Skip to main content
Registrieren
Springer Professional
SUCHE
MENÜ 1 2 3 4
nach oben

Tipp

Weitere Kapitel dieses Buchs durch Wischen aufrufen

Erschienen in:
Wasserstoff als strategischer Sekundärenergieträger Kapitel lesen Erstes Kapitel lesen

2017 | OriginalPaper | Buchkapitel

16. Wasserstoff – Schlüsselelement von Power-to-X

Buchbeitrag Springer „Wasserstoff“

verfasst von : Ulrich Bünger, Jan Michalski, Patrick Schmidt, Werner Weindorf

Erschienen in: Wasserstoff und Brennstoffzelle

Verlag: Springer Berlin Heidelberg

Einloggen, um Zugang zu erhalten
share
TEILEN

Zusammenfassung

Die globalen technischen Potenziale zur erneuerbaren Stromproduktion übertreffen bei weitem die heutige Energienachfrage. Die Gestehungskosten für erneuerbaren Strom sind in den vergangenen Jahren signifikant gesunken; weitere Kostendegressionen sowie steigende Wirtschaftlichkeit gegenüber fossiler Stromerzeugung sind zu erwarten. In einer nachhaltigen Welt mit 100 % erneuerbarer Energienutzung wird daher erneuerbarer Strom, insbesondere aus Wind- und Solarenergie, zur dominierenden Primärenergie. Aus erneuerbarem Strom erzeugte PtX-Kraftstoffe ermöglichen eine Energiewende im Verkehr auch bei Verkehrsmodi mit hohen Leistungs- und Energiebedarfen wie Flugzeug und Schiff. Mit Blick auf eine langfristig nahezu vollständige Dekarbonisierung der Ressourcen- und Energiebasis sind aus erneuerbarem Strom erzeugte PtX-Rohstoffe zukünftig auch in der Industrie (z. B. Stahl) und der Chemie (z. B. Basischemikalien) denkbar. Der Herstellung und Speicherung von PtX kommt dabei eine Schlüsselrolle für eine gelungene Integration der hierfür notwendigen sehr großen Mengen an (fluktuierendem) erneuerbaren Strom zu. Schnittstelle zwischen EE-Stromerzeugung und PtX-Herstellung ist dabei die Elektrolyse. Der wesentliche Beitrag dieses Kapitels besteht daher darin, die wichtigsten PtX-Pfade, nämlich Power-to-Hydrogen, Power-to-Methane und Power-to-Liquids hinsichtlich ihrer technologischen Komponenten, Anwendungen und Potenziale zu charakterisieren und die technisch-ökonomische Performance am Beispiel von PtX-Kraftstoffen im Pkw zu vergleichen. Auch systemische Aspekte von Wasserstoff als verbindendes Element zwischen den ausgewählten PtX-Pfaden werden näher beleuchtet.

Sie möchten Zugang zu diesem Inhalt erhalten? Dann informieren Sie sich jetzt über unsere Produkte:

Springer Professional "Wirtschaft+Technik"

Online-Abonnement

Mit Springer Professional "Wirtschaft+Technik" erhalten Sie Zugriff auf:

  • über 69.000 Bücher
  • über 500 Zeitschriften

aus folgenden Fachgebieten:

  • Automobil + Motoren
  • Bauwesen + Immobilien
  • Business IT + Informatik
  • Elektrotechnik + Elektronik
  • Energie + Nachhaltigkeit
  • Finance + Banking
  • Management + Führung
  • Marketing + Vertrieb
  • Maschinenbau + Werkstoffe
  • Versicherung + Risiko

Jetzt 90 Tage mit der neuen Mini-Lizenz testen!

Jetzt informieren

Springer Professional "Technik"

Online-Abonnement

Mit Springer Professional "Technik" erhalten Sie Zugriff auf:

  • über 50.000 Bücher
  • über 380 Zeitschriften

aus folgenden Fachgebieten:

  • Automobil + Motoren
  • Bauwesen + Immobilien
  • Business IT + Informatik
  • Elektrotechnik + Elektronik
  • Energie + Nachhaltigkeit
  • Maschinenbau + Werkstoffe



 


Jetzt 90 Tage mit der neuen Mini-Lizenz testen!

Jetzt informieren
Vorheriges Kapitel Wasserstoffspeicherung in Salzkavernen
Fußnoten
1
z. B. in hochintegrierten Prozessen der Stahlindustrie.
 
