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Über dieses Buch

Das Buch behandelt das Thema Wasserstoff als wichtigen Sekundärenergieträger für erneuerbare Primärenergien. Es gibt einen Überblick über den Stand der Technik und das Entwicklungs- und Marktpotential in den Bereichen Energietechnik, mobile, stationäre und portable Anwendung, unterbrechungsfreie Stromversorgung sowie chemische Industrie. Die Autoren sind Wissenschaftler und erfahrene Praktiker. Angesprochen werden insbesondere Ingenieure, Chemiker, Betriebswirte, ebenso Studenten und Wissenschaftler.Drei Jahre nach Erscheinen der 1. Auflage liegt jetzt die 2. Auflage vor, in der alle Kapitel je nach Entwicklungstand aktualisiert wurden. Darüber hinaus wurden zwei Kapitel hinzugefügt: Wasserstoffspeicherung in Salzkavernen sowie Wasserstoff - Schlüsselelement von Power-to-X, deren Inhalte zwischenzeitlich an Bedeutung sehr gewonnen haben.

Inhaltsverzeichnis

Frontmatter

Kapitel 1. Wasserstoff als strategischer Sekundärenergieträger

Zusammenfassung
Wasserstoff ist schon heute ein wichtiger Grundstoff in der chemischen Industrie. In Zukunft kann Wasserstoff zu einem bedeutenden Energieträger in einer nachhaltigen Energiewirtschaft werden. Nach einer allgemeinen Einführung in die Eigenschaften, die Erzeugungs- und Verteilungspfade, diskutiert der Artikel die möglichen Entwicklungspfade des Wasserstoffs. Dabei steht Wasserstoff nicht ohne Konkurrenten da. Wird Strom in Zukunft die Endenergie beherrschen oder benötigen insbesondere mobile Anwendungen und saisonale Speicher Wasserstoff als Energieträger? Der Aufbau einer neuer Infrastruktur ist aufwendig und gelingt nur mit den richtigen Rahmenbedingungen. Für Wasserstoff werden dabei die nachhaltige Mobilität, der Ausbau erneuerbarer Energien und die Bemühungen zur Reduktion von Treibhausgasemissionen wesentliche Faktoren bilden. Dass der Aufbau einer Wasserstoffinfrastruktur gelingen kann, wurde schon an einigen industriellen Zentren erfolgreich unter Beweis gestellt.
Thomas Hamacher

Kapitel 2. Rolle des Wasserstoffs bei der großtechnischen Energiespeicherung im Stromsystem

Zusammenfassung
Elektrische Energie wird in Industrieländern wie Deutschland noch überwiegend in Großkraftwerken und zunehmend auch in dezentralen kleineren Anlagen erzeugt und über ein Verbundnetz an die Verbraucher verteilt. Das Stromnetz führt dabei zu einer Vergleichmäßigung der Last und einer erhöhten Versorgungssicherheit. Es besitzt jedoch keine Speicherwirkung, wie es beispielsweise im Gasnetz der Fall ist. Folglich muss elektrischer Strom praktisch immer zum Zeitpunkt des Verbrauchs erzeugt werden.
Philipp Kuhn, Maximilian Kühne, Christian Heilek

Kapitel 3. Sicherheit in der Anwendung von Wasserstoff

Zusammenfassung
Wasserstoff ist ein Gefahrstoff. Er ist brennbar. Bei seinem Einsatz müssen die einschlägigen Sicherheitsvorkehrungen beachtet werden, die sich aus dem Stand der Technik und dem anzuwendenden Regelwerk ergeben. Grundsätzlich sind die vom Wasserstoff ausgehenden Gefahren beherrschbar und nicht größer als die von anderen Energieträgern ausgehenden. Vom Standpunkt der Sicherheit aus spricht nichts gegen seinen allgemeinen Einsatz als Energieträger.
Ulrich Schmidtchen, Reinhold Wurster

