Wasserstoff und Brennstoffzelle: Technologien und Marktperspektiven PDF
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Johannes Töpler Jochen Lehmann Hrsg. Wasserstoff und Brennstoffzelle Technologien und Marktperspektiven Wasserstoff und Brennstoffzelle Johannes Töpler · Jochen Lehmann Herausgeber Wasserstoff und Brennstoffzelle Technologien und Marktperspektiven Mit einem Geleitwort von Ernst Ulrich von Weizsäcker Herausgeber Johannes Töpler Jochen Lehmann Deutscher Wasserstoff- und Deutscher Wasserstoff- und Brennstoffzellenverband (DWV) Brennstoffzellenverband (DWV) Berlin, Deutschland Berlin, Deutschland Hochschule Esslingen Fachhochschule Stralsund Esslingen, Deutschland Stralsund, Deutschland Zusatzmaterialien zu diesem Buch finden Sie auf http://extras.springer.com/2014/978-3-642-37414-2 ISBN 978-3-642-37414-2 ISBN 978-3-642-37415-9 (eBook) DOI 10.1007/978-3-642-37415-9 Die Deutsche Nationalbibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliografie; detaillierte bibliografische Daten sind im Internet über http://dnb.d-nb.de abrufbar. Springer Vieweg © Springer-Verlag Berlin Heidelberg 2014 Das Werk einschließlich aller seiner Teile ist urheberrechtlich geschützt. Jede Verwertung, die nicht ausdrücklich vom Urheberrechtsgesetz zugelassen ist, bedarf der vorherigen Zustimmung des Verlags. Das gilt insbesondere für Vervielfältigungen, Bearbeitungen, Übersetzungen, Mikroverfilmungen und die Einspeicherung und Verarbeitung in elektronischen Systemen. Die Wiedergabe von Gebrauchsnamen, Handelsnamen, Warenbezeichnungen usw. in diesem Werk berechtigt auch ohne besondere Kennzeichnung nicht zu der Annahme, dass solche Namen im Sinne der Warenzeichen- und Markenschutz-Gesetzgebung als frei zu betrachten wären und daher von jedermann benutzt werden dürften. Gedruckt auf säurefreiem und chlorfrei gebleichtem Papier Springer Vieweg ist eine Marke von Springer DE. Springer DE ist Teil der Fachverlagsgruppe Springer Science+Business Media www.springer-vieweg.de Geleitwort Nachhaltigkeit ist überlebenswichtig. Die Lebensbasis künftiger Generationen muss erhalten bleiben. Die Energiewende, für die sich Deutschland nach der Atomkatastrophe von Fukushima entschieden hat, ist zum Kernstück der aktuellen Nachhaltigkeitspolitik geworden. Sichtbar sind dabei vor allem die erneuerbaren Energien. Das Erneuerbare Energien Gesetz – EEG – hat ihnen einen unerhörten Aufschwung ermöglicht. Doch sie sind bekanntlich abhängig von Tageszeiten, Jahreszeiten, räumlicher Lage und Wetter. Und so ist das Land auf einmal mit einem fluktuierenden Stromangebot konfrontiert. Zwei verschiedene Infrastrukturkapazitäten müssen erheblich ausgebaut werden: Stromleitun- gen und Energiespeicher. Die chemische Speicherung ist die Eleganteste: Auf kleinem Raum können große Mengen von Energie gespeichert werden. Eine extrem hohe Speicherfähigkeit hat der Wasserstoff. Ihm ist dieses Buch gewidmet. Sobald der größte Teil des Wasserstoffs aus erneuerbaren Energien hergestellt wird, wird er auch zum idealen Speicher im Rahmen einer nachhaltigen Energiewirtschaft, einschließlich des Transportsektors. Technische Herausforderungen liegen in der Entwicklung der erforderlichen Komponenten und der Systemintegration in das ökologische Gesamtkonzept. Dabei kann in verschiedenen Fällen auch das bestehende Erdgasnetz für Verteilung und S peicherung ein- gesetzt werden. Je nach Anwendungsfall ist auf die Optimierung der gesamten Nutzungs- kette zu achten. Das vorliegende Buch stellt all diese Sachverhalte sowie den technischen Stand e inzelner Entwicklungen dar und bewertet. Alternativen werden einbezogen und a nalysiert. Damit liefert das Buch eine Übersicht über Technologien und Perspektiven