H₂News: Frau Dr. Kundler, was war die zentrale Zielsetzung des Wasserstoff-Leitprojekts H₂Giga?

Dr. Isabel Kundler: Als eines der drei vom heutigen Bundesministerium für Forschung, Technologie und Raumfahrt (BMFTR) geförderten Wasserstoff-Leitprojekte startete H₂Giga im Jahr 2021. Das Leitprojekt forschte an Technologien zur Industrialisierung und Hochskalierung der Wasserelektrolyse – eine Voraussetzung für die Herstellung von grünem Wasserstoff im GW-Maßstab. Etwa 130 Partner in 30 voneinander unabhängigen Projekten forschten an diesen Themen und erzielten große Fortschritte für alle vier Elektrolyse-Technologien.

H₂News: Inwieweit konnte das Ziel erreicht werden?

Kundler: Die zentrale Zielsetzung haben sie auf jeden Fall erreicht: Einige der Hersteller haben bereits während der Projektlaufzeit die in H₂Giga erforschten Technologien in ihre Produktionslinien, die nicht Teil des Leitprojekts waren, aufgenommen, so zum Beispiel die Siemens Energy AG in der Gigafactory in Berlin oder die Quest One GmbH in ihrem Gigahub in Hamburg.

Auch die beteiligten Universitäten und Forschungsinstitute haben wichtige Ergebnisse erzielt. Sie haben Testinfrastrukturen für große Stacks oder Module aufgebaut und mit den Untersuchungen wichtige Erkenntnisse für den Betrieb von Stacks in großem Maßstab gewonnen. Zum Beispiel wurden bei der Forschungszentrum Jülich GmbH ein Modul-Teststand für die PEM-Elektrolyse im MW-Maßstab und bei der Technischen Universität Clausthal ein Testfeld für Stacks der alkalischen Elektrolyse aufgebaut und damit geforscht.

H₂News: H₂Giga hat ja darauf abgezielt, den Übergang von der Manufakturarbeit hin zu einer automatisierten und seriellen Fertigung von Elektrolyseuren zu realisieren. Wie konnte das umgesetzt werden?

Kundler: Die serielle Fertigung von Elektrolyse-Stacks klingt einfacher als sie ist. So müssen zum Beispiel beim Stack-Assembling mechanisch unterschiedliche, vor allem auch weiche oder fragile Materialien von der Robotik gegriffen, exakt platziert und wieder losgelassen werden. Die Partner haben die speziell auf diese Anforderungen ausgerichtete Produktionstechnik erforscht und entwickelt. Es handelt sich dabei um spezielle Technologien für first-of-its-kind Anlagen. Dies wurde durch enge Zusammenarbeit von Wissenschaft und Industrie erreicht, so dass grundlegendes Verständnis und der Blick auf industrielle Relevanz zusammenkamen.

H₂News: Inwiefern hat das gesamte Vorhaben von der Zusammenarbeit der 130 Partner aus Wissenschaft und Industrie profitiert?

Kundler: Der Austausch zwischen den Partnern hat die Community zusammenwachsen lassen. Durch regelmäßige Meetings zu den Kernthemen von H₂Giga, aber auch zu übergreifenden Themen, ist der Wissensstand bei den Partnern am Ende des Projekts mit Sicherheit höher ausgefallen, als wenn alle isoliert an ihrem eigenen Projekt gearbeitet hätten.

Die Technologieplattform Elektrolyse im Leitprojekt hat auch externe Referenten und Partner aus den anderen Leitprojekten H₂Mare und TransHyDE eingeladen, um über übergreifende Themen zu informieren, wovon alle profitieren konnten. Durch diesen Informationsaustausch konnte an zahlreichen Stellen schneller und effizienter gearbeitet werden.

H₂News: Herr Dr. Ausfelder, werfen wir einen Blick auf den Wettbewerb. Wie bewerten Sie die aktuelle internationale Wettbewerbslandschaft in der Elektrolyseurproduktion?

Dr. Florian Ausfelder: Wir haben in Deutschland starke Player für alle vier Elektrolyse-Technologien. Diese sind auch hinsichtlich der technischen Eckparameter, den Key-Performance-Indicator (KPIs), ihrer Systeme und der Herstellkapazitäten ganz vorne mit dabei. Dennoch, wir wissen alle um den massiven Preisdruck aus Fernost. Insbesondere Überkapazitäten, günstigere Rohstoffkosten, geringere Arbeitskosten und staatliche Subventionierung in den entsprechenden Ländern, vor allem in China, verstärken den Druck. Das bedeutet, dass wir uns auf unserer starken technologischen Position auf keinen Fall „ausruhen“ dürfen und der Support, auch fördertechnisch, für die nächsten Schritte ganz wichtig bleibt.