Kapitel 4. Mobile Anwendungen

Zusammenfassung
Der schonende Umgang mit Energieressourcen und die Reduktion von Schadstoffemissionen einschließlich Treibhausgasen sind nicht nur weltweit erwünscht, sondern wegen zunehmend schärferer gesetzlicher Vorgaben eine absolute Notwendigkeit. Das gilt sowohl für stationäre und portable Anwendungen als auch in Transport und Verkehr. Mittlerweile ist weltweit eine kontinuierlich schärfer werdende CO2-Gesetzgebung zu beobachten. Die Marktvorbereitung zur Einführung von Brennstoffzellenfahrzeugen auf der Straße muss synergetisch mit allen in die Thematik involvierten Gruppen (Automobilfirmen, Energie- und Ölfirmen, Infrastrukturunternehmen, Behörden und Regierungen) im Sinne einer Public-Private-Partnership erfolgen. Ein Wasserstoff-Brennstoffzellenfahrzeug hat nicht nur den Vorteil der lokalen CO2 Nullemissionen – sondern auch keine bzw. sehr geringe CO2-Emissionen bei der Herstellung des Treibstoffs. Die Brennstoffzellentechnologie wird analysiert und deren Anwendungsmöglichkeiten in Fahrzeugen diskutiert.
Christian Mohrdieck, Massimo Venturi, Katrin Breitrück

Kapitel 5. Wasserstoff und Brennstoffzelle – mobile Anwendung in der Luftfahrt

„Wasserstoff als Energieträger“
Zusammenfassung
Die Verwendung von Wasserstoff als Treibstoff für den Antrieb großer kommerzieller Passagierflugzeuge mit Turbotriebwerken als Antrieb hat den Vorteil, dass Wasserstoff verglichen mit Kerosin etwa den 3fachen Energiegehalt pro Gewichtseinheit beinhaltet. Allerdings muss man selbst in seinem tiefkalten flüssigen Zustand mit dem 4 fachen Volumen rechnen. Zusätzliche Tankgewichte für die Unterbringung des kryogenen Wasserstoffs heben den Gewichtsvorteil zum Teil wieder auf. Andere Anwendungen in Verbindung mit Brennstoffzellentechnologie als Energiewandler erzielen höhere Wirkungsgrade. Diese Konfiguration befindet zurzeit als Antrieb kleinerer elektrisch angetriebenen Flugzeuge und Bordgeneratoren im Versuchsstadium. Im Falle einer Verwendung als Bordenergieversorger in großen Verkehrsflugzeugen bietet es sich an, auch Nebenprodukte, wie Reaktionswärme, Prozesswasser und die sauerstoffarme Abluft, zu nutzen.
Andreas Westenberger

Kapitel 6. Brennstoffzellen in der Hausenergieversorgung

Zusammenfassung
Durch die gleichzeitige Erzeugung von elektrischem Strom und Wärme (Kraft-Wärme-Kopplung) aus Erdgas lässt sich die Primärenergieeffizienz von Häusern steigern. Brennstoffzellen-Heizgeräte sind Hoffnungsträger für die Kraft-Wärme-Kopplung im Haus aufgrund ihrer inhärenten Vorteile, wie z. B. hoher elektrischer Wirkungsgrad und schadstoffarme Energiewandlung sowie geräuscharmer Betrieb. Darüber hinaus lassen sich mit erdgasbasierten Brennstoffzellen-Heizgeräten die Kohlendioxid-, Stickoxid- und Schwefeldioxid-Emissionen signifikant senken. Der erforderliche Wasserstoff wird aus Erdgas mit verschiedenen Methoden der chemischen Verfahrenstechnik in Brennstoffzellen-Heizgeräten erzeugt, weil eine entsprechende Wasserstoffinfrastruktur in Gebäuden derzeit fehlt. Langfristig kann darauf verzichtet werden, wenn eine entsprechende Wasserstoffversorgung im Haus verfügbar wird. Aktuell liegt der Fokus bei der Entwicklung von erdgasbasierten Brennstoffzellen-Heizgeräten auf deren Integration ins Ein- und Mehrfamilienhaus sowie auf der Senkung der Kosten und dem Nachweis der Langzeitstabilität. Beides wird derzeit in großen nationalen und europäischen Demonstrationsvorhaben untersucht und vorangetrieben.
Thomas Badenhop, Marc Schellen

