Wasserstofftechnik - think ING. kompakt 02/22 | 03/22

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Februar | März 2022

kompakt D e i n E i n bli c k i n di e We l t d e r In ge ni e ur i nn e n u n d In ge ni e ur e

© Michael Bokelmann

WASSERSTOFFTECHNIK P O R T R ÄT D E R WA S S E R S T O F F - S TA H L ab Seite 2 A N W EN D U N GS B EI S P I EL E WA S S E R S T O F F -T R E N D S ab Seite 4

ALTES ELEMENT – NEUE ENERGIE Grau, blau, türkis, grün: Wasserstoff gibt es in unterschiedlichen Farben – oder genauer: Die Verfahren zur Herstellung von Wasserstoff werden in unterschiedlichen Farben angegeben. Alles strebt aktuell nach grünem Wasserstoff, weg von der schwarzen Kohle. Der neue Energieträger wird in der Mobilität, zur Dekarbonisierung der Industrie, zur Stromerzeugung und auf dem Wärmemarkt dringend gebraucht.

Mit der Nationalen Wasserstoffstrategie möchte Deutschland zu einem globalen Vorreiter auf dem Gebiet des grünen Wasserstoffs werden. Das Ziel ist ganz klar: Der Einsatz von H2 soll die CO2-Emissionen in Verkehr und Industrie reduzieren und die Energiewende erfolgreich vorantreiben.

Um ihre Produktion zu dekarbonisieren, tüfteln viele Unternehmen bereits an eigenen Lösungen. So will der Stahlerzeuger Salzgitter zum Stahlkochen statt Kokskohle Wasserstoff nutzen. Im Mobilitätssektor ist Daimler auf der Überholspur. Als effizientere Alternative zu vollelektrischen Antrieben bei Lkw setzt Daimler auf wasserstoffbasierte Brennstoffzellen. Als Schlüsseltechnologie steht die Wasserstofftechnik jetzt auch auf den Lehrplänen der Unis. Die Hochschule für angewandte Wissenschaften WürzburgSchweinfurt bietet nun eigens den Bachelorstudiengang Wasserstofftechnik an. Wie genau das Studium aussieht, erzählt Studiengangsleiter Prof. Dr. Winfried Wilke.

Maximilian Stück an einer von zwei 1,25 Megawatt-PEMElektrolyse-Einheiten, die pro Stunde rund 450 Kubikmeter hochreinen Wasserstoff erzeugen

Weltweit blicken ForscherInnen auf den Klimawandel und entwickeln Industrieverfahren, um CO2 einzusparen.

Tolle Idee, aber bei schwerindustriellen Prozessen, die seit 100 Jahren beinahe unverändert funktionieren, ist das unmöglich. Oder vielleicht doch nicht?

Auf einem gigantischen Areal von umgerechnet fast 1.000 Fußballfeldern erstreckt sich das integrierte Hüttenwerk in Salzgitter. Hier wird aus Eisenerz, Kokskohle und Schrott reines Eisen und schließlich Stahl produziert. Schwerindustrie im ursprünglichsten Sinne. Und eine weitverzweigte Techniklandschaft aus Förderbändern, Gasleitungen, Kaminen und riesigen Ziegelgebäuden, die allesamt in ein erdiges Rotbraun getaucht sind. Es raucht, zischt und wirkt wie aus einer anderen Welt – oder Zeit. Fast 6.000 MitarbeiterInnen wandeln hier einen natürlichen Rohstoff in ein elementares Material zur Weiterverarbeitung um. Rund 35 Millionen Tonnen Rohstahl produzierten alle deutschen Stahlhersteller zusammen im Jahr 2020. Eine mächtige Zahl. China stellte übrigens im selben Jahr 1,1 Milliarden Tonnen Stahl her.