des Wasserstoffs im Rahmen der künftigen nachhaltigen Energieversorgung. Fachleute und Entscheidungsträ- ger in Wirtschaft, Industrie und Politik werden in dem Buch eine verlässliche Grundlage für ihre Überlegungen und Strategien finden. Ich wünsche diesem Buch viele interessierte Leser und den Lesern ein gutes Gelingen ihrer durch dieses Buch angeregten und selbst weiter entwickelten Gedanken und Entscheidungen! Juni 2013 Ernst Ulrich von Weizsäcker V Vorwort Seit den 70er Jahren des vergangenen Jahrhunderts wird in der Öffentlichkeit als Alter- native zu den bis dahin fast ausschließlich genutzten fossilen Energieträgern eine nachhaltige Energieversorgung auf Basis der Nutzung erneuerbarer Energiequellen dis- kutiert. Ausgangspunkt dieser Überlegungen war das gewachsene Bewusstsein über die Begrenztheit der fossilen Ressourcen, ausgelöst durch die damalige Rohölkrise, durch Beschaffungs- und Transportprobleme („Suezkrise“). Darüber hinaus machte der Bericht des „Club of Rome“ auf die Umweltschäden durch die fossilen Energieträger aufmerksam, wobei die Klimaveränderung durch CO - 2 Emissionen im Vordergrund stand. Auch wenn sich bei den fossilen Ressourcen dank des Findens neuer – zumeist aufwändiger erschließbarer – Lagerstätten zwischenzeitlich Entspannungen gezeigt haben, bleibt doch die Grundaussage über die Begrenztheit der fossilen Energierohstoffe richtig. Dieser Tatbestand wird immer gravierender, weil die Weltbevölkerung wächst und immer größere Gruppen am „Energiewohlstand“ teilha- ben. Zudem zeigten Untersuchungen, dass die wirtschaftlichen Schäden durch die CO - 2 Emission beim Verbrauch der fossilen Energieträger bei weitem teurer würden, als es der Klimaschutz heute wäre. Die Lösung dieser Problematik kann grundsätzlich nur in der Nutzung erneuerbarer Energiequellen liegen. Diese sind jedoch zumindest im Fall von Wind und Sonnenstrah- lung erheblichen zeitlichen und auch statistischen Schwankungen unterworfen und stehen selten bedarfsgerecht zur Verfügung. Nur großtechnische Speicherung wird diese Unste- tigkeit ausgleichen können, muss sie doch einen Energieausgleich über Tage oder gar Wochen ermöglichen. Zwar kann ein besserer Ausbau der Netze einen Beitrag zum lokalen – nicht aber zum zeitlichen – Ausgleich schaffen, doch hat sich bereits gezeigt, dass schon eine Netzerweiterung, um in Deutschland Windstrom von Nord nach Süd zu bringen, schwierig ist. Als umso schwerer wird sich ein Netzausbau über ganz Europa erweisen. Großtechnische Stromspeicherung wurde in Deutschland durch Pumpspeicherwerke und in einem Falle durch ein Druckluftspeicherkraftwerk realisiert. Hierbei wird poten- zielle Energie gespeichert. Die großtechnische Speicherung über längere Zeiträume wird nur bei erheblich höherer Energiedichte im Speicher durch Nutzung von Trägern che- mischer Energie möglich. Dabei bietet Wasserstoff mit Einsatz der Brennstoffzelle eine hohe Effizienz der Rückverstromung. VII VIII Vorwort Seit der politisch beschlossenen Energiewende in Deutschland werden all diese Dis- kussionen erheblich intensiviert. Man darf „Energiewende“ allerdings nicht als „Strom- wende“ auffassen, sondern als Erneuerung bei allen Energieformen begreifen, bei Strom, Wärme und Kraftstoff. Energienutzung wird sich künftig mehr und mehr vernetzen und, wie zum Beispiel über die Wärme-Kraft-Kopplung, mit einem Umwandlungsprozess mehrere Gebiete abdecken. Dabei wird Wasserstoff eine zentrale Rolle spielen, denn er ist auf vielfältige Weise und aus allen regenerativen Energien herstellbar, lässt sich auf unter- schiedliche Weisen speichern und ohne Schadstoffemission direkt in Strom und darüber in Bewegungsenergie sowie in Wärme umwandeln. Dank dieser Vielseitigkeit