Wasserstoff- und Brennstoffzellentechnologien spielen eine zentrale Rolle beim Umbau der Energiesysteme hin zu innovativen, CO2-freien Lösungen. Um Baden-Württembergs führende Position in diesem Zukunftsfeld zu stärken, hat das Land Anfang 2022 das Förderprogramm „Zukunftsprogramm Wasserstoff BW (ZPH2)“ aufgelegt. Darin wurden insgesamt 20 ausgewählte Projekte gefördert. Das Fördervolumen belief sich auf insgesamt rund 25 Millionen Euro.
Das Programm richtete sich vor allem an Unternehmen und Forschungseinrichtungen, die gemeinsam neue Technologien, Anlagen, Prozesse und Konzepte für eine leistungsfähige Wasserstoffwirtschaft entwickeln und in die Praxis überführen wollten. Ziel war es, Innovationen schnell zur Marktreife zu bringen und damit neue Marktanteile zu erschließen – ganz im Einklang mit der Wasserstoff-Roadmap Baden-Württemberg. Mit dem ZPH2-Programm hat das Land Unternehmen und Forschende aus Wirtschaft und Wissenschaft dabei unterstützt, den Aufbau einer zukunftsfähigen Wasserstoffwirtschaft aktiv voranzubringen.
Das Programm bestand aus fünf Förderbausteinen, denen die Projekte im Folgenden zugeordnet sind:
Förderbaustein 1: Industrielle Forschung, Weiterentwicklung und Fertigung
Komponenten/Sensorentwicklung
Im Projekt HyFlex (Produktionsanlagen für die flexible Fertigung von Wasserstoff-(Hydrogen)Membran-Komponenten) hat die Firma OPTIMA life science GmbH eine modular aufgebaute Fertigungsanlage entwickelt, mit der sich funktionelle Folien und Membranen (zum Beispiel die sogenannten MEA, englisch membrane electrode assembly, in Elektrolyseuren und Brennstoffzellen) automatisiert aus Materialrollen herstellen lassen.
Die Anlage bildet verschiedene Fertigungsschritte ab und kann flexibel an unterschiedliche Produktionen angepasst werden. Testweise wurden damit Membranen für einen neu entwickelten Befeuchter gefertigt, den die Firma Business Excellence Solutions GmbH im Projekt konzipiert hat. Die Anlage und der Befeuchter sind flexibel einsetzbar und können auf verschiedene Anwendungen angepasst werden.
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Im Projekt MiKaBreEl (Mikrowellentrocknung von Katalysatorschichten für Brennstoffzellen und Elektrolyseure) ist geplant, eine spezielle Anlage für die Serienfertigung von katalysator-beschichteten Membranen (zum Beispiel die sogenannten MEA, englisch membrane electrode assembly, in Elektrolyseuren und Brennstoffzellen) zu entwickeln und zu testen. Die Beschichtung soll dabei nicht wie üblich über beheizte Öfen, sondern durch den Einsatz von Mikrowellen getrocknet werden. Das würde (Produktions-)Zeit und Energie sparen.
Die Reinheit von Wasserstoff ist für die Langlebigkeit von Brennstoffzellen entscheidend. Im Projekt H2Sensor4Quality haben die Firma Road Deutschland GmbH und die Fakultät Life Sciences, Bereich Process Analysis and Technology, der Hochschule Reutlingen wichtige Fortschritte bei der Qualifizierung und Quantifizierung einer Sensortechnologie zur Analyse und Überwachung der Qualität von Wasserstoff erzielt. Die Qualität kann derzeit nur in Laboren mit entsprechenden Analysegeräten überprüft werden.
Im Projekt wurden verschiedene Demonstratoren für einen kompakten, robusten und kostengünstigen Sensor außerhalb von Laboren ausprobiert. Die entwickelten Sensoren bestehen aus einer Einrichtung für die Probeentnahme aus einem Gasstrom, die sogenannte „In-line-Probeentnahme, einer Trennsäule für Gasgemische, einer Plasmazelle und einem Spektrometer.
Um die Überwachung von wasserstoffführenden Anlagen und Einrichtungen (zum Beispiel Leitungen) zu gewährleisten hat die Firma Schütz GmbH Messtechnik im Förderprojekt WALD (Sensorik für die Wasserstoffleckdetektion) einen kombinierten H2-Sensor entwickelt. Dieser Sensor bietet die Möglichkeit, an Anlagen und Einrichtungen sowohl Undichtheiten mit geringen H2-Austritten (Messbereich für geringe H2-Mengen) als auch größere Leckagen (Messbereich für höhere H2-Mengen) zuverlässig zu erkennen. Solche Sensoren sind bislang nicht kommerziell am Markt verfügbar. Daher bieten sie großes Potenzial für Messsysteme von Wasserstoffleitungen und andere Einsatzgebiete, wie zum Beispiel in der chemischen Industrie.
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Abschlussbericht BWPLUS: Projekt Wald (Sensorik für die Wasserstoffleckdetektion)
Brennstoffzellen-Teststände
In dem vom Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme (ISE) und den Firmen SMART TESTSOLUTIONS GmbH und MS2 Engineering und Anlagenbau GmbH durchgeführten Projekt FullStackTS (Entwicklung eines Brennstoffzellen-Vollstapel-Teststands für Heavy-Duty- und Luftfahrtanwendungen) ist eine neue Prüfanlage für Brennstoffzellen entstanden. Damit können Zellen bis zu einer Leistung von 200 Kilowatt (kW) getestet und validiert werden.
Zusätzlich ist ein neues Verfahren zur Impedanzspektroskopie entwickelt worden, mit dem sich die Qualität der Brennstoffzellen genauer untersuchen lässt. Die neue Anlage bietet eine moderne Testumgebung mit entsprechender Infrastruktur. Sie soll in Zukunft als Prüfstand für die Brennstoffzellenindustrie dienen.
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Im Projekt H2TwinTest (Multifunktionsprüfstände für Wasserstoffanwendungen mit digitalem Zwilling) hat die Firma IAVF Antriebstechnik GmbH zusammen mit dem Fraunhofer Institut für Chemische Technologie (ICT) einen Prüfstand entwickelt und aufgebaut, mit welchem Brennstoffzellen und Wasserstoff-Verbrennungsmotoren getestet werden können. Der Prüfstand erfasst wichtige technische Daten und hilft dabei, die Funktionsweise der Systeme zu überprüfen und zu verbessern.
Außerdem lässt sich untersuchen, wie Umweltfaktoren wie Luftschadstoffe (zum Beispiel SO2, CO, NH3) die Leistung und Lebensdauer von Brennstoffzellen beeinflussen. Ein Schwerpunkt lag auf der Sicherheit des Prüfstands, besonders im Umgang mit möglichen Wasserstoff-Leckagen. Dadurch wird die Zuverlässigkeit der Tests gewährleistet.
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Im Projekt ModuSkaBz (Entwicklung eines modularen und skalierbaren Prüfsystems für Brennstoffzellen-Stapel) haben die Firma JW Froehlich Maschinenfabrik GmbH und das Zentrum für Sonnenenergie- und Wasserstoff-Forschung Baden-Württemberg (ZSW) ein neues Prüfsystem für Brennstoffzellen entwickelt. Ziel war es, ein flexibles und kosteneffizientes System zu entwerfen, das sich an unterschiedliche Zellgrößen und Leistungsbereiche anpassen lässt. Im Projekt ist ein modularer Prototyp eines Prüfstands realisiert worden, der die Funktion, Leistung und Lebensdauer von Brennstoffzellen zuverlässig testet.
Das System ermöglicht detaillierte Analysen und unterstützt die Entwicklung neuer Generationen von Brennstoffzellen. Mit dem modular aufgebauten und skalierbaren, das heißt auf unterschiedliche Stückzahlen anpassungsfähigen, Prüfsystem können Unternehmen ihre Prüfkapazitäten bedarfsgerecht an die Produkt-Entwicklungen und Produktionsvolumen anpassen und erweitern. Somit stehen Prüfsysteme für Entwicklungsumgebungen und die Serienfertigung von Brennstoffzellen zur Verfügung.
Förderbaustein 2: Erzeugung, Speicherung und Transport von Wasserstoff
Im Projekt EcoLyzerBW (Industrialisierung und Vorbereitung einer Serienproduktion von Elektrolysesystemtechnik in Baden-Württemberg) hat die Firma Ecoclean GmbH zusammen mit dem Zentrum für Sonnenenergie- und Wasserstoff-Forschung Baden-Württemberg (ZSW) ein neues Elektrolysesystem entwickelt. Ziel war es, ein marktfähiges Produkt zu erstellen, das sich mit industriellen Prozessen effizient herstellen lässt. Es wurde ein funktionsfähiger Prototyp eines Alkalischen Elektrolyseurs (AEL) gebaut und getestet. Hierbei konnte auf das Netzwerk aus dem Projekt „Elektrolyse made in Baden-Württemberg“ zurückgegriffen werden.
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Die Firma SMK Systeme-Metall-Kunststoffe GmbH & CO. KG hat im Projekt Modularer Gaserzeuger (Entwicklung, Validierung und Industrialisierung eines modularen Gaserzeugers für stationäre Brennstoffzellen) verschiedene Bauteile für Systeme von Brennstoffzellen untersucht, wie Wärmetauscher, Reformer und Klappenventile. Dabei wurden neue Konzepte entworfen und in Tests erprobt. Durch den modularen Aufbau und ein spezielles Simulationskonzept kann nun schnell ein passendes Design für unterschiedliche Anforderungen erstellt werden. So lassen sich Wärmetauscher und Reformer effizient an verschiedene Einsatzbedingungen anpassen.
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Im Projekt H2Compress (Modulare, hochintegrierte Wasserstoff-Kompressionslösung zum effizienten Transport über Fernleitungsnetze) wird ein neues, flexibles System zum Verdichten von Wasserstoff in Fernleitungen (Pipelines) entwickelt. Gemeinsam mit Industriepartnern werden die technischen Anforderungen spezifiziert, am Computer simuliert und anhand eines konzipierten und gebauten Demonstrators erprobt.
Die Albert Handtmann Elteka GmbH & Co. KG, das Faserinstitut Bremen e.V. und das Institut für Polymer- und Produktionstechnologien e. V. haben im Projekt WaGuPa (Entwicklung eines Wasserstoffspeichers im T-RTM-Verfahren auf Basis von Gusspolyamid 12) untersucht, wie ein kostengünstiger Wasserstoffspeicher aus recycelbaren Materialien entwickelt werden kann. Dabei kam ein spezielles Fertigungsverfahren zum Einsatz, das Kunststoffe formt und gleichzeitig das spätere Recycling berücksichtigt. Die Fortschritte aus diesem Forschungsprojekt erweitern das Verständnis über Werkstoffe, Herstellungsprozesse und Recyclingmöglichkeiten. So können neue Ideen für nachhaltige Wasserstoffspeicher und technologische Innovationen entwickelt werden.
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Förderbaustein 3: Netze und Stromversorgungsanlagen
Im Projekt BasicBZ (Entwicklung eines portablen Brennstoffzellen-Stromerzeugers für kleingewerbliche und private Anwendungen) hat die Firma IGT Industrie Gase Technik GmbH zusammen mit dem Zentrum für Sonnenenergie- und Wasserstoff-Forschung Baden-Württemberg (ZSW) mehrere Funktionsmuster eines kleinen, leichten und portablen Brennstoffzellen-Stromerzeugers (Stromaggregat) mit dem Brennstoff Wasserstoff entwickelt.
Der Stromerzeuger wurde vor Allem für die sichere Nutzung durch Anwender im Baustellengewerbe, Anlagenbau, Handwerk und im Privatbereich ausgelegt. Die Einsatzorte sind netzferne Gebäude, Baustellen oder sonstige Orte ohne Zugang zum Stromversorgungsnetz. Der Schwerpunkt der Entwicklung lag auf einem möglichst einfachen und robusten Systemaufbau sowie der einfachen Bedienung des Stromerzeugers.
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Im Rahmen des Projekts H2REB (Entwicklung großtechnischer Optionen zum Einsatz von grünem Wasserstoff auf Basis des Netzboosterkonzepts zur Erhöhung der Netzstabilität) hat der Verteilnetzbetreiber TransnetBW GmbH zusammen mit dem Karlsruher Institut für Technologie (KIT), der Technischen Hochschule Ulm (THU) und dem Zentrum für Sonnenenergie- und Wasserstoff-Forschung Baden-Württemberg (ZSW) ein hybrides Netzboosterkonzept (englisch boost für Verstärker) entwickelt, das Batterie- und Wasserstofftechnologien miteinander kombiniert.
Dafür wurden verschiedene Simulationen durchgeführt und eine Demonstrationsanlage an der THU aufgebaut. Ziel war es, wirtschaftlich sinnvolle Einsatzmöglichkeiten zu identifizieren. Das entwickelte Konzept kann bei hohen Redispatch-Kosten und begrenzter Netzkapazität eine vielversprechende Lösung für eine kosteneffiziente Stabilisierung des Stromnetzes bieten.
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Unter Retrofit (englisch für nachrüsten, umrüsten, Nachrüstung) wird die Modernisierung oder der Ausbau bestehender (meist älterer und nicht mehr produzierter) Anlagen und Betriebsmittel verstanden. Im Projekt RetrofitH2 (Retrofitkonzepte für Bestandskraftwerke als Einstieg in die Wasserstoffnutzung) haben das Institut für Verbrennungstechnik des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt e. V. (DLR) und die Firma Power Service Consulting GmbH (PSC) ein Konzept für die Umrüstung von bestehenden Gasturbinenanlagen auf die Nutzung von Wasserstoff oder Wasserstoff-Erdgas-Gemischen entwickelt.
Im Rahmen des Projektes wurde eine kommerziell erhältliche Mikrogasturbine umgerüstet und mit einem neu entwickelten System zur automatischen Bereitstellung einer gewünschten Brennstoffmischung versehen. Die Verbesserung des Brennkammersystems stellt einen großen Fortschritt in der Wasserstoffverbrennung dar, weil sie mit niedrigen Emissionen verbunden ist. Das demonstrierte Konzept lässt nun auch auf größere Gasturbinen übertragen.
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Förderbaustein 4: Weitere Projektideen – Zukunftsstrategien
Das wbk Institut für Produktionstechnik am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) hat im Projekt Fit4H2 (Ausbildungsfabrik Brennstoffzellenfertigung – Workshop zur industriellen Produktion von Brennstoffzellen) Unternehmen den Einstieg in die Brennstoffzellenproduktion erleichtert.
In eigens konzipierten und durchgeführten Workshops bekamen die Teilnehmerinnen und Teilnehmer einen fundierten Einblick in die einzelnen Produktionsschritte und lernten, wie die Herstellung funktioniert. Mit diesem Wissen können sie in Kombination mit den bestehenden Kompetenzen ihres eigenen Unternehmens eruieren, welcher Prozessschritt sich für einen Einstieg des Unternehmens in die Brennstoffzellenbranche eignet.
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In der chemisch-pharmazeutischen Industrie wird Wasserstoff für die Herstellung von Produkten verwendet. Der eingesetzte Wasserstoff wird heute noch zum größten Teil aus fossilen Quellen wie Erdgas gewonnen („grauer“ Wasserstoff).
Im Projekt H2Chemie2050 (Ohne Umwege zum grünen Wasserstoff in der chemischen- und pharmazeutischen Produktion bis 2050) haben die Firma Evonik Operations GmbH und das Institut für Industrial Ecology (INEC) der Hochschule Pforzheim anhand einer Analyse von Energie- und Stoffströmen für den Evonik-Standort in Rheinfelden (Südbaden) untersucht, welche Optionen für eine Umstellung auf Wasserstoff aus erneuerbaren Quellen („grünen“ Wasserstoff) bestehen. Dabei wurden für verschiedene Bezugsjahre (2025, 2030, 2035, 2040, 2045) sowohl ökologische als auch wirtschaftliche Aspekte berücksichtigt.
Das Vorhaben lieferte praxisnahe Erkenntnisse, die sich auf weitere Industriestandorte übertragen lassen. Insgesamt wurden über 30 Szenarien für die Region Hochrhein analysiert und ausgewertet. Die entwickelten Methoden und Datenbanken geben konkrete Entscheidungshilfen für Investitionen in erneuerbaren Wasserstoff.
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Förderbaustein 5: Umsetzbarkeitsprüfungen – Machbarkeitsstudien
Die Firma TBT Tiefbohrtechnik GmbH & Co. hat im Projekt H2MaTe (Machbarkeit einer Anlagentechnik zur Fertigung von Wasserstoff-Druckspeichern) untersucht, welche Anlagentechnik benötigt wird, um Wasserstoffdruckspeicher aus Preforms herzustellen. Preforms sind vorgeformte Bauteile aus Fasergewebe, die später in die endgültige (Tank-)Form gebracht werden.
Zusätzlich wurde eruiert, ob und welche wirtschaftlichen Vorteile das Konzept gegenüber bisherigen Methoden bietet, und wie Tanks durch die konzipierte Anlagentechnik vollautomatisiert gefertigt werden können. Das Preform-Verfahren stellt damit eine innovative Alternative zur Fertigung von Wasserstofftanks dar.
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Im Projekt H2Preform (Fertigung eines Wasserstoff-Drucktanks durch Preforms) hat die Firma ACE Advanced Composite Engineering GmbH untersucht, wie das Preforming-Verfahren (dabei werden Faserstoffe wie Stoffbahnen oder Geflechte in die gewünschte Form gebracht, bevor sie gehärtet werden) zur Herstellung von Wasserstoffdrucktanks eine sinnvolle Alternative zum bisher üblichen Wickelverfahren sein kann.
Im Kern ging es darum, ob sich durch Preforming Material und Kosten einsparen lassen. Um das Einsparpotenzial zu bestimmen, wurden verschiedene Konzepte entwickelt und mit dem Wickelverfahren verglichen. Zusätzlich wurden auch Umweltaspekte wie der CO2-Ausstoß bewertet.
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Abschlussbericht BWPLUS: Projekt H2Preform (Fertigung eines Wasserstoff-Drucktanks durch Preforms)
Im Projekt Hydra (Erzeugung von „Orangem Wasserstoff“ durch hydrothermale Vergasung von konditionierter Biomasse inklusive Phosphorrecycling und CO2-Abscheidung) hat die HAGO Druck & Medien GmbH die Umsetzbarkeit einer Anlage zur Erzeugung von Wasserstoff aus mikroplastik-belasteter Biomasse untersucht. Die Biomasse sollte durch das Verfahren einer hydrothermalen Vergasung („Supercritical Water Gasification, SCWG“), einem Sonderfall der Biomassevergasung, umgesetzt werden.
In einer Versuchsreihe am Institut für Katalyseforschung und -technologie (IKTF) des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) konnte im Labormaßstab nachgewiesen werden, dass Biomasse, welche zuvor einem Hochleistungsultraschall-Zellaufschluss unterzogen wurde, im Vergasungsversuch einen über 30 Prozent höheren Energieertrag brachte. Die Elemente Phosphor und Stickstoff wirken sich negativ auf die Prozessstabilität der hydrothermalen Vergasung aus. Deshalb sollten diese vor der Vergasung verfahrenstechnisch ausgefällt und abgeschieden werden sollten.
Die Untersuchung des Stands von Wissenschaft und Technik hat für die Konzeption einer solchen Anlage interessante Fragestellungen und weiteren Forschungsbedarf identifiziert.
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Im Projekt Hyfly (Aufbau und Erprobung einer VTOL Drohne mit Wasserstoff-Brennstoffzelle zum Transport medizinischer Laborproben) hat die German-Composite GmbH & Co. KG untersucht, wie Brennstoffzellen als Antrieb für Drohnen genutzt werden können.
Ziel war es, praktische Erfahrungen mit einem Zusatzantrieb zu sammeln, der die Reichweite der Drohne deutlich erhöht. Im Rahmen der Konzeptstudie wurde ein Autopilot integriert und erste Steuerungsparameter entwickelt.
Die Tests haben gezeigt, dass sich der Einsatz einer Brennstoffzelle ab einer Flugdistanz von 14 Kilometern lohnt – zum Beispiel für den Transport von Laborproben zwischen zwei Kliniken. Für größere Distanzen und Drohnenprojekte bietet diese Technologie klare Vorteile gegenüber bisherigen Antriebssystemen.