Wasserstoff und Brenn stoffzellen

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1 Hessisches Ministerium für Umwelt, Energie, Landwirtschaft und Verbraucherschutz Wasserstoff und Brenn stoffzellen Energietechnologie ohne Emissionen und mit hoher Effizienz

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3 INHALT GRUSSWORT 2 EINLEITUNG 3 H2BZ-INITIATIVE HESSEN: DIE H2BZ-TECHNOLOGIE VORANBRINGEN 3 1 IDEAL VERNETZT: H2BZ-INITIATIVE HESSEN UND HESSEN AGENTUR 4 Das Netzwerk von Kompetenzträgern und die Wirtschafts - förderungsgesellschaft des Landes Hessen 5 Die Mitglieder der H2BZ-Initiative Hessen 7 Tatkräftige Hilfe bei der Umsetzung von Wasserstoff- und Brennstoffzellenprojekten WARUM DER BRENNSTOFFZELLE DIE ZUKUNFT GEHÖRT 9 VIELFÄLTIGE TECHNIK MIT POTENZIAL 10 Die Brennstoffzelle Sechs Typen und ihre Anwendungsgebiete 10 Baldiger Markteintritt in speziellen Märkten 16 Brennstoffzellen brauchen Peripherie-Geräte 16 Energieträger für Brennstoffzellen 17 Die Geschichte der Brennstoffzelle 18 4 WASSERSTOFF: EIN NAHEZU UNBEGRENZT VERFÜGBARES ELEMENT 19 Wasserstoff-Herstellung: Emissionsfreier Energiekreislauf durch Einsatz erneuerbarer Energien 23 Verdichteter Wasserstoff Speicherung und Transport 24 Tanken mit Sicherheit 25 Pipelines bringen Wasserstoff zum Verbraucher 26 Im Wasserstoff liegt die Zukunft 27 5 GUTE GRÜNDE FÜR DIE BRENNSTOFFZELLE 28 Regenerative Energien fördern, CO 2 -Ausstoß mindern, Umwelt entlasten 28 FÖRDERGELDER DES LANDES HESSEN 30 PROJEKTE MIT BEISPIELWIRKUNG 31 EIN AUSBLICK IN DIE ENERGIETECHNOLOGIE VON MORGEN 35 IMPRESSUM 36 Nähere Angaben zu den in Hessen tätigen Unternehmen, Institutionen und Einzel personen, die an Brenn stoffzellen oder der Peripherie arbeiten, finden Sie im Kompetenzatlas Wasserstoff und Brennstoffzellen Hessen unter 1

4 LIEBE LESERINNEN, LIEBE LESER, der Weg in ein neues Energiezeitalter ist umweltpolitisch die größte Herausforderung, vor der wir stehen. Darum wollen wir in Deutschland und ganz besonders in Hessen neue Technologien fördern und Märkte entwickeln, um neue Arbeitsplätze zu schaffen und Wertschöpfung zu erzielen. Eine sichere, klima- und umweltfreundliche Energieversorgung bildet eine wesentliche Grundlage für wirtschaftliches Handeln und für eine prosperierende gesellschaftliche Entwicklung. Die hessische Energiepolitik hat sich konkrete Ziele gesetzt: Wir wollen den Endenergieverbrauch bei Strom und Wärme bis zum Jahr 2050 möglichst zu 100 Prozent aus erneuerbaren Energien decken. Dabei spielen Bio- und Windenergie eine maßgeb - liche Rolle. Aber auch die Solarenergie, die Geothermie und Wasserstoff werden ihren Potenzialen entsprechend ausgebaut. Um den CO 2 -Ausstoß zu verringern, müssen wir aber auch unsere Technologien überdenken und offen sein für emissionsfreie Lösungen. Dazu gehört die Wasserstoff- und Brennstoffzellentechnologie. Wasserstoff als Energieträger kann Fahrzeuge, Heizungs- und Kühlanlagen oder portable Geräte wie Handys und Laptops mit Energie versorgen. Brennstoffzellen wandeln diese Energie in Strom um. Die führenden Autohersteller, in Hessen zum Beispiel Opel, arbeiten schon seit einigen Jahren an solchen Elektro-Antrieben, Testfahrzeuge sind international im Einsatz. In mehreren Projekten arbeiten in Hessen Techniker und Forscher daran, die Elektromobilität zu steigern und Fahrzeuge effizient zu machen. Die Wasserstoff- und Brennstoffzellentechnologie hat viele Vorteile, die sie effizient macht. Brennstoffzellen erzeugen gleichzeitig Strom und Wärme, arbeiten geräuschlos und mit regenerativ gewonnenem Wasserstoff betrieben emissionsfrei. Wasserstoff kann mit erneuerbaren Energien hergestellt als klimaneutraler Energiespeicher verwendet werden. In Industrieparks fällt er als Nebenprodukt chemischer Prozesse an, und dort, etwa im Industriepark Frankfurt-Höchst, wurden bereits Wasserstoff- Tankstellen für Fahrzeuge mit Brennstoffzellentechnik eingerichtet. Wasserstoff an öffentlichen Tankstellen für PKW, Busse und LKW mit Brennstoffzellensystemen, Versorgung für Hausheizungsanlagen, stationäre Kleinkraftwerke, autonome Energieversorgung zum Beispiel von Krankenhäusern durch eigene Brennstoffzellen-Blockheizkraftwerke das ist möglich und wird derzeit auch in Hessen geplant oder schon getestet. Speichertechnologien müssen weiter entwickelt werden, etwa um nicht im Netz speicherbare Energie später zu nutzen oder um regenerative Energien auch für die Grundlast einsetzen zu können. Viele Akteure aus Wirtschaft und Wissenschaft in Hessen treiben die Entwicklung der zukunftsträchtigen Wasserstoff- und Brennstoffzellen-Technik voran, die Nachfrage steigt und weitere energieintensive Bereiche, wie die Informations- und Kommunikationstechnik, steigen in die Erprobung mit ein. Größere Stückzahlen werden Brennstoffzellen preiswerter und am Markt bestandsfähig machen. Mit der HA Hessen Agentur GmbH als zentrale Einrichtung der Wirtschaftsförderung in Hessen und der H2BZ-Initiative Hessen e.v. ist das Land für die technischen Herausforderungen, vor denen die Wasserstoff- und Brennstoffzellen-Technologie steht, gut positioniert. Die vielen Vorteile und Synergie-Nutzungen von wasserstoffbetriebenen Brennstoffzellen machen sie für viele Anwendungen brauchbar. Lassen Sie sich von dieser Technik inspirieren. Lucia Puttrich Hessische Ministerin für Umwelt, Energie, Landwirtschaft und Verbraucherschutz 2

