Die Wertsch?pfungskette von Wasserstoff nachhaltiger gestalten und die Abh?ngigkeit von kritischen Rohstoffen reduzieren – das sind Ziele eines neuen Forschungsprojekts mit Beteiligung der Fachgruppe ?Advanced Systems Engineering“ vom Heinz Nixdorf Institut (HNI) der Universit?t Paderborn. Wasserstoff ist ein vielf?ltig einsetzbarer Energietr?ger und -speicher und soll langfristig fossile Rohstoffe wie Erd?l oder -gas ersetzen. Er wird u. a. für die Herstellung von Ammoniak, das für Düngemittel ben?tigt wird, in der Stahlindustrie und im Schwerlasttransport verwendet. Au?erdem kann er überschüssigen Wind- und Solarstrom speichern, was besonders bei dem Ausbau von erneuerbaren Energien ein Vorteil ist. Bisher kann Wasserstoff jedoch noch nicht vollkommen nachhaltig produziert werden. Dem Problem m?chten die Projektpartner*innen unter der Leitung der Ruhr-Universit?t Bochum mit ihrem Konzept entgegenwirken und langfristig eine nachhaltige Wertsch?pfungskette in der Industrie verankern.
?CircuPEM“[1], so der Projektname, wird seit Anfang Januar vom Europ?ischen Fonds für regionale Entwicklung (EFRE) im Rahmen des Innovationswettbewerbs ?GreenEconomy.IN.NRW“ mit rund 2,9 Millionen Euro gef?rdert. Damit unterstützen das Ministerium für Wirtschaft, Industrie, Klimaschutz und Energie des Landes Nordrhein-Westfalen und die Europ?ische Union Projekte aus der Region, um eine nachhaltige Transformation zu gestalten. Der F?rderzeitraum umfasst drei Jahre.
Wasserstoff als Energietr?ger
Das Bundeswirtschaftsministerium hat in seiner nationalen Wasserstoffstrategie festgelegt, dass Wasserstofftechnologien bis 2030 als Kernelemente der Energiewende etabliert werden sollen, um dadurch die Kohlenstoffdioxid-Emissionen (CO2) vor allem in Industrie und Verkehr zu verringern. Der Gro?teil des Wasserstoffs auf der Erde ist im Wasser gebunden und muss deshalb hergestellt bzw. aufbereitet werden. ?CircuPEM“ konzentriert sich auf die sogenannte PEM-Elektrolyse (PEM – ?Protonen-Austausch-Membran“). Dabei wird Wasser (H2O) mithilfe von Strom in Wasserstoff (H2) und Sauerstoff (O) zerlegt. Wenn ausschlie?lich Strom aus erneuerbaren Energien genutzt wird, entsteht sogenannter ?grüner“ Wasserstoff. Bei diesem Verfahren kann Zeit und Energie gespart werden, da Maschinen nicht lange vorheizen müssen, sondern schnell an- und ausgeschaltet werden k?nnen. ?Das Problem ist jedoch, dass für die PEM-Elektrolyse kritische und teure Rohstoffe wie Iridium, Platin und Titan ben?tigt werden, die nur begrenzt verfügbar sind und gr??tenteils importiert werden müssen. Dies führt zu Abh?ngigkeiten und Unsicherheiten entlang der Wertsch?pfungskette“, sagt Julia Vehmeyer, wissenschaftliche Mitarbeiterin am HNI.
Nachhaltiges Konzept für die Praxis
Neben dem HNI und der Projektleitung an der Ruhr-Universit?t Bochum sind weitere Projektpartner*innen beteiligt. Dazu geh?ren das Fraunhofer-Institut für Umwelt-, Sicherheits- und Energietechnik (UMSICHT) sowie die Unternehmen Direct Matter und Heraeus Precious Metals. Zus?tzlich bestehen Vereinbarungen mit Akteur*innen, die in die Produktion von Wasserstoff involviert sind und dadurch m?glichst die gesamte Wertsch?pfungskette abbilden.
Die Projektpartner*innen entwickeln ein Konzept, mit dessen Hilfe die Rohstoffe idealerweise vollst?ndig wiederverwendet werden sollen und die Wertsch?pfungskette widerstandsf?hig gestaltet wird. Die PEM-Elektrolyse soll entsprechend in eine ?Kreislaufwirtschaft“ (?Circular Economy“) überführt werden. Dieses Wirtschaftsmodell zielt darauf ab, Komponenten und Materialien so lange wie m?glich im Umlauf zu halten, um den Ressourcenverbrauch zu minimieren. Das gelingt mit zirkul?ren Gesch?ftsmodellen, die verschiedene Faktoren beinhalten: Unter anderem werden Produkte und Prozesse so konzipiert, dass Materialien in einem Kreislauf wiederverwendet und wiederaufbereitet werden k?nnen. Au?erdem wird der digitale Produktpass optimiert, der Informationen über Materialien, Herstellung, Nutzung und Entsorgung digital bündelt. Das soll Transparenz über die gesamte Lieferkette schaffen.
Die Wissenschaftler*innen am HNI analysieren im ersten Schritt das bestehende Wertsch?pfungssystem und leiten daraus Anforderungen an ein zirkul?res Produkt-, Prozess- und Gesch?ftsmodell-Design ab. Dabei werden auch Anforderungen an einen digitalen Produktpass zur Unterstützung von Transparenz und Rückverfolgbarkeit entlang des Lebenszyklus berücksichtigt. Darauf aufbauend entwickeln sie gemeinsam mit den Projektpartner*innen in iterativen, also sich wiederholenden und schrittweise verfeinernden Arbeitszyklen verschiedene Gesch?ftsmodellans?tze. Diese werden sowohl qualitativ als auch quantitativ bewertet, beispielsweise durch Simulationen, und im Hinblick auf ihre Umsetzbarkeit und Wirtschaftlichkeit für Unternehmen analysiert. Abschlie?end werden Handlungsempfehlungen abgeleitet, ein integriertes Gesamtsystem konzipiert und potenzielle Pilotprojekte initiiert. ?Die Ergebnisse des Projekts sollen praktisch in Unternehmen angewendet werden, die Wasserstoff herstellen. Unser Gesamtziel ist, dass das Konzept auch in der Industrie verankert wird. Damit leisten wir einen wichtigen Beitrag zur Entwicklung einer nachhaltigen Produktion von Wasserstoff, die m?glichst ohne eine Abh?ngigkeit von kritischen Rohstoffen auskommt“, erkl?rt Projektleiter Sven Hennemann von der Ruhr-Universit?t Bochum.
[1] Vollst?ndiger Projektname: ?Circular Economy für die PEM-Elektrolyse“
