Windparks für grünen Wasserstoff

„Wir werden eine neue Industrie auf den Schultern der Öl- und Gasindustrie aufbauen“, sagt Siri Kindem, die Verantwortliche für Erneuerbare Energien bei Equinor. Mit Hywind Tampen und mehreren kleineren Anlagen vor Schottlands Küsten betreibt Equinor derzeit fast die Hälfte des globalen Bestands schwimmender Windräder.

Noch ist dieser Markt allerdings winzig im Vergleich zu den konventionellen, fest im Meeresboden fixierten Windrotoren. Klassische Offshore-Windparks erbrachten 2023 weltweit etwa 70 Gigawatt an Spitzenleistung – im Jahresmittel hätten sie die Hälfte des Strombedarfs von Deutschland decken können. Die Leistung aller schwimmenden Windanlagen ist dagegen derzeit nur ein Dreihundertstel davon.

Doch dabei wird es nicht bleiben, denn nur an wenigen Orten sind die Meere so flach wie an der deutschen Nordseeküste oder in der Ostsee, wo man die Windanlagen auf Beton- oder Stahlfundamente setzen kann. In Tiefen über 60 Meter ist dies nicht mehr möglich. Hier können in Zukunft schwimmende Rotoren ihre Vorteile ausspielen – sie sind noch in 1.000 Meter tiefen Ozeanen einsetzbar.

Riesenpotenzial rund um Europa

Laut Experten liegen in den USA 60 Prozent und in Europa sogar 80 Prozent der für Meeres-Windkraftanlagen nutzbaren Flächen in Gebieten mit mehr als 60 Meter Tiefe. Vor den Küsten Nordamerikas ließen sich demnach schwimmende Windrotoren mit bis zu 2.500 Gigawatt Leistung errichten. Um Europa – in der Nordsee, im Mittelmeer sowie im Atlantik vor Irland, Frankreich, Spanien und Portugal – wären sogar Anlagen mit insgesamt 4.000 Gigawatt möglich. Bei dem dort häufig kräftig wehenden Wind könnten sie vier- bis fünfmal so viel Strom ernten, wie die ganze EU samt Großbritannien derzeit verbraucht.

Der Leiter des Verbands WindEurope, Giles Dickson, erklärte, dass diese Anlagen „enorm an Fahrt aufnehmen“. Etliche Länder würden Projekte starten, und „bis 2030 dürfte in Europa eine Gesamtleistung von drei bis vier Gigawatt erreicht sein“ – rund zwanzigmal so viel wie heute.

Auch die Turbinen selbst werden immer größer: Vor der Nordküste Chinas steht seit Juli 2023 ein Rekord-Windrad mit 116 Meter langen Rotorblättern und 16 Megawatt Leistung – doppelt so viel wie die Anlagen im Hywind-Tampen-Park. Selbst einen Taifun hat diese – noch im Untergrund fixierte – Windturbine bereits überstanden. Wissenschaftler im EU-Projekt Corewind arbeiten daran, derart große Windturbinen auch für schwimmende Anlagen möglich zu machen.

Windkraft für grünen Wasserstoff

Jens Cruse, Schiffsbauingenieur und Gründer der Hamburger Firma Cruse Offshore, will noch einen Schritt weiter gehen und Wind und Wasserstoff kombinieren: Er entwickelt schwimmende Windparks der Gigawatt-Klasse, „die auf die Produktion von ‚grünem‘ Wasserstoff optimiert sind, der dann sicher verpackt mit normalen Tankschiffen zu den Verbrauchern transportiert wird“.

ProHyGen heißt das Projekt, an dem er zusammen mit Forschern von Universitäten in Hamburg und Erlangen arbeitet. Es beinhaltet zwei große Herausforderungen: erstens die Produktion von Wasserstoff mitten auf dem Meer zu bewerkstelligen, und zweitens einen Weg für den – kostengünstigen – Transport des Wasserstoffs zu den Verwendern zu finden.

Der Erfolg des Projekts würde große Probleme lösen helfen. Denn der Bedarf an Wasserstoff steigt. Zum einen wird er als Speicher für Ökoenergie benötigt – für sogenannte Dunkelflauten, in denen kein Wind weht und keine Sonne scheint. In diesem Fall kann in Gasturbinen oder Brennstoffzellen aus Wasserstoff elektrischer Strom zurückgewonnen werden, wobei als „Abfall“ bloß Wasser entsteht.

Zum anderen wird Wasserstoff künftig viele Industriezweige „auf die grüne Schiene“ setzen: Bei der Stahlerzeugung wird er an die Stelle der Kohle treten, und die Chemieindustrie nutzt Wasserstoff zur Herstellung von Ammoniak, Methanol und synthetischen Kraftstoffen. Diese wiederum können schwere Lkw, Schiffe und Flugzeuge klimaneutral antreiben.

Bis 2045 – dem Jahr, in dem Deutschland klimaneutral sein soll – dürfte laut einer Analyse des Beratungsunternehmens Prognos hierzulande die jährliche Nachfrage nach grünem Wasserstoff bei acht Millionen Tonnen liegen. Andere Schätzungen liegen noch darüber. In jedem Fall dürfte sich höchstens ein Drittel davon im Inland produzieren lassen, der Rest muss importiert werden.