5 EINLEITUNG Wie hängen Brennstoffzellentechnologie, Wasserstoffgewinnung durch erneuerbare Energien und die Reduzierung des CO 2 -Ausstoßes zusammen, und welche Konsequenzen ergeben sich daraus für Hessen? Welche Arten von Brennstoffzellen es gibt, welche Rolle Wasserstoff als Sekundärenergieträger bei der Nutzung von erneuerbaren Energien in Zukunft spielen kann, was das Thema Elektromobilität mit der Brennstoffzelle zu tun hat, wie und warum sich das Land Hessen und die Wasserstoff- und Brennstoffzellen-Initiative Hessen kurz H2BZ-Initiative Hessen für die Akteure in diesen Branchen stark machen, erfahren Sie auf den nächsten Seiten. Dazu finden Sie wichtige Fakten zum Thema Energie und Emissionen sowie beispielhafte Projekte hessischer Akteure. Alina Stahlschmidt alina.stahlschmidt@hessen-agentur.de Daniela Jardot daniela.jardot@hessen-agentur.de Alexander Bracht HA Hessen Agentur GmbH Bereichsleitung Technologie und Innovation alexander.bracht@hessen-agentur.de HA Hessen Agentur GmbH Wasserstoff- und Brennstoffzellentechnologie H2BZ-INITIATIVE HESSEN: DIE H2BZ-TECHNOLOGIE VORANBRINGEN Wenn Sie die Technologie der Zukunft interessiert, wenn Sie die Aktivitäten der Wasserstoff- und Brennstoffzellen-Initiative Hessen unterstützen möchten, wenn Sie mit Ihrem Unternehmen oder Ihrer Institution eine Chance in dieser einzigartig effizienten und emissionsfreien Form der Energieerzeugung sehen, werden Sie Mitglied und bringen Sie mit uns die dringend notwendige Forschung und Entwicklung sowie die Erprobung in der Praxis voran. Welche Zielsetzung wir verfolgen, welche Projekte wir schon realisiert haben und wie Sie der H2BZ-Initiative Hessen beitreten können das alles können Sie auf unserer Internetseite nachlesen. Oder Sie sprechen uns persönlich an, wir freuen uns auf Sie! Dr. Joachim Wolf ist seit Mitte 2009 Vorstandsvorsitzender der H2BZ-Initiative Hessen e.v., die er bereits in den Anfangsjahren als Mitglied des Beirates unterstützte. Im Rahmen seiner über zwanzigjährigen Managementtätigkeit in internationalen Positionen der Linde Group in München und Wiesbaden brachte er als Executive Director von Hydrogen Solutions die Aktivitäten von Linde auf diesem Gebiet zu einem weltweit einmaligen Standard. Dr. Joachim Wolf Vorstandsvorsitzender H2BZ-Initiative Hessen Sie erreichen Dr. Joachim Wolf über die Geschäftsstelle der H2BZ-Initiative joachim.wolf@h2bz-hessen.de Seit Anfang 2009 führt der promovierte Physiker sein eigenes Beratungsunternehmen flowadvice in München und Wiesbaden, das im Auftrag des Hessischen Ministeriums für Umwelt, Energie, Landwirtschaft und Verbraucherschutz auf dem Gebiet Wasserstoff- und Brennstoffzellentechnologie die Projektanbahnung in Hessen vorantreibt. Dr. Joachim Wolf war an der Entstehung der europäischen Hydrogen & Fuel Cell Technology Platform beteiligt und wirkte im Advisory-Council an der Programmrealisierung mit. Er ist Mitbegründer der European Hydrogen Association, im Deutschen Wasserstoff- und Brennstoffzellenverband engagiert und war bis 2008 im Vorstand der National Hydrogen Association of North America. Als einer der Impulsgeber und Initiatoren ist er seit Anbeginn auch Mitglied des Beirates des Nationalen Innovationsprogramm (NIP) der Bundesrepublik Deutschland. 3

6 1 IDEAL VERNETZT FÜR HESSEN DIE WASSERSTOFF- UND BRENNSTOFFZELLEN-INITIATIVE HESSEN UND DIE HESSEN AGENTUR Das Potenzial der Wasserstoff- und Brennstoffzellentechnologie gewinnt angesichts der Klimaschutzvorgaben und des wirkungsvollen Einsatzes erneuer - barer Energien zunehmend an Bedeutung. Mit dieser Technologie kann schon heute eine effiziente Energieversorgung in dezentralen stationären Einrichtungen, als portable Technik oder mobil in Fahrzeugen gewährleistet werden. Erste Anwendungen wurden in diesen Bereichen bereits umgesetzt. Der CO 2 -Ausstoß kann beim Einsatz von Brennstoffzellen beispielsweise in Fahrzeugen oder Blockheizkraftwerken auf Null gesenkt werden. Brennstoffzellen in Elektrofahrzeugen erhöhen die Reichweite und ermög - lichen ein einfaches und schnelles Nachtanken. Die HA Hessen Agentur GmbH als Wirtschaftsförderungseinrichtung des Landes Hessen und die H2BZ- Initiative Hessen e.v. wollen insbesondere Unternehmen und Institutionen in Hessen fördern, aber auch Synergien mit Partnern aus anderen Ländern schaffen. Gemeinsam wollen sie helfen, das technologische Potenzial von Unternehmen, Institutionen und Wissenschaft weiter zu entwickeln und zwar im Bereich der Brennstoffzelle und der hierfür geeigneten innovativen Energieträger. Initiative Hessen Wasserstoff Brennstoffzellen- Stack Wasserdampf Bipolarplatte (Anode +) Bipolarplatte (Kathode ) individuelle Brennstoffzellen Luft Elektrolyt (hier: Protonen- Austausch-Membran) Katalysator O 2 H 2 H 2 O Elektronen Protonen Energie aus Wasserstoff: Das Prinzip der Brennstoffzelle Brennstoffzellen bestehen aus einer Vielzahl von Elektrodenpaaren (jeweils Anode und Kathode), die durch einen Elektrolyten (fest oder flüssig) getrennt sind. Zwischen den Elektroden läuft ein chemischer Prozess ab, bei dem die positiven Ionen von der Anode zur Kathode wandern und andererseits Elektronen von der Anode zur Kathode geleitet werden. Wird als Energieträger Wasserstoff eingesetzt, entsteht als Emission lediglich Wasser bzw. Wasserdampf. Den Stapel aus einer Vielzahl von einzelnen Brennstoffzellen nennt man Stack. (Quelle: Mercedes Benz) 4

7 Aufbau eines Brennstoffzellen-Stacks. Quelle: Ticona GmbH DAS NETZWERK VON KOMPETENZTRÄGERN UND DIE WIRTSCHAFTS - FÖRDERUNGSGESELLSCHAFT DES LANDES HESSEN Aus Begeisterung für die Technologie und aus Gründen des Klimaschutzes haben sich im Jahr 2002 führende Vertreter der Wasserstoff- und Brennstoffzellentechnologie aus Unternehmen, Hochschulen und Institutionen in der Wasserstoff- und Brennstoffzellen- Initiative Hessen e.v. (H2BZ-Initiative Hessen) zusammengeschlossen. Den jeweiligen Entwicklungsbedarf zu erkennen, hat besondere Bedeutung für neue Technologien. Dazu gehört das Entwerfen von integrierenden Entwicklungs- und Pilotprojekten. Zu diesen selbst gesteckten Zielen und Aufgaben der H2BZ-Initiative gehören daneben die Wissensverbreitung in Lehre und Ausbildung sowie die Darstellung der Technologien in der Öffentlichkeit. Mit ihren Aktivitäten leistet die Initiative damit einen wichtigen Beitrag zur Stärkung des Wirtschafts- und Wissenschaftsstandorts Hessen. Sie ist somit der Mittelpunkt des Kompetenznetzwerkes in Hessen. Die Aktivitäten der Initiative werden seit Beginn von der Hessischen Landesregierung unterstützt. Mit der Projektträgerschaft wurde die Hessen Agentur betraut. Die Hessen Agentur ist die Wirtschafts - förderungs gesellschaft des Landes Hessen. Sie hat das Ziel, den Standort Hessen zu stärken und seine Vorteile national und international bekannt zu machen. Mit ihren vielfältigen Aktivitäten trägt sie dazu bei, dass Hessen in zahlreichen Bereichen seine internationale Spitzenposition behält. Unternehmen profitieren von der breiten Kompetenz und europaweiten Netz werken in unterschiedlichen technologischen Bereichen. Die Hessen Agentur knüpft Kontakte zu Forschung und Entwicklung und hilft, den Weg von der kreativen Idee zum wirtschaftlichen Erfolg zu ebnen. Sie nutzt dabei ihre Kompetenzen in zukunftsträchtigen Anwendungen und Forschungen wie Nano-, Bio-, Umwelt-, Energie- sowie Infor - ma tions- und Kommunikationstechnologie und schafft im Rahmen des Technologietransfers Synergien für Unternehmen und Wissenschaft. 5

