Forschung und Entwicklung

Anwendungen in H2-Infrastruktur und -Mobilität

Unsere Dienstleistungen – für Kunden und im Rahmen öffentlich geförderter Projekte:

Forschung zu Transportleitungen, Röhrenspeichern, Behältern und Tanks
Betrachtungen über die Prozesskette von der Stahlherstellung bis zum Rohr
Eigenschaftsbasierte Kriterien für Normen und Spezifikationen identifizieren
Produkte in etablierten und neuen Versuchen untersuchen

Unsere Beteiligung an öffentlich geförderter Forschung:

Zum Thema Energiewende sind die Wasserstoff-Leitprojekte des Bundesministeriums für Bildung und Forschung (BMBF) die bisher größte Forschungsinitiative. In den industriegeführten Leitprojekten entwickeln Wirtschaft und Wissenschaft gemeinsam Lösungen für die deutsche Wasserstoffwirtschaft:

Serienfertigung von großskaligen Elektrolyseuren (H2Giga)
Erzeugung von Grünem Wasserstoff auf See (H2Mare)
Technologien für den Transport von Wasserstoff (TransHyDE)

Unsere Beteiligung an aktuell laufenden öffentlich geförderten Forschungsprojekten:

H2Mare

WEA mit integriertem Elektrolyseur demonstrieren nachhaltige Wasserstoffgewinnung auf See

Die Offshore-Windenergieanlagen der Zukunft produzieren keine Elektronen, sondern Moleküle. Autarke Einheiten aus Windenergieanlage (WEA) und integriertem Elektrolyseur stellen Grünen Wasserstoff im Industriemaßstab her und sparen die Kosten für einen elektrischen Netzanschluss. Damit können sie einen maßgeblichen Beitrag zur Reduktion von Treibhausgasen leisten. In einem zweiten Schritt kann der Grüne Wasserstoff in weitere synthetische Kraftstoffe und Energieträger umgewandelt werden. Im Rahmen des vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) geförderten Leitprojektes H₂Mare soll diese Vision Wirklichkeit werden.

Im Verbundprojekte H₂Wind werden die Grundlagen einer autarken Offshore-Wasserstoff-Produktion entlang einer nachhaltigen Wertschöpfungskette untersucht. Für eine Offshore-Produktion von Wasserstoff ist eine neuartige, kompakte PEM-Wasserelektrolyse notwendig. Gleichzeitig wird sowohl eine entsprechende Offshore-Wasseraufbereitung für die Elektrolyse als auch eine Speichermöglichkeit für das produzierte Wasserstoffgas benötigt.

Die Salzgitter Mannesmann Forschung (SZMF) betrachtet zusammen mit dem Partner Siemens Energy und mehreren Instituten der Fraunhofer Gesellschaft die Wasserstoffspeicherung in Form eines Röhrenspeichers aus Stahlrohren. Die Wirkung von Wasserstoff auf zu Leitungssträngen verschweißten Stahlrohren ist insbesondere bei hohen Innendrücken weitgehend ungeklärt. Für Röhrenspeicher gelten zudem hohe Schwankungsbreiten des Gasdrucks durch häufige (tägliche) Entleerungszyklen bei gleichzeitig hohen Maximaldrücken.

Die SZMF erarbeitet für diese Röhrenspeicher unter Wasserstoff die Rahmenbedingungen für die Auslegung. Diese Wechselbeanspruchung wirft eine Ermüdungswirkung auf das Material und dessen Verbindungen auf, die unter Berücksichtigung der hohen Drücke eine Auslegung als Druckbehälter nahelegt. Die langen Einsatzzeiten und die schwere Zugänglichkeit der Speicherstränge in Kombination mit Transportleitungen lassen aber auch eine Auslegung als Leitung plausibel werden. Die Arbeiten erfolgen auf theoretischer und experimenteller Basis mit analytischen und FEM-Berechnungsmethoden sowie durch Kennwertermittlung in Laborversuchen. Die Auslegung soll in der Projektlaufzeit anhand eines Demonstrator-Röhrenspeichers im Maßstab 1:1 mit Überwachungen und Nachuntersuchungen validiert werden. Ziel ist es, eine gleichzeitig sichere und wirtschaftliche Auslegung zu erreichen.

Das Leitprojekt H₂Mare zielt darauf ab, dass ein völlig neuer Anlagentyp künftig auf dem Meer seinen Platz findet - eine Lösung, die einen Elektrolyseur zur direkten Wandlung des elektrischen Stromes optimal in eine Offshore-Windenergieanlage integriert. Darüber hinaus werden weiterführende Offshore-Power-to-X-Verfahren untersucht.

