Wasserstoff und Brennstoffzelle: Technologien und Marktperspektiven

283 Pages·2014·14.466 MB·German

by  Thomas Hamacher (auth.), Johannes Töpler, Jochen Lehmann (eds.)

Johannes Töpler
Jochen Lehmann Hrsg.
Wasserstoff
und Brennstoffzelle
Technologien und Marktperspektiven
Wasserstoff und Brennstoffzelle
Johannes Töpler · Jochen Lehmann
Herausgeber
Wasserstoff
und Brennstoffzelle
Technologien und Marktperspektiven
Mit einem Geleitwort von Ernst Ulrich von Weizsäcker
Herausgeber
Johannes Töpler Jochen Lehmann
Deutscher Wasserstoff- und Deutscher Wasserstoff- und
Brennstoffzellenverband (DWV) Brennstoffzellenverband (DWV)
Berlin, Deutschland Berlin, Deutschland
Hochschule Esslingen Fachhochschule Stralsund
Esslingen, Deutschland Stralsund, Deutschland
Zusatzmaterialien zu diesem Buch finden Sie auf
http://extras.springer.com/2014/978-3-642-37414-2
ISBN 978-3-642-37414-2 ISBN 978-3-642-37415-9 (eBook)
DOI 10.1007/978-3-642-37415-9
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Geleitwort
Nachhaltigkeit ist überlebenswichtig. Die Lebensbasis künftiger Generationen muss
erhalten bleiben. Die Energiewende, für die sich Deutschland nach der Atomkatastrophe
von Fukushima entschieden hat, ist zum Kernstück der aktuellen Nachhaltigkeitspolitik
geworden.
Sichtbar sind dabei vor allem die erneuerbaren Energien. Das Erneuerbare Energien
Gesetz – EEG – hat ihnen einen unerhörten Aufschwung ermöglicht. Doch sie sind
bekanntlich abhängig von Tageszeiten, Jahreszeiten, räumlicher Lage und Wetter. Und
so ist das Land auf einmal mit einem fluktuierenden Stromangebot konfrontiert. Zwei
verschiedene Infrastrukturkapazitäten müssen erheblich ausgebaut werden: Stromleitun-
gen und Energiespeicher.
Die chemische Speicherung ist die Eleganteste: Auf kleinem Raum können große
Mengen von Energie gespeichert werden. Eine extrem hohe Speicherfähigkeit hat der
Wasserstoff. Ihm ist dieses Buch gewidmet. Sobald der größte Teil des Wasserstoffs aus
erneuerbaren Energien hergestellt wird, wird er auch zum idealen Speicher im Rahmen
einer nachhaltigen Energiewirtschaft, einschließlich des Transportsektors.
Technische Herausforderungen liegen in der Entwicklung der erforderlichen
Komponenten und der Systemintegration in das ökologische Gesamtkonzept. Dabei kann in
verschiedenen Fällen auch das bestehende Erdgasnetz für Verteilung und S peicherung ein-
gesetzt werden. Je nach Anwendungsfall ist auf die Optimierung der gesamten Nutzungs-
kette zu achten.
Das vorliegende Buch stellt all diese Sachverhalte sowie den technischen Stand e inzelner
Entwicklungen dar und bewertet. Alternativen werden einbezogen und a nalysiert. Damit
liefert das Buch eine Übersicht über Technologien und Perspektiven des Wasserstoffs im
Rahmen der künftigen nachhaltigen Energieversorgung. Fachleute und Entscheidungsträ-
ger in Wirtschaft, Industrie und Politik werden in dem Buch eine verlässliche Grundlage
für ihre Überlegungen und Strategien finden.
Ich wünsche diesem Buch viele interessierte Leser und den Lesern ein gutes Gelingen ihrer
durch dieses Buch angeregten und selbst weiter entwickelten Gedanken und Entscheidungen!
Juni 2013 Ernst Ulrich von Weizsäcker
V
Vorwort
Seit den 70er Jahren des vergangenen Jahrhunderts wird in der Öffentlichkeit als Alter-
native zu den bis dahin fast ausschließlich genutzten fossilen Energieträgern eine
nachhaltige Energieversorgung auf Basis der Nutzung erneuerbarer Energiequellen dis-
kutiert. Ausgangspunkt dieser Überlegungen war das gewachsene Bewusstsein über die
Begrenztheit der fossilen Ressourcen, ausgelöst durch die damalige Rohölkrise, durch
Beschaffungs- und Transportprobleme („Suezkrise“).