8 Als Think Tank identifiziert und bewertet sie Zukunftstechnologien und gibt Impulse für die Bildung von Netzwerken und Clustern. Die Hessen Agentur fördert im Rahmen von Hessen ModellProjekte die Zusammenarbeit von Unternehmen und Hochschulen. Standort- und Technologiemarketing im Bereich Wasserstoff und Brennstoffzelle bedeutet zunächst die Vernetzung von Akteuren aus Wirtschaft und Wissenschaft und die Begleitung auf dem Weg in den Markt. Ihre maßgebliche Herausforderung sehen die Hessen Agentur und die H2BZ-Initiative in der wirtschaftlichen Realisierung und Durchsetzung der Wasserstoffund Brennstoffzellentechnologie bis zu ihrer breiten Anwendung. Die Wasserstoff- und Brennstoffzellen-Initiative wird bei der Erfüllung ihrer Aufgaben durch die Hessen Agentur im Auftrag des Hessischen Ministeriums für Umwelt, Energie, Landwirtschaft und Verbraucherschutz begleitet. Die H2BZ-Initiative und die Hessen Agentur a betreiben gemeinsam Technologiemarketing regional, national und international im Kontext der Wirtschafts- und Technologieförderung des Landes Hessen und a sind zentrale Ansprechpartner und Berater für Fragen rund um das Thema Wasserstoff- und Brennstoffzellentechnologie in Hessen und a führen Informationen aus Politik, Wirtschaft, Wissenschaft und Gesellschaft zu diesem Thema zusammen. a Gemeinsam initiieren sie den Technologie - transfer auf diesem Technologiefeld, z.b. durch die gezielte Nutzung der Medien, Durchführung von Veranstaltungen usw. a und unterstützen Unternehmen, die sich auf diesem Gebiet betätigen. a Die Initiative ist Mitglied des DWV, Deutscher Wasserstoff- und Brennstoffzellen-Verband, a sowie der Kompetenznetze Deutschland. Die Kompetenznetze Deutschland des Bundes - ministeriums für Wirtschaft und Technologie (BMWi) vereinen die innovativsten und leistungs stärksten nationalen Kompetenznetze mit technologischer Ausrichtung. a Die Hessen Agentur ist Ansprechpartner für die Förderung im Rahmen von Hessen ModellProjekte Der Beirat der H2BZ-Initiative Hessen Die Aufgabe des Beirats ist die Beratung und Unterstützung des Vorstandes beim Erreichen der Vereinsziele. Seine Mitglieder sind führende Vertreter aus der (Energie-) Wirtschaft und Forschungs einrich - tungen sowie Wirtschaftsförderer. Sie werden auf die Dauer von zwei Jahren berufen. Dem Beirat können auch Nicht-Vereinsmitglieder angehören. Land Hessen (HMUELV) HA HessenAgentur ntu GmbH H 2 BZ-Technologie H2BZ-Initiative Mitglieder Vorstand Beirat H2BZ-Projektanbahnung k GmbH 6

9 DIE MITGLIEDER DER H2BZ-INITIATIVE HESSEN Adam Opel AG IBR Ingenieurbüro Redlich und Partner GmbH Sandstede Technologie Consult. Air Liquide Forschung und Entwicklung GmbH Infraserv GmbH & Co. Höchst KG Scheppat, Prof. Dr. Birgit Brennstoffzellen- und Batterie-Allianz Baden-Württemberg (BzA-BW) Ingenieurbüro Wilhelm GmbH Adler, Susanne DiWiTech-Ingenieurpraxis ELT Elektrolyse Technik GmbH emutec mitte GmbH EW Medien und Kongresse GmbH Ewald, Dr. Rolf Ingenieurbüro Ralph Luh ITM Power GmbH Kämpny, Hans Kippels, Anna-Kristin Kippels, Heinz Alfred Linde AG Löhn, Helmut Sanevo Vertriebs-GmbH & Co. KG Schleussner, Dr. Dr. med. h.c. Hans Schmelig, Willi Schmidt-Walter, Prof. Dr. Heinz sera ComPress GmbH SMA Solar Technology AG Stadtschule Schlüchtern Süwag Energie AG Fraunhofer Institut für Windenergie und Energiesystemtechnik (IWES) N2telligence GmbH Technische Universität Darmstadt Fachgebiet Erneuerbare Energien Fachgebiet Thermische Verfahrenstechnik FVI Forum Vision Instandhaltung e.v. Nitschke, Hartmut TGZ GmbH, Kaisersesch Gaskatel GmbH NRG Plan GmbH Ticona GmbH GHR Hochdruck-Reduziertechnik GmbH Pfeiffer, Norbert Umicore AG & Co. KG Grabenhenrich, Dr. Heinz Bernd Proton Motor Fuel Cell GmbH HA Hessen Agentur GmbH Reich, Jürgen Umwelt Campus Birkenfeld, Fachhochschule Trier HIC Hansen Ingenieur Consult Renewable Energies Consulting Dr.-Ing. Rolf Schicke Fahr, H.-Michael Materials Valley e.v. Matthes, Klaus Winfriedschule Fulda Hüttenberger Produktionstechnik Martin GmbH Rittal GmbH Co. KG Wolfram Brandes Management Consulting Roth Industries GmbH & Co. KG Wolf, Joachim Hydrogen Energy GWL GmbH Rübsam, Helmut Zarden, Peter Hochschule RheinMain Das Netzwerk aus kompetenten Fachleuten, Institutionen aus der Wissenschaft und aus Unternehmen wächst stetig. Teilen Sie die Begeisterung für die Technik, die den Weg zur emissionsfreien Energie frei macht. Werden Sie Mitglied und bringen Sie die Technik mit Ihren Ideen voran! 7

10 TATKRÄFTIGE HILFE BEI DER UMSETZUNG VON WASSERSTOFF- UND BRENNSTOFFZELLENPROJEKTEN Die H2BZ Projektanbahnung Vielen Unternehmen fehlen die personellen Ressourcen zu einer raschen Umsetzung innovativer Produktideen. Mittelständler haben oft nicht genügend finanzielle Mittel, um aus Ideen Produkte zu machen und sie auf den Markt zu bringen. Sie brauchen für eine Produktentwicklung kompetente und zuverlässige Partner, die sie technologisch begleiten. Seit Anfang 2010 unterstützt daher die H2BZ Projektanbahnung bei der Konzeption, Vorbereitung und teilweise auch der Entwicklung von Projekten im Bereich der Wasserstoff- und Brennstoffzellentechnologie. Sie hält wichtige Informationen über Möglichkeiten der Projektförderung und Kontakte zu entsprechenden Förderstellen bereit und kann helfen, Projektskizzen anzufertigen und Förderanträge zu schreiben. Die H2BZ Projektanbahnung wird vom Hessischen Ministerium für Umwelt und Energie über die Hessen Agentur finanziert und kann daher Hessischen Unternehmen und Einrichtungen eine kostenlose Erstberatung bieten. Unterstützung und Initiierung von Projekten Die H2BZ Projektanbahnung unterstützt in allen Phasen der Projektrealisierung wie der Definition des Projektes und der notwendigen Leistungen, der Kalkulation der personellen und finanziellen Ressourcen. Sie hilft bei der Akquisition von Projektpartnern, dem Recherchieren der möglichen Förderprogramme, dem Erstellen und Vorstellen einer Projektskizze, der Organisation und Durchführung von Öffentlichkeitsarbeit zur Darstellung der Projektergebnisse und berät und begleitet bis hin zu einer Markteinführung. Mit der H2BZ Projektanbahnung wurde ein Ansprechpartner geschaffen, der bei der praktischen Umsetzung von Anwendungen für Wasserstoff und Brennstoffzellen in Hessen unterstützt. Projekte, die bereits in Angriff genommen wurden, kommen aus den Bereichen Sonderfahrzeuge, dezentrale Stromversorgung, unterbrechungsfreie Stromversorgung (USV) sowie Wasserstoffspeicherung. PEM-Brennstoffzellen- Stacks bestehen aus einzelnen Zellen, in denen die Elektroden durch eine Membran getrennt werden. Quelle: BASF Kontakt über die Geschäftsstelle der H2BZ-Initiative Hessen 8

