Magnetokalorik: Die neue Technologie, die Wasserstoff wettbewerbsfähig machen soll

In diesem Essay werden wir die Vorteile und Herausforderungen von Wasserstoff als Energieträger näher betrachten. Wir werden uns insbesondere auf die Entwicklung der Wasserstoff-Verflüssigung konzentrieren 0und das HyLICAL-Projekt vorstellen, das eine neue Technologie der magnetischen Kühlung erforscht. Wir werden auch einen Ausblick auf die Zukunft der Wasserstoff-Energieverwertung geben und diskutieren, welche Rolle Wasserstoff in einer grünen Zukunft spielen könnte.

Bild: Image creator
Eine saubere, hypermoderne Industrielandschaft, in der Wasserstoff aus Strom hergestellt wird. Moderne Flugzeuge, die mit Wasserstoff betrieben werden, Schiffsmotoren, die mit Wasserstoff betrieben werden, und Lastwagen, die mit Wasserstoff betrieben werden.

Vision Energiewende

Stellen Sie sich vor, Sie könnten mit einem sauberen und effizienten Energieträger Ihr Auto fahren, Ihr Haus heizen oder Ihre Fabrik betreiben. Dieser Energieträger ist Wasserstoff, das häufigste Element im Universum. Wasserstoff hat eine hohe Energiedichte, das heißt, er liefert viel Energie pro Gewichtseinheit. Außerdem emittiert er keine Treibhausgase bei der Verbrennung oder Nutzung in Brennstoffzellen, sondern nur Wasser. Klingt das nicht nach einer idealen Lösung für die Energie- und Klimakrise? 

Probleme? Wasserstoff aus Erneuerbaren Energien

Leider ist Wasserstoff nicht so einfach zu haben, wie es scheint. Um Wasserstoff als Energieträger zu nutzen, muss er zunächst aus anderen Quellen gewonnen werden, zum Beispiel aus Wasser oder Erdgas. Das erfordert viel Energie und kann auch CO2-Emissionen verursachen, je nachdem, wie der Strom dafür erzeugt wird. Dann muss der Wasserstoff gespeichert und verteilt werden, was ebenfalls hohe Kosten und technische Schwierigkeiten mit sich bringt. Eine Möglichkeit, Wasserstoff zu speichern und zu transportieren, ist die Verflüssigung. Dabei wird der Wasserstoff auf sehr niedrige Temperaturen gekühlt, bis er flüssig wird. Das ist aber sehr energieintensiv und führt zu einem Verlust von etwa einem Drittel des Energieinhalts von Wasserstoff. 

Um diesen Verlust zu veranschaulichen, können wir ein Beispiel nehmen: Angenommen, wir haben überschüssigen Strom aus Windenergie, den wir in Wasserstoff umwandeln wollen. Der durchschnittliche Börsenpreis für Windstrom in Deutschland lag im Dezember 2021 bei 13,8 Cent pro Kilowattstunde. Wenn wir diesen Strom nutzen, um Wasserstoff zu erzeugen und zu verflüssigen, würden wir etwa 0,045 Kilogramm Flüssigwasserstoff pro Kilowattstunde Strom erhalten. Der Flüssigwasserstoff hat einen Energieinhalt von etwa 33 Kilowattstunden pro Kilogramm. Das bedeutet, dass wir für eine Kilowattstunde Flüssigwasserstoff etwa 0,03 Kilogramm oder 0,9 Cent an Windstrom aufwenden müssen. Das entspricht einem Verlust von etwa 93 Prozent! 

Magnetische Kühlung ist kein Marvel Comic 

Eine mögliche Antwort liegt in der magnetischen Kühlung, einer neuen Technologie, die gerade erforscht wird. Diese Technologie nutzt magnetokalorische Materialien, die ihre Temperatur ändern, wenn sie einem Magnetfeld ausgesetzt werden. Dadurch kann der Kühlprozess ohne Kompressoren oder Kältemittel durchgeführt werden, was eine Energieeinsparung von bis zu 50 Prozent bei der Verflüssigung ermöglichen könnte. Außerdem könnte diese Technologie für dezentrale Verflüssigungsanlagen eingesetzt werden, die erneuerbare Energien unterstützen könnten. 

HyLICAL-Projekt

Das HyLICAL-Projekt ist eine europäische Initiative, die eine neue Technologie der Verflüssigung auf Basis der magnetischen Kühlung erforscht. Diese Technologie nutzt magnetokalorische Materialien, die ihre Temperatur ändern, wenn sie einem Magnetfeld ausgesetzt werden. Das Prinzip ist ähnlich wie bei einem Kühlschrank, nur dass statt eines Kompressors und eines Kühlmittels ein Magnet und ein magnetokalorisches Material verwendet werden. Durch das An- und Ausschalten des Magnetfeldes kann das Material abwechselnd gekühlt und erwärmt werden. Dabei wird Wärme aus der Umgebung aufgenommen oder abgegeben. Wenn das Material kalt genug ist, kann es zur Verflüssigung von Wasserstoff verwendet werden. 