KO M P L E X E C H E M I E Bei der Produktion einer Tonne Stahl entstehen 1,7 Tonnen CO2. Und die müssen weg, wenn wir unsere Erde im lebenswerten Zustand erhalten wollen. Genau hier kommt Maximilian Stück zum Zuge. Der 29-jährige Master of Engineering ist bei der Salzgitter Flachstahl GmbH für die Energiesystemtechnik zuständig und kümmert sich unter anderem um die Reduzierung von 02

© Michael Bokelmann

DER WASSERSTOFFSTAHL

CO2 in der Stahlherstellung durch den Einsatz von Wasserstoff. Zunächst mal muss aus dem Eisenerz irgendwie reines Eisen werden. Genau das passiert im Hochofen. Der Hochofen wird von oben mit Eisenerz, Koks und Zuschlägen (z. B. Kalk) abwechselnd befüllt. Von unten bläst heißer Wind ins System, es entsteht Kohlenstoffmonoxid, durch das wiederum die Eisenoxide im Erz chemisch reduziert werden. Im 1.900 Grad heißen Prozess entsteht schließlich flüssiges Roheisen. Es ist ein seit Jahrhunderten bekannter Ablauf, bei dem leider viel CO2 entsteht. Es sei denn, man wird – wie in Salzgitter – sogenannte Direktreduktionsanlagen einsetzen, in denen Eisenerz durch Wasserstoff direkt im festen Zustand zu Eisen reduziert wird.

Bei dieser Technologie wird an Stelle von CO2 Wasserdampf ausgestoßen. „Dafür benötigen wir aber extrem viel Wasserstoff, der entweder über Pipelines angeliefert oder direkt vor Ort erzeugt werden müsste“, erklärt der Betriebsingenieur Maximilian Stück.

T E C H N O L O G I S C H E E VO L U T I O N In der neuartigen Direktreduktionsanlage wird auf chemischem Wege mithilfe des Wasserstoffs aus dem rohen Eisenerz ein poröser, aber fester Eisenschwamm. Dieser wird dann mit ganz normalem Stahlschrott vermischt und in einem Elektrolichtbogenofen eingeschmolzen. Voilá – der alte Hochofen ist vollständig ersetzt, es entsteht nahezu kein prozessbedingtes CO2 mehr. Leider ist dieser Prozess in seiner ganzen Komplexität bisher Zukunftsmusik. Doch bereits ab 2025 soll hier der erste CO2-arme Stahl entstehen. Spätestens im Jahr 2033 sollen dann über 95 Prozent CO2 eingespart werden und damit das Projekt SALCOS - Salzgitter Low CO2-Steelmaking - komplett umgesetzt sein. Tatsächlich kann man bereits heute auf dem weiten Gelände zwischen den rostbraunen Industriegebäuden unzählige Kräne und MonteurInnen sehen, die hier die Zukunft der Schwerindustrie neu aufbauen.

G I G A N T I S C H E E L E K T R O LY S E Aber woher soll der Wasserstoff kommen?

Er wird zukünftig natürlich mit regenerativen Energiequellen wie Wind und Sonne erzeugt. Der so gewonnene Öko-Strom spaltet mithilfe einer Elektrolyse Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff auf. Und genau dieser Wasserstoff kann dann entweder gespeichert oder per Pipelines angeliefert werden. Oder der Strom entsteht demnächst da, wo er auch gebraucht wird. „Wir betreiben hier am Standort derzeit eine 2,5 Megawatt Elektrolyse. In der SALCOS Ausbaustufe 1 werden wir bis Ende 2025 das Ganze mal 40 ausbauen. Das wären dann bereits 100 Megawatt Elektrolyseleistung“, erklärt Stück. In der Endausbaustufe benötigt er Wasserstoffmengen mit dem Äquivalent von über einem Gigawatt Elektrolyseleistung. Solche Anlagen gibt es weltweit noch gar nicht. Zugleich ist Salzgitter mit seiner 2,5 Megawatt-Anlage

© Michael Bokelmann

WASSERSTOFFFARBENLEHRE 02

Laboratmosphäre in Reinkultur für den Stahl der Zukunft

mustergültig. Auch daran erkennt man, dass dieser technologische Transformationsprozess noch lange nicht abgeschlossen ist. Der große Plan funktioniert nicht in wenigen Jahren, die Perspektiven sind weitreichender. Man benötigt einen langen Atem, um derart etablierte Verfahren grundlegend zu verändern.