2
Urdorf, Schweiz: Druckspiel Röhrenspeicher [15].
 
3
Heute werden größere Mengen an CO2 in der Regel in flüssiger Form gespeichert. Ein CO2-Speicher ist erforderlich zur zeitlichen Entkopplung des Betriebs z. B. einer Biogasaufbereitungsanlage vom Betrieb der PtCH4-Anlage, wenn das CO2-Potenzial aus der konzentrierten CO2-Quelle möglichst vollständig ausgeschöpft werden soll.
 
4
ASTM D7566: Standard Specification for Aviation Turbine Fuel Containing Synthesized Hydrocarbons.
 
5
Der Wirkungsgrad von fossilen Kraftstoffen geht gegen Null, wenn man die Gesamtkette Solarenergie => Biomassebildung => Umwandlung zu Öl/Erdgas/Kohle über Jahrmillionen betrachtet.
 
6
Die für die Herstellung der Fahrzeuge benötigte Energie wurde dabei nicht berücksichtigt. Erste Untersuchungen dazu liegen bereits vor [47, 48], sind im Hinblick auf künftige Technologieentwicklungen jedoch mit großen Unsicherheiten behaftet.
 
7
Sonderfälle in der Flächenbetrachtung stellen biogene Rest- und Abfallstoffe oder PV-Anlagen an Wänden und auf Dächern dar. Auch diese haben Flächenbedarfe, die je nach Fragestellung und Betrachtungsweise jedoch als „eh da“ Flächen mit geringer Nutzungskonkurrenz angesehen werden können. Die technischen Verfügbarkeitspotenziale sind jedoch insbesondere bei biogenen Rest- und Abfallstoffen vergleichsweise gering gegenüber der heutigen Kraftstoffnachfrage im Verkehr.
 
8
Der Wirkungsgrad „Solar-zu-Biomasse“ ist bei der Fotosynthese typischerweise < 1 %. Biologische Prozesse laufen stabil, wenn sie hinreichend robust sind, d. h. nicht notwendigerweise effizient. Das liegt daran, dass Regelkreise mit hoher Effizienz typischerweise weniger robust sind, da das System dann näher an seinen Stabilitätsgrenzen operiert bzw. als Teil in einem größeren Systemzusammenhang sich ggf. seiner eigenen Grundlagen beraubt.
 
9
Zum Vergleich: Der Importpreis für Rohöl lag im März 2012 bei rund 125 US$ je Fass und im Jahresmittel 2012 rund 112 US$ je Fass. Bis 2015 hat sich dann der durchschnittliche Importpreis halbiert [55].
 
10
Die aber immer noch höher ist als beispielsweise von Wärmekraftwerken.
 
11
Keine Begünstigung von PtX-Anlagen als Energiespeicheranlagen; abgabenbehaftete Einstufung als Letztverbrauchereinrichtung; keine Modelle zur Anrechnung flexibel steigenden erneuerbaren Stromeinsatzes; etc.
 