Die Vorteile dieser Technologie sind vielfältig: Sie könnte den Energieverbrauch und die Kosten bei der Wasserstoff-Verflüssigung deutlich senken, da sie keine beweglichen Teile oder umweltschädliche Kältemittel benötigt. Sie könnte auch für dezentrale Verflüssigungsanlagen eingesetzt werden, die erneuerbare Energien nutzen könnten, um Wasserstoff zu erzeugen und zu speichern. Das HyLICAL-Projekt zielt darauf ab, einen Prototyp zu entwickeln, der mehr als 5 Tonnen Flüssigwasserstoff pro Tag produzieren kann. Das entspricht etwa dem Bedarf von 250 Brennstoffzellenfahrzeugen. Die erwartete Energieeinsparung bei der Verflüssigung liegt bei bis zu 50 Prozent im Vergleich zur herkömmlichen Technologie. 

Um ein Kostenbeispiel zu geben: Angenommen, die herkömmliche Verflüssigung von Wasserstoff kostet etwa 0,9 Cent pro Kilowattstunde Flüssigwasserstoff, wie wir im vorherigen Abschnitt berechnet haben. Wenn die magnetische Kühlung diese Kosten um 50 Prozent reduzieren könnte, würde das bedeuten, dass die Verflüssigung nur noch etwa 0,45 Cent pro Kilowattstunde Flüssigwasserstoff kosten würde. Das würde den Wettbewerbsvorteil von Wasserstoff gegenüber anderen Energieträgern erhöhen und seine Anwendung in verschiedenen Bereichen fördern. Mögliche Einsatzgebiete für Flüssigwasserstoff sind zum Beispiel die Schwerlastmobilität, die Luft- und Raumfahrt, die Industrie oder die Langzeitspeicherung von erneuerbarem Strom. 

Wie sieht die Zukunft der Wasserstoff-Verflüssigung aus? Das HyLICAL-Projekt gibt uns einen spannenden Einblick in die Möglichkeiten der magnetischen Kühlung, die eine Revolution in diesem Bereich bedeuten könnte. Das Projekt, das von der Europäischen Union und der Clean Hydrogen Partnership gefördert wird, hat sich zum Ziel gesetzt, einen Prototyp zu entwickeln, der mehr als 5 Tonnen Flüssigwasserstoff pro Tag produzieren kann. Das entspricht etwa dem Bedarf von 250 Brennstoffzellenfahrzeugen. Der Prototyp soll bis Ende 2025 fertiggestellt werden und dann in einem realen Umfeld getestet werden. Wenn alles nach Plan läuft, könnte die magnetische Kühlung in den folgenden Jahren zur Serienreife gebracht werden und die Wasserstoff-Verflüssigung effizienter, kostengünstiger und umweltfreundlicher machen. 

Um einen Kostenvergleich zu machen: Angenommen, die magnetische Kühlung könnte die Verflüssigungskosten von Wasserstoff um 50 Prozent senken, wie wir im vorherigen Abschnitt berechnet haben. Das würde bedeuten, dass die Verflüssigung nur noch etwa 0,45 Cent pro Kilowattstunde Flüssigwasserstoff kosten würde. Zum Vergleich: Der aktuelle Marktpreis für LNG Gas in Deutschland liegt bei etwa 8 Cent pro Kilowattstunde. Das heißt, Flüssigwasserstoff wäre um ein Vielfaches günstiger als LNG Gas und könnte somit wirtschaftlich für bestimmte Einsatzgebiete verwertet werden. Mögliche Einsatzgebiete für Flüssigwasserstoff sind zum Beispiel die Schwerlastmobilität, die Luft- und Raumfahrt, die Industrie oder die Langzeitspeicherung von erneuerbarem Strom. 

Zukunft Wasserstoff?

Natürlich gibt es auch noch offene Fragen und Herausforderungen, die das HyLICAL-Projekt bewältigen muss. Zum Beispiel: Wie verfügbar und sicher sind die magnetokalorischen Materialien, die für die magnetische Kühlung benötigt werden? Wie wird die Akzeptanz und Regulierung der neuen Technologie aussehen? Wie wird sich die magnetische Kühlung im Wettbewerb mit anderen Speicher- und Transportoptionen für Wasserstoff behaupten? Diese Fragen müssen noch beantwortet werden, bevor die magnetische Kühlung ihren Weg in den Markt findet. Aber wir können schon jetzt gespannt sein auf die Ergebnisse des HyLICAL-Projekts und auf die Zukunft der Wasserstoff-Verflüssigung.