Darüber hinaus machte der Bericht des „Club of Rome“ auf die Umweltschäden
durch die fossilen Energieträger aufmerksam, wobei die Klimaveränderung durch CO -
2
Emissionen im Vordergrund stand. Auch wenn sich bei den fossilen Ressourcen dank
des Findens neuer – zumeist aufwändiger erschließbarer – Lagerstätten zwischenzeitlich
Entspannungen gezeigt haben, bleibt doch die Grundaussage über die Begrenztheit der
fossilen Energierohstoffe richtig. Dieser Tatbestand wird immer gravierender, weil die
Weltbevölkerung wächst und immer größere Gruppen am „Energiewohlstand“ teilha-
ben. Zudem zeigten Untersuchungen, dass die wirtschaftlichen Schäden durch die CO -
2
Emission beim Verbrauch der fossilen Energieträger bei weitem teurer würden, als es der
Klimaschutz heute wäre.
Die Lösung dieser Problematik kann grundsätzlich nur in der Nutzung erneuerbarer
Energiequellen liegen. Diese sind jedoch zumindest im Fall von Wind und Sonnenstrah-
lung erheblichen zeitlichen und auch statistischen Schwankungen unterworfen und stehen
selten bedarfsgerecht zur Verfügung. Nur großtechnische Speicherung wird diese Unste-
tigkeit ausgleichen können, muss sie doch einen Energieausgleich über Tage oder gar
Wochen ermöglichen. Zwar kann ein besserer Ausbau der Netze einen Beitrag zum lokalen
– nicht aber zum zeitlichen – Ausgleich schaffen, doch hat sich bereits gezeigt, dass schon
eine Netzerweiterung, um in Deutschland Windstrom von Nord nach Süd zu bringen,
schwierig ist. Als umso schwerer wird sich ein Netzausbau über ganz Europa erweisen.
Großtechnische Stromspeicherung wurde in Deutschland durch Pumpspeicherwerke
und in einem Falle durch ein Druckluftspeicherkraftwerk realisiert. Hierbei wird poten-
zielle Energie gespeichert. Die großtechnische Speicherung über längere Zeiträume wird
nur bei erheblich höherer Energiedichte im Speicher durch Nutzung von Trägern che-
mischer Energie möglich. Dabei bietet Wasserstoff mit Einsatz der Brennstoffzelle eine
hohe Effizienz der Rückverstromung.
VII
VIII Vorwort
Seit der politisch beschlossenen Energiewende in Deutschland werden all diese Dis-
kussionen erheblich intensiviert. Man darf „Energiewende“ allerdings nicht als „Strom-
wende“ auffassen, sondern als Erneuerung bei allen Energieformen begreifen, bei Strom,
Wärme und Kraftstoff. Energienutzung wird sich künftig mehr und mehr vernetzen und,
wie zum Beispiel über die Wärme-Kraft-Kopplung, mit einem Umwandlungsprozess
mehrere Gebiete abdecken. Dabei wird Wasserstoff eine zentrale Rolle spielen, denn er ist
auf vielfältige Weise und aus allen regenerativen Energien herstellbar, lässt sich auf unter-
schiedliche Weisen speichern und ohne Schadstoffemission direkt in Strom und darüber in
Bewegungsenergie sowie in Wärme umwandeln. Dank dieser Vielseitigkeit relativieren sich
auch die Kosten des Einsatzes von Wasserstoff. Seine saisonale Speicherung wird nur selten
gebraucht und würde relativ teuer. Da er aber gleichzeitig als Kraftstoff im Verkehr, in Pro-
duktionsprozessen u. a. von Chemie- und Lebensmittelindustrie als Rohstoff, zur Hausener-
gie- und Notstromversorgung und zur Bereitstellung von Regelleistung im elektrischen Netz
benutzt werden kann, lässt sich sein wirtschaftlicher Einsatz absehen. All dies erfordert eine
kontinuierliche Produktion, also eine großtechnische Elektrolyse, die entsprechend dem
schwankenden Stromangebot aus regenerativen Quellen skalierbar betrieben werden sollte.
In dieser Verknüpfung wird ein künftiges Energiesystem komplexer als die herkömmlichen
werden, sollte aber auch mit der Vernetzung von Erzeugern und Verbrauchern als Grund-
lage für eine generelle Energieeinsparung die besten Voraussetzungen schaffen.
In diesem Zusammenhang ist bemerkenswert, dass bei Ausnutzung der ausreichend
vorhandenen regenerativen Energie zur Stromerzeugung, bei Gebrauch von Wasserstoff
als Speichermedium für den erzeugten Strom und bei dessen Verteilung zur Rückver-
stromung oder in stofflicher Form alle Glieder der Wertschöpfungskette der eigenen
Volkswirtschaft erhalten bleiben.
Eine besondere Bedeutung kommt dabei der Wechselwirkung zwischen den Strom-
und Gasnetzen zu. Ein Gasnetz ist in der Lage, bedeutende Energiemengen aufzuneh-
men, zu transportieren und zu speichern. Wasserstoff kann dem Erdgas zugemischt
werden, wobei er dann allerdings nur noch thermisch nutzbar ist. Für die Nutzung mit
hohem exergetischen Wirkungsgrad, beispielsweise als Kraftstoff für die Elektromobilität
mit langer Reichweite, wird Wasserstoff in reiner Form benötigt. Kapitel 4 dieses Buches
beschreibt dazu die Details. Einige andere Anwendungen von Wasserstoff bis hin zur
Nutzung der sauerstoffarmen Abluft von Brennstoffzellen in sicherheitsrelevanten Syste-
men werden in weiteren Abschnitten behandelt.