Kapitel 7. Ersatzstromversorgung

Zusammenfassung
Alle Bereiche unserer Gesellschaft sind mehr oder weniger abhängig von einer zuverlässigen Stromversorgung. Manche Einrichtungen sind dabei so wichtig bzw. funktionskritisch, dass Stromausfälle entweder Gefahren für Leib und Leben oder große wirtschaftliche Schäden nach sich ziehen können. Solche Einrichtungen werden häufig als kritische Infrastrukturen bezeichnet.
Hartmut Paul, Christian Leu

Kapitel 8. Sicherheitsrelevante Anwendung

Zusammenfassung
Brennstoffzellen sind nicht nur effiziente Energiewandler, sondern auch Erzeuger von sauerstoffarmer Luft zum präventiven Brandschutz.
Lars Frahm

Kapitel 9. Portable Brennstoffzellen

Zusammenfassung
Portable Brennstoffzellen werden derzeit für netzferne Anwendungen entwickelt, erste Märkte mit nennenswerten Stückzahlen sind für die Direktmethanol-Brennstoffzelle für militärischen Einsatz und im Freizeitbereich entstanden im Leistungsbereich bis einige 100 W. Mit Wasserstoff betriebene portable Brennstoffzellen können wegen fehlender Verfügbarkeit des Energieträgers derzeit noch nicht Fuß fassen, verschiedenste Speicheroptionen werden dafür evaluiert. Für spezielle Anwendungen entwickelte Mikrobrennstoffzellen sind eine interessante Option zu Batterien, wenn über lange Zeit ein autarker Betrieb gefordert ist, so dass auch hier weitere Entwicklungsarbeiten zum Erfolg führen können.
Angelika Heinzel, Jens Wartmann

Kapitel 10. Industrielle Produktion und Nutzung von konventionellem, CO2-armem und grünem Wasserstoff

Zusammenfassung
Wasserstoff wird heute vorwiegend aus Kohlenwasserstoffen erzeugt und weltweit als Grundstoff in einer Vielzahl von chemischen Prozessen in der Industrie eingesetzt. Derzeit erlangt Wasserstoff eine zunehmend größere „sichtbare“ Bedeutung als sauberer Energieträger und Mobilitätskraftstoff und nicht zuletzt als wesentliches Bindeglied für die sogenannte „Sektorkopplung“. Vor diesem Hintergrund spielt vor allem die Erzeugung aus erneuerbaren Energien sowie die CO2-arme Erzeugung aus fossilen Energien eine große Rolle. Es erscheint plausibel, dass diese Diversifikation auch Rückwirkungen auf den bestehenden Industriegasmarkt haben wird; insbesondere die Nutzung von CO2-arm hergestelltem Wasserstoff in der Industrie, die den „Product Carbon Footprint“ von industriellen Produkten verringert. Das Kapitel beschreibt den heutigen Stand der Nutzung von Wasserstoff in der Industrie, erörtert die Potenziale und Hindernisse der ergänzenden Nutzung von CO2-arm erzeugten und erneuerbarem Wasserstoff und leitet daraus den Handlungsbedarf für die verstärkte Einführung dieser Nutzung ab.
Christoph Stiller, Markus C. Weikl

Kapitel 11. Elektrolyse-Verfahren

Zusammenfassung
Wasserstoff ist ein Energiespeicher mit Potential und vielfältigen Anwendungsmöglichkeiten in der Wertschöpfungskette. Der Elektrolyseur als Wasserstofferzeuger ist nicht nur eine zuverlässige, flexible und vielfach eingesetzte Anlage, sondern dient dem Ausgleich der zukünftig weiter steigenden Volatiliät unserer Stromversorgung. Technik, Infrastruktur und Regelwerk sind vorhanden und erlauben bereits heute den Bau und Betrieb von Anlagen zur Speicherung großer Energiemengen in Form von Wasserstoff oder synthetischen Methan. Das Kapitel gibt eine Übersicht über die relevanten Verfahren der Elektrolyse, die elektrochemischen Grundlagen und die jeweiligen Anwendungsgebiete. Der aktuelle Stand der Technik sowie neue Entwicklungen und Marktperspektiven werden dargestellt.
Bernd Pitschak, Jürgen Mergel, Martin Müller

Kapitel 12. Die Entwicklung von Großelektrolyse-Systemen: Notwendigkeit und Herangehensweise