11 2 WARUM DER BRENNSTOFFZELLE DIE ZUKUNFT GEHÖRT Die Energiewandlung für die vielfältigen Anwendungen im Verkehr, der Versorgung der Haushalte und der Wirtschaftsunternehmen ist heute in den meisten Fällen noch mit erheblicher Belastung der Umwelt verbunden. Kohlenstoffdioxid (CO 2 ) aus der Verbrennung fossiler Brennstoffe noch immer die häufigste Form der Energiewandlung verstärkt den Treibhauseffekt und ist ein globales Problem. Lärm und Abgase sorgen für erhebliche Konflikte, und toxische Abwässer belasten die Umwelt. Die Wasserstoff- und Brennstoffzellentechnologie vereint Emissionsfreiheit und funktionale Vorteile in der Energieerzeugung. Als Vorteile sind zu nennen: a höchst effiziente Technik bei gleichzeitiger Erzeugung von Strom und Wärme, Nutzung von bis zu über 90 Prozent der im Energieträger enthaltenen Energie (zum Vergleich: Verbrennungsmotoren in Blockheizkraftwerken bis über 80 Prozent) a wichtige Komponente für unabhängige Systeme zur dezentralen Energieversorgung Quelle: vege Fotolia.com a sehr leise im Betrieb a verursacht keine Vibrationen a wartungsarm, da ohne bewegliche Teile a flexibel einsetzbar in stationären (zum Beispiel Blockheizkraftwerken), mobilen (Fahrzeuge) oder portablen (Laptop, Handy etc.) Anwendungen a gewährleistet Elektromobilität mit großen Reichweiten und kurzen Betankungszeiten Quelle: Linde a keine Emissionen außer Wasserdampf beim Betrieb mit reinem Wasserstoff, kein Kohlenstoffdioxid, keine Stickoxide, keine Feinstäube a klimaneutral, wenn bei der Erzeugung Strom aus erneuerbaren Energien verwendet oder der Wasserstoff aus Biomasse gewonnen wurde a Wasserstoff verursacht keine Wasserbelastung a Speichermedium für regenerative Energien Quelle: Schunk Bahn- und Industrietechnik 9

12 3 VIELFÄLTIGE TECHNIK MIT POTENZIAL DIE BRENNSTOFFZELLE SECHS TYPEN UND IHRE ANWENDUNGS GEBIETE H 2 (Wasserstoff) Anode (-) Brennstoffzellen sind elektrochemische Energiewandler, bestehend aus einer Vielzahl von Elektrodenpaaren (jeweils Anode und Kathode), die durch einen Elektrolyten (fest oder flüssig) getrennt sind. Zwischen den Elektroden läuft ein chemischer Prozess ab, bei dem einerseits die positiven Ionen von der Anode zur Kathode wandern, andererseits werden Elektronen über einen elektrischen Leiter von der Anode zur Kathode geleitet. Außen wird elektrische Leistung abgenommen dieses Prinzip haben sie gemeinsam mit Autobatterien bzw. Akkumulatoren. Der Elektrolyt besteht aus einer ionenleitenden Flüssigkeit oder einer Membran, einer Karbonatschmelze, einer Säure, Lauge oder aus einer ionenleitenden Keramik. Membran-Elektroden-Einheit Kathode (+) Kühlung Wasserdampf Elektronen Protonen O 2 Eine Brennstoffzelle kann z. B. die im Wasserstoff gespeicherte Energie direkt in Strom umwandeln. Sie arbeitet verschleißfrei und lautlos. Bei einer Batterie erschöpft sich die Leistung mit dem Verzehr der Anode. Die Brennstoffzelle jedoch liefert unbegrenzt Strom, solange gasförmiger Brennstoff (Wasserstoff) und Luft (Sauerstoff) von außen zugeführt werden. Beide Stoffe reagieren zu Wasser, das als Nebenprodukt anfällt. Brennstoffzellen liefern elektrischen Strom elektrische Energie und zusätzlich nutzbare Wärme thermische Energie. Die Entwicklung der Brennstoffzelle ist noch nicht abgeschlossen: Sie ist ein viel versprechender Energiewandler, der gegenwärtig meist in Einzelexemplaren oder Kleinstserien angefertigt wird und deshalb noch zu teuer in der Herstellung ist. In den nächsten Jahren ist intensive Arbeit zur Verbesserung der Lebensdauer, der Peripheriegeräte und zur Senkung der Herstellungskosten erforderlich zum Beispiel durch die Optimierung der Produktionsverfahren. Dann kann die Brennstoffzelle mit den heutigen Verbrennungsmotoren und Hausheizungen konkurrieren. Man kennt sechs Brennstoffzellen-Typen, die sich in der Art der verwendeten Elektrolyte unterscheiden. Je höher die Arbeitstemperatur der Brennstoffzelle ist, desto unempfindlicher sind die Katalysatoren gegen Vergiftung und desto schneller läuft die elektrochemische Reaktion ab. O 2 (Luft) Elektrolyt (PEM-Membran) H 2 Elektroden mit Katalysatorschicht Im so genannten Stack, dem Stapel von Brennstoffzellen, kann jede technisch sinnvolle Spannung durch Hintereinanderschalten von einzelnen Brennstoffzellen erreicht werden. Funktionsprinzip einer Polymer-Elektrolyt-Membran (PEM) -Brennstoffzelle 10

13 Die alkalische Brennstoffzelle (AFC) Die AFC ist die klassische Brennstoffzelle. Kalilauge dient als flüssiger Elektrolyt. Die Betriebstemperatur liegt bei ca. 80 C; sie ist also eine Niedertemperatur-Brennstoffzelle und braucht zur Reaktion einen Metall-Katalysator. Sie wird mit reinem Wasserstoff betrieben. Wenn Luft als Sauerstoffträger benutzt wird, muss ein Luftwäscher zur CO 2 -Entfernung vorgeschaltet werden. Ihr Hauptanwendungsgebiet ist die Strom- und Wärme-Erzeugung für autarke Verbraucher, bei denen die Brennstoff-Effizienz entscheidend ist: zum Beispiel in der Raumfahrt, in militärischen Verwendungen wie U-Booten und bei Einsätzen in entlegenen Gebieten (Wetterstationen). Brennstoffzelle: Typen und Merkmale Bezeichnung Betriebstemperatur Elektrolyt Kraft- / Brennstoff Anwendung 1 AFC Alkalische Brennstoffzelle 80 C Kalilauge Wasserstoff mobil (Raumfahrt) 2a LT- PEMFC 2b HT- PEMFC Niedertemperatur-Polymer-Elektrolyt- Membran-Brennstoffzelle Hochtemperatur-Polymer-Elektrolyt- Membran-Brennstoffzelle 80 C Festpolymer Wasserstoff mobil, stationär, spez. Anwendungen C Festpolymer Wasserstoff mobil, stationär 3 DMFC Direktmethanol-Brennsoffzelle C Festpolymer Methanol spez. Anwendungen 4 PAFC Phosphorsaure Brennstoffzelle 200 C Phosphorsäure Erdgas stationär 5 MCFC Schmelzkarbonat-Brennstoffzelle 650 C Natrium- und Kaliumkarbonat Erdgas, Biogas stationär 6 SOFC Oxidkeramische Brennstoffzelle 1000 C Zirkonoxid Erdgas, Biogas stationär 11