D I E Z U K U N F T G E S TA LT E N

2 Der Betriebsingenieur Maximilian Stück prüft die Einstellungen bei der

Währenddessen untersucht Stück die Elektrolyse vor Ort. Er checkt Anzeigen, prüft Drücke. Anders als der weite Rest des Industriegeländes ist sein Arbeitsumfeld weiß, hell, sauber. Hier fällt kein rostiger Staub vom Himmel, hier entstehen keine exorbitanten Temperaturen, hier findet beinahe Laborarbeit im (be)greifbaren Maßstab statt. „Ich habe Versorgungstechnik studiert. Das tolle an meinem Studium ist, dass ich mein gesamtes akademisches Wissen hier auch wirklich anwenden kann. Ich kenne StudentInnen, die kaum Wissen in die Praxis übertragen konnten.“ Es ist ein Traum für jeden Ingenieur und jede Ingenieurin, derart handfest an der Zukunft dieser Welt mitzuarbeiten.

Und das ist auch notwendig: China, die USA und Indien sind zusammen für rund die Hälfte der CO2-Emissionen weltweit verantwortlich. Ein wirklich neues Verfahren zur Herstellung von Stahl kann entscheidend zur Regulierung des menschengemachten Klimawandels beitragen. Und Maximilian Stück wird bis zu seiner Pensionierung den Wandel maßgeblich begleiten. „Das ist einer der Hauptgründe, warum ich hier so zufrieden bin. Weil die klimaneutrale Industrieproduktion einfach ein Thema ist, das in die Zeit passt. Und das kann ich mir dann auch als Ingenieur auf die Fahne schreiben.“

Wasserstoffproduktion

H20

H2

E L E K T R O LY S E

C

CH4

H2

M E T H A N P Y R O LY S E

CO2

CH4

H2

DA M P F R E F O R M I E R U N G MIT CO2-SPEICHERUNG

CO2

Erfahrt mehr über Maximilian Stück s.think-ing.de/stueck © Michael Bokelmann

CH4

H2

DA M P F R E F O R M I E R U N G MIT CO2-ABGABE 03

H2 © Daimler Truck

WASSERSTOFF-TRENDS

Grüner Wasserstoff wird durch

Elektrolyse von Wasser hergestellt.

Dabei wird Wasser in seine Kompo-

nenten Sauerstoff und Wasserstoff

Wasserstoff ist auch im Flugverkehr das Zauberwort, das die Tür zu einer emissionsfreien Zukunft öffnen soll.

weder klima- noch umweltschädlich sind. Grün ist der Prozess aber nur,

neuerbaren Energien zum Einsatz kommt. Dann ist die Produktion von Wasserstoff CO2-frei.

Türkiser Wasserstoff entsteht

LKW: SCHWERE TRUCKS AUF H2

Daimler Truck schickt GenH2 auf die Straße - angetrieben von einer Batterie und einer Brennstoffzelle.

durch die thermische Spaltung von

Methan, der sogenannten Methanpyrolyse. Das Verfahren findet in

einem Hochtemperaturreaktor

statt. Anstelle von CO2 entsteht dabei fester Kohlenstoff. Stammt die

Wärmeversorgung des Reaktors aus

erneuerbaren Energien und bleibt der Kohlenstoff dauerhaft gebunden, ist auch türkiser Wasserstoff CO2-frei.

Blauer Wasserstoff wird durch

Dampfreformierung gewonnen. Dabei wird Erdgas in Wasserstoff und CO2 abgespalten. Das CO2 wird dabei

abgeschieden, gespeichert (Carbon Capture and Storage, CCS) und gelangt so nicht in die Atmosphäre.

Blauer Wasserstoff kann damit als CO2-neutral betrachtet werden.

Allerdings sind die Langzeitfolgen der Speicherung nicht abzusehen und durch Undichtigkeit kann es zu negativen Umwelteinflüssen kommen.

Grauer Wasserstoff entsteht wie blauer Wasserstoff durch Dampfreformierung aus fossilen Brennstoffen.

Das CO2 wird anschließend aber nicht gespeichert oder anderweitig genutzt, sondern in die Atmosphäre abgegeben. Bei der Produktion einer Tonne Wasserstoff entstehen rund 10 Tonnen CO2. Von grauem Wasserstoff spricht man auch, wenn zur Elektrolyse statt erneuerbaren, fossile Brennstoffe verwendet werden.

