Grüner Wasserstoff

Das Gesetz zum Ausbau der erneuerbaren Energien, kurz Ökostrom, ist beschlossen. Damit will Österreich bis 2030, in neun Jahren, 100 Prozent Ökostrom erreichen. Dafür muss die bestehende Ökostrom-Leistung (55,6 Terrawattstunden, kurz TWh) um 50 Prozent erhöht werden.

Dies bedeutet, wie Verbund-Chef Michael Strugl in einem Ö1-Interview sagte, eine Verachtfachung der bestehenden Photovoltaikanlagen (ein Plus von zwei Millionen Hausdach-PV-Anlagen) sowie eine Verdreifachung der bestehenden Windkraftanlagen (plus 1.300 Windräder).

Wichtiger Nebeneffekt: Ökostrom muss für sonnen- und windarme sowie trockene Zeiten gespeichert werden, denn er kann ja nur dann produziert werden, wenn die Sonne scheint und/oder der Wind weht und kein Wassermangel herrscht.

10 TWh "Sommerstrom" – das entspricht der Leistung von 10 Donaukraftwerken à la Freudenau in Wien – müssen etwa für den Winter "bevorratet" werden. Derzeit übernehmen bei uns Pumpspeicher diese Speicherfunktion, doch für 100 Prozent Ökostrom muss die Speicherkapazität laut Strugl verdreifacht werden.

Michael Strugl, Verbund Chef

Damit kommen gasförmige Speicher wie Wasserstoff ins Spiel. Wird Wasserstoff via Elektrolyse mit Ökostrom erzeugt, wird er zum "grünen", klimaneutralen Wasserstoff. Er gilt als wichtigster Baustein für die "Defossilisierung", sprich für die Unabhängigkeit der Industrie, aber auch des Verkehrs von fossilen Energiequellen wie Erdöl oder Kohle.

Grüner Wasserstoff kann direkt in Fahrzeuge getankt oder als Basis für die Herstellung von E-Fuels (strombasierten Kraftstoffen) dienen.

Wasserstoff lässt sich aber auch als Stromreserve nützen. Er ist über lange Zeit speicherbar und kann bei Bedarf wieder in elektrische Energie umgewandelt werden, wenn auch mit Wirkungsgradverlusten. Dennoch ist das für wind- und sonnenarme Zeiten attraktiv. Zudem lässt sich Ökostrom in Form von Wasserstoff auch über tausende Kilometer relativ einfach transportieren.

Dies kann vor allem für Kommunen, Verkehrsbetriebe, Frächter, Landwirtschaft, Blaulichtorganisationen interessant sein, die aus freien Stücken ihre Fahrzeuge klimaneutral betreiben wollen oder die unter die "Clean Vehicle Directive" der EU fallen. Diese besagt, dass ab 2025 mindestens fünf Prozent der neu zu beschaffenden schweren Nutzfahrzeuge und mindestens 22,5 Prozent der neu zu beschaffenden Busse einen "emissionsfreien" Antrieb haben müssen. Dieser Prozentsatz wird in den kommenden Jahren schrittweise erhöht.

Gerade für Schwer-Lkw und Langstreckenverkehr gilt der Brennstoffzellenantrieb mit Wasserstoff im Tank als attraktive Alternative zum batterieelektrischen Antrieb, der durch lange Ladezeiten, schwere Batterien (= weniger Nutzlast) bei diesen Fahrzeugen im Nachteil ist. Nicht verwendeter Wasserstoff kann als Notenergiespeicher in Kombination mit Brennstoffzellen im Falle von Stromausfällen gerade für Blaulichtorganisationen oder abgelegene Tourismusbetriebe interessant sein.

Doch die Produktion von grünem Wasserstoff steht weltweit erst am Anfang. Ein Vorreiter ist die oberösterreichische Firma Fronius, bekannt als Innovationstreiber für Schweißgeräte, auf die etwa auch Elon Musk für die Tanks seiner Weltraumraketen vertraut; zudem einer der weltweit größten Anbieter von Wechselrichtern für Photovoltaik-Anlagen. Weltweit werden damit rund 30 TWh Ökostrom jährlich erzeugt, was der Leistung von rund 30 Donaukraftwerken entspricht. Seit 2002 beschäftigt sich Fronius auch mit Wasserstoff und Brennstoffzellen.