Als Lieferanten sahen Wissenschaftler und Politiker bislang sonnige Regionen Südeuropas, Afrikas oder Australiens oder sehr windreiche Gegenden wie Patagonien an der Südspitze Chiles. Wasserstoff vom Meer bringt nun eine weitere Option ins Spiel.

Wasserstoff von schwimmenden Plattformen

Seit September 2023 wird das ProHyGen-Projekt vom Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz finanziell unterstützt. Laut Moustafa Abdel-Maksoud von der projektbeteiligten Technischen Universität Hamburg soll innerhalb von drei Jahren ein Prototyp mit fünf Megawatt Leistung entstehen. Anschließend sollen die Anlagen bis zu einem schwimmenden Windpark hochskaliert werden, der pro Jahr rund 150.000 Tonnen Wasserstoff liefern könnte.

„Grün“ wäre der Wasserstoff, da der Strom zu seiner Erzeugung von der erneuerbaren Quelle Wind stammt. Gewonnen würde der Wasserstoff über Elektrolyse – also die Zerlegung von Wasser in die Gase Wasserstoff und Sauerstoff mittels elektrischem Strom.

In einem anderen Wasserstoff-Leitprojekt, H2Mare, wird eine Wasserstofferzeugung direkt bei den Windturbinen auf dem Meer bereits getestet. Es handelt sich dabei allerdings um klassische, fest im Meeresboden fixierte Windkraftanlagen.

Weiter draußen auf dem Meer liegende, schwimmende Anlagen wie im ProHyGen-Projekt könnten demgegenüber gleich mehrere Trümpfe ausspielen: Auf dem offenen Meer und ohne feste Fundamente stören sie weder Menschen noch die empfindlichen Ökosysteme flacherer Gewässer. Außerdem weht dort der Wind kräftig und beständig. „Eine Zunahme der Windgeschwindigkeit um ein Viertel, etwa von acht auf zehn Meter pro Sekunde, verdoppelt die Leistung der Turbine“, erklärt Jens Cruse. Der erstgenannte Wert ist der typische Jahresdurchschnitt an der norddeutschen Küste, der zweite der in der mittleren Nordsee. Im Atlantik werden im Mittel sogar Windgeschwindigkeiten zwischen elf und zwölf Metern pro Sekunde erreicht – beispielsweise auf der 200 Kilometer westlich von Irland gelegenen Porcupine-Bank, die mit 140 bis 200 Metern Meerestiefe einen idealen Platz für schwimmende Windparks bietet.

Wasserstoff-Elektrolyse auf dem Meer

Für seine künftigen Wind-Wasserstoff-Anlagen setzt das ProHyGen-Team auf ein Konstrukt aus sogenannten Halbtauchern mit vier Säulenelementen. Auf einer der vier haushohen Säulen soll das Windrad montiert werden. Die anderen drei dienen zum einen als stabilisierende Ballasttanks, zum anderen ist darin weitere Technik untergebracht. Neben den Elektrolyseuren zum Beispiel Anlagen zur Meerwasserentsalzung, weil für die Elektrolyse sehr reines Wasser benötigt wird. Die technischen Geräte stehen jeweils in abgeschlossenen Räumen und werden durch Klimaanlagen vor der feuchten, stark salzhaltigen Meeresluft geschützt.

Dass eine Wasserstoff-Elektrolyse auf dem offenen Meer grundsätzlich möglich ist, haben bereits Ingenieure der französischen Firma Lhyfe demonstriert: Sie haben 20 Kilometer vor der Atlantikküste in der Nähe von Nantes einen Elektrolyseur auf einer schwankenden, schwimmenden Plattform mit einer ebenfalls schwimmenden Windturbine verbunden. Im Juni 2023 produzierte diese Kombianlage den ersten grünen Offshore-Wasserstoff – bis zu 400 Kilogramm am Tag.

Speicherung als entscheidender Faktor

Bleibt noch die Frage des Transports. Pipelines wie beim Projekt H2Mare sind keine gute Option, da die Entfernung zum Land bei den schwimmenden Anlagen deutlich weiter wäre. Dies würde immense Kosten verursachen. Das Gleiche gilt übrigens für Stromkabel zur Küste, die bei einem vollkommen autarken ProHyGen-Windpark auch nicht vorgesehen sind. Bleibt der Transport per Schiff.

Ein wichtiger Teil des Projekts – und vielleicht sogar entscheidend für die ganze ProHyGen-Vision – sind deshalb die sogenannten LOHC-Reaktoren und -Tanks in den schwimmenden Säulen. Das Kürzel steht für Liquid organic hydrogen carrier: „flüssige Wasserstoffträger aus organischen Materialien“.