Nicht alle Verfahren zur Nutzung bzw. die dazu notwendigen Geräte befinden sich
auf gleichem Entwicklungsstand. Einige sind serienreif oder bereits auf dem Markt
wie z. B. die Mobilität oder eine unterbrechungsfreie Stromversorgung, andere befin-
den sich in der Felderprobung wie z. B. die Hausenergieversorgung. Aber mit der wei-
teren Entwicklung werden Synergieeffekte ebenso erwartet wie die Verbesserung einer
Wasserstoff-Infrastruktur.
Für die wirtschaftliche Nutzung des Wasserstoffs sind natürlich die Gestehungs-
preise von ausschlaggebender Bedeutung. Ein Kostenvergleich bei verschiedenen Erzeu-
gungsverfahren erfolgt in Kap. 13. Die für die Energiewende wichtigsten Verfahren zur
Vorwort IX
Produktion von Wasserstoff aus erneuerbaren Primärenergien über die Wasserelektro-
lyse beschreiben die Kap. 11 und 12. Dabei eröffnet der Großelektrolyseur im Bereich
einiger zig-Megawatt für eine zentrale Wasserstofferzeugung völlig neue Dimensionen.
Stand und Zukunft der Brennstoffzellen und ihrer Anwendungen werden abschließend
in Kap. 14 betrachtet.
Selbstverständlich erhebt das vorliegende Buch keinen Anspruch auf Vollständigkeit.
Die Anwendungsmöglichkeiten von Wasserstoff sind breit gefächert; zukünftig werden
gewiss weitere Potentiale erschlossen werden. Aber die Schwelle der Markteinführung
von Wasserstoff als Energieträger ist überschritten. Die Autoren, Herausgeber und der
Verlag wollen mit diesem Buch Ingenieuren, Technikern und Managern die Möglichkeit
geben, den Einstieg in diese Technologie zu bedenken, Kooperationsmöglichkeiten zu
eruieren und ihr Wissen über das gesamte Gebiet zu verbreitern.
Wasserstoff wird sicherlich kein Allheilmittel einer Wende zu einer endgültig nach-
haltigen Energieversorgung sein, aber er wird wesentliche Beiträge liefern, um die
Energiewende in Deutschland zu einem Erfolgsmodell zu gestalten. Das Buch möchte
Informationen geben und Denkanstöße vermitteln. Der Leser möge selbst entscheiden,
wie er sich auf diesem Wege einbringen und beteiligen kann.
Esslingen und Berlin, August 2013 Johannes Töpler, Jochen Lehmann
Inhaltsverzeichnis
1 Wasserstoff als strategischer Sekundärenergieträger ..................... 1
Thomas Hamacher
2 Rolle des Wasserstoffs bei der großtechnischen
Energiespeicherung im Stromsystem ................................... 25
Philipp Kuhn, Maximilian Kühne und Christian Heilek
3 Sicherheit in der Anwendung von Wasserstoff .......................... 43
Ulrich Schmidtchen und Reinhold Wurster
4 Mobile Anwendungen ................................................ 59
Christian Mohrdieck, Massimo Venturi, Katrin Breitrück und Herbert Schulze
5 Wasserstoff und Brennstoffzelle – mobile Anwendung in der Luftfahrt .... 113
Andreas Westenberger
6 Brennstoffzellen in der Hausenergieversorgung ......................... 133
Thomas Badenhop
7 Unterbrechungsfreie Stromversorgung ................................ 147
Hartmut Paul
8 Sicherheitsrelevante Anwendung ...................................... 157
Lars Frahm
9 Portable Brennstoffzellen ............................................. 167
Angelika Heinzel, Jens Wartmann, Georg Dura und Peter Helm
10 Nutzung von konventionellem und grünem Wasserstoff in
der chemischen Industrie ............................................. 175
Christoph Stiller
11 Elektrolyse-Verfahren ................................................ 189
Bernd Pitschak und Jürgen Mergel
XI
XII Inhaltsverzeichnis
12 Die Entwicklung von Großelektrolyse-Systemen: Notwendigkeit
und Herangehensweise ............................................... 209
Fred Farchmin
13 Kosten der Wasserstoffbereitstellung in Versorgungssystemen auf
Basis erneuerbarer Energien .......................................... 225
Thomas Grube und Bernd Höhlein
14 Polymerelektrolytmembran-Brennstoffzellen (PEFC)
Stand und Perspektiven .............................................. 241
Ludwig Jörissen und Jürgen Garche