Als positiven Aspekt möchte ich aber noch betonen, dass es für eine Kaufentscheidung auch andere Argumente gibt als nur den günstigsten Preis, beispielsweise Zuverlässigkeit der Technologie, Service, kompetente Ansprechpersonen oder das Vertrauen in den Lieferanten. Das stärkt die deutschen Hersteller auf dem internationalen Markt. Insgesamt ist die Situation aber auf jeden Fall herausfordernd.

H₂News: Welche Rolle spielen Stromkosten in der aktuellen Kostenstruktur von grünem Wasserstoff?

Ausfelder: Die Stromkosten bilden einen erheblichen Teil der Kosten für den grünen Wasserstoff. Den größten Hebel zur Reduktion sehen wir in der Auswahl des Standortes, welcher große Mengen von PV- oder Windstrom stellen sollte. Eine netz- und systemdienliche Fahrweise des Elektrolyseurs als großer Verbraucher ist wünschenswert, aber ich glaube nicht, dass man dadurch Wunder in der Kostenstruktur erwarten darf. Schließlich ist der Elektrolyseur nur wirtschaftlich, wenn er einen großen Teil der Zeit auch mit hoher Last betrieben werden kann. Zusätzlich kann die graduelle Steigerung der Umwandlungseffizienz und auch eine höhere Lebensdauer durch Verbesserungen in Stack und Leistungselektronik zu Kosteneinsparungen führen.

H₂News: Schwenken wir einmal nach Deutschland; warum verläuft der Wasserstoffhochlauf hier derzeit langsamer als ursprünglich erwartet?

Ausfelder: Die Erwartungen an den Hochlauf waren sehr hoch und haben sich vor allem an Wünschen orientiert. Es gibt mittlerweile erfolgreiche Umsetzungsprojekte, aber wir haben auch Projekte gesehen, bei denen keine finale Investitionsentscheidung (FID) zustande kam oder die abgebrochen wurden. Ein großes Thema sind dabei die Kosten für den grünen Wasserstoff, die noch immer deutlich höher sind als die für Wasserstoff aus Erdgasreformierung. Dies führt dazu, dass für den grünen Wasserstoff aktuell noch schwer Anwender zu finden sind. Folglich sind alle Forschungs- und Entwicklungsaktivitäten, durch die sich Kosten senken lassen, aktuell besonders wichtig.

H₂News: Welche konkreten Schritte könnten dazu beitragen, den Hochlauf von grünem Wasserstoff wieder zu beschleunigen?

Ausfelder: Aus regulatorischer Sicht wäre es wünschenswert, die anspruchsvollen RFNBO*-Kriterien, also die Kriterien, die definieren, ab wann der Wasserstoff „grün“ ist, zu überdenken und an die Umsetzbarkeit anzupassen. Insbesondere die aktuell erforderliche Gleichzeitigkeit und Zusätzlichkeit bei der Erzeugung des verwendeten EE-Stroms sind hier potenzielle Hebel.

Auf technischer Seite sind alle Schritte wichtig, die dazu beitragen, Kosten zu senken. Dazu gehören die bereits erwähnte Umwandlungseffizienz des Elektrolyseurs, aber auch Konzepte und internationale Partnerschaften für die Wasserstoffherstellung an günstigen EE-Standorten. Insgesamt müssen wir die Herausforderungen des Hochlaufs des grünen Wasserstoffs in Deutschland meistern, aber gleichzeitig über starke Player verfügen, die ihre Elektrolysetechnologie am Weltmarkt vertreiben und somit im Wettbewerb um die Erschließung günstiger Standorte weltweit bestehen.

(*Renewable Fuels of Non-Biologic Origin, dt.: Erneuerbare Kraftstoffe nicht-biologischen Ursprungs)

H₂News: Apropos Weltmarkt – Frau Dr. Kundler, welche Bedeutung haben Single-Source-Abhängigkeiten aktuell?

Kundler: Es gibt im Bereich der Elektrolyse einige wenige Single-Source Abhängigkeiten, zum Beispiel das Diaphragma-Material der alkalischen Elektrolyse. Auch für Membranen und Ionomere für die Polymerelektrolytmembran-Elektrolyse (PEM), gibt es nur wenige Anbieter. Solange diese Single-Source-Quellen regulär liefern, ist das kein Problem, aber es ist ein Risiko. Mit zunehmendem Hochlauf wird dieses Risiko größer, daher sollte das Thema unbedingt angegangen und es sollten weitere Zulieferer etabliert werden.

H₂News: Kommen wir zu der Technologie-Roadmap für die Weiterentwicklung der Wasserelektrolyse für den GW-Maßstab. Wie entstand die Idee dazu?

Kundler: Wir wollten den Stand der Technik allgemein sowie aus dem Leitprojekt übergreifend zusammenfassen und die nächsten Schritte skizzieren. Die große Elektrolyse-Community aus H₂Giga bot hier eine einmalige Gelegenheit, die Forschungsbedarfe für die Phase nach den Wasserstoff-Leitprojekten fundiert zu erfassen und mit Kernteams zu konsolidieren. So haben wir Lücken gefunden und Themen aufgezeigt, die auf den Ergebnissen der Leitprojekte aufbauen und auf den Wasserstoff-Hochlauf mit Zeithorizont 2030 und 2045 einzahlen. Die Kernteams haben Themen priorisiert, offene Punkte benannt und konkrete Maßnahmen vorgeschlagen.