Literatur
1.
WWF (ed.): The Energy Report – 100% renewable energy by 2050. Gland, Switzerland, January (2011)
2.
3.
Kost, C., Mayer, J. et al. (Fraunhofer ISE): Stromgestehungskosten Erneuerbare Energien. Freiburg, November (2013)
4.
Purr, K. et al. (Umweltbundesamt – UBA): Treibhausgasneutrales Deutschland im Jahr 2050. Climate Change 07, Dessau-Roßlau, April (2014)
5.
Bergk, F., Biemann, K., Heidt, C., Knörr, W., Lambrecht, U., Schmidt, T., Ickert, L.; Schmied, M., Schmidt, P., Weindorf, W.: Klimaschutzbeitrag des Verkehrs bis 2050; UBA (Hrsg.) Texte 56, Berlin (2016)
6.
Schmidt, P., Zittel, W., Weindorf, W., Raksha, T. (LBST): Renewables in Transport 2050 – Empowering a sustainable mobility future with zero emission fuels from renewable electricity – Europe and Germany. FVV-Report 1086 (2016)
7.
Schmidt, P., Weindorf, W., Roth, A., Batteiger, V., Riegel, F.: Power-to-Liquids – Potentials and Perspectives for the Future Supply of Renewable Aviation Fuel; Umweltbundesamt, Background // September 2016, ISSN: 2363-829X (2016)
8.
Purr, K., Osiek, D., Lange, M., Adlunger, K.: Integration von Power to Gas/Power to Liquid in den laufenden Transformationsprozess – Position. Umweltbundesamt, Dessau-Roßlau (2016)
9.
Stiller, C, Schmidt, P., Michalski, J., Wurster, R., Albrecht, U., Bünger, U., Altmann, M. (LBST): Potenziale der Wind-Wasserstoff-Technologie in der Freien und Hansestadt Hamburg und in Schleswig-Holstein. Report (2010)
10.
Albrecht, U., Altmann, M., Michalski, J., Raksha, T., Weindorf, W.: Analyse der Kosten erneuerbarer Gase – Eine Expertise für den Bundesverband Windenergie und den Fachverband Biogas. Ludwig-Bölkow-Systemtechnik GmbH (LBST), Ottobrun (2013)
11.
Noack, C., Burggraf, F., Hosseiny, S., Lettenmeier, P., Kolb, S., Belz, S., Kallo, J., Friedrich, A., Pregger, T., Cao, K. K., Heide, D., Naegler, T., Borggrefe, F., Bünger, U., Michalski, J., Raksha, T., Voglstätter, C., Smolinka, T., Crotogino, F., Donadei, S., Horvath, P.L., Schneider, G.S., Plan-DelyKaD – Studie über die Planung einer Demonstrationsanlage zur Wasserstoff-Kraftstoffgewinnung durch Elektrolyse mit Zwischenspeicherung in Salzkavernen unter Druck. Abschlussbericht, Stuttgart, 05.02.2015, doi: 10.​2314/​GBV:​824812212.
12.
13.
Project “HyUnder. Assessment of the potential, the actors and relevant business cases for large scale and seasonal storage of renewable electricity by hydrogen underground storage in Europe” (2014)
14.
Siemens AG: SILYZER 200 (PEM electrolysis system) – Sales slides (2015)
15.
16.
Bünger, U., Michalski, J., Crotogino, F., Kruck, O.: Large-scale underground storage of hydrogen for the grid integration of renewable energy and other applications. Chapter 7.1 Hydrogen and the need for energy storage in Europe. In: Hydrogen (Hrsg.), Handbook, M. Ball (2016)
17.
Landinger, H., Bünger, U., Raksha, T., Simón, J., Correas, L.: Benchmarking of large scale hydrogen underground storage with competing options. Teilbericht Nr. 2.1 der HyUnder-Studie “Assessment of the Potential, the Actors and Relevant Business Cases for Large Scale and Long Term Storage of Renewable Electricity by Hydrogen Underground Storage in Europe”, 8. August 2013.
18.
Bünger, U., Michalski, J., Weindorf, W., Raksha, T., Niehaus, Th., Walch, L.: Production pathways for hydrogen as a vehicle fuel based on renewable energy with the option of load management – A study for Energie Baden-Württemberg AG (EnBW), Präsentation anlässlich der World Hydrogen Energy Conference XVIX. Toronto, 6. Juni 2012.
19.
Etogas, Stuttgart, Germany: Product Data Sheet: ETOGAS Hydrogen-to-SNG turnkey system. Revision 1, (2014)
20.
Olshausen, C., Sunfire GmbH: Power-to-Gas & Power-to-Liquids: State of development & comparison (2013)
21.
Topsoe Fuel Cell A/S, H2 Logic A/S, RISØ DTU: planSOEC – R&D and commercialization roadmap for SOEC electrolysis – R&D of SOEC stacks with improved durability, project report, (2011)
