Wasserstoff und Brennstoffzelle

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 Langfristspeicher 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.

Um die nationalen und internationalen Klimaschutzziele zu erreichen und die Abhängigkeit von fossilen Brennstoffen zu reduzieren, wird der Ausbau der erneuerbaren Energien in Zukunft noch weiter verstärkt werden. Diese Zielsetzung wird die Integration hoher Anteile angebotsabhängiger Erzeugung und deshalb eine Flexibilisierung des Stromsystems zwingend erfordern. Für die Nutzung der überschüssigen Energiemengen ist dann ein zeitlicher Ausgleich von Erzeugung und Verbrauch notwendig, welcher durch erzeugerseitige, großtechnische Energiespeicherung, aber auch durch Lastmanagement bzw. zusätzliche variable Lasten erreicht werden kann. Die Erzeugung von Wasserstoff mit Hilfe der Elektrolyse bietet sich dabei als neue Möglichkeit für eine zusätzliche variable Last im Stromsystem an. Zu Zeitpunkten mit überschüssigem Stromangebot aus erneuerbaren Energien könnten Elektrolyseure den speicherfähigen und vielseitig einsetzbaren Energieträger Wasserstoff erzeugen. Mit Hilfe des Modells IMAKUS, das eine Optimierung des Einsatzes und Ausbaus von konventionellen Kraftwerken und Speichern für das deutsche Stromsystem erlaubt, wird die Frage erörtert, inwieweit der angestrebte Ausbau der Stromerzeugung aus erneuerbaren Energien und die damit strukturell verbundenen Integrationsanforderungen den Ausbau großtechnischer Speicher sowie die elektrolytische Erzeugung von Wasserstoff wirtschaftlich ermöglichen könnten. Der Verkauf des Wasserstoffs an andere Anwendungsbereiche konkurriert dabei mit einer möglichen Nutzung innerhalb des Stromsystems als Speichermedium. In einer Sensitivitätsanalyse werden die Elektrolyseurkosten und der am Markt erzielbare Wasserstoffpreis variiert. Anhand dieser Untersuchung werden die wesentlichen Treiber für das Potential elektrolytisch erzeugten Wasserstoffs bis zum Jahr 2050 abgeleitet. Der Verkauf des Wasserstoffs zeigt unter den getroffenen Annahmen saisonales Verhalten, was mit der ebenfalls stark saisonal geprägten Windstromeinspeisung korreliert. Die Kostenannahmen für die Elektrolyseanlagen wirken sich stark auf das Volumen der Wasserstoffnutzung aus, verschieben jedoch nur in geringem Maße das Verhältnis zwischen Rückverstromung und Verkauf des erzeugten Wasserstoffs. Des Weiteren legen die Untersuchungen nahe, dass die heute in Deutschland jährlich genutzte Menge Wasserstoff im Rahmen der Integration erneuerbarer Energien in das Stromsystem auch durch Elektrolyse bereitgestellt werden könnte.

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.

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.

Die Verwendung von Wasserstoff als Treibstoff für den Antrieb großer kommerzieller Passagierflugzeuge 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 zu 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.

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. Im Falle der Schwefeldioxidemissionen sogar auf null. Der erforderliche Wasserstoff wird aus Erdgas mit verschiedenen Methoden der chemischen Verfahrenstechnik insitu erzeugt, weil eine entsprechende Wasserstoffinfrastruktur in Gebäuden derzeit fehlt. Langfristig kann auf diese Verfahrenstechniken, wie z.B. Reformer und Entschwefelung verzichtet werden, wenn eine entsprechende Wasserstoffversorgung im Haus verfügbar ist. Durch den Wegfall dieser Komponenten ließen sich langfristig Betriebs- und Systemkosten reduzieren. Aktuell liegt der Fokus bei der Entwicklung von erdgasbasierten Brennstoffzellen-Heizgeräten auf der Senkung der Kosten und dem Nachweis der Langzeitstabilität. Beides soll in großen nationalen und europäischen Demonstrationsvorhaben nachgewiesenen werden. Daher ist es nicht mehr die Frage, ob Brennstoffzellen-Heizgeräte marktfähig werden, sondern die Frage lautet nunmehr, wann Brennstoffzellen-Heizgeräte marktfähig werden.

In unserer hochtechnisierten Umwelt ist die sichere Versorgung mit Energie ein Kernthema. Besonders die auf eine unterbrechungsfreie Spannungsversorgung angewiesene IT- und Kommunikationstechnologie ist für Abwicklung von Prozessen, Abläufen, und Geschäftsvorgängen nicht mehr wegzudenken. Daher werden solche kritischen Infrastrukturen oft mit einer unterbrechungsfreien Stromversorgung ausgestattet, die bereits heute durch Brennstoffzellentechnologien realisiert werden kann.

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

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 sich auch hier weitere Entwicklungsarbeiten zum Erfolg führen können.

Wasserstoff wird heute vorwiegend aus Kohlenwasserstoffen erzeugt und weltweit als Grundstoff in einer Vielzahl von chemischen Prozessen in der Industrie eingesetzt. Es wird erwartet, dass Wasserstoff zukünftig auch eine große Bedeutung als sauberer Energieträger und Mobilitätskraftstoff erlangen wird, da er treibhausgasneutral verwendet werden kann, sich aus vielen Primärenergieträgern herstellen lässt, sich speichern und transportieren lässt und, nicht zuletzt, da er in Brennstoffzellen verstromt werden kann. Vor diesem Hintergrund spielt vor allem seine Erzeugung aus erneuerbaren Energien eine große Rolle. Es erscheint plausibel, dass diese zukünftige Diversifikation auch Rückwirkungen auf den bestehenden Industriegasmarkt haben wird; insbesondere die Nutzung von „grünem“ 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 „grünem“ Wasserstoff und leitet daraus den Handlungsbedarf für die Einführung von "grünem" Wasserstoff in der Industrie ab.

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.

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 Megawatt 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.

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.

Brennstoffzellen sind Stromquellen, in denen Strom durch räumlich getrennte elektrochemische Reaktionen, nämlich der anodischen Oxidation eines Brennstoffs (z. B. Wasserstoff) und der kathodischen Reduktion eines Oxidationsmittels (z. B. Luftsauerstoff) erzeugt wird. Die bei diesen Prozessen umgesetzten Elektronen und Ionen werden auf getrennten Pfaden geführt. Im Fall von Polymerelektrolyt Membran Brennstoffzellen (PEFC) werden die Ionen (in der Regel Protonen) in einer gewöhnlich aus einem Ionenaustauschpolymer oder einer mit ionisch leitfähigen, hochsiedenden Flüssigkeiten getränkten Matrixpolyme bestehenden Membran transportiert. Im folgenden Beitrag werden Materialaspekte und Konstruktionsprinzipien von PEFC beschrieben.