Wasserstoff Campus Salzgitter

Bisher relativ unbemerkt soll die Region Salzgitter zu einem Vorreiter in der Wasserstofftechnik werden. Dafür sind neue Verfahren und Denkweisen nötig, die von der Industrie gemeinsam erarbeitet werden.

Am Textende befindet sich ein Glossar mit Erklärungen zu Fachbegriffen und Prozessen.

Mitte November 2021 ging der Klimagipfel der UN nach zweiwöchiger Verhandlung in Glasgow zu Ende. Ziel sollte es sein, einen Rahmen zur Erreichung des 1,5 Grad- Zieles zu setzen und einen Ausstieg aus der fossilen Energie zu beschließen. Konkret wurde dies aber nicht, bis zuletzt verhinderten besonders Indien und China den Aufruf zum Ausstieg, geblieben ist eher eine „Bitte“, den CO2 Ausstoß zu verringern.
Ein eher ernüchterndes Ergebnis, trotzdem lassen sich die in Salzgitter tätigen Unternehmen wie die Salzgitter AG, Bosch und Alstom nicht von ihrem Ziel abbringen. Durch den Einsatz von Wasserstoff und besseren Synergien sollen Produktionsschritte klimaneutral werden und so die sonst aus fossilen Brennstoffen gewonnene Energie ersetzen. Um dieses Ziel zu verwirklichen, wurde ab Herbst 2019 mit weiteren Partnern der Wasserstoff Campus Salzgitter ins Leben berufen.

Zusammenarbeit aus Industrie, Politik und Wissenschaft

Insgesamt sind Stand Dezember 2021 neun Partner am Campus beteiligt, darunter namentlich bekannte Unternehmen in Form der Robert Bosch Elektronik GmbH, die MAN Energy Solutions SE, die Salzgitter AG und die Alstom Transport Deutschland GmbH. Wissenschaftliche Federführung hat das Fraunhofer-Institut für Schicht und Oberflächentechnik IST und aus Politik und Verwaltung sind natürlich die Stadt Salzgitter, die Allianz für die Region GmbH und das Amt für regionale Landesentwicklung Braunschweig beteiligt. Zur Unterstützung der Infrastrukturprojekte ist maßgeblich der lokale Energieversorger, die WEVG GmbH & Co. KG Partner des Projektes.
Aktuell ist eine Projektlaufzeit bis 2023 angegeben. Dies ist jedoch nur die Startphase. In dieser Zeit soll in erster Linie das Konsortium Wasserstoff Campus Salzgitter zu einem eingetragenen Verein werden. Dieses Vorhaben bietet der Gesellschaft größere Rechtssicherheit und vereinfacht die Finanzierung und Förderung. Zurzeit wird das Projekt besonders vom Amt für regionale Landesentwicklung in Braunschweig mit einer Summe von 7 Millionen Euro unterstützt. Ziel der Startphase ist es, erste Geschäftsmodelle zu entwickeln und aus der Kommunikation und dem Technologietransfer der beteiligten Unternehmen konkrete Einzelprojekte auszuformulieren. Erste Projekte und Initiativen sind bereits erfolgreich. 

Erste erfolgreiche Projekte

Coradia iLint – so heißt der weltweit erste Wasserstoffzug der Firma Alstom. Das französische Unternehmen produziert den mit Brennstoffzellen betriebenen Regionalzug seit 2018 in Salzgitter. Das Unternehmen ist damit Vorreiter für den Campus. Serienmäßig wird der Zug bereits in mehreren europäischen Ländern eingesetzt und soll auch den ÖPNV in Salzgitter emissionsfrei gestalten. Laut Angaben Alstoms ist der Zug durch die Wassersstofftechnik relativ günstig in der Unterhaltung und komplett emissionsfrei. Lediglich Wasserdampf und Kondenswasser werden bei der Fahrt ausgestoßen.