Diese Erfahrungen wurden 2018 in der inzwischen mehrfach ausgezeichneten Systemlösung "Solhub" umgesetzt. Dabei handelt es sich um eine dezentrale Anlage zur Herstellung von grünem Wasserstoff via Elektrolyse (siehe unten "Herstellung von grünem Wasserstoff") mit Ökostrom samt nötiger Zusatzausstattung und Zapfsäule für die Betankung von Fahrzeugen mit diesem grünen Wasserstoff.

Je nach Bedarf lässt sich die Wasserstoff-Zapfsäule für Lkw und Busse auslegen, die mit 350 bar betankt werden, oder für Pkw mit 700-bar-Betankung. Zusatznutzen sind eine mögliche Rückverstromung des Wasserstoffs über eine Brennstoffzelle sowie die Nutzung der bei der Herstellung von grünem Wasserstoff anfallenden Abwärme für Warmwasseraufbereitung oder Heizung (siehe Grafik unten).

Eine erste Solhub-Anlage läuft seit 2018 am Fronius-Firmenstandort Thalheim bei Wels. Dort wurde im August auch ein Testbus mit Brennstoffzellenantrieb der Stadtwerke Wels "erstmals mit lokal erzeugtem grünem Wasserstoff betankt", so Thomas Rührlinger, Verantwortlicher für die Geschäftsentwicklung des Wasserstoffbereichs bei Fronius.

Eine weitere, größere Anlage geht im Oktober am Firmenstandort Steinhaus, ebenfalls in Oberösterreich, in Betrieb. Steinhaus wird aktuell auch zum Wasserstoff-Kompetenzzentrum von Fronius ausgebaut. Neben Forschung & Entwicklung wird dort die Produktion von Solhub-Anlagen – künftig bis zu 50 pro Jahr – abgewickelt. Die wichtigsten Märkte dafür sind laut Rührlinger aktuell Österreich, Deutschland, Schweiz, Großbritannien, Spanien und Polen.

Die erste Solhub-Anlage in Kundenhand entsteht gerade bei der Firma SAN in Herzogenburg in Niederösterreich. Sie soll im Frühjahr 2022 eröffnet werden und grünen Wasserstoff vorrangig für firmeneigene, bei Bedarf aber auch für firmenfremde Brennstoffzellenfahrzeuge herstellen. Für den Beginn ist eine Tagesproduktion von rund 100 Kilo grünem Wasserstoff geplant. Sie soll auf mehrere 100 Kilo gesteigert werden, so Martin Blauensteiner, Projektleiter H2 (Anm. =Wasserstoff) im SAN Biotech Park in Herzogenburg.

Der dafür nötige Ökostrom wird vor Ort mit Photovoltaik erzeugt. Es gab laut Blauensteiner mehrere Mitbewerber, Solhub von Fronius überzeugte aber durch die kompakte und modulare Bauweise. Zudem ist eine Solhub-Pilotanlage bereits seit Jahren bei Fronius in Betrieb. Mit Solhub soll auf Wunsch des Firmeneigentümers, Erich Erber, "im Wasserstoffbereich ein Referenzprojekt" umgesetzt werden. Erber ist "von der Zukunftsträchtigkeit dieser Technologie überzeugt". Insgesamt investiert die SAN Group für das Projekt samt Fotovoltaik-Anlagen (1,5 Megawatt) rund drei Millionen Euro.

Derzeit wird Wasserstoff weltweit überwiegend aus Erdgas hergestellt, denn das ist am kostengünstigsten. Im Sinne der Energiewende ist aber grüner Wasserstoff das Ziel.

Die ausgereifteste Herstellungstechnologie dafür ist derzeit die Niedertemperatur-Wasserelektrolyse mit einer protonenleitenden Membran (PEM), kurz "PEM-Elektrolyse". Sie ist für Großanlagen (Shell, OMV) ebenso erste Wahl wie für kleine, dezentrale Systeme (Fronius).

Damit wird mit Ökostrom Wasser in Sauerstoff und Wasserstoff zerlegt. Für 1 Kilo Wasserstoff mit einem Heizwert von 33 Kilowattstunden sind rund 55 kWh Ökostrom nötig. Der Rest ist Abwärme. Diese Elektrolyse funktioniert nach dem umgekehrten Schema einer Brennstoffzelle.

"Deutlich mehr Wasserstoff mit der gleichen Ökostrommenge erzeugen lässt sich mit der Methanpyrolyse", so Prof. Markus Lehner von der Montanuniversität in Leoben. Diese Methode benötigt nur rund 10 kWh für 1 Kilo klimaneutralen Wasserstoff, wenn aus Methan (Erd- oder Biogas) via Pyrolyse Wasserstoff und fester Kohlenstoff erzeugt wird. Letzterer ist ein begehrtes Rohmaterial etwa für Batterien, Reifen oder Computerchips.