22.
Becker, W.L., Braun, R.J., Penev, M., Melaina, M.: Production of FT liquid fuels from high temperature solid oxide co-electrolysis units; Elsevier. Energy 47, 99–115 (2012) CrossRef
23.
Mougin, J.; Reytier, M.; Di Iorio, S.; Chatroux, A.; Petitjean,M.; Cren, J.; Aicart, J.; De Saint Jean, M., Hydrogen Components and Systems Service CEA-LITEN, Grenoble, France: Stack performances in high temperature steam electrolysis and co-electrolysis. WHEC 2014, Gwangju, Korea (2014)
24.
Olshausen, C, Sunfire GmbH: Power-to-Liquids: Synthetic Hydrocarbons from CO 2, H 2O and Electricity. Kraftstoffe der Zukunft, Berlin, 14.02.2015.
25.
Sunfire GmbH, Dresden: Sunfire supplies Boeing with world’s largest commercial reversible electrolysis (RSOC) system. Press Release, 23.02.2016.
26.
Lehner, M., Institut für Verfahrenstechnik des industriellen Umweltschutzes, Montanuniversität Leoben, et al.: Carbon Capture and Utilization (CCU) – Verfahrenswege und deren Bewertung; 12. Symposium Energieinnovation, 15.-17.02.2012, TU Graz.
27.
Rieke, St., Etogas GmbH, Stuttgart: Power-to-Gas. Aktueller Stand; ReBio e.V. Fördervereinssitzung, Brakel (2013)
28.
Schmack, U., MicrobEnergy GmbH: Persönliche Kommunikation (2016)
29.
Energiewirtschaftsgesetz (EnWG); Bundesministeriums der Justiz.
30.
Richtlinie 2009/28/EG zur Förderung der Nutzung von Energie aus erneuerbaren Quellen und zur Änderung und anschließenden Aufhebung der Richtlinien 2001/77/EG und 2003/30/EG (engl.: EU Renewables Energy Directive – RED).
31.
DLR, IFEU, LBST, DBFZ: Power-to-Gas (PtG) im Verkehr: Aktueller Stand und Entwicklungsperspektiven; Studie im Rahmen der Wissenschaftlichen Begleitung der Mobilitäts- und Kraftstoffstrategie der Bundesregierung (MKS) im Auftrag des Bundesministeriums für Verkehr und digitale Infrastruktur (BMVI); AZ Z14/SeV/288.3/1179/UI40 (2014)
32.
Taniguchi, I.; Ioh, D.; Fujikawa, S.; Watanabe, T.; Matsukuma, Y.; Minemoto, M.: An alternative CO 2 capture by electrochemical method. Chemistry Letters, The Chemical Society of Japan (2014)
33.
Allam, R. et al.: Capture of CO 2. (2006)
34.
Socolow, R, et al., American Physical Society (APS): Direct air capture of CO 2 with chemicals – A technology assessment for the APS Panel on public affairs, 1 June 2011.
35.
Specht, M., Bandi, A.: Herstellung von flüssigen Kraftstoffen aus atmosphärischen Kohlendioxid; Forschungsverbund Sonnenergie, Themen 94/95, „Sonnenenergie – Chemische Speicherung und Nutzung“.
36.
Maun, A.: Optimierung von Verfahren zur Kohlenstoffdioxid-Absorption aus Kraftwerksrauchgasen mithilfe alkalischer Carbonatlösungen; Dissertation am Lehrstuhl für Umweltverfahrenstechnik und Anlagentechnik der Universität Duisburg-Essen (2013)
37.
Bergins, C., Hitachi Power Europe GmbH, Germany; Kikkawa, H., Babcock Hitachi K.K., Japan; Kobayashi, H., Hitachi Ltd., Japan; Kawasaki, T.; Hitachi Ltd., Japan; Wu, S., Hitachi Power Systems America, Ltd., USA: Technology Options for clean coal power generation with CO 2 capture. XXI World Energy Congress, Montreal, Canada, 12–16 (2010)
38.
Specht, M., Bandi, A., Elser, M., Staiss, F.: Comparison of CO 2 sources for the synthesis of renewable methanol; Advances in Chemical Conversions for Mitigating Carbon Dioxide, Studies in Surface Science and Catalysis, Bd. 114. Elsevier Science B.V., New York (1998)
39.
Specht, M., Zentrum für Sonnenenergie- und Wasserstoff-Forschung (ZSW), Stuttgart; personal communication (mail) to Weindorf, W. (LBST). 28 April 1999.
40.
41.
Eisaman, M.D., Palo Alto Research Center (PARC) California, USA; Alvarado, L.; Larner, D.; Wang, P.; Garg, B.; Littau, K.A.: CO 2 separation using bipolar membrane electrodialysis; Energy Environ. Sci., (2010)
42.
43.
44.
Fasihi, M., Bogdanov, D., Breyer, C.: Techno-economic Assessment of Power-to-Liquids (PTL) Fuels Production and Global Trading based on Hybrid PV-Wind Power Plants. 10 th IRES, Düsseldorf, Germany (2016)