H₂News: Sie sprechen in der Roadmap vom „De-Risking“. Was genau ist darunter zu verstehen?

Kundler: Das ist ein wichtiger Punkt, wenn man vom kleinen Maßstab in große Systeme geht – auch im Bereich der Forschung. De-Risking bedeutet, das Risiko eines Versagens zu minimieren. Technisch, indem man die Versagensmechanismen erforscht und verstanden hat, um sie sicher vermeiden zu können. Man kann sogar sagen, ich habe einen Versagensmechanismus erst verstanden und unter Kontrolle, wenn ich ihn jederzeit willkürlich an- oder abschalten kann. Aber auch im nicht-technischen Bereich gibt es ein De-Risking, etwa eine Absicherung von Lieferketten oder Risiken durch Änderung von regulatorischen Rahmenbedingungen. Je weiter wir in Richtung Hochlauf kommen, desto wichtiger ist es, solche Risiken zu minimieren, weil sie hohe Kosten verursachen können.

H₂News: Die Elektrolyse umfasst vier Technologien: die alkalische Elektrolyse (AEL), PEM-Elektrolyse, Hochtemperatur-Elektrolyse (HTEL) und Anionenaustauschmembran-Elektrolyse (AEM). Warum spielen insbesondere AEL und PEM im aktuellen Hochlauf eine zentrale Rolle?

Kundler: Das liegt vor allem daran, dass diese beiden Technologien am weitesten fortgeschritten sind – was allerdings nicht bedeutet, dass kein Forschungsbedarf mehr bestünde. Für einen Hochlauf in den dreistelligen MW-Bereich oder darüber hinaus, und das mit einem Zeithorizont der nächsten fünf bis zehn Jahre, muss sich eine Technologie heute bereits in (einzelnen) großen Systemen sicher betreiben lassen. Das ist bei der PEM-Elektrolyse und der alkalischen Elektrolyse gegeben.

Aber auch für die beiden jüngeren Technologien gibt es Perspektive: Die HTEL ist besonders geeignet für spezifische Standorte, in denen Abwärme auf hohem Temperaturniveau verfügbar ist. Die AEM-Elektrolyse ist eine besonders innovative Technologie, die zunächst in größeren Systemen ihre Langzeitstabilität zeigen muss. Idealerweise vereint sie die Vorteile der PEM-Technologie, die Polymermembran, und der alkalischen Elektrolyse, also keine bis wenig Edelmetalle.

H₂News: Was sind aus Ihrer Sicht die wichtigsten nächsten Schritte mit Blick auf Forschung und Entwicklung für die verschiedenen Elektrolyse-Technologien?

Kundler: Bei der PEM-Elektrolyse und der alkalischen Elektrolyse ist es wichtig, den Einfluss von Betriebsbedingungen und Wechselwirkungen mit Störparametern auch in großen Stacks und Systemen zu untersuchen und zu verstehen. Mit diesem Wissen lassen sich die Betriebsstabilität erhöhen und die Degradation vermindern. Durch Langzeitversuche mit KI-Unterstützung können Predictive Maintenance-Modelle entwickelt und so die Wartungs- und Reparaturkonzepte optimiert werden. Auch die Materialforschung, insbesondere für die Katalysatorschichten, kann noch Potenzial für eine höhere Umwandlungseffizienz und bzw. oder längere Lebensdauer heben. Im Fall der HTEL und AEM-Elektrolyse steht die Materialforschung noch mehr im Vordergrund, ebenso die Verbesserung der Langzeitstabilität und die Hochskalierung der Zellgrößen und Systeme.

H₂News: Welche Ergebnisse oder Entwicklungen aus dem H₂Giga-Projekt haben Sie persönlich am meisten überrascht oder beeindruckt?

Kundler: Wir durften bei DECHEMA gut vier Jahre lang mit unserer Technologieplattform Elektrolyse den H₂Giga-Partnern den Raum für wissenschaftlichen Austausch und Interaktion zwischen Wissenschaft und Industrie geben. Die Community ist zusammengewachsen, und das große Engagement aller Partner in ihren Projekten hat riesige Fortschritte für die Elektrolysetechnologie gebracht.

Wir möchten uns bei allen H₂Giga-Partnern für diese tolle Zusammenarbeit ganz herzlich bedanken! Und wir bedanken uns, auch im Namen aller Partner, beim BMFTR für die Förderung der Wasserstoff-Leitprojekte.

H₂News: Und wir bedanken uns bei Ihnen für das Interview, Frau Dr. Kundler und Herr Dr. Ausfelder!