Darstellung der weißen Flecken

Die folgende Darstellung zeigt die auf Wasserstoff- und (auf erneuerbarem) Gas-basierte Energieinfrastruktur im zukünftigen Energiesystem:

Beschreibung der weißen Flecken

GRÜNE ENERGIE

GRÜNE ENERGIE

Methanisierung kann für viele Anwendungen eine bedeutende Rolle spielen um das existierende Gasnetz zu nutzen. Innerhalb der Energie Vorzeigeregion wird in vier Projekten (Rewable Gasfield, Underground Sun Conversion, Carbon Cycle Economy Demonstration, HyWest) an diesem Thema gearbeitet. Da verschiedenste Methanisierungstechnologien existieren können weitere Projekte zu diesem Thema eingereicht werden, sofern diese eine signifikante Weiterentwicklung (für mehrere Zielparameter) der Prozesse ermöglichen. Darüber hinaus sind Technologien zur Ausspeisung von reinem Wasserstoff besonders erforderlich. Große Mengen an grünem Wasserstoff können über die existierende Erdgasversorgungsnetz durch Europa transportiert werden. Durch die Anwendung entsprechender Ausspeisungstechnologien kann der Wasserstoffanteil von momentan weniger als 10 vol% extrahiert, aufbereitet (höhere Qualität z.B, 5.0) und auf den notwendigen Druck komprimiert werden; Technologieforschung und -demonstration sollte zum Ziel gesetzt werden.

Die wachsende Nutzung von erneuerbarer Energie spielt eine bedeutende Rolle für die Wandlung des Energiesystems. Aufgrund hoher Schwankungen in der Produktion von erneuerbarer Energie besteht Bedarf an sinnvollen Speicherkonzepten. Batterien wären eine Option, allerdings kann, besonders in Bezug auf Langzeitspeicherung, Wasserstoff eine bedeutende Rolle spielen. Bisher wurden hauptsächlich Großsysteme erforscht und entwickelt. Da allerdings dezentralisierte Energieproduktion eine Schlüsselrolle für den Energiewandel spielen werden kleinere Anlagen basierend auf Elektrolyseuren, Brennstoffzellen und damit verbundene Speicherkomponenten für Gemeinden und Haushalte benötigt, um einen breitere Nutzung von Wasserstoff zu ermöglichen.

Es besteht großer Bedarf an Erforschung und Demonstration von dezentralisierten Wasserstoffanwendungen in Bezug auf Integration in existierende Produktionsstätten, Energienetzwerke, Optimierung von Systemeffizient, Kostenreduktion durch Massenproduktion und Entwicklung von neuen Technologien. Zusätzlich sollte die Koppelung verschiedener Bereiche ins Auge gefasst werden; speziell in Bezug auf Abwärmenutzung von Wasserstoffsystemkomponenten wie Elektrolyseuren and Brennstoffzellen. Die Integration von grünem Wasserstoff in existierende Energieinfrastrukturen, sowie ein Ansatz zur Sektorkoppelung würden zu einer neuen Energielandschaft grünem Ursprungs führen.

Simulationsmodelle und Mittel für Systemdesign, sowie die Entwicklung von Algorithmen für Energiemanagment müssen vorangetrieben werden, regulatorische Rahmenbedingungen adaptiert und Finanzierung- und Förderungkonzepte aufgestellt werden.

Systeme, basierend auf der Produktion, Speicherung und Verwendung (Rückwandlung) von grünem Wasserstoff, können die Energiewende beschleunigen indem der Anteil an erneuerbarer Energie in den lokalen Netzen signifikant erhöht wird. Wenn die dafür notwendige Hard- und Software entwickelt ist, können entsprechende netzunterstützende Maßnahmen einen positiven Einfluss liefern.

Um die Produktionskosten von grünem Wasserstoff zu senken, ist nach wie vor viel Forschung zu verschiedenen Komponenten eines Elektrolyseursystems sowie dem Stack notwendig. Darüber hinaus besteht ein hohes Potential die Lebensdauer bei gleichbleibender oder sogar gesteigerter Effizienz zu erhöhen. Die Skalierung der Elektrolysetechnologie sollte weiters die Forschungsarbeit an Herstellung und verbesserter Funktionalität beinhalten.

Parallel dazu muss die Umwandlung von Wasserstoff in (elektrische) Energie und Wärme (z.B. in Kraft-Wärme-Kopplungs Anlagen) mit best möglicher Effizienz und geringst nötigen Kosten passieren. Die am besten geeigneten Umwandlungstechnologien für verschiedene Anwendungen müssen identifiziert, weiter verbessert und getestet werden, wobei ein Mindestmaß an Gesamtumweltbelastung („Wiege-zur-Bahre“ Ansatz inkl. LCA Aspekte) berücksichtigt werden muss.