Auch die Robert Bosch Elektronik GmbH kann bereits erste Erfolge aufweisen. Deren Ziel ist die sogenannte Fabriktransformation, bestehende Werke sollen durch die Integration von Wasserstofftechnologien emissionsärmer werden. Laut Angaben des Unternehmens ist Bosch schon seit 2020 CO2-neutral, dies gelingt zum Teil jedoch nur über Kompensationsmaßnahmen. Besser wäre es, wenn gar nicht erst CO2 ausgestoßen werden würde. Hier kommt der Wasserstoff Campus und die Zusammenarbeit mit den Projektpartnern ins Spiel. Mit Hilfe des Fraunhofer-Institutes wurde ein digitales Modell des Bosch Werkes mit allen Produktionsschritten erstellt. Verschiedene Module können so simuliert und in der Theorie effizienter gestaltet werden, beispielsweise könnte die Abwärme einer Brennstoffzelle genug Wärme für einen weiteren Produktionsschritt erzeugen. Die Simulation wird anschließend in der Praxis angewendet und mit Hilfe der gewonnen Daten verbessert und industrietauglich zur Verfügung gestellt. Andere Werke und Branchen können – dank der Grundlagenforschung in Salzgitter – anschließend darauf zugreifen und für ihre Prozesse nutzen. Gelungen ist dies bereits mit der Abwärme aus dem Stahlwerk der Salzgitter AG. Per Fernwärmeleitung gelangt diese nach Salzgitter-Lichtenberg zu Bosch und macht Brenner, die sonst mit Erdgas betrieben wurden, überflüssig. Weitere Projekte sind in Erprobung.

Besonders die Stahlindustrie ist ein großer CO2 Verursacher

Das größte Interesse, ihre CO2 Emissionen zu reduzieren, hat jedoch die Salzgitter AG. Für diese ist dies nicht nur eine Imagefrage und gut für die Umwelt, Kompensationen und Auflagen machen die Stahlproduktion in Europa immer unrentabler. Nach eigenen Angaben arbeitet das Unternehmen bereits jetzt an den Grenzen des naturwissenschaftlich und verfahrenstechnisch Machbaren und ist einer der effizientesten Stahlproduzenten weltweit, trotzdem ist das Hüttenwerk für acht Millionen Tonnen CO2 pro Jahr verantwortlich. Laut des Bosch CEOs und Kooperationspartner Michael Gensicke macht dies ein Prozent des deutschen jährlichen CO2-Ausstoßes aus. Es bedarf somit neuer Möglichkeiten in der Stahlherstellung, da sonst die Arbeitsplätze von bis zu 8.000 Mitarbeitern in Gefahr sind.
Als Lösung hat die Salzgitter AG in weiterer Zusammenarbeit mit dem Fraunhofer-Institut das sogenannte „SALCOS“ Projekt vorgestellt. Ein weiteres Ziel ist es, Prozesse in der Produktion durch Wasserstoff zu ersetzen, besonders ist das Sintern der Eisenerze im Fokus. Vereinfacht gesagt beschreibt Sintern den Prozess, bei dem Eisenerze mit Hilfe von Zusätzen vorverdichtet werden sollen. Das anschließende Einschmelzen im Hochofen kann so effizienter gestaltet werden. Das Problem im Hinblick der Klimaneutralität ergibt sich daraus, dass bei dem traditionellen Verfahren Koks und Koksgas aus Kohle verwendet wird, um die Erze zu erhitzen und Sauerstoff zu reduzieren. Statt des Eisens bindet der Sauerstoff den verwendeten Kohlenstoff, es entsteht direkt Kohlenstoffdioxid. Ein gängiges Verfahren wäre es nun, dieses Kohlenstoffdioxid energetisch aufwendig weiterzuverarbeiten und eine Art Recyclingprodukt zu erhalten. Dies ist jedoch sehr aufwendig und löst nicht das Problem des anfallenden CO2s.

