Leistungszentrum etabliert

Fraunhofer forscht in Hanau an Materialien für Wasserstoff-Technologie

Bis auf Nanometer-Ebene analysieren die Fraunhofer-Mitarbeiter Jürgen Rossa (links) und Urban Rohrmann auf Bildschirmen die Eigenschaften von Werkstoffen. Dann zeigt sich beispielsweise, warum ein Bauteil immer an einer bestimmten Stelle bricht.
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Bis auf Nanometer-Ebene analysieren die Fraunhofer-Mitarbeiter Jürgen Rossa (links) und Urban Rohrmann auf Bildschirmen die Eigenschaften von Werkstoffen. Dann zeigt sich beispielsweise, warum ein Bauteil immer an einer bestimmten Stelle bricht.

„Man wird es nicht schaffen, die festgeschriebenen Klimaziele zu erreichen ohne eine Wasserstoffwirtschaft“, sagt Dr. Benjamin Balke. „Über den Weg dahin kann man diskutieren, aber das ist Fakt.“ Das sagt ein Mann vom Fach: Balke ist Projektleiter des Leistungszentrums, das im April an den Start gegangen ist. Unter dem Motto „GreenMat4H2 – Green Materials for Hydrogen“ wird die Forschung an nachhaltigen Materialien für die Wasserstoffwirtschaft in Hessen gebündelt.

Hanau - Federführend dabei ist Fraunhofer – allen voran die Einrichtung für Wertstoffkreisläufe und Ressourcenstrategie (IWKS) in Wolfgang. Wasserstoff wird als Energieträger der Zukunft gehandelt, weil er beim Verbrennen praktisch keine Abgase hinterlässt. Im Oktober 2020 wurde der Neubau im Fraunhofer Science Park in Wolfgang als zweiter Standorten der Einrichtung neben Alzenau eröffnet. Dr. Benjamin Balke hat unsere Zeitung auf einen Rundgang durch die Labore und das Technikum mitgenommen.

Der Wissenschaftler ist von den Vorteilen der Wasserstoff-Technologie bis ins Mark überzeugt. „Überall dort, wo kein Strom hinkommt, ist Wasserstoff die beste Lösung“, betont er. Klar sei, dass sich bei einer flächendeckenden Nutzung von Wasserstoff der Bedarf an grünem Strom definitiv immens erhöhen werde. Dazu wiederum seien sowohl die Solar- als auch die Windtechnologie nötig. „Das muss die Politik lösen“, betont Balke. Import von grünem Strom könne jedenfalls keine Lösung sein. „Langfristig muss grüner Wasserstoff lokal von Energieversorgern hergestellt werden“, erklärt er.

Fokus liegt auf den Materialien

Einsatzgebiete für Wasserstoff – wenn es um die Vermeidung von CO2-Ausstoß geht – sieht Balke vor allem in der Zement- und Stahlindustrie. Aber auch in Bereichen, wo der Wasserstoff nicht direkt verbrannt werden kann, gebe es sinnvolle Nutzungen – etwa den Antrieb von Lkw mit Brennstoffzellen. In Pkw lohne der Einsatz nach momentanem Stand der Technik weniger, da der Betrieb einer solchen Zelle unterm Strich erst ab Strecken von 300 Kilometern nachhaltig sei. „Besser als Diesel ist es aber allemal.“ Für die Nutzung von Wasserstofftechnologien werde eine komplett neue Infrastruktur gebraucht. Vorankommen solle das Thema durch die im vergangenen Jahr beschlossene nationale Wasserstoffstrategie, auf deren Umsetzung man in Hessen nun warte, so Balke.

Was wird nun in Wolfgang gemacht? „Wir fokussieren uns auf Materialien und sehen uns deren kompletten Lebenszyklus an“, erläuterte er – von deren Rolle bei der Erzeugung über die Speicherung und den Transport, bis hin zur sicheren und zuverlässigen Nutzung und Wiederverwertung. Die Materialien werden laut Balke zum einen hinsichtlich ihres ökologischen Fußabdrucks und ihrer Eignung bewertet. Andererseits geht es um deren Integration und Nutzung in effiziente und leistungsfähige Systemen.

Ab in den Klimaschrank

„Im Labor versuchen wir etwa, Materialien zu finden, die man in Elektrolysern einsetzen kann“, sagt Balke. Elektrolyser sind Geräte, die Süßwasser mit Strom in Sauerstoff und den begehrten Wasserstoff aufspalten. Bislang werde beispielsweise teures Iridium genutzt, hier sei man auf der Suche nach einer Alternative. „Auch wenn man nur noch zwei statt drei Kilogramm benötigt, ist schon viel gewonnen“, erklärt er.

So werden von den Forschern Materialien im Mikrostrukturlabor komplexen Prüfungen unterzogen. „Wir gucken fast bis auf die Atome“, erklärt Balke beim Blick auf die Bildschirme. Dabei könne man beispielsweise der Frage nachgehen, warum ein bestimmtes Bauteil immer wieder kaputtgehe. „Wir sehen, was sich in der Chemie des Materials verändert und können eine Aussage treffen, welcher Werkstoff wie verändert oder ersetzt werden muss“, so der wissenschaftliche Leiter des Leistungszentrums. In Klimaschränken können Materialien Temperaturen von minus 20 bis plus 80 Grad und Luftfeuchtigkeiten von null bis 100 Prozent ausgesetzt werden. „Wir simulieren bestimmte Einsatzbedingungen – so kann man die Frage beantworten, ob man einen Brennstoffzellenbus in Singapur betreiben kann“, erläutert Balke. Mit anderen Geräten werden Materialien großem Druck ausgesetzt. Im Technikum, einer großen Halle, stehen gigantische Gerätschaften, mit denen Pulver hergestellt wird, das für den 3D-Druck genutzt werden kann. „Das machen wir selbst, weil man es noch nicht kaufen kann.“

Ziel ist es, Kreislauf zu entwickeln

Eine große Rolle spielt laut Balke auch die Demontage von benutzten Komponenten oder Systemen. „Die Funktionsmaterialien sind versteckt, da müssen wir erst mal ran. Dann müssen sie sortiert werden“, erklärt er. „Wir wollen Kreislaufkonzepte entwickeln.“ Ziel sei es, eine robotergestützte Demontage zu erreichen. „Wir können nur den Prozess entwerfen, am Ende müssen das Unternehmen machen“, betont Balke und weist darauf hin: „Der Prozess wird erst wirtschaftlich, wenn ihn viele brauchen.“ Daher stehe man mit Industriefirmen im Austausch. Auf Wissenschaftsseite arbeite man mit dem Fraunhofer-Institut für Betriebsfestigkeit und Systemzuverlässigkeit (IBF) in Darmstadt und der dortigen Universität eng zusammen. Kenntnisse aus dem Alltagseinsatz von Brennstoffzellen verspricht sich Balke aus einer Kooperation mit der Stadt Hanau. Diese wolle ein Müllfahrzeug mit der Wasserstofftechnik versehen. Dessen Daten wolle man über lange Zeit auswerten.

Bislang ist das Leistungszentrum nicht in einem separaten Gebäude untergebracht. Das könnte sich ändern, Freiflächen sind am Standort noch vorhanden. Denn beim Thema Wasserstoff gibt es noch viel zu tun. Dr. Benjamin Balke sieht seine Aufgabe nicht nur in der Forschung: Auch Konzepte für die Weiterbildung von Mitarbeitern gelte es, zu entwickeln. „Wir werden viele neue Fertigkeiten brauchen“, sagt Balke, der zudem auf gesellschaftliche Partizipation setzt. Es sei wichtig, die Leute mitzunehmen. So könne er sich nicht nur einen Tag der offenen Tür vorstellen, sondern auch, mit dem Thema Wasserstoff in die Stadt zu gehen und zu informieren.

Von Christian Dauber

Teil des Leistungszentrums Wasserstoff: die Fraunhofer-Einrichtung für Wertstoffkreisläufe und Ressourcenstrategie IWKS mit Sitz in Wolfgang.
Benjamin Balke

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