Fragestellungen, einschließlich Fragen des Schutzes und der Schutzfähigkeit der Entwicklungsergebnisse. 

Wenn Sie Fragen zur Forschung und Entwicklung im Hinblick auf Wasserstofftechnologien sowie die rechtlichen Rahmenbedingungen für Kooperationen sowie den Schutz und die Verwertung von F&E-Ergebnissen und zu den Auswirkungen für Ihr Unternehmen haben, wenden Sie sich jederzeit gerne an Ihren Ansprechpartner bei CMS oder an Dr. Thomas Hirse.