14 Die Polymer-Elektrolyt-Membran-Brennstoffzelle (PEMFC) Die PEMFC wird auch Protonenaustauschmembran- Brennstoffzelle (Proton Ex change Membran Fuel Cell) ge nannt. Im Gegen satz zum alkalischen System besteht hier der Elektrolyt aus einer ionenleitenden Kunststoff-Folie, die durch Beschichtung gleichzeitig auch Katalysatorträger, Diffusionsschicht, Elektrodenträger und Separationswand zwischen den reagierenden Gasen ist. Sie arbeitet zwischen 50 und 80 C (Niedertemperatur), eventuell bei einigen Bar Druck (die Druckdifferenz zwischen den beiden Menbranseiten ist relativ klein) und erreicht hohe Leistungsdichten. Die PEMFC eignet sich durch die modulare Bauweise, niedriges Leistungsgewicht und relativ gute Kaltstart-Eigenschaften besonders für mobile An - wendungen. Nachteilig sind der Regelungs bedarf der Feuchtigkeit im Reaktionsraum und die Empfindlichkeit gegen CO im Anodengas. Mit PEM-Brennstoffzellen sind die in der Öffentlichkeit viel beachteten mobilen Anwendungen in PKW (DaimIer, Opel, Volkswagen, Ford, Toyota etc.) und in Bussen (DaimIer, MAN, Vossloh, Auwärter, Neoplan etc.) ausgerüstet, die zur Zeit weltweit in Demonstrationsprogrammen eingesetzt werden, um ihre Alltagstauglichkeit zu erproben. Aktuelle Mittelklassefahrzeuge mit dieser Technologie erreichen mit einer Wasserstoff-Tankfülllung eine Reichweite von ca. 400 bis 600 Kilometern, annehmbare Höchstgeschwindigkeiten und haben ein gutes Beschleunigungsvermögen. Durch kurze Betankungszeiten gewährleistet die Technologie zudem eine alltagstaugliche Elektromobilität. Die PEMFC gilt als das KFZ-Antriebsaggregat im Brennstoffzellenbereich. Hier gab es in den letzten Jahren bedeutende Fortschritte in der Entwicklung. Allerdings ist weitere Entwicklungsarbeit nötig, um je nach Anwendung die Lebensdauer der Membran weiter zu erhöhen und die notwendigen niedrigen Fertigungskosten zu erreichen. Neben den in Fahrzeugen und zur unterbrechungsfreien Stromversorgung (USV) eingesetzten Niedertemperatur-PEM-Brennstoffzellen existieren darüber hinaus auch Hochtemperatur-PEM-Zellen. Diese können durch eine besonders widerstandsfähige PEM- Folie bei einem Temperaturniveau von 200 C betrieben werden. Damit ist die CO/CO 2 -Toleranz erhöht worden, was sich vorteilhaft auf die Lebensdauer und die Wirtschaftlichkeit auswirkt. Concept BlueZERO Elektromobilität für jeden Bedarf Modulares Konzept für Elektromobilität: Stadtverkehr Überlandverkehr Langstreckenverkehr Batterie-elektrischer Antrieb (BlueZERO E-CELL) Brennstoffzellenantrieb (BlueZERO F-CELL) Batterie-eletrischer Antrieb mit Range Extender (BlueZERO E-CELL PLUS) E-CELL F-CELL E-CELL PLUS Quelle: Daimler 12

15 Im Labor wird ein Auswaschtest durchgeführt, durch den die chemische Stabilität einer Membran bestimmt werden kann: Diese gibt Auskunft über die Lebensdauer der Membran-Elektroden- Einheit (MEA). Die MEA ist das Herzstück der Brennstoffzelle. Hier finden die chemischen Reaktionen statt, die aus dem Wasserstoff also dem Brennstoff die Energie herausholen. Quelle: BASF Fuel Cell Die Direkt-Methanol-Brennstoffzelle (DMFC) Ihr Vorzug ist der flüssige Brennstoff Methanol, der heute in tragbaren Kunststoffkartuschen oder Tankpatronen kompakt gespeichert angeboten wird. Die DMFC arbeitet mit einem Kunststoff-Folien-Elektrolyten wie die PEMFC. Die Betriebstemperatur liegt beim Betrieb mit flüssigem Methanol bei ca. 80 C; der elektrische Wirkungsgrad liegt auf Zellebene bei 30 bis 40 Prozent, Systeme im Kleinleistungsbereich erreichen 25 Prozent Gesamtwirkungsgrad vom Treibstoff Methanol zum Gleichstrom. Der Bedarf an Edelmetall-Katalysatoren ist derzeit noch relativ hoch, weshalb sich der kommerzielle Einsatz bisher nur im Kleinleistungsbereich unterhalb 1 kw durchgesetzt hat. DMFC-Produkte sind bereits seit einigen Jahren erhältlich und werden z. B. unter dem Markennamen EFOY für die Bordstromversorgung von Wohnmobilen vermarktet. DMFC-Systeme werden aber auch im industriellen Einsatz als Energiequelle für den Betrieb von stationären Sensoren und Kommunikationseinrichtungen an Standorten ohne Netzanbindung eingesetzt. Weitere Anwendungen sind portable und mobile Systeme, die Energie für einen wochen- oder monatelangen autarken Einsatz mitführen. Bis heute wurden bereits mehr als DMFC-Systeme verkauft und arbeiten als zuverlässige Energiequelle beim Kunden. Quelle: SFC Energy AG 13

16 Ein Werk des Tognum- Tochterunternehmens MTU Friedrichshafen GmbH wurde im Jahr 2008 mit Wärme und Strom aus einem Brennstoffzellen- Kraftwerk versorgt. Quelle: MTU onsite energy Die phosphorsaure Brennstoffzelle (PAFC) Die PAFC ist eine Mitteltemperatur-Brennstoffzelle, die bei ca. 200 C arbeitet und einen elektrischen Wirkungsgrad von 55 Prozent hat. Ihre Elektroden sind Folien aus Kohlefasern, die den fein verteilten Platinkatalysator tragen. Der Elektrolyt, Phosphorsäure, ist als Gel auf einem Geflecht aus teflongebundenem Siliziumkarbid fixiert. Die Nachteile der PAFC sind ihre geringe Stromdichte und die lange Anfahrzeit. Neben dem eigentlichen Stack bilden der Reformer, die Gasreinigung zur Beseitigung des CO 2, der Wärmetauscher und der elektrische Wechselrichter die Systemkomponenten für eine mit Erdgas betriebene PAFC. Dieser Brennstoffzellen-Typ ist technisch relativ weit entwickelt und als dezentrales Blockheizkraftwerk (BHKW) mit Kraft-Wärme-Kopplung international im Einsatz. Die Schmelzkarbonat-Brennstoffzelle (MCFC) Mit 650 C Betriebstemperatur ist die MCFC eine Hochtemperatur-Brennstoffzelle, deren Abwärme zur Dampferzeugung (Kraft-Wärme-Kopplung) ausgekoppelt wird bzw. zur Kälteerzeugung durch Kraft-Wärme-Kälte-Kopplung genutzt werden kann. Wegen des hohen Temperatur-Niveaus muss kein Reformer vorgeschaltet und auch stark kohlenstoffhaltige Brennstoffe können verstromt werden. Der Elektrolyt ist ein schmelzflüssiges Alkalikarbonat, das hoch korrosiv ist und hohe Anforderungen an die eingesetzten Werkstoffe stellt. Auch dieser Brennstoffzellen-Typ wird aus modularen Stackpaketen zu größeren Leistungsklassen aufgebaut und kann mit Erdgas, Grubengas, Biogas sowie mit Klär- oder Deponiegas gespeist werden. Die Reinigung der Brenngase kann zentral innerhalb der Gesamtanlage erfolgen. Bereits bei kleineren Leistungen (ab 200 kw ei ) können im KWK-Betrieb Strom und Dampf erzeugt werden, was diesen Brennstoffzellentyp zur dezentralen Energieversorgung für Kommunen und Industriebetriebe interessant macht. Etwa zwanzig MCFC-BHKW-Anlagen sind inzwischen in unterschiedlichen Anwendungen erprobt. Sie nutzen zum Teil biogene Gase aus Vergärungs- und Kläranlagen. 14

17 Am Leuchttisch werden aus einer Membran und zwei Elektroden die sogenannten Membran-Elektroden-Einheiten (MEAs) zusammengesetzt. Quelle: BASF Die oxidkeramische Brennstoffzelle (SOFC) Die SOFC funktioniert bei Temperaturen bis C und zeichnet sich durch einen festen Elektrolyten (Zirkoniumoxid) aus, der bei hohen Temperaturen Ionen leitet und die Reaktionsgase voneinander trennt. Die SOFC wird in Platten- oder Röhrenform gestaltet. Ihre Anwendung liegt im Bau von Blockheizkraftwerken. Die Zukunftskonzeption für große SOFCs wird in der Kombination mit nachgeschalteter Dampfturbine gesehen. Für kleine SOFCs bietet die Kombination mit einer Mikrogasturbine gute Chancen. Brennstoffzellen dieses Typs werden zum Beispiel als Heiz - geräte entwickelt. Eine viel versprechende Form der SOFC ist die Konzeption der Firma Hexis im Leistungsbereich 1 bis 10 kw el mit integriertem Heißwasserboiler für den Einsatz als kompakte Strom- und Heizzentrale in Ein- und Mehrfamilienhäusern, gespeist aus dem Erdgasnetz. Aufgrund des möglichen hohen elektrischen Wirkungsgrades (ca. 60 Prozent) werden diese Systeme auch als Stromerzeuger eingesetzt wie beispielsweise der BlueGEN der Firma Ceramic Fuel Cells, der von dem hessischen Unternehmen Sanevo vertrieben wird. Deutsche Energieversorger haben das wirtschaft - liche und umweltschonende Potenzial erkannt, das die hocheffiziente Nutzung der Primärenergie Erdgas in Brennstoffzellen-Heizgeräten in Verbindung mit Kraft-Wärme-Kopplung bietet, allerdings ist diese Form der Energieerzeugung nicht CO 2 -neutral. Diese Brennstoffzellen-Anwendung ist bereits relativ marktnah und könnte in der Serienproduktion die für einen breiten Markterfolg notwendige Kosten - degression erfahren. 15

18 BALDIGER MARKTEINTRITT IN SPEZIELLEN MÄRKTEN Eine interessante Anwendung von Brennstoffzellen, die einen baldigen Markteintritt verspricht, sind Mini-Brennstoffzellen in PEM-Technik mit Brennstoffspeichern für Methanol oder reinen Wasserstoff: Sie sind ideale Stromquellen für elektronische Geräte wie Laptops, Camcorder, MP3-Player oder Handys. Batterien und Akkus ermöglichen oft nur relativ kurze Betriebszeiten, bilden einen hohen Kostenfaktor und sind problematisch in der Entsorgung. Der Ladeprozess von Akkus braucht erhebliche Zeit und einen Strom anschluss. Mini-Brennstoffzellen mit PEM-Technik, gespeist aus Wasserstoffspeichern (Hydrid- oder Druckspeicher) oder mit DMCF-Technik aus Methanolpatronen, erlauben vielfach deutlich längere Betriebszeiten und schnellen Speicherwechsel und damit fast unbegrenzte Gerätenutzung auch an Orten ohne Stromnetz. Vergleichbare Vorteile bieten kleine PEM-Brennstoffzellen als Notstromaggregate im Bereich der unterbrechungsfreien Stromversorgung (USV) für Rechenzentren oder in der Telekommunikation zum Beispiel zur Versorgung von Funkmasten, wo sie lange Überbrückungszeiten gewährleisten. Im Gegensatz zu motorbetriebenen Aggregaten arbeiten sie ge - räuschlos und vibrationsfrei. Dies ist besonders auf Schiffen oder beim Camping interessant. BRENNSTOFFZELLEN BRAUCHEN PERIPHERIE-GERÄTE Der Zylinderblock einer Verbrennungskraftmaschine ist noch kein betriebsfähiger Motor, ebenso wenig ist ein Brennstoffzellen-Stack ein einsatzfähiger Energieerzeuger. Je nach System besteht ein betriebsbereites Brennstoffzellenaggregat neben dem Zellenstapel (Stack) aus der Steuerung, gegebenenfalls notwendigen Nebengeräten zur Herstellung von Wasserstoff oder Reinigung anderer Gase und ggf. einem Wechselrichter. Letzterer macht aus dem Gleichstrom der Brennstoffzelle erst Wechselstrom, sofern dieser in ein Netz eingespeist werden soll. Außerdem gehören zum System Brennstoffzelle noch Mess- und Regelgeräte, Brennstoffspeicher und andere Hilfsaggregate. Die Kosten der Peripherie-Geräte sind mitbestimmend für die Gesamtkosten des betriebsbereiten Aggregats wie beim Verbrennungsmotor und in der Summe meist höher als die des reinen Stacks (bzw. Zylinderblocks). Auch bei diesen Nebenaggregaten besteht noch Entwicklungs-, Anpassungs- und Erprobungsbedarf. Alle Teilkomponenten des Systems müssen auf den Brennstoff, die Betriebstemperatur, den Elektrolyten, die abzuführenden Wärmemengen sowie die mechanischen und elektrischen Anforderungen des Gesamtaggregats abgestimmt sein und vergleichbare Dauerstandfestigkeiten besitzen. PEM-Brennstoffzellenstack Quelle: Schunk Bahn- und Industrietechnik 16

19 ENERGIETRÄGER FÜR BRENNSTOFFZELLEN: WASSERSTOFF, ERDGAS, LIQUIFIED PETROLEUM GAS, KOHLENWASSERSTOFFE, METHANOL In den Niedrigtemperatur-Brennstoffzellen (alkalische, Polymer-Elektrolyt-Membran- und phosphorsaure Brennstoffzelle) kommt nur reiner Wasserstoff zum Einsatz. Wo dieser nicht zur Verfügung steht, lässt er sich mit Hilfe von Reformern zum Beispiel aus Erdgas erzeugen. Die gegenwärtigen Feldversuche von Brennstoff - zellen in Fahrzeugen werden überwiegend mit Hochdruck-Wasserstoff durch geführt. Hochtemperatur-Brennstoffzellen können auch Kohlenwasserstoffe mit gewissen Verunreinigungen, wie sie zum Beispiel in Klärgasen vorkommen, verbrennen. Sie werden mit Erdgas, LPG (Liquified Petroleum Gas) oder Biogas gespeist. Für den Einsatz von Methanol, das in Erdgas- und in Erdölförderländern in großen Mengen und zu niedrigen Preisen anfällt, ist die Direkt-Methanol-Brennstoffzelle be stimmt, die sich besonders für den mobilen Einsatz eignen würde. Logistisch ist Methanol ähnlich handhabbar wie Benzin. trailh2 eine mobile Betankungseinheit für gasförmigen und flüssigen Wasserstoff Der Preis der Brennstoffe wird im Wesentlichen durch die vorgelagerten Energiewandlungsschritte / Verarbeitungsstufen (fuel chain) bestimmt. Erdgas, besonders für stationäre Anwendungen, ist der Brennstoff mit der bereits heute breitesten Verfügbarkeit durch das dichte, bestehende Verteilungsnetz. Nähere Angaben zu den in Hessen tätigen Unternehmen, Institutionen und Einzelpersonen, die an Brennstoffzellen oder der Peripherie arbeiten, finden Sie im Kompetenzatlas Wasserstoff und Brennstoffzellen Hessen unter 17

20 DIE GESCHICHTE DER BRENNSTOFFZELLE Direkte Umwandlung von chemischer in elektrische Energie Das Prinzip der Brennstoffzelle wurde von Christian Friedrich Schönbein, einem Schweizer Professor an der Universität Basel, gefunden. Schönbein, der in engem Kontakt mit Sir William Grove stand, erkannte schon 1839, dass chemische Energie direkt in elektrische umgewandelt werden kann. Aufbauend auf dieser Entdeckung erzeugte Grove in einem galvanischen Bad durch Zusammenführung von Wasserstoff und Sauerstoff in kalter Verbrennung, das heißt ohne Flammenbildung, elektrischen Strom. Die gefürchtete Knallgasexplosion hat nicht stattgefunden. Die Wissenschaftler Ludwig Mond und Carl Langer gaben dem Apparat 1889 den Namen Fuel Cell, also Brennstoffzelle. Aber nicht die Brennstoffzelle, deren günstigen elektrischen Wirkungsgrad man schon früh erkannte, sondern der elektrische Generator, der auf dem 1866 von Siemens gefundenen Elektrodynamischen Prinzip beruhte, leitete in der zweiten Hälfte des 19. Jahrhunderts das Zeitalter der großtechnischen Stromerzeugung ein. In Deutschland griff Prof. Eduard Justi 1951 an der TU Braunschweig das Thema Brennstoffzelle auf und legte mit Prof. August Winsel die Grundlagen der alkalischen Brennstoffzelle. Winsel setzte ab 1961 die Arbeiten in der VARTA-Forschung in Kelkheim / Hessen fort, wo eine Reihe praktischer Anwendungen der alkalischen Brennstoffzelle (z. B. Gabelstaplerantriebe) verwirklicht wurde, ehe das Arbeitsgebiet an die Firma Siemens abgegeben wurde. Für die Raumfahrt entdeckte man vor 40 Jahren die Brennstoffzelle und ihre Vorzüge wieder: eine leichte und effiziente Strom- und Wärmequelle, deren Abfall nur Wasser ist, das man den Astronauten sogar als Trinkwasser gab. Im Gemini-Projekt der NASA sorgte eine PEM-Zelle (Polymer-Elektrolyt-Membran-Zelle) für Strom und Wärme, während in den Apollo-Raumkapseln und den Mondfähren AFCs (Alkalische Brennstoffzellen) diese Aufgaben erfüllten. Aber erst Ereignisse in den siebziger Jahren sorgten für ein umfassenderes Interesse: die Ölkrisen und das neue Umweltbewusstsein. In den vergangenen 30 Jah - ren ist deswegen in Europa, in den USA und Kanada sowie in Japan von Wissenschaft und Wirtschaft mit staatlicher Förderung viel in die Forschung und Entwicklung der Brennstoffzelle investiert worden. Die Wiege der Wasserstoff-Erzeugung stand in Hessen In Hessen stand die Wiege der industriellen Wasserstoff-Erzeugung und -Anwendung: 1896 nahm der Chemiker Dr. Ignaz Stroof in der Chemischen Fabrik Griesheim (bei Frankfurt) die erste Chloralkali-Elektrolyse der Welt in Betrieb, die Chlor, Natronlauge und Wasserstoff in großen Mengen produzieren konnte. Eine Einsatzmöglichkeit war Wasserstoff als Füllstoff für die damals neuen Zeppeline: Man füllte ihn mit 150 bar in Stahlflaschen und brachte ihn zu den Startplätzen. Die erste industrielle Anwendung des neuen Energieträgers Wasserstoff entwickelte 1903 der Ingenieur Adolf Wiss im Griesheimer Werk mit seinem Wasserstoff-Sauerstoff-Brenner zum Schweißen. Dies war der Beginn einer neuen Technologie zum Verbinden und Schneiden von Metallen, der Autogentechnik, die die Metallverarbeitung revolutionierte. 18

21 4 WASSERSTOFF EIN NAHEZU UNBEGRENZT VERFÜGBARES ELEMENT UND VOLLER ENERGIE Quelle: dreamstime Wasserstoff ist eine so genannte Sekundär-Energie. Um Wasserstoff zu erzeugen, muss man Energie aufwenden. Einmal mittels erneuerbarer Energien, Kohle, Erdöl oder Erdgas hergestellt, ist seine Anwendungsbreite, seine Umwandlungsfähigkeit und seine Umweltverträglichkeit allen anderen Energieträgern überlegen. Er ist als Brennstoff für Brennstoffzellen zur schadstofffreien Erzeugung von Elektrizität und Wärme geeignet und das ist das große Potenzial der Wasserstoff- und Brennstoffzellen-Technologie. Wasserstoff findet sich in nahezu unbegrenzten Mengen auf der Erde, allerdings stets chemisch mit anderen Elementen verbunden. In der überwiegenden und nutzbaren Form liegt er gebunden an Sauerstoff in Form von Wasser vor. Unter Standard-Bedingungen von Druck und Temperatur ist Wasserstoff das leichteste Gas. Er ist geruchlos und unsichtbar. Im Gemisch mit Luft ist er bei Konzentrationen von 4 bis 75 Volumenprozent zündfähig, aber nicht selbstentzündlich. Wasserstoff ist ungiftig, nicht korrosiv und nicht Wasser gefährdend. Ein Kilogramm Wasserstoff enthält soviel Energie wie 2,5 Kilogramm Benzin. Er ist allerdings spezifisch leicht und beansprucht deshalb bei gleichem Energieinhalt ein viermal so großes Speichervolumen. Damit weist er immer noch eine deutlich höhere Energiedichte auf als alle bekannten Batteriesysteme. 19

22 Wasserstoff-Einfüllstutzen Kühlmittelbehälter Leistungsverteilung Luftfilter Brennstoffzellen-Stack Druckwasserstoff-Speichertank Leistungsbatterie Kühler Steuergerät Elektrischer Antriebsmotor Wasserstoffzuführung Gleichspannungswandler Brennstoffzellen-Fahrzeuge sind mit speziellen Tanks ausgerüstet, die wie ein Benzintank an Zapfsäulen gefüllt werden können. Quelle: Adam Opel AG Wasserstoff wird unter Einsatz elektrischer Energie aus Wasser (Elektrolyse) oder aus Kohlenwasserstoffen hergestellt. Die Herstellung aus Kohlenwasserstoffen geschieht nach bewährten Verfahren: Mittels Dampfreformierung oder durch partielle Oxidation von Kohlenwasserstoffen produziert man den größten Teil des weltweit erzeugten Wasserstoffs und verbraucht ihn am Ort der Erzeugung in anderen industriellen Prozessen. Bisher sind nur etwa fünf Prozent des Wasserstoffs Handelsware. Der größte Teil wird für die Hydrierung von Kohlenwasserstoffen, für die Härtung von Fetten oder für die Vergütung von Metallen eingesetzt. Die zukunftsfähige und emissionsfreie Form bietet die Gewinnung von Wasserstoff aus Biogas oder im Elektrolyse-Verfahren. Die Voraussetzung ist, dass der benötigte Strom aus erneuerbaren Quellen kommt. Wenn Strom erzeugt ist, muss er verbraucht werden. Nicht verbrauchter Strom kann mittels Elektrolyse in Wasserstoff umgesetzt werden. Hier liegt einer der großen Vorteile der Wasserstoff-Technologie: Stromspitzen bei zum Teil stark fluktuierenden Energiewandlungssystemen wie Wind- oder Solarenergie können zur Wasserstoffproduktion und -speicherung eingesetzt werden. Dieser Wasserstoff kann in der Brennstoffzelle bei Bedarf in Strom und Wärme umgewandelt werden. Wenn Wasserstoff seine Energie in der Hausheizung, im Automotor oder im Kleinkraftwerk abgegeben hat, fällt er aufgrund der Reaktion mit Sauerstoff als reines Wasser beim Verbraucher an. 20

23 Weltweit werden pro Jahr ca. 520 Mrd. Kubikmeter Wasserstoff erzeugt. Die Chemie- und Erdöl-Industrie sind die größten Erzeuger und Verbraucher von Wasserstoff. Der Anteil von Wasserstoff, der für Energie-Erzeugung und -Umwandlung eingesetzt werden wird, wird im 21. Jahrhundert voraussichtlich stark steigen. Seine Einsatzmöglichkeiten steigen mit dem technologischen Fortschritt auf allen Gebieten. Der Preis von Wasserstoff als Energieträger hängt ab vom Angebot der kohlenstoffhaltigen Primärenergien bzw. von den Kosten für Strom. Ein wichtiger Faktor zur Kostenreduzierung ist die Anlagengröße. Reinhold Wurster von der Ludwig-Bölkow-Systemtechnik GmbH und Mitglied des Beirats der Wasserstoff- und Brennstoffzellen-Initiative Hessen sieht im Jahr 2015 das Förder- und Produktionsmaximum fossiler und nuklearer Brennstoffe erreicht. Er stellt folgende Thesen auf (siehe folgende Grafik): a Es wird einen Übergang von einem brennstoffbasierten zu einem strombasierten Energiesystem geben. a Der Verkehrssektor wird Strom als haupt- sächliche Primärenergiequelle nutzen. a Die künftige Infrastruktur wird sich ändern: Strom wird fossile Brennstoffe langfristig ersetzen müssen. a Stromspeicherung wird unentbehrlich Wasserstoff wird als wichtiges Stromspeichermedium fungieren und ein starker Partner für erneuerbare Energien und den Verkehrssektor werden. Strombasiertes Energiesystem Kraftstoffbasiertes Energiesystem Kraftstoff zu Strom (niedriger Wirkungsgrad) Übergangsphase Strom zu Kraftstoff (niedriger Wirkungsgrad) Gesamte Primärenergieversorgung [Mtoe] Uran Kohle Erdgas Erdöl heute Fördermaximum fossil/nuklear etwa % 8% 90% % 15% 76% 31% Strom 19% Wärme/ Brennstoff 50% Brennstoff Solarthermische Kraftwerke (SOT) Photovoltaik 64% Windkraft Wasserkraft Geothermie Biomasse 19% Solarthermische Kollektoren 17% Regenerative Energien Quelle: Reinhold Wurster, Ludwig- Bölkow-Systemtechnik GmbH Regenerativer Strom Regenerative Wärme/Brennstoff Fossile/nukleare Brennstoffe 21

24 Die ökonomische und ökologische Entwicklung in Industrienationen muss dahin gehen, immer mehr Primärenergie durch die Sekundärenergien Elektrizität und Wasserstoff zu ersetzen, weil ihre Umwandlung in andere Energieformen, ihr Transport und ihre Anwendung beim Verbraucher mit überlegenem Wirkungsgrad und ohne Bildung von umweltschädlichen Stoffen vor sich geht. Der Vorteil der Verwendung erneuerbarer Energien liegt neben der Emissionsfreiheit in der Möglichkeit der dezentralen und von fossilen Rohstoffen unabhängigen Versorgung. Flächenbedarf für erneuerbare Kraftstoffe: Nutzung eines Hektars Land für die Kraftstoffproduktion 1ha Belegung = 33% Wasserstoff ~733 GJ/ha VM Fahrzeug ~ km/ha BZ Fahrzeug ~ km/ha Photovoltaik Windenergie Belegung = 1% Wasserstoff ~363 GJ/ha VM Fahrzeug ~ km/ha BZ Fahrzeug ~ km/ha Biomasse Belegung = 100% Wasserstoff ~93 GJ/ha VM Fahrzeug ~ km/ha BZ Fahrzeug ~ km/ha Biomasse Belegung = 100% Biodiesel ~48 GJ/ha Biomethan ~112 GJ/ha Biomethan, ~ km/ha BtL, ~ km/ha Biodiesel, ~ km/ha; Bioethanol, ~ km/ha Belegte Landfläche Primärenergie Kraftstoffproduktion pro Hektar ha=hektar, VM=Verbrennungsmotor, BZ=Brennstoffzelle Referenzfahrzeug: VW Golf [Concawe/EUCAR/JRC 2006], Ø Fahrleistung= km/jahr Quelle: Wasserstoff aus erneuerbaren Energien, Reinhold Wurster, Ludwig-Bölkow-Systemtechnik GmbH 22

25 WASSERSTOFF-HERSTELLUNG: EMISSIONSFREIER ENERGIEKREISLAUF DURCH EINSATZ ERNEUERBARER ENERGIEN Die Wasserstoffproduktion durch Elektrolyse bietet die Möglichkeit eines emissionsfreien Wasserstoff- Energiekreislaufs, wenn der Strom für die Elektrolyse aus einer regenerativen Energiequelle wie beispielsweise Sonnen- oder Windenergie oder aus Wasserkraft stammt. Quelle: Linde Wenn man an zwei Platin-Elektroden im leitenden Wasserbad elektrische Spannung anlegt, fließt elektrischer Strom und spaltet das Wasser. Wasserstoff und Sauerstoff scheiden sich gasförmig an den Elektroden ab. Dieser Vorgang heißt Elektrolyse. Zudem bietet sich zur Produktion von Wasserstoff die Vergasung von Biomasse an. Dazu kann man außer Resten aus der Land- und Forstwirtschaft oder Biomüll aus Haushalten auch organische Industrieabfälle zählen, deren Beseitigung oft erhebliche Schwierigkeiten bereitet. Das Zusammenspiel von konventionellen und regenerativen, von zentral und dezentral erzeugten Energien, kann durch koordinierende Energie-Management-Systeme gesteuert werden, die durch elektronische Netze optimiert werden. Das Fraunhofer IWES in Kassel entwickelt dafür komplexes Know-how. Die Dampfreformierung ist das am weitesten verbreitete Verfahren zur Erzeugung von wasserstoffreichem Synthesegas aus leichten Kohlenwasserstoffen. Die Einsatzstoffe Erdgas, Flüssiggas oder Naphtha werden mit Wasserdampf in katalytischen Rohrreaktoren zu Synthesegas mit hohem Wasserstoffgehalt umgesetzt. Prozesswärme und Rauchgaswärme werden zur Dampferzeugung genutzt. Quelle: Linde 23

26 VERDICHTETER WASSERSTOFF SPEICHERUNG UND TRANSPORT Ein großer Vorzug des Energieträgers Wasserstoff gegenüber der Elektrizität ist seine Speicherfähigkeit; allerdings muss man das Gas zu diesem Zweck verdichten (bis auf 700 bar) oder verflüssigen. In beiden Fällen ist dazu zusätzliche Energie aufzuwenden. Der verdichtete Wasserstoff gilt als ideal für mobile Anwendungen, d. h. für Kraftfahrzeuge mit Brennstoffzellen-Antrieb. In Brennstoffzellen-Fahrzeugen wird Wasserstoff in speziell konstruierten superisolierten Tanks, Hochdruck-Speichern aus Stahl oder in Composite-Behältern gespeichert entweder als komprimiertes Gas (CGH2) oder verflüssigt (LH2) bei einer Temperatur von 253 C. Industriegase-Unternehmen fahren verflüssigten Wasserstoff in großen Tankwagen ähnlich wie Benzin oder Diesel sicher von der Verflüssigungsanlage zum Verbraucher. Wasserstoff-Tankstelle am Industriepark Höchst. Quelle: Zero Regio Wasserstoff-Tankstellen ermöglichen Mobilität Erste Wasserstofftankstellen sind in Frankfurt (mehr dazu auf Seite 26), Hamburg, Berlin, am Münchener Flughafen und Stuttgart in Betrieb genommen worden, um die Brennstoffzellen-Fahrzeuge mit Wasserstoff zu versorgen. In den Ballungsräumen der chemischen Industrie fällt Wasserstoff als Nebenprodukt der Chlor-Alkali-Elektrolyse an, der zunehmend zur Betankung von Fahrzeugen zur Verfügung steht. Um die Mobilität von Fahrzeugen mit Wasserstoff-Brennstoffzellen-Antrieb zu gewährleisten, muss dieses Netzwerk weiter ausgebaut werden. Die Tankstellen können entweder mit Tankwagen oder über Pipelines mit Wasserstoff-Nachschub versorgt werden. Quelle: Linde 24