Leistungszentrum-Wasserstoff Hessen

Das Fraunhofer-Leistungszentrum »Green Materials für Hydrogen« kurz Green Mat4H₂, wird gebildet aus der Fraunhofer-Einrichtung IWKS und dem Fraunhofer-Institut LBF, die sich gemeinsam zum Ziel setzen, die Wasserstofftechnologie in Wissenschaft, Wirtschaft und in der Bevölkerung voranzutreiben.

Der Energieträger Wasserstoff wird global helfen, den Klimawandel zu reduzieren. Um dies zu unterstützen werden nicht nur Forschungsprojekte mit der Industrie und Forschungseinrichtungen eingegangen, sondern auch Bürgerdialoge und Wasserstoffstammtische vom Leistungszentrum veranstaltet. Interessierte tauschen sich zu relevanten Themen rund um das Thema »Wasserstoff« aus - von der Erzeugung über die Speicherung und den Transport bis hin zur Nutzung.

Auf Messen präsentieren wir aktuelle Ergebnisse aus Forschungsvorhaben und erfragen die Bedarfe der Industrie. Der Fokus liegt auf der Zuverlässigkeitsbetrachtung der Materialien der Wasserstoffökonomie, die am Fraunhofer LBF in eigens dafür entwickelten Prüfständen unter realitätsnahen Bedingungen dynamisch getestet werden, um Aussagen über ihr Verschleißverhalten und ihre Lebensdauer treffen zu können.

Weitere Entwicklungsthemen sind die Nachhaltigkeit und Recyclingfähigkeit von Materialien in z. B. Elektrolyseuren, Brennstoffzellen, H₂-Tanks und H₂-Leitungen, wie auch das Entwickeln von ressourcenschonenden Monitoringsystemen für Wasserstoff-Drucktanks.

Lebenszyklus Wasserstoffrelevanter Systeme: Produktion, Speicherung, Transport und Wiederverwertung

Auch wenn die zur Wasserstoffherstellung genutzte Energie vor allem aus erneuerbaren Energien stammt, werden zur Erzeugung von Wasserstoff in der Regel Katalysatoren und Membranen in Elektrolyseuren eingesetzt, die Seltene Erden oder kritische Metalle wie Platin, Kobalt oder Iridium enthalten. Hier setzen die Forschenden des Leistungszentrums an drei Punkten an: Zum einen werden neue Synthesewege erforscht, bei denen die kritischen Bestandteile unter anderem durch Rezyklate substituiert werden. Zum anderen beschäftigen sich die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler eingehend mit dem Recycling, der Ertüchtigung und der Rückgewinnung der zur Wasserstofferzeugung genutzten Technik. Drittens erfolgt eine Gesamtsystembetrachtung, um die Sicherheit und Zuverlässigkeit von Produkten wie Brennstoffzellen, Rohrleitungen, Elektrolyseuren und Speichern zu optimieren. Ziel ist, eine höchstmögliche Effizienz, Lebensdauer und Sicherheit in Wasserstoff-beaufschlagten bzw. -führenden Komponenten und Systemen bei größtmöglicher Ressourcenausnutzung zu erreichen.

Herausforderung Speicherung und Logistik

Wasserstoff selbst eignet sich gut, um Energiespitzen bei den erneuerbaren Energien aufzufangen und überschüssige Energie zu speichern. Jedoch kann der Wasserstoff nicht immer dort eingesetzt werden, wo er erzeugt wird. Im Rahmen des Leistungszentrums erarbeiten die Forschenden daher verschiedene Möglichkeiten, Speichersysteme und deren Peripherie hinsichtlich der Betriebsfestigkeit sowie Nachhaltigkeit zu optimieren. Dies erfolgt etwa für Hochdrucktanks, Feststoffspeicher, in technischen Systemen im Rahmen der Wasserstoffverflüssigung und für Leitungssysteme mit speziellen Anforderungen an die Korrosionsfestigkeit unter zusätzlicher schwingender Beanspruchung. Dabei werden die Werkstoffe, Bauteile und Systeme eingehend hinsichtlich deren Belastung, Beanspruchung und Beanspruchbarkeit analysiert. Gleichzeitig werden die verwendeten Materialien auf ihre Kritikalität hin untersucht und Prozesse zur Substitution und Ertüchtigung beispielsweise durch Rezyklate und für das Recycling entwickelt.

Wasserstoff effizient nutzen

Die dritte Säule im Wasserstofflebenszyklus ist die Nutzung. Um Wasserstoff elektrisch zu nutzen, werden vor allem Brennstoffzellen zur Energiewandlung eingesetzt, gerade in mit Wasserstoff angetriebenen Fahrzeugen. Doch gerade im Bereich des Nutzfahrzeug- und Güterverkehrs sind die Beanspruchbarkeiten sowie Lebensdauern von Brennstoffzellen und den Wasserstoff-führenden Komponenten noch nicht hinreichend untersucht, was eine gezielte Optimierung hinsichtlich Effizienz, Leichtbau und Werkstoffausnutzung und damit die effiziente Nutzung der Wasserstofftechnologie behindert. Darüber hinaus enthalten die Komponenten dieser Antriebssysteme wertvolle Technologiemetalle wie Platin oder Ruthenium, die nach dem Betriebsende zurückgewonnen und der Wiederverwertung zugeführt werden müssen. Auch neueste Entwicklungen wie Festoxid-, Schmelzkarbonat- oder Polymerelektrolyt-Brennstoffzellen werden innerhalb des Leistungszentrums hinsichtlich ihres ökologischen Fußabdrucks betrachtet. »Wir sind stolz, gemeinsam mit dem Fraunhofer LBF dieses zukunftweisende Projekt zu leiten. Hessen und vor allem das Rhein-Main-Gebiet ist mit seiner Kompetenz in der Materialwissenschaft der ideale Standort für das Leistungszentrum. Wir wollen diese Kompetenz bündeln und für den Aufbau einer Wasserstoffkreislaufwirtschaft in Hessen bereitstellen«, erklärt Prof. Dr. Anke Weidenkaff, Leiterin des Fraunhofer IWKS.

»Uns ist wichtig, Stakeholder aus Wirtschaft, Forschung, Politik und der Gesellschaft einzubeziehen, um praktikable Anwendungslösungen zu finden.«, ergänzt Prof. Dr. Tobias Melz, Leiter des Fraunhofer LBF. Das Leistungszentrum wurde zum zweiten Quartal 2021 gestartet. Eine wichtige Aufgabe des Leistungszentrums wird neben der Forschung der Ergebnistransfer in einen hohen Technology-Readiness sein, weswegen Partner aus Universitäten und Forschungseinrichtungen sowie KMU und Industrieunternehmen einbezogen werden. Das Leistungszentrum wird zunächst vollumfänglich in die bestehende Infrastruktur der beteiligten Fraunhofer-Institute integriert sein. Mit der weiteren Operationalisierung und Umsetzung von Verwertungsmaßnahmen des Leistungszentrums (geplant ab 2022) sowie der Integration weiterer Partner ist eine kontinuierliche Fortführung im Sinne des schnellen Technologietransfers in die Wirtschaft angestrebt.