Dazu wird die gesamte Wertschöpfungskette betrachtet: von der Windenergie-Gewinnung und Wasserstoff-Erzeugung über die Wandlung von Wasserstoff in Methan, flüssige Kohlenwasserstoffe, Methanol oder Ammoniak bis zum Verbrauch durch die Industrie oder Energiewirtschaft. Somit sind verschiedene industrielle Anschlussverwertungen und Speicheroptionen möglich. Ein signifikanter Kostenvorteil bei der Herstellung großvolumiger Wasserstoffmengen ist das Ziel.

Innerhalb von vier Jahren will H₂Mare – bestehend aus vier Verbundprojekten mit insgesamt 35 Partnern – den Grundstein für eine Technologieführerschaft legen und die Erreichung von Klimazielen durch beschleunigte Treibhausgasreduktion unterstützen.

„Gemeinsam mit unseren Partnern wollen wir mit H₂Mare die Erzeugung von Grünem Wasserstoff offshore etablieren“, sagte Christian Bruch, Vorstandsvorsitzender der Siemens Energy AG. „Wir bringen hierbei unsere Fähigkeiten im Bereich Offshore für Wind und Elektrifizierung sowie unsere Elektrolysekompetenz ein. H₂Mare kombiniert die Stärken von Forschung und Industrie – zur nachhaltigen Dekarbonisierung der Wirtschaft und zum Nutzen der Umwelt. Wir brauchen die Unterstützung der Politik, um innovative Lösungen für eine Grüne Wasserstoffwirtschaft voranzutreiben. Die Förderung durch das BMBF ist daher ein sehr guter und wichtiger Schritt.“

Siemens Energy verantwortet die übergreifende Koordination von H₂Mare mit Unterstützung von Instituten der Fraunhofer Gesellschaft.

H2Wind

Windenergieanlagen auf See erzeugen deutlich mehr und regelmäßiger Strom als ihre Pendants an Land. Dieses Potential will das Wasserstoff-Leitprojekt H₂Mare, gefördert durch das Bundesministerium für Bildung und Forschung, nutzen, indem es direkt auf See aus erneuerbarem Strom Wasserstoff und Wasserstoff-Folgeprodukte herstellt. In dieser Form kann Energie effizient gespeichert und transportiert werden. Die Salzgitter Mannesmann Forschung kommt im H₂Mare-Projekt H₂Wind bei der Wasserstoffspeicherung in einem Röhrenspeicher aus Stahlrohren ins Spiel. Zusammen mitdem Partner Siemens Energy und mehreren Instituten der Fraunhofer-Gesellschaft wird derSpeicher für herausfordernde Bedingungen konzipiert. Interessant wird der Aufbau und dieÜberwachung eines Demonstrators in Originalgröße, wodurch Erkenntnisse für zukünftige Normen und Regelwerke. abgeleitet werden. Hier gelangen Sie zum ausführlichen Bericht.

TransHyDE

Wasserstoff sicher und zuverlässig transportieren

Die geeignete Transport-Infrastruktur bildet das Rückgrat einer zukünftigen Wasserstoffwirtschaft. Allerdings gilt es noch zu klären, welche Transport-Lösungen am geeignetsten sind, um kurze, mittlere und lange Strecken zu überwinden. Wo lassen sich bereits bestehende Gasnetze umwidmen? Welche gänzlich neuen Transport-Technologien braucht es? Welche Hemmnisse müssen abgebaut werden? Das Leitprojekt TransHyDE will in fünf begleitenden Forschungs- und vier Demonstrations-Projekten Wasserstoff-Transporttechnologien voranbringen. Es soll in den kommenden vier Jahren mit rund 139 Millionen Euro durch das Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) gefördert werden.

Im Forschungsprojekt „Sichere Infrastruktur“ des Leitprojektes TransHyDE werden Materialien, Werkstoffe und Sensoren für den sicheren Betrieb von H₂-Transport-Infrastrukturen entwickelt und erprobt. Eine zentrale Herausforderung für eine zukünftige Nutzung von Wasserstoff ist die Langzeitstabilität der Infrastrukturbauteile in Hinblick auf die Wasserstoffwechselwirkung.

Ziel der Salzgitter Mannesmann Forschung (SZMF) ist, Anforderungen zur Qualifikation und Abnahme von Leitungsrohren im Wasserstoffeinsatz zu definieren und zu standardisieren, eine sichere und reproduzierbare Prüfmethodik aufzustellen und den erarbeiteten Kenntnisstand in deutsche und europäische Regelwerke einzubringen. Aktuell weisen für den Wasserstofftransport ausgelegte Leitungsrohre einen hohen Sicherheitsbeiwert auf, so dass vornehmlich Rohre mit niedriger Festigkeit und hohen Wanddicken genutzt werden müssen und der Leitungsrohrwerkstoff nicht optimal genutzt werden kann.

