Wasserstofftechnologien

Inhaltsverzeichnis

1. Frontmatter

2. 1. Der Stoff, aus dem die Zukunft ist

   Reimund Neugebauer

3. 2. In der Wasserstoffwirtschaft liegen viele Chancen

   Simon Harst, Bernhard Aßmus, Angelika Hackner, Anja Haslinger

4. 3. Potenziale einer Wasserstoffwirtschaft aus wirtschaftlicher und gesellschaftlicher Perspektive

   Martin Wietschel, Elisabeth Dütschke, Marius Neuwirth, Aline Scherrer, Lin Zheng, Norman Gerhardt, Sebastian Herkel, Matthias Jahn, Aleksandar Lozanovski, Benjamin Pfluger, Natalia Pieton, Mario Ragwitz, Frieder Schnabel

5. 4. Einsatz von Wasserstofftechnologien im Energiesystem

   Jochen Bard, Norman Gerhardt, Marie Plaisir, Ramona Schröer, Anne Held, Hans-Martin Henning, Christoph Kost, Benjamin Pfluger, Mario Ragwitz, Andreas Reuter

6. 5. Einsatz von Wasserstofftechnologien in der Industrie

   Matthias Jahn, Gregor Herz, Görge Deerberg, Christoph Glasner, Axel Kraft, Andreas Menne, Torsten Müller, Ulrich Seifert, Esther Stahl, Marcus Tümmler, Klemens Ilse, Uwe Spohn, Sylvia Schattauer

7. 6. Einsatz von Wasserstofftechnologien in Mobilität und Transport

   Stefan Bürger, Felix Horch, Johannes Geiling, Richard Öchsner, Gunther Kolb, Ulf Groos, Malte Semmel, Achim Schaadt, Jonathan Köhler

8. 7. Einsatz von Wasserstofftechnologien in Gebäuden

   Sebastian Herkel, Robert Meyer, Norman Gerhardt

9. 8. Wasserstoffinfrastrukturen – Netze und Speicher

   Ulrike Herrmann, Natalia Pieton, Benjamin Pfluger, Katharina Alms, Tanja Manuela Kneiske, Christopher Voglstätter, Bernhard Klaaßen, Robert Burlacu, Alexander Martin, Björn Ole Gerloff

10. 9. Wasserstofferzeugung durch Elektrolyse und weitere Verfahren

    Sebastian Metz, Tom Smolinka, Christian I. Bernäcker, Stefan Loos, Thomas Rauscher, Lars Röntzsch, Michael Arnold, Arno L. Görne, Matthias Jahn, Michails Kusnezoff, Gunther Kolb, Ulf-Peter Apfel, Christian Doetsch

11. 10. Brennstoffzellen-Technologien

    Ulf Groos, Carsten Cremers, Laura Nousch, Christoph Baumgärtner

12. 11. Produktion der PEM-Systeme, Hochskalierung, Rollout-Konzept

    Ulrike Beyer, Sebastian Porstmann, Christoph Baum, Clemens Müller

13. 12. Standardisierung, Tests und Zertifizierung

    Klemens Ilse, Fabian Pascher, Sylvia Schattauer, Jan Wenske, Andreas Reuter, Sebastian Schmidt, Herman Hilse, Welf-Guntram Drossel

    Zusammenfassung

    Normen, Standards und Zertifizierungsprozesse gehören zu unserer Wirtschafts‐ und Rechtsordnung und sind Grundlage für wichtige Bereiche wie beispielsweise den Arbeits‐ und Umweltschutz. Sie ermöglichen Systemfähigkeit, sichern Qualität und Kompatibilität, schaffen Transparenz und schützen Verbraucher. Darüber hinaus sind sie ein entscheidender Faktor für den Wissens‐ und Technologietransfer. In einer Vielzahl von Branchen, etwa dem Maschinen‐ und Anlagenbau oder der Energietechnik, ist Deutschland im Bereich der Normung und Standardisierung Vorreiter und wesentlicher Treiber. Es gibt auch zahlreiche nationale und internationale Aktivitäten zur Standardisierung von Wasserstofftechnologien. Der Beitrag gibt einen Überblick über bereits existierenden Normen aus verschiedenen Bereichen, die für die Wasserstofftechnologien relevant sind, und ermöglicht damit auch einen Eindruck von der Vielschichtigkeit dieses Technologiebereichs.

14. 13. Unfallsicherheit und Lebensdauer – Materialien

    Christian Elsässer, Thorsten Michler, Peter Gumbsch

    Zusammenfassung

    Damit die Wasserstoffwirtschaft von der Gesellschaft akzeptiert wird, dürfen von der Infrastruktur technischer Anlagen zur Speicherung, Verteilung und Verwendung von Wasserstoff als Energieträger keine Sicherheitsrisiken und Unfallgefahren ausgehen. Wirtschaftlichkeitsbetrachtungen verlangen für die Anlagen eine hohe Betriebssicherheit und eine lange Lebensdauer. Im Betrieb der Anlagen treten aufgrund mechanischer, thermischer, chemischer oder elektromagnetischer Lasten vielerlei H₂‐spezifische lokale Werkstoffveränderungen auf. Diese beeinflussen die Sicherheit, Funktion, Zuverlässigkeit und Lebensdauer der Anlagen nur dann negativ, wenn Schwachstellen nicht bereits in den Auslegungskonzepten berücksichtigt und durch systematisches Monitoring von Zustands‐ und Prozessdaten im Anlagenbetrieb kontrolliert oder durch passende Werkstoffauswahl im Anlagenbau vermieden werden. Tatsächlich steckt für eine sichere Infrastruktur einer am Energiemarkt zukunftsfähigen Wasserstoffwirtschaft noch ein großes Optimierungspotenzial in Auslegungskonzepten für Anlagen mit qualifizierten Werkstoffen, die zum Energieträger Wasserstoff passen. Fraunhofer ergreift hierzu im Rahmen der Nationalen Wasserstoffstrategie in Deutschland bei Technologieplattformen und in Verbundprojekten die Initiative.