Kaum irgendwo sind die Halbwertszeiten neuer technischer Entwicklungen derzeit so kurz wie in der Automobilindustrie – ein deutliches Zeichen des Umbruchs und eine gute Zeit für EntwicklungsingenieurInnen. Dabei tüfteln die EntwicklerInnen von Daimler Truck bereits seit Jahren an einer elektrischen Antriebstechnik auf Brennstoffzellenbasis. Irgendwann ging es dann rasend schnell. Ende April 2021 wurde der MercedesBenz Truck GenH2 auf Herz und Nieren getestet und serienreif gemacht. Im Gegensatz zu älteren Mercedes-Benz Lkw wird der GenH2 elektrisch und CO2-neutral fahren, angetrieben von einer Batterie und einer Brennstoffzelle. Flüssiger Wasserstoff in relativ kleinen Tanks liefert die nötige Energie. Der Wasserstoff-Lkw muss genauso strapazierfähig sein wie seine älteren Diesel-Vorgänger: 1,2 Millionen Kilometer, zehn Betriebsjahre und 25.000 Betriebsstunden sollte er durchhalten.

Wie wird sich der neue Brummi im Dauereinsatz verhalten? Wie wird er sich bei extremen Wetterbedingungen und auf löchrigen Straßen bewähren? Um das herauszufinden, haben ihn die EntwicklerInnen über einen speziellen Parcours gejagt. Hunderte von Kilometern musste er mit 25 Tonnen Ladung auf einem Rollenprüfstand absolvieren, auf der Teststrecke zahlreiche Vollbremsungen ausführen und über Bordsteinkanten brettern.

Die Tests sind deshalb so wichtig, weil die elektrischen Komponenten ein anderes Gewicht haben. Das wirkt sich bei Schwingungen durch Straßenunebenheiten und in Extremsituationen auf die Fahreigenschaften aus. Bald soll der GenH2 erstmals über öffentliche Straßen rollen und ab 2027 in Serie gehen.

Auf den Bildschirmen der IngenieurInnen zeichnen sich bereits drei Konzepte ab. Beim ersten kann der Wasserstoff direkt in bestehenden Triebwerken verwendet werden, wenn man ihn in nachhaltige, alternative Kraftstoffe umwandelt. Beim zweiten Konzept sei auch eine direkte Verbrennung von flüssigem Wasserstoff in Gasturbinen technisch möglich, erklärt Dr. Stefan Weber, technologischer Leiter bei der MTU Aero Engines AG, Deutschlands führendem Triebwerkshersteller. Die erforderliche Anpassung der Brennkammer könne allerdings ein paar Jahre dauern. Auch für Transport und Lagerung des flüssigen Wasserstoffs gibt es noch keine optimalen Lösungen. Das dritte und von MTU favorisierte Konzept ist die Flying Fuel Cell, die Umwandlung von Wasserstoff in elektrische Energie mittels Brennstoffzelle. Ein ExpertInnenteam der MTU und ein Kooperationsprojekt mit dem Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) arbeiten derzeit mit Volldampf daran, das Projekt voranzubringen. MTU setzt auf einen Technologie-Mix. Dabei soll auch die Gasturbine weiterentwickelt werden. Mit der WET-Engine (Water-Enhanced Turbofan) lässt sich der Verbrauch unabhängig von der Art des Treibstoffs um mehr als 15 Prozent reduzieren. Dadurch verringern sich nicht nur die Emissionen, sondern ebenfalls die Bildung von Kondensstreifen deutlich. Insbesondere im Fernverkehr führt an dieser Option vorerst kein Weg vorbei. Denn die mit Wasserstoff betriebene Brennstoffzelle eignet sich eher für Kurz- und Mittelstrecken-Flugzeuge mit geringerem Tankvolumen. © DLR

aufgespalten – zwei Endprodukte, die

wenn ausschließlich Strom aus er-

FLUGVERKEHR: BRENNSTOFFZELLE HEBT AB

Mit dem DLR-Forschungsflugzeug wird der MTU-Brennstoffzellenstrang getestet

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H2MARE: WASSERSTOFF AUS WIND UND MEER

REGIONALZÜGE: KLEINE WOLKEN AUS WASSERDAMPF

Im Großprojekt H2Mare wird daran geforscht, grünen Wasserstoff direkt in einer Windkraftanlage auf hoher See zu produzieren.