relativieren sich auch die Kosten des Einsatzes von Wasserstoff. Seine saisonale Speicherung wird nur selten gebraucht und würde relativ teuer. Da er aber gleichzeitig als Kraftstoff im Verkehr, in Pro- duktionsprozessen u. a. von Chemie- und Lebensmittelindustrie als Rohstoff, zur Hausener- gie- und Notstromversorgung und zur Bereitstellung von Regelleistung im elektrischen Netz benutzt werden kann, lässt sich sein wirtschaftlicher Einsatz absehen. All dies erfordert eine kontinuierliche Produktion, also eine großtechnische Elektrolyse, die entsprechend dem schwankenden Stromangebot aus regenerativen Quellen skalierbar betrieben werden sollte. In dieser Verknüpfung wird ein künftiges Energiesystem komplexer als die herkömmlichen werden, sollte aber auch mit der Vernetzung von Erzeugern und Verbrauchern als Grund- lage für eine generelle Energieeinsparung die besten Voraussetzungen schaffen. In diesem Zusammenhang ist bemerkenswert, dass bei Ausnutzung der ausreichend vorhandenen regenerativen Energie zur Stromerzeugung, bei Gebrauch von Wasserstoff als Speichermedium für den erzeugten Strom und bei dessen Verteilung zur Rückver- stromung oder in stofflicher Form alle Glieder der Wertschöpfungskette der eigenen Volkswirtschaft erhalten bleiben. Eine besondere Bedeutung kommt dabei der Wechselwirkung zwischen den Strom- und Gasnetzen zu. Ein Gasnetz ist in der Lage, bedeutende Energiemengen aufzuneh- men, zu transportieren und zu speichern. Wasserstoff kann dem Erdgas zugemischt werden, wobei er dann allerdings nur noch thermisch nutzbar ist. Für die Nutzung mit hohem exergetischen Wirkungsgrad, beispielsweise als Kraftstoff für die Elektromobilität mit langer Reichweite, wird Wasserstoff in reiner Form benötigt. Kapitel 4 dieses Buches beschreibt dazu die Details. Einige andere Anwendungen von Wasserstoff bis hin zur Nutzung der sauerstoffarmen Abluft von Brennstoffzellen in sicherheitsrelevanten Syste- men werden in weiteren Abschnitten behandelt. Nicht alle Verfahren zur Nutzung bzw. die dazu notwendigen Geräte befinden sich auf gleichem Entwicklungsstand. Einige sind serienreif oder bereits auf dem Markt wie z. B. die Mobilität oder eine unterbrechungsfreie Stromversorgung, andere befin- den sich in der Felderprobung wie z. B. die Hausenergieversorgung. Aber mit der wei- teren Entwicklung werden Synergieeffekte ebenso erwartet wie die Verbesserung einer Wasserstoff-Infrastruktur. Für die wirtschaftliche Nutzung des Wasserstoffs sind natürlich die Gestehungs- preise von ausschlaggebender Bedeutung. Ein Kostenvergleich bei verschiedenen Erzeu- gungsverfahren erfolgt in Kap. 13. Die für die Energiewende wichtigsten Verfahren zur Vorwort IX Produktion von Wasserstoff aus erneuerbaren Primärenergien über die Wasserelektro- lyse beschreiben die Kap. 11 und 12. Dabei eröffnet der Großelektrolyseur im Bereich einiger zig-Megawatt für eine zentrale Wasserstofferzeugung völlig neue Dimensionen. Stand und Zukunft der Brennstoffzellen und ihrer Anwendungen werden abschließend in Kap. 14 betrachtet. Selbstverständlich erhebt das vorliegende Buch keinen Anspruch auf Vollständigkeit. Die Anwendungsmöglichkeiten von Wasserstoff sind breit gefächert; zukünftig werden gewiss weitere Potentiale erschlossen werden. Aber die Schwelle der Markteinführung von Wasserstoff als Energieträger ist überschritten. Die Autoren, Herausgeber und der Verlag wollen mit diesem Buch Ingenieuren, Technikern und Managern die Möglichkeit geben, den Einstieg in diese Technologie zu bedenken, Kooperationsmöglichkeiten zu eruieren und ihr Wissen über das gesamte Gebiet zu verbreitern. Wasserstoff wird sicherlich kein Allheilmittel einer Wende zu einer endgültig nach- haltigen Energieversