Die Erzeugung von grünem Wasserstoff sowie wasserstoffbasierten Folgeprodukten (Derivaten) bildet eine zentrale Säule für den nachhaltigen Umbau des Energiesystems. Neben der Elektrolyse, bei der mit Strom aus erneuerbarer Energie Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff gespalten wird, gibt es weitere Herstellungsverfahren. Diese muss für unterschiedliche Einsatzbereiche weiterentwickelt werden. Forschung und Entwicklung trägt dazu bei, dass grüner Wasserstoff günstiger und damit konkurrenzfähig wird:

1.1 Effiziente, ressourcenschonende Elektrolyseure entwickeln und skalieren

Elektrolyseverfahren sollen weiterentwickeln werden, die besonders effizient und ressourcenschonend sind. Zudem soll die Kapazität der Anlagen hochskaliert werden.

1.2 Wasserstofferzeugung systemdienlich integrieren

Elektrolyseure können zur Stabilisierung des Stromnetzes beitragen. Sie nutzen überschüssigen erneuerbaren Strom zur Wasserstoffherstellung. Es ist wichtig, die Effizienz und Lebensdauer der Elektrolysetechnologien für diese netzdienlichen Zwecke zu verbessern. Zusätzlich sollen neue Standortplanungsverfahren entwickelt werden, die ökologische und sicherheitstechnische Aspekte berücksichtigen. Elektrolyseure können direkt mit Windparks im Meer (Offshore-Windparks) gekoppelt werden.

1.3 Alternative Wasserstofferzeugungsverfahren weiterentwickeln

Neben der Wasserstoffelektrolyse gibt es verschiedene Alternativen, um Wasserstoff herzustellen, wie photokatalytische, photobiologische, solarthermische und solarthermochemische Herstellungsverfahren. Diese sollen so optimiert werden, dass sie wirtschaftlich anwendbar werden.

1.4 Produktion von Wasserstoffderivaten effizienter gestalten

Die Herstellung klimaneutraler, synthetischer Grund- und Brennstoffe mithilfe von grünem Wasserstoff ist entscheidend dafür, dass Deutschland die Klimazeile erreicht. Wasserstoffderivate sollen daher effizienter produziert werden. Zusätzlich sollte berücksichtigt werden, dass in manchen Prozessen Kohlenstoffdioxid als unvermeidbares Nebenprodukt anfällt. Dieses CO₂ gilt es, aufzufangen und zu nutzen.

Große Wasserstoffzentren benötigen eine starke Infrastruktur, die sich in bestehende Strom- und Gasnetze einfügt. Die Energieforschung liefert Antworten darauf, wie Wasserstoff möglichst kostengünstig, sicher und umweltschonend gespeichert und verteilt werden kann. Zudem beleuchtet sie Importstrategien von Wasserstoff sowie die Anbindung an ein europäisches Wasserstoffnetz. Konkret werden im Bereich Infrastruktur folgende Ziele verfolgt:

2.1 Die Wasserstoff-Infrastruktur modellieren, planen und entwickeln

Forschende entwickeln spezielle Modelle, die die einzigartigen Anforderungen und die Koexistenz von Wasserstoffimporten, lokalen Speichern, verschiedenen Erzeugungsanlagen und großen Stromquellen berücksichtigen. Die Fachleute ermitteln den Bedarf an Infrastruktur für den Wasserstofftransport. Zusätzlich untersuchen sie die Auswirkungen von Regulierungen und Anreizen, um die Entwicklung der Wasserstoffinfrastruktur zu beschleunigen.

2.2 Vorhandene Infrastruktur umrüsten

Viele Komponenten der vorhandenen Erdgasinfrastruktur lassen sich für Wasserstoff nutzen. Allerdings müssen zunächst einige Aspekte im Hinblick auf das Material, Technologien und Sicherheit angepasst werden. So sollen Armaturen, Verdichter und Anlagen zur Gasaufbereitung, aber auch Messmethoden an die Herausforderungen des Mediums Wasserstoff und höhere Volumenströme angepasst werden.

2.3 Wasserstoff effizient speichern

Neben dem Transport von Wasserstoff sind auch Konzepte erforderlich, um den Energieträger zu speichern. Wasserstoff kann etwa in Druckbehältern, Salzkavernen oder an Trägermedien vorgehalten werden. Die Forschung trägt dazu bei, diese Speicheroptionen noch effizienter zu gestalten.

2.4 Den Wasserstoffeinsatz unter realen Bedingungen erproben

Um eine robuste Wasserstoffwirtschaft aufzubauen, sollen Technologien für den Transport, Import, die Speicherung und Verwendung unter realen Bedingungen getestet werden. Dies ermöglicht es, Sicherheitskonzepte zu überprüfen, Flexibilitätspotenziale zu bestätigen und Zertifizierungskonzepte zu entwickeln.

Grüner Wasserstoff lässt sich lange Zeit nahezu verlustfrei speichern und bei Bedarf wieder verstromen. So können Zeiten überbrückt werden, wo kaum Wind weht und die Sonne nicht scheint. Dafür werden effiziente Wasserstoffturbinen, Brennstoffzellen und Gasmotoren benötigt. Hier setzt die Forschung an und optimiert Technologien zur Wasserstoffrückverstromung:

3.1 Einsatzbereiche von Brennstoffzellen hochskalieren und erweitern

Brennstoffzellen können vielfältig genutzt werden, von der dezentralen Stromerzeugung bis zum Antrieb von Fahrzeugen wie Schiffe oder Züge, die nicht direkt mit Strom versorgt werden können. Die Energieforschung zielt auf Verbesserungen in Effizienz, Lebensdauer und Kosten ab, um Brennstoffzellen optimal ins Energiesystem zu integrieren und für Megawatt-Kraftwerke zu entwickeln.

3.2 Gasturbinen und Gasmotoren durch Umrüstung im Betrieb flexibilisieren

Kraftwerke mit Gasmotoren sollen zu 100 Prozent mit Wasserstoff und synthetischen Brennstoffen betrieben werden können. Die Umrüstung und Entwicklung neuer Anlagen ist nötig, um Effizienz, Emissionen und Lebensdauer zu optimieren. So wird unter anderen daran gearbeitet, Gas- und Dampfkraftwerke mit Elektrolyseuren zu kombinieren, um durch den Einsatz von reinem Sauerstoff aus der Elektrolyse den Wirkungsgrad zu erhöhen.

Industrielle Verfahren müssen, wenn sie nicht elektrifiziert werden können, mit klimaneutralen Energieträgern betrieben werden. Nur so lässt sich der hohe industrielle Erdgasverbrauch in Deutschland reduzieren, der zu vielen Millionen Tonnen CO₂-Ausstoß jährlich führt. Die Umstellung auf Wasserstoff in industriellen Prozessen ist daher wichtig und der Bedarf an grünem Wasserstoff wird steigen. Effizienzsteigerung und alternative Prozesse sind dabei von großer Bedeutung.

4.1 Hochtemperaturprozesse und -anlagen auf grünen Wasserstoff und Derivate umrüsten

In der Industrie gibt es viele Prozesse, die nur unter hohen Temperaturen umsetzbar sind, wie Schmelzen, Sintern oder Härten. Diese Prozesse sollen mit Wasserstoff-Industrieöfen demonstriert werden. In industrieller Größenordnung sollen zudem die technische, qualitätssichere und wirtschaftliche Nutzung nachgewiesen werden.