Zusätzlich zu batterieelektrischen und wasserstoffbetriebenen Antrieben ermöglichen Antriebe mittels synthetischen Gasen und Kraftstoffen CO2 neutrale Mobilität. Diese Antriebe basieren auf regenerativ generiertem Strom und CO2 von biogenen Quellen, unter Verwendung von Power to Gas/Liquid Prozessen.

Um die notwendige Energie zur Erzeugung synthetischer Gase/Kraftstoffe zu minimieren, benötigen alle involvierten Prozessstufen weitere Verbesserung. Dies gilt auch für die Umwandlung selbiger.

Darüber hinaus sollten alternative Produktionswege für Wasserstoff und Synthesegas, die das Potential haben, andere Energieträger (Wärme, Biomasse etc.) effizient zu nutzen, in Betracht gezogen und weiterentwickelt werden (z.B. SOEC, biomassebasierter Wasserstoff).

GRÜNE MOBILITÄT

GRÜNE MOBILITÄT

Elektrische Fahrzeuge mit wasserstoffbetriebenen Brennstoffzellensystemen ermöglichen große Reichweiten, kurze Tankzeiten, gute Fahrperformance und bieten einen hohen Nutzwert. Die Herausforderung liegt nun an der Entwicklung von effizienteren, langlebigeren und kosteneffektiveren Brennstoffzellenkomponenten und – systemen mit verbesserter dynamischen Leistung und geringer Geräuschemission. Diese Komponenten und Systeme sollen die Basis für eine lokale (Versorgungs-) Industrie sein, die sich in die Wasserstoff Vorzeigeregion integriert. Auf diese Weise wird eine aus wirtschaftlicher Sicht nachhaltige Gesellschaft (mit reduziertem bzw. geringem Energiebedarf für Transport von Arbeitnehmern und Gütern) kreiert.

Nur mittels Brennstoffzellensystemen können elektrifizierte Schwerlastfahrzeuge repräsentiert werden, die einen hohen Nutzwert bieten und dadurch ökonomisch verwendet werden können. Das trifft auf alle Bereiche des Schwerlastverkehrs zu: Straßen- und Schienen- und Schiffsverkehr, sowie sämtliche Bereiche in denen Spezialfahrzeuge (Bau, Bergbau, Flughafenvorfeld) benötigt werden. Zusätzlich betrifft es auch alle Spezialtransporte und Schwerlastanwendungen im Bereich Tourismus und öffentlicher Verkehr. Für diese Anwendungen müssen Brennstoffzellensysteme (mit Komponenten und effizienten Entwicklungstools für reduzierte Markteinführungszeit) entwickelt werden, die wiederum die hohen Anforderungen an Robustheit und Langlebigkeit erfüllen.

Während der Übergangsphase sollen Technologien entwickelt werden, die eine Umwandlung von auf fossilen Brennstoffen basierend angetriebenen Systemen in wasserstoffbetriebene Systeme ermöglicht. Diese müssen möglichst rasch auf den Markt gebracht werden um den Wasserstoffbedarf für Schwerlastverkehr (Straße, Schiene, Wasser) zu erhöhen.

Potentielle Projekte sollen die Forschung, Entwicklung und Demonstration von abgasfreier Mobilität („tank-to-wheel“) in Kombination mit (den CO2 Ausstoß betreffend) besten Lösungen für die Kraftstofferzeugung („well-to-tank“) umfassen.  Die verschiedenen Verkehrsmittel können aus Anwendungen für Verkehr zu Wasser und Land bestehen, dies umfasst Schiffs- und Schienenverkehr, sowie Fahrzeuge auf und abseits der Straße. Des Weiteren sollten erforschte Lösungen sowohl für urbane als auch ländliche Gegenden entwickelt werden. Insbesondere besteht Bedarf an innovativen Transport- und Tankkonzepten für eine effiziente Verteilung von großen Mengen Wasserstoff. Um eine schnelle Marktdurchdringung von CO2-freien Lösungen zu fördern, sollte auch ein technologieneutraler Ansatz in Betracht gezogen werden. Dies ermöglicht (zumindest eine teilweise) Umwandlung existierender Technologien (d.h. herkömmliche Lastfahrzeuge in H2-ICE betriebene Lastwägen).