Wasserstoff als Lichtblick für die Salzgitter AG

Statt Koks wäre nun Wasserstoff die Alternative. Dieser verbrennt ebenfalls bei großer Hitze, reduziert den Sauerstoff im Erz und es entstehen größere Eisenschwämme und Wasser. Es müsste lediglich zu einem sehr geringen Teil Erdgas zugeführt werden. Da im Vorfeld der eingesetzte Wasserstoff aus der Elektrolyse gewonnen wird, fällt als Nebenprodukt Sauerstoff an, welcher im späteren Hochofen-Prozess wieder eingesetzt werden kann. So schließt sich der Prozess und könnte im Endeffekt den CO2-Ausstoß um bis zu 95 Prozent verringern.
Warum dies bisher nicht geschehen ist, hat vor allem wirtschaftliche und finanzielle Gründe. Der Einsatz von Kohle und Gas ist weitaus günstiger gewesen, als dass sich die Entwicklung neuer Verfahren gelohnt hätte. Der Einsatz von Wasserstoff ist grundsätzlich aufwendiger, da die Prozesse technisch anspruchsvoller sind und auch die Lagerung der Ausgangstoffe einen höheren Energieeinsatz benötigen. Noch größer ist jedoch das Problem der Menge an benötigtem Wasserstoff. Aktuell ist die Produktion von sogenanntem grünen Wasserstoff zu gering und zu teuer. Grauer Wasserstoff wäre jedoch keine Alternative, da dieser mit fossilen Brennstoffen gewonnen wird, der Preis des erneuerbaren Stroms ist meist zu hoch. Bisher gab es somit einen Teufelskreis, die Investition in neue Verfahren war hoch, die geringe Menge an verfügbarem grünen Wasserstoff macht diesen sehr teuer und die Lagerung und Infrastruktur, die eine große Menge an Strom benötigt, war entweder aus fossilen Brennstoffen und somit klimaschädlich oder aus sehr teuren erneuerbaren Quellen. Hier kommt nun der Wasserstoff Campus wieder zum Tragen.

Der Elektrolyseur (rotes Gebäude) und Speicher (silberner Container) der Ostfalia am Campus Wolfenbüttel, im Hintergrund ein Kleinwindrad mit einer Leistung von bis zu 4 kW. Der Elektrolyseur kann mit bis zu 6 kW pro Stunde betrieben werden. In der normalen Industriellen Anwendung ist dieser ungefähr zehnfach größer, die MAN-Power-to-X-Anlage soll bis zu 50 Mega-Watt Energie umwandeln. (Foto: Niklas Weiser)
Der Elektrolyseur aus dem roten Container im Detail. In beiden Tanks oben links liefern das aufbereitete Wasser, unten befindet sich die Elektrolyse-Kammer. Dies ist keine PEM-Anlage, stattdessen wird mit einer KaliumhydroxidLösung als Elektrolyte gearbeitet. In den orangen Rohren wird anschließend der Wasserstoff aufbereitet, die Reinheit beträgt bis zu 99%. Bei Vollauslastung können so pro Stunde bis zu 1Normkubikmeter Wasserstoff produziert werden. Aktuell benötigt die Salzgitter AG nach eigenen Angaben pro Monat eine Menge von 400.000m³. (Foto: Niklas Weiser)

Wasserstoff von MAN und aus dem Emsland

Mit Hilfe der geplanten Infrastruktur soll es möglich sein, dass genug Wasserstoff für die jeweiligen Campus-Teilnehmenden zur Verfügung stehen wird. Aktuell stellen beispielsweise Firmen wie Linde die Versorgung per LKW sicher. Langfristig wird sowohl per Pipeline Wasserstoff aus Offshore-Windparks aus dem Emsland in die Region kommen als auch direkt vor Ort, durch Firmen wie MAN Energy Solutions SE mit Hilfe der Power-to-X Anlage, produziert werden. Diese Power-to-X-Anlage wird laut MAN eine Leistung von 50 Mega-Watt besitzen, das entspricht der ungefähren Energie von fünf Kernkraftwerken und wird komplett mit Strom aus erneuerbaren Energien gespeist. Um diesen Energiebedarf zu decken, bedarf es der Energie aus mehreren Regionen, weswegen die sogenannte Allianz für die Region GmbH Teil des Campus ist. Diese koordiniert die gesamte Wasserstoffregion SüdOstNiedersachsen und hilft über Salzgitter hinaus die Infrastruktur für erneuerbare Energien und Wasserstoff auszubauen.