Prüfmethoden für eine sichere und nachhaltige Leitungsrohrauslegung sollen definiert und optimiert werden. Dies SZMF plant auch weitere Prüfmethoden in einem neu zu errichtenden Wasserstoff-Prüflabor aufzubauen und anzubieten. Weiterhin sollen ausgewählte Leitungsrohrwerkstoffe inklusive der Schweißnähte mittels der optimierten Prüfmethodik charakterisiert werden, um die Potentiale für die Leitungsrohrwerkstoffe zu ermitteln.

„Unser Ziel ist die Beantwortung aller Fragen, die sich Deutschland noch stellen muss, um eine nationale Wasserstoffinfrastruktur aufzubauen“, erklären die drei Koordinatoren von TransHyDE, Mario Ragwitz vom Fraunhofer IEG, Robert Schlögl vom Max-Planck-Institut für chemische Energiekonversion und Jimmie Langham vom AquaVentus Koordinationsbüro. „Als eine der zentralen Maßnahmen des Bundesforschungsministeriums zur Umsetzung der Nationalen Wasserstoffstrategie müssen wir diese Fragen wissenschaftlich und technisch so belastbar beantworten, dass die Grundlagen für die reale Ausführung der Wasserstoffwende gelegt sind.“

Das Leitprojekt TransHyDE bewertet und testet Wasserstoff-Transportlösungen. Es treibt in vier Demonstrations-Projekten Transporttechnologien weiter voran: den Wasserstofftransport in Hochdruckbehältern, den Wasserstoff-Flüssig-Transport, den Wasserstoff-Transport in bestehenden und neuen Gasleitungen sowie den Transport von in Ammoniak oder dem Trägermedium LOHC gebundenem Wasserstoff.

Zusätzlich dazu widmet sich das Leitprojekt dem Wasserstoff-Transport in fünf wissenschaftlichen Projekten und schafft damit den systemischen Rahmen. Diese befassen sich mit der Erstellung einer Roadmap zur Wasserstoff-Infrastruktur, mit der Erarbeitung möglicher Standards, Normen und Sicherheitsvorschriften von Wasserstoff-Transporttechnologien sowie den notwendigen Materialien, Werkstoffen und Sensoren. Außerdem beschäftigen sich die wissenschaftlichen TransHyDE-Projekte mit der effizienten Herauslösung von Wasserstoff aus Ammoniak und dem Betanken von Behältern mit flüssigem, tiefkaltem Wasserstoff.

Im Leitprojekt TransHyDE haben sich aktuell ca. 85 Partner aus Industrie, Verbänden, Universitäten und Forschungseinrichtungen sowie weitere 20 assoziierte Partner zusammengeschlossen. TransHyDE soll in Höhe von rund 139 Mio. Euro vom BMBF gefördert werden. Die Arbeiten der TransHyDE-Projekte sind größtenteils zum 01.04.21 gestartet.

Mehr zum Projekt: https://www.wasserstoff-leitprojekte.de/leitprojekte/transhyde

Die Wasserstoff-Leitprojekte bilden die bisher größte Forschungsinitiative des Bundesministeriums für Bildung und Forschung (BMBF) zum Thema Energiewende. In den industriegeführten Leitprojekten entwickeln Wirtschaft und Wissenschaft gemeinsam Lösungen für die deutsche Wasserstoffwirtschaft: Serienfertigung von großskaligen Elektrolyseuren (H2Giga), Erzeugung von Grünem Wasserstoff auf See (H2Mare), Technologien für den Transport von Wasserstoff (TransHyDE).

Die Wasserstoff-Leitprojekte sind das Ergebnis eines Ideenwettbewerbs: Wissenschaft, Wirtschaft und Zivilgesellschaft waren eingeladen, Ideen zu Wasserstoff-Großprojekten einzureichen. Über 240 Partner haben sich so zusammengefunden und sollen mit insgesamt etwa 740 Millionen Euro gefördert werden. Im Frühjahr sind die Projekte auf Basis unverbindlicher Förder- Inaussichtstellungen gestartet. Die Leitprojekte werden über eine Laufzeit von vier Jahren gefördert. Weitere Informationen unter https://www.wasserstoff-leitprojekte.de.

HySteelStore

Metallisches Wasserstoff-Hochdruckspeichersystem für mobile Brennstoffzellenanwendungen 2025+

Entwicklung von Wasserstoff-Hochdruckspeichern aus hochfesten Präzisionsstahlrohren für Brennstoffzellenfahrzeuge in Zusammenarbeit mit der Robert Bosch GmbH.