Zusammenfassung
Um die ambitionierten Ziele zur Reduktion des Kohlendioxid-Ausstosses zu erreichen, ist der Ausbau von Stromerzeugung aus regenerativen Energiequellen wie Windkraft und Photovoltaik ein wesentlicher Hebel. Da diese Energieträger sehr volatil sind, werden auch Systeme benötigt, die Stabilität innnerhalb der Stromnetze sichern und darüber hinaus Erzeugungsüberschüsse und Versorgungsengpässe vermeiden helfen. Groß-Elektrolyseure wandeln mittels regenerativem Strom Wasser in Wasserstoff um und sorgen dafür, dass große Energiemengen im Terawatt-Bereich für lange Zeiträume speicherbar werden. Solche Elektrolyse-Systeme haben eine Leistung von 50 MW und mehr und sind technisch in der Lage, in diesem hochdynamischen Umfeld hocheffizient zu arbeiten. Siemens treibt die Hochskalierung und den Bau solcher Systeme voran.
Fred Farchmin

Kapitel 13. Kosten der Wasserstoffbereitstellung in Versorgungssystemen auf Basis erneuerbarer Energien

Zusammenfassung
Als Speichermedium für Energie aus erneuerbaren Quellen eröffnet Wasserstoff eine effiziente Perspektive zur Nutzbarmachung überschüssiger Stromproduktion. Zusätzlich kann die Verwendung dieses Wasserstoffs im Kraftstoffmarkt zur Reduzierung von Treibhausgasemissionen und Importabhängigkeiten substantiell beitragen. Der Einsatz von Brennstoffzellen im Kraftfahrzeugbereich hat insbesondere aufgrund der großen Reichweitenvorteile ein hohes Potenzial auf dem Markt für E-Mobilität. Damit die Anwendung dieser Wasserstofftechnologien möglich wird, müssen noch wesentliche Schritte getan werden, die hinsichtlich der Kostendimensionen der zukünftigen Wasserstoffnutzung im dann vorhandenen Versorgungssystem abzuschätzen sind. In der Vergangenheit sind Wasserstoffbereitstellungspfade für Verkehrsanwendungen bereits intensiv analysiert und diskutiert worden. Fortschritte bei der Entwicklung der benötigten Anwendungstechnologien aber auch veränderte energiestrategische Randbedingungen motivieren zu der nachfolgenden Analyse und Bewertung. Deren Ausgangsbasis bilden aktuell verfügbare Studienergebnisse, die sich schwerpunktmäßig mit der Nutzung überschüssiger Stromproduktionen aus erneuerbaren Energien beschäftigen.
Thomas Grube, Martin Robinius, Detlef Stolten

Kapitel 14. Polymerelektrolytmembran-Brennstoffzellen (PEFC) Stand und Perspektiven

Zusammenfassung
Polymer Elektrolytmembran Brennstoffzellen (PEFC) sind vielseitig anwendbare Stromerzeuger zum Beispiel für Fahrzeuge wie PKW und Busse, Flurförderzeuge, netzunabhängige und unterbrechungsfreie Stromversorgungen sowie für die Kraft-Wärme-Kopplung. In diesem Kapitel wird eine kurze Einführung zur grundlegenden Arbeitsweise von PEFC, sowie zu den verwendeten Materialien und Komponenten gegeben.
Ludwig Jörissen, Jürgen Garche

Kapitel 15. Wasserstoffspeicherung in Salzkavernen

Zusammenfassung
Wasserstoff ist ein Medium, das aufgrund seiner Erzeugbarkeit allein mit Strom aus Wasser immer wieder das Interesse der Energiewirtschaft weckt. Eine wichtige Komponente auf einem Wasserstoffpfad ist – neben den Einheiten für Erzeugung, Transport und Nutzung – der Speicher. In Abhängigkeit des Einsatzes werden verschiedene Anforderungen an dessen Leistungsfähigkeit gestellt.
Sabine Donadei, Gregor-Sönke Schneider

Kapitel 16. Wasserstoff – Schlüsselelement von Power-to-X

Buchbeitrag Springer „Wasserstoff“
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.
Ulrich Bünger, Jan Michalski, Patrick Schmidt, Werner Weindorf
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