Ausblick
Erste Projekte des Wasserstoff Campus sind bereits erfolgreich und die Realisierung erster Prototypen stehen in den nächsten zwei bis fünf Jahren an. Insgesamt soll der Campus ab 2030 Teil einer europäischen Gemeinschaftslösung werden. Dies bedarf aber einen hohen Koordinationsaufwand und vor allem einen politischen Willen, sodass die Umsetzung auch wirtschaftlich rentabel ist. Zwar ist die Stadt Salzgitter und das Land Niedersachsen am Projekt beteiligt, für gemeinsame Rahmenbedingungen wird aber besonders die Bundesrepublik gefordert sein. Wie beispielsweise die SZ AG fordert, werden milliardenschwere Investitionen nötig sein, die sich auch nur rentieren, wenn internationale Rahmenbedingungen den Ausstoß von CO2 und anderen Treibhausgasen sanktionieren. Ansonsten wird es sich für große Firmen weiterhin lohnen, ihre Produktionen in andere Teile der Welt zu verlagern, was dementsprechend massive Folgen für Europa und schlussendlich für die gesamte Welt hätte. Ein stärkeres Signal der Weltgemeinschaft aus Schottland im Sinne des Klimaschutzes wären somit gut gewesen.

Glossar

Sinteranlage, sintern
Sintern beschreibt ein Verfahren zur Verdichtung und Verschmelzung von Pulvergemischen, welche meist unter hohem Druck, jedoch unterhalb der Schmelztemperatur, stattfinden. Ausgangsstoffe können so in bestimmte Formen mit anderen Oberflächeneigenschaften gepresst werden oder im Falle der Stahlindustrie werden die Feinerze mit Koksgrus, Kalksandstein und weiteren Zusätzen mit Wasser vermengt, auf ein Förderband aufgebracht und entzündet. Nach dem erfolgreichen Durchbrennen des Gemisches verschmelzen die Oberflächen der Feinerze und bilden eine Verbindung, welche leichter im späteren Hochofenprozess eingeschmolzen werden kann. Auf diese Weise wird zudem Sauerstoff aus den Erzen reduziert.

Wasserstoff (H2) – grüner, grauer, blauer, türkiser, roter, oranger, schwarzer, weißer
Grundsätzlich hat Wasserstoff keine Farbe und ist ein geruchsloses Gas. Wenn aber von seiner „Farbe“ gesprochen wird, bezieht sich diese auf die Art der Herstellung im industriellen Verfahren und gibt somit Rückschlüsse auf die Nachhaltigkeit. Die wichtigsten Farben im Überblick:

  • Grün: Dieser wird in der Elektrolyse aus Wasser mit Strom aus erneuerbaren Energien produziert. Es ist somit CO2 frei.
  • Grau: Dieser wird aus fossilen Brennstoffen gewonnen, meist Erdgas. Dieses besteht hauptsächlich aus Methan (CH4) und wird unter Hitzeeinfluss zu Kohlenstoffdioxid (CO2) und Wasserstoff umgewandelt. Pro Tonne Wasserstoff entstehen 10 Tonnen CO2, welche in diesem Fall ungenutzt in die Atmosphäre abgegeben werden
  • Blau: Dieser wird wie grauer Wasserstoff aus fossilen Brennstoffen gewonnen, der anfallende Kohlenstoffdioxid wird jedoch aufgefangen und gespeichert, beispielsweise unter Tage in Kavernen (Große ausgespülte Salzvorkommen unter der Erde, beispielsweise in Region im Emsland und Wilhelmshaven). Da auf diese Weise kein CO2 ausgeschieden wird, gilt das Verfahren als klimaneutral.
  • Türkis: Dieser wird auch aus Methan gewonnen, jedoch unter sehr hohen Temperaturen und es entsteht fester Kohlenstoff als Nebenprodukt. Wenn die sehr hohe Energie zur Erhitzung aus erneuerbaren Energien gewonnen wird, gilt auch dieses Verfahren als klimaneutral.  
  • Rot: Dieser wird wie grüner in der Elektrolyse erzeugt, der Strom dafür kommt aus der Atomenergie
  • Orange: Dieser wird wie grüner und roter Wasserstoff erzeugt, hier kommt der Strom aus Biogasanlagen und anderen organischen Verfahren 
  • Schwarz: Dieser wird aus Steinkohle gewonnen
  • Weiß: Dies bezeichnet natürlich anfallenden Wasserstoff oder solchen, der als Nebenprodukt in chemischen Prozessen anfällt 

Elektrolyse PEM-Anlage
Bei der Elektrolyse wird mit Hilfe von elektrischer Energie eine Redoxreaktion erzwungen. Chemische Verbindungen können so aufgespalten werden, beispielsweise wird so Wasser zu Wasserstoff und Sauerstoff mit Hilfe einer elektrischen Spannung aufgespalten. Dies geschieht auch in einer PEM-Anlage, dies steht für Proton Exchange Membran. Aufgrund der angelegten Spannung wandern die Wasserstoffprotonen durch eine feste, semipermeable Membran und beide Gase sind physikalisch voneinander getrennt. Da es keinen flüssigen Elektrolyten gibt, können diese Art der Anlagen weitgehend wartungsfrei arbeiten und die sich innerhalb von Sekunden an die Laständerung bzw. die Menge an eingespeister Energie anpassen. Sie sind somit perfekt für Windkraft oder Solaranlagen mit wechselnder Energiedichte geeignet.   

Power-to-X-Anlagen 
Power-to-X-Anlagen verwenden Strom, um dessen Energie in eine andere Form umzuwandeln. Im Sinne der Wasserstoff-Elektrolyse spricht man von einer Power-to-Gas-Anlage. Sie gelten als Schlüsseltechnologie für eine klimaneutrale Industrie in der Zukunft und können die Energie aus erneuerbaren Quellen beispielsweise auch in Power-to-Heat oder Power-to-Liquid umwandeln, ja nach Bedarf und Energieform.

Brennstoffzellen
In einer Brennstoffzelle werden zwei Gase kontrolliert zusammengeführt, sodass chemische Energie in elektrische umgewandelt wird. Im Wasserstoffbeispiel wird der Wasserstoff (H2) über eine Membran mit Luftsauerstoff (O2) in Verbindung gebracht, wodurch Elektronen abgegeben werden. Diese können als Energie genutzt werden und einen Strom generieren. Als Emission entsteht Wasser (H2O).

CO2-Kompensation 
Bei der CO2-Kompensation sollen entstandene Treibhausgase durch verschiedene dem Klimaschutz dienliche Projekte neutralisiert werden, beispielsweise werden beim Kauf eines Flugtickets im Amazonasgebiet Bäume gepflanzt. Meist findet dieser Austausch durch Organisationen mit zahlreichen Zertifikaten statt.

CO2-Zertifikate 
CO2– Zertifikate erlauben Firmen in einem bestimmten Zeitraum eine bestimmte Menge an CO2 auszustoßen. Sie werden als verbrieftes Recht von der EU ausgegeben und sind an Energiebörsen handelbar. Durch die jährliche Verringerung an Zertifikaten soll ein Ansatz zur Reduzierung von Treibhausgasen gegeben werden. Bis zu 90% der Einnahmen werden ebenfalls in den Klimaschutz investiert.

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