Das Ziel ist die Entwicklung und Demonstration von abgasfreien Frachtlogistikszenarien (wie beispielsweise LKWs, Lieferwägen, Lösungen für die sogenannte „letzte Meile“, Industriefahrzeuge), mit Einbezug der Verwendung von lokalen abgasfreien Fahrzeugen und der Integration von entsprechenden Lösungen für eine Tankinfrastruktur. Die Entwicklung, Integration und Validierung von Lösungen für Kraftstoffherstellung und Tankinfrastruktur, sowie deren Betriebsdemonstration sind wesentlich. Neben der Verwendung von Wasserstoff innerhalb logistischer Infrastrukturen, hat die Anwendung im Bereich der Intralogistik hohes Potential zur CO2 Reduktion beizutragen. Es besteht ein Bedarf an der Entwicklung von wasserstoffbetriebenen Intralogistikträgern und dazugehöriger Tankinfrastruktur. Insbesondere im Vergleich zu konventionellen batteriebetriebenen Systemen oder mit herkömmlichen Kraftstoffen betriebenen Schwerlastanwendungen hat Wasserstoff das Potential die Nutzbarkeit und Effizienz dieser Fahrzeuge und Systeme zu steigern, mit gleichzeitiger Reduktion von betrieblicher – und Gesamtemission. Die wirtschaftliche Nachhaltigkeit der Entwicklung, sowie die Möglichkeit des Transfers zum Regelbetrieb muss am Ende der Projektlaufzeit demonstriert werden. Der Einbezug von industriellen Logistikpartnern, öffentlichen Verkehrsdienstleistern, Mobilitätsdiensten, oder Fuhrparklösungen wird begrüßt.

GRÜNE INDUSTRIE

GRÜNE INDUSTRIE

Es gibt eine Vielzahl existierender Industrieprozesse basierend auf gasförmigen Energieträgern oder auch basierend auf Wasserstoff aus fossilen Quellen. Der Wandel zu grünen Industrieprozessen verlangt ebenfalls eine beschleunigte Umstellung in dieser Hinsicht. Es werden Projekte aus verschiedenen wirtschaftlichen Sektoren benötigt, um die Umstellung auf die Verwendung von erneuerbarem Wasserstoff  in bestehenden Prozessen zu ermöglichen. In diesem Zusammenhang besteht allerdings einerseits hoher Bedarf an Forschung und Entwicklung, andererseits ist auch die Demonstration der Umstellung erforderlich.

Wasserstoff wird bereits heute in vielen industriellen Prozessen verwendet, meistens gewonnen durch Dampfreformierung von Erdgas. Projekte die grünen Wasserstoff verwenden (zB. H2Pioneer, UpHy) müssen Demonstrationsprojekte mit entsprechendem Geschäftsmodell sein. Die Entwicklung von sektorübergreifend integrierten Konzepten mit vielfachen Anwendungen von grünem Wasserstoff soll eine wettbewerbsfähige Kostenstruktur für die Produktion von grünem Wasserstoff ermöglichen.  Spezielle Themen in diesem Bereich sind einerseits Hochtemperaturprozesse mit speziellen Anforderungen, aber auch die Verknüpfung von spezifischen Energieströmen in den Gesamtprozess, inklusive Neuelektrifizierung. Zusätzlich sind in diesem Zusammenhang auch Industrieprozesse relevant welche die Kohlendioxidabscheidung erfordern, speziell hinsichtlich nachfolgender Kohlenstoffverwertung unter der gleichzeitigen Verwendung von grünem Wasserstoff. Um die Verwendung von grünem Wasserstoff zu unterstützen müssen außerdem Zertifizierungssysteme für grünen Wasserstoff in Industrieprozessen entwickelt werden.

Basierend auf Wasserstoff können komplett neue Prozesse für Industrieverfahren entwickelt werden. Ein Beispiel dafür ist das Projekt SuSteel. Für bestimmte Unternehmen, beispielsweise aus dem Bereich der Stahlproduktion, ist es bereits absehbar, dass gegenwärtige industrielle Verfahren auf die Verwendung von erneuerbaren Gasen wie Wasserstoff umgestellt werden müssen um CO2 freie Prozesse zu garantieren. Das erfordert neue und breite Ansätze welche in diesem „Weißen Fleck“ relevant sind. Allerdings soll die Forschung und Entwicklung von neuen Technologien explizit auf Prozesse fokussiert sein die, bis auf erneuerbaren Wasserstoff, keine andere zukunftsfähige Alternative für eine CO2-neutrale Produktion haben.