LOHC sind Öle wie etwa Benzyltoluol, das seit Jahrzehnten als Thermo-Öl in der Industrie eingesetzt wird. Jeweils 1.000 Liter Benzyltoluol können durch eine chemische Reaktion 50 Kilogramm Wasserstoff an sich binden und später als blubberndes Gas wieder abgeben. Die Forscher aus Erlangen, die dieses Verfahren seit 2011 maßgeblich entwickelt haben, sprechen dabei von „Pfandflaschen für Wasserstoff“. Weitere Trümpfe: Im LOHC lässt sich Wasserstoff sicher speichern. Nicht einmal ein Bunsenbrenner kann dieses Öl entzünden. Und für den Transport ist keine komplexe Technologie nötig. Es reicht, wenn ein konventioneller Öltanker künftig einmal pro Woche einen der geplanten schwimmenden Gigawatt-Windparks anfährt. „Er würde einfach das mit Wasserstoff beladene LOHC aus den Ballasttanks abpumpen und durch neues Öl ersetzen“, erklärt Cruse.

In einen kleineren Tanker der sogenannten Aframax-Klasse würde LOHC-Öl für rund 5.000 Tonnen Wasserstoff passen – was in etwa der wöchentlichen Produktion von hundert großen Windrädern entspricht. Solche Tanker könnten das LOHC etwa über den Rhein zu Stahl- und Chemiefirmen transportieren, wo dann der Wasserstoff aus dem Trägeröl herausgelöst werden würde.

Nutzung bewährter und robuster Technik

Grundsätzlich versuchen die Forscher im ProHyGen-Projekt auf Techniken zurückzugreifen, die sich bisher auf Schiffen, in der Offshore-Öl-und-Gas-Industrie oder bei der Infrastruktur an Häfen schon bewährt haben. Der Übergang aus der fossilen Energiewirtschaft soll so zuverlässig und robust wie möglich gestaltet werden. Oder – wie es Moustafa Abdel-Maksoud ausdrückt: „Draußen auf dem offenen Meer sollten wir keine filigrane Hochtechnologie einbauen, denn unsere Anlagen müssen über 20 Jahre weitgehend autonom, störungsfrei und wartungsarm laufen.“ Techniker für Reparaturen einzufliegen ist teuer.

Doch auch ohne „filigrane Hightech“ gibt es im ProHyGen-Projekt noch viel Neuland zu erkunden. Fragen, denen die Wissenschaftler nachgehen, sind zum Beispiel: Welche Kräfte und Beschleunigungen treten auf? Wie beeinflussen sich Wind, Wellen, Strömung und die Gesamtstruktur gegenseitig? Wie verhält sich das schwappende Öl in den Tanks, etwa beim Be- und Entladen?

In einem 40 Meter langen Windkanal im Keller der TU Hamburg mussten Windrotoren im Maßstab 1:100 schon hohe Belastungen ertragen: „Mit unserer großen Düse können wir auch einen Orkan erzeugen“, sagt der beteiligte Forscher Christian Schulz. „Interessanter für uns ist aber das Verhalten bei moderaten Windgeschwindigkeiten, weil hier ein Großteil der Energie erzeugt wird. Besonders spannend ist, was passiert, wenn der Rotor durch den Seegang hin- und herschwankt. Wirken dann beispielsweise die Kräfte auf die Rotorblätter anders als bei feststehenden Anlagen?“ Eine wichtige Frage ist auch, um wie viel Grad sich die LOHC-Anlagen neigen dürfen, damit die chemische Reaktion noch funktioniert. Das prüft der Chemiker Andreas Bösmann in den Labors in Erlangen. „Die LOHC-Reaktoren sind meterlange Bündel von Rohren, bepackt mit millimeterkleinen Kugeln, auf denen sich Nanopartikel aus Platin als Katalysatoren befinden“, erklärt er. „Darin fließt das Öl nach unten, und das Wasserstoffgas wird hinzugepumpt, wobei sich schließlich der Wasserstoff an den Kügelchen mit dem Öl verbindet.“ Bisher ist nur bekannt, dass dieser Vorgang bei sehr schrägen Rohren nicht mehr effizient abläuft. Doch was geschieht bei leichten Neigungen von wenigen Grad, beim Heben und Senken der Rohre, oder bei seitlichen Schwankungsbewegungen, wie sie auf dem offenen Meer vorkommen können? „Das weiß im Moment niemand“, sagt Bösmann. Es gebe theoretische Überlegungen, dass ein leichtes Hin- und Herschwanken sogar vorteilhaft sein könnte, aber letztlich müssten die Messungen zeigen, was wirklich passiert.

Es bleibt also noch viel Forschungsarbeit zu erledigen. Bis 2026 läuft die Förderung des ProHyGen-Projekts, dann soll eine erste Wind-Wasserstoff-Anlage auf dem offenen Meer demonstrieren, dass sich grüner Wasserstoff auf diese Weise umweltfreundlich und letztendlich auch kostengünstig gewinnen lässt. Jens Cruse und seine Partner setzen darauf, dass danach die Entwicklung ebenso schnell geht wie beim schwimmenden Hywind-Tampen-Park in der Nordsee. Denn die Zeit drängt: Wenn Europa bis zur Mitte des Jahrhunderts der erste klimaneutrale Kontinent sein will, muss die Frage nach Quellen des grünen Wasserstoffs schnell geklärt werden. //