Teilvorhaben Salzgitter Mannesmann Forschung GmbH: Optimierung der Herstellung von Präzisionsstahlrohren für die Verwendung als mobile Wasserstoff-Hochdruckspeicher im Auftrag der Mannesmann Precision Tubes GmbH.

Die wesentliche Herausforderung auf dem Weg zur Anwendung der Wasserstoff-Brennstoffzellen-Technologie im Pkw ist die bisher schwierige Integration des heutigen Tankkonzepts in die Fahrzeugarchitektur. Die aktuell am Markt verfügbaren CFK-Tanks zur gasförmigen Speicherung von Wasserstoff bei 700 bar sind teuer, großvolumig und sperrig. Diese Tanks vom Typ IV sind in zukünftigen BEV (Battery Electric Vehicle) Plattformen nur sehr schwierig und unter hohen Zusatzkosten integrierbar.

Der im Rahmen des Projekts HySteelStore verfolgte innovative Ansatz eines modularen Tanksystems basierend auf einzelnen Speicherkörpern aus nahtlosen Stahlrohren ist für den Einbau in zukünftigen Chassis mit Batteriebaukasten im Unterboden geeignet. Der stahlbasierte Ansatz bietet ein Kostensenkungspotential bei der Tankbehälterherstellung von bis zu 30 % gegenüber kohlefaserbasierten Tanks und darüber hinaus weitere entscheidende Vorteile. So ist der CO₂-Eintrag des Stahltanks über die Lebensdauer signifikant geringer als der des CFK-Tanks. Dies wird durch die hohe Recyclingquote von über 80 % und eine vollständige Kreislaufwirtschaft für die beim Stahltank eingesetzten Rohstoffe ermöglicht. Des Weiteren besteht die Möglichkeit auf die aufwändige Vorkühlung des Wasserstoffs an der Tankstelle zu verzichten. Dies vereinfacht die Infrastruktur und senkt die Wasserstoffkosten aufgrund verbesserter Energieeffizienz wesentlich. Das höhere Gewicht des Stahltanksystems steht einer direkten Integration in ein BEV-Chassis nicht im Weg, da das Fahrzeug auf das Batteriegewicht ausgelegt ist, was in etwa dem Gewicht des Brennstoffzellensystems plus Stahltank entspricht.

Ziel des Projekts ist der Aufbau eines Minimum Viable Products, das alle wesentlichen Funktionen eines Tanksystems erfüllt und dessen Zuverlässigkeit und Sicherheit gemäß den Anforderungen des Regelwerks ECE R134 nachgewiesen ist. Ausgehend von qualitativ hochwertigen Präzisionsstahlrohren aus niedrig legiertem Stahl werden in mehreren Prozessschritten hochfeste Speicherzylinder gefertigt. Aus diesen Speicherzylindern wird zusammen mit Ventilen, Sensorik und Steuergerät ein modulares Tanksystems aufgebaut. Die Möglichkeit zur Betankung und dosierten Entnahme von Wasserstoff aus dem Tanksystem während des Betriebs wird durch entsprechende Versuchsreihen auf den Prüfstanden nachgewiesen. Da das Projekt auf einer guten technologischen Ausgangsbasis der beteiligten Projektpartner aufbaut, wird in diesem Vorhaben ein TRL 6 angestrebt.

Das Teilvorhaben der Salzgitter Mannesmann Forschung wird im Rahmen des Nationalen Innovationsprogramms Wasserstoff- und Brennstoffzellentechnologie (NIP) mit insgesamt 170.083 Euro durch das Bundesministerium für Digitales und Verkehr (BMDV) gefördert. Die Förderrichtlinie wird von der NOW GmbH koordiniert und durch den Projektträger Jülich (PtJ) umgesetzt.

Wasserstoffbarriere für Stahltanks

Das Projekt wird im Rahmen des Wasserstoff Campus Salzgitter mit Strukturmitteln des Landes für die Stadt Salzgitter gefördert.

Ziel des Projekts: Die Entwicklung einer Wasserstoffbarriere für Tanks aus höchstfesten Stahlrohren. Der Einsatz dieser Werkstoffe ermöglicht eine Reduktion der Wandstärke und bietet damit das Potenzial Gewicht, Kosten und CO₂-Emissionen einzusparen.

Projektpartner: Fraunhofer IST

Unser Beitrag: Aufbau und Etablierung einer Prüfvorrichtung zur Messung der Wasserstoffpermeation aus der Gasphase in Stahl zur Bewertung der Barrierewirkung unter anwendungsnahen Bedingungen.