Nachteil: Die Methanpyrolyse befindet sich noch im Laborstadium. Aber das Interesse heimischer Energiekonzerne (z.B. RAG Austria), Zement- und Feuerfestwerken ist hoch. Die Technologie hat große Marktchancen weltweit. Sie bietet eine Lösung für Industriebetriebe, die wegen ihrer Rohmaterialien und nicht wegen ihres Energieverbrauchs einen hohen CO2-Ausstoß aufweisen, wie etwa die Feuerfestindustrie. Sie können das CO2 aus der Abluft abscheiden und so ihren CO2-Fußabdruck minimieren. Mit Hilfe einer Synthese lassen sich aus dem so gewonnenen CO2 zusammen mit Wasserstoff E-Fuels herstellen.

Das Lafarge-Zementwerk in Mannersdorf südöstlich von Wien arbeitet daran, bis 2030 700.000 Tonnen CO2 aus den Abgasen zurückzugewinnen und mit grünem Wasserstoff daraus wieder "klimaneutrale" Kohlenwasserstoffe zu machen.

Wasserstoff ist auch die Basis für E-Fuels, synthetische Kraftstoffe. Sie gelten neben dem batterieelektrischen und dem Brennstoffzellen-Antrieb als dritte Säule der Energiewende im Verkehr. Doch derzeit fehlt es in Europa an finanziellen Anreizen, so ÖAMTC-Cheftechniker Thomas Hametner. Die Förderungen konzentrieren sich auf batterieelektrische Antriebe. In China gäbe es mehr Technologieoffenheit.

Prof. Helmut Eichsleder von der TU Graz bedauert, dass bei der Emissionsgesetzgebung für Fahrzeuge nach wie vor die Energieerzeugung nicht berücksichtigt wird und so batterieelektrische Fahrzeuge als abgasfrei gelten, selbst wenn sie mit Kohlestrom geladen werden.

Solhub bietet die Möglichkeit, aus Wasser und mit Ökostrom mittels eines Niedertemperatur-Elektrolyseurs mit protonenleitender Membran (PEM) grünen Wasserstoff zu erzeugen. Mit diesem können Fahrzeuge direkt betankt werden, der Wasserstoff kann aber auch als Speicher für überschüssigen Ökostrom dienen und bei Bedarf rückverstromt werden.

Die Anlage ist modular angelegt, kann somit einfach und kostengünstig vergrößert werden.

In der Solhub-Basisversion können 50 Kilo grüner Wasserstoff pro Tag erzeugt werden. Der Betrieb ist sehr dynamisch möglich, die Anlage lässt sich selbst aus dem Stillstand innerhalb einer Minute hochfahren, anders als Hochtemperatur-Elektrolyseanlagen, die eine Arbeitstemperatur von rund 800 Grad benötigen. Laut Fronius ist die Tagesproduktion auf bis zu 1.000 Kilo Wasserstoff sinnvoll erweiterbar.

Kosten einer Solhub-Basisanlage: ab 1,6 Mio. Euro (ohne Förderung), Förderungs­rahmen: derzeit bis zu 40 Prozent. 

Die garantierte Lebensdauer einer Solhub-Anlage beträgt 15 Jahre (65.000 Betriebsstunden), die Lieferzeit beträgt derzeit 1 Jahr. Die Anlage kann gekauft oder geleast werden. Der mit Solhub erzeugte Wasserstoff erfüllt den Reinheitsgrad 5.0, der für Brennstoffzellen nötig ist.

Dezentrale Produktionsanlagen für grünen Wasserstoff wie Solhub sind mit einem elektrischen Gesamtsystemwirkungsgrad von bis zu 62,5 Prozent (ohne Abwärmenutzung) nicht so effizient wie geplante große Hochtemperatur-Elektrolysesysteme (ca. 80 Prozent Wirkungsgrad). Sie haben aber den Vorteil, dass Wasserstoff nicht über weite Strecken zu den Verbrauchern transportiert werden muss, sondern vor Ort erzeugt und getankt wird. 

Herstellungskosten pro Kilo grünem Wasserstoff (ohne Förderung) mit Solhub (inkl. Tankeinheit): 10 bis 12 Euro.

Derzeitiger Abgabepreis an Tankstellen: rund 9 Euro pro Kilo (ohne Steuern).