    In diesem Kapitel wird die Wechselwirkung von Wasserstoff mit Werkstoffen skizziert und deren Bedeutung für die Unfallsicherheit und Lebensdauer von technischen Anlagen einer Wasserstoffinfrastruktur illustriert.

15. 14. Sensorik und Sicherheit

    Carolin Pannek, Armin Lambrecht, Jürgen Wöllenstein, Karsten Buse, Armin Keßler, Ralf Tschuncky, Patrick Jäckel, Steven Quirin, Steven Oeckl, Sargon Youssef, Hans-Georg Herrmann

    Zusammenfassung

    Die wichtigste Voraussetzung für eine erfolgreiche Wasserstoffwirtschaft ist, dass von dieser Technologie keine Gefahren ausgehen. Eine zentrale Rolle zur Gewährleistung der Sicherheit nimmt die Sensorik ein. Mit der verfügbaren Sensorik zur zerstörungsfreien Prüfung ist ein Monitoring der Strukturintegrität realisierbar. Wasserstoffleckagen können mit etablierten Sensorkonzepten erkannt werden. Die verfügbaren technischen Lösungen sind jedoch oft nur eingeschränkt nutzbar oder aufwändig. Die vorgestellten Forschungs‐ und Entwicklungsarbeiten zur Sensorik zeigen, wie die bestehenden Einschränkungen verringert und perspektivisch aufgehoben werden können.

16. 15. Digitalisierung und Simulation von Wasserstofftechnologien

    Sylvia Schattauer, Alexander Spieß, Alexander Martin, Robert Burlacu, Gregor Herz, Christian Leithäuser, Ulrike Beyer, Joachim Seidelmann, Fabian Frank

    Zusammenfassung

    Die stetig fortschreitende Digitalisierung erweitert die Analysemöglichkeiten auch im Forschungsfeld der Wasserstofftechnologien und wird, in den verschiedenen Formen, in nahezu allen Teilgebieten eingesetzt. Dieses Kapitel soll einen Einblick in verschiedene Anwendungsgebiete geben, in denen digitale Methoden und modellgestützte Analysen eingesetzt werden. Dazu gehören die Energiesystemmodellierung, die Abbildung der Transportinfrastrukturen, die verfahrenstechnische Modellierung in der Chemischen Industrie, die zielgerichtete Weiterentwicklung der Elektrolyse, das Upscaling der Produktion und die simulationsgestützte Gestaltung sicherer Wasserstoffinfrastrukturen.

17. 16. Die internationale Dimension der Wasserstofftechnologien im Energiesystem

    Norman Gerhardt, Maximilian Pfennig, Christopher Hebling, Kira Schlüter, Ombeni Ranzmeyer, Martin Wietschel, Natalia Pieton, Kristin Kschammer, Mario Ragwitz

    Zusammenfassung

    Weitgehender internationaler Common Sense ist, dass aus Gründen des Ressourcen‐ und Klimaschutzes die Verwendung fossiler Energieträger bis Mitte des Jahrhunderts vollständig beendet und ein Großteil unserer Produktionsprozesse mit dem Ziel einer Kreislaufwirtschaft umgebaut werden muss. Hierbei kommt CO₂‐neutral hergestelltem Wasserstoff eine Schlüsselrolle zu, ebenso wie den daraus synthetisch hergestellten längerkettigen Molekülen, stofflichen Energieträgern und Chemierohstoffen in einer Vielzahl von Produkten in der Mobilität und in der Industrie. Da Ressourcennutzung und CO₂‐Produktion sich in ihren Auswirkungen grundsätzlich international niederschlagen, kann auch dieser Transformationsprozess nur mit einer internationalen Zusammenarbeit nach gemeinsam definierten Regeln bewältigt werden. Dies betrifft die Erforschung und Entwicklung der entsprechenden Technologien ebenso wie deren Anwendung und Förderung. Der Beitrag liefert einen Überblick über Vereinbarungen, Initiativen, Ziele und Erfolge dieser internationalen Zusammenarbeit.

18. 17. Ausblick und Perspektiven der Wasserstofftechnologien

    Sylvia Schattauer, Uwe Spohn, Alexander Spieß, Klemens Ilse, Jörg Kleeberg, Peter Michel, Ulrike Beyer, Detlef Kratz, Stefan Spindler, Stefan Gossens, Armin Schnettler

    Zusammenfassung

    Vor dem Hintergrund internationaler Vereinbarungen zur Klimaneutralität und zur Ressourcenschonung wird Wasserstoff zu einem zentralen Teil künftiger industrieller Fertigung und der allgemeinen Energieversorgung werden. Der steigende Wasserstoffbedarf eröffnet nicht nur nationale, sondern auch internationale Zukunftsmärkte. Technologische Lösungen, die die anwendungsspezifischen Bedarfe adressieren, können sich somit zu international erfolgreichen Produkten und Verfahren entwickeln. Der Beitrag zeigt Ansätze und Möglichkeiten, um nicht nur vorhandene Technologien evolutionär weiterzuentwickeln, sondern auch neue Wege zu finden und zu gehen. Dies schließt neue Wege des Recyclings ebenso ein wie innovative Verfahren der Wasserstoffproduktion oder der Herstellung verschiedener Technologien für eine funktionelle und wirtschaftliche wasserstoffbasierte Energieversorgung und Industrie.

19. Backmatter