Französisches Unternehmen Alstom bringt Wasserstoff-Zug auch auf deutsche Schienen.

© EnBW

2

Mit überschüssigem Offshore-Strom soll in Zukunft grüner Wasserstoff auf See produziert werden

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Da mag sich manch ein Fahrgast auf dem Bahnsteig verwundert die Ohren gerieben haben, als die Regionalbahn ohne das vertraute Tuckern der Dieselmaschine in den Bahnhof einfuhr.

Was sich 2018 auf der Strecke BuxtehudeBremerhaven-Cuxhaven ereignete, wiederholte sich in Wien, Östersund und Valenciennes.

An diesen und anderen Orten kam Coradia iLint, der Wasserstoff-Zug des französischen Unternehmens Alstom, bereits zum Einsatz. Auf leisen Sohlen schleicht sich der Wasserstoff in den europäischen Regional-Schienenverkehr. © Alstom

Wenn IngenieurInnen die Energieerzeugung grün machen wollen, dann müssen sie mit der Natur arbeiten und die Technologien an ihr orientieren.

So stellt man Solaranlagen am besten dort auf, wo die Sonne viele Stunden im Jahr scheint.

Windanlagen sind nicht nur offshore effizienter als onshore (maximale Leistung 3,5 zu 5 Megawatt), auf dem Meer ist zudem fast unbegrenzter Platz für sie. Da es im Hinblick auf Transport und Speicherung von überschüssiger Elektrizität noch offene Fragen gibt, liegt es zunächst nahe, etwas Sinnvolles mit dem Offshore-Strom anzustellen – z. B. grünen Wasserstoff herstellen. Und zwar gleich auf hoher See, wo Strom aus Windkraft reichlich zur Verfügung steht. Wie das alles in der Praxis funktioniert, untersucht das vom BMBF geförderte Leitprojekt H2Mare, eines von drei aus Bundesmitteln geförderten Großprojekten zum Thema Wasserstoffproduktion. Mit von der Partie sind namhafte Player wie Siemens Gamesa und Siemens Energy sowie EnBW als Betreiber großer Offshore-Windparks. Bis 2026 soll eine fix und fertige Offshore-Demonstrationsanlage den Betrieb aufnehmen. Dabei wollen die zukünftigen Partner den Wasser-Elektrolyseur, der unter Strom Wasser in Sauerstoff und Wasserstoff zerlegt, direkt in eine Windkraftanlage integrieren. Günstiger ließe sich grüner Wasserstoff derzeit nicht produzieren.

Bisher einmalig: Das Unternehmen Alstom produziert den ersten Regionalzug mit Wasserstoff-Antrieb

IngenieurInnen im Alstom-Kompetenzzentrum in Salzgitter und in der Entwicklungsabteilung für Regionalzüge im französischen Tarbes entwickelten den emissionsfreien Zug und die dazugehörige Infrastruktur. Das Land Niedersachsen und die Bundesregierung schoben ihn mit Fördermitteln ein wenig an. Coradia iLint ist der erste Zug, der mit einer stromerzeugenden Brennstoffzelle betrieben wird. Aus seinem Motor pufft nur Wasserdampf. Alstom hat den Wasserstoff auf die Schiene gebracht und die Deutsche Bahn rückt so der für 2040 angestrebten Klimaneutralität ein Stück näher. Dafür wurde Alstom Anfang 2021 mit dem European Railway Award geehrt. Allein im deutschen Schienennetz werden heute noch 450 Linien ausschließlich mit Dieselzügen befahren.

Auf diesen Strecken könnten nach und nach Wasserstoffzüge zum Einsatz kommen. Coradia iLint nimmt also gerade erst Fahrt auf.

© FHWS

STUDIUM: KLEINES ELEMENT MIT GROSSER WIRKUNG Wasserstofftechnik ist nicht mehr nur Zukunftsmusik, denn seit dem Wintersemester 21/22 gibt es einen grundständigen Bachelorstudiengang an der Hochschule für angewandte Wissenschaften WürzburgSchweinfurt. Studiengangsleiter Prof. Dr. Winfried Wilke hat uns den Studiengang für angehende WasserstoffexpertInnen vorgestellt.

Prof. Dr. Winfried Wilke ist Leiter des Studiengangs Wasserstofftechnik

WA S KÖ N N E N S T U D I E R E N D E VO N D E M S T U D I E N G A N G E R WA R T E N ?

Das Studium lehrt anlagen- und verfahrenstechnische Inhalte mit dem Schwerpunkt Wasserstoff. Diese befähigen, sichere H2Anlagen sektorunabhängig zu entwickeln, zu konfigurieren, zu bauen und zu betreiben. Das Ziel ist es, die Studierenden so auszubilden, dass sie nach dem Studium vom ersten Tag an in einem Industrieunternehmen „laufen“ können.

W E L C H E I N H A LT E S I E H T D E R L E H R P L A N VO R , U M D I E S E Z I E L E Z U E R R E I C H E N ?

Es geht los mit zwei Semestern voller Grundlagen wie Physik oder Thermodynamik. Das Interessantere kommt danach in vertiefenden Modulen wie zum Beispiel Energiewirtschaft, Brennstoffzellen oder H2-Erzeugung. Neben Projektarbeiten gibt es ein Praxismodul, in dem die Studierenden mindestens sechs Monate in einem Industriebetrieb arbeiten.

Der Hauptfokus des gesamten Studiengangs liegt dabei auf der Sicherheit: Arbeits-, Umwelt- sowie Wasserstoffsicherheit.

WAS STUDIEREN? Die zukünftige Energiequelle für Wärme, Industrie, Mobilität und Strom soll Wasserstoff sein.

Dafür wird neues IngenieurInnenKnow-how gebraucht. Immer mehr Hochschulen passen daher das Lehrangebot an: H2 als eigene Module oder neuere Studiengänge mit dem Fokus auf alternative (Wasserstoff-) Techniken.

Eine Zusammenstellung einiger Studiengänge zum Thema findet ihr unter s.think-ing.de/wasserstoff-studium

THINK ING. @SOCIAL MEDIA Spannende Einblicke und Geschichten von IngenieurInnen, Tipps, Termine und Wissenswertes rund um das Ingenieurwesen findet ihr auf unseren Social-Media-Kanälen.

ING _WERDEN INGWERDEN THINKINGVIDEOS THINK _ING

IMPRESSUM W E L C H E VO R T E I L E H AT D I E S E R STUDIENGANG GEGENÜBER ANDEREN, D I E WA S S E R S T O F F B E H A N D E L N ?

Er ist darauf ausgelegt, ein sehr wichtiges Kompetenzfeld abzudecken, um dem Klimawandel begegnen zu können. Alle wichtigen Inhalte werden ganzheitlich in sieben Bachelorsemestern vermittelt und qualifizieren für das Arbeitsleben in der Industrie. Ein weiterer Pluspunkt ist das Anwendungsprojekt. Hier entwickeln Studierende Lösungen für reale, von Unternehmen gestellte Probleme aus der Industrie. Vertretende aus Partnerunternehmen bewerten die Lösungen.

So erhalten die Studierenden einen Eindruck davon, wie es in der Arbeitswelt ablaufen kann.

Das gesamte Interview mit Prof. Dr. Winfried Wilke findet ihr online unter s.think-ing.de/wilke

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Herausgeber GESAMTMETALL Gesamtverband der Arbeitgeberverbände der Metall- und Elektro-Industrie e.V. Voßstraße 16 - 10117 Berlin Verantwortliche Leitung Wolfgang Gollub Redaktion und Gestaltung concedra GmbH, Bochum Druck color-offset-wälter GmbH & Co. KG, Dortmund Alle in dieser kompakt enthaltenen Inhalte und Informationen wurden sorgfältig auf Richtigkeit überprüft. Dennoch kann keine Garantie für die Angaben übernommen werden.