45.
Climeworks AG, personal communication (phone) to Werner Weindorf (LBST), 28.07.2015.
46.
Zerta, M., Zittel, W., Schindler, J., Yanagihara, H.: Aufbruch – unser Energiesystem im Wandel: Der veränderte Rahmen für die kommenden Jahrzehnte. ISBN-10: 3898796051, FinanzBuch Verlag (2010)
47.
Gauch, M., Widmer, R., Notter, D., Stamp, A., Althaus, H.J., Wäger, P.: Life Cycle Assessment LCA of Li-Ion batteries for electric vehicle (2009)
48.
Dunn, J.B., Burnham, A., Wang, M., Elgowainy, A., Gaines, L., Jungmeier, G.: A step-by-step examination of electric vehicle life cycle analysis. Presentation at LCA XIII, Orlando, Florida/USA (2013)
49.
European Commission, Joint Research Centre (JRC), Institute for Energy and Transport: Bioenergy and Water; Report EUR 26160 EN – 2013; ISBN 978–92-79-33187-9 (pdf).
50.
Jungbluth, N., Frischknecht, U., Faist-Emmenegger, M., Steiner, R., Tuchschmid, M.: Life Cycle Assessment of BTL-fuel production: Life Cycle Impact Assessment and Interpretation. Uster, Switzerland (2007)
51.
ANL, NREL, PNNL: Renewable Diesel from Algal Lipids: An Integrated Baseline for Cost, Emissions, and Resource Potential from a Harmonized Model; Technical Report prepared for the U.S. DOE Biomass Program (2012)
52.
Schmidt, P., Weindorf, W. (LBST), Vanhoudt, W., Barth, F. (Hinicio), et al.: Power-to-gas – Short term and long term opportunities to leverage synergies between the electricity and transport sectors through power-to-hydrogen; Munich/Brussels, 19 February 2016.
53.
Dodds, P.E., Demoullin, St: Conversion of the UK gas system to transport hydrogen. Int. J. Hydrog. Energy 38, 7189–7200 (2013) CrossRef
54.
European Commission (EC): Horizon 2020 – Work Programme 2014–2015 – General Annexes: G. Technology readiness levels (TRL). Brussels, 23 July 2014.
55.
OECD/IEA: Monthly Oil Price Statistics (2016)
56.
IRENA: The Power to Change: Solar and Wind Cost Reduction Potential to 2025 (2016)
57.
Michalski, J.: The Role of Energy Storage Technologies for the Integration of Renewable Electricity into the German Energy System. Dissertation, Technische Universität München, Dezember (2016)
58.
Michalski, J., Bünger, U., Crotogino, F., Schneider, G.-S., Donadei, S., Pregger, T., Cao, K.-K., Heide, D.: Hydrogen generation by electrolysis and storage in salt caverns: potentials, economics and systems aspects with regard to the German energy transition. Int. J. Hydrog. Energy 42(19), 13427–13443 (2017)
59.
Michalski, J.: Investment decisions in imperfect power markets with hydrogen storage and large share of intermittent electricity. Int. J. Hydrog. Energy 42(19), 13368–13381 (2017)
60.
Schmidt, P. (LBST): Power-to-Liquids hebt ab – Startpunkt für die Energiewende im Luftverkehr. Hzwei 1, 36–37 (2017)
61.
Zschocke, A. (Lufthansa), Scheuermann, S., Ortner, S. (WIWeB): High Biofuel Blends in Aviation (HBBA) – Final Report; (2017)
62.
Schmidt, P., Raksha, T. (LBST), Jöhrens, J., Lambrecht, U. (IFEU), Gerhardt, N., Jentsch, M. (IWES): Analyse von Herausforderungen und Synergiepotenzialen beim Zusammenspiel von Verkehrs- und Stromsektor; Studie für das BMVI im Rahmen der Mobilitäts- und Kraftstoffstrategie der Bundesregierung (MKS) (2016)
63.
Schmidt, P., Weindorf, W. (LBST), Siegemund, S. (dena): E-Fuels Study – The potential of electricity based fuels for low emission transport in the EU; Studie im Auftrag des VDA, München/Berlin (in Erarbeitung) (2017)
Metadaten
Titel
Wasserstoff – Schlüsselelement von Power-to-X
verfasst von
Ulrich Bünger
Jan Michalski
Patrick Schmidt
Werner Weindorf
Copyright-Jahr
2017
Verlag
Springer Berlin Heidelberg
Buch
Wasserstoff und Brennstoffzelle

Print ISBN: 978-3-662-53359-8

Electronic ISBN: 978-3-662-53360-4

Copyright-Jahr: 2017

DOI
https://doi.org/10.1007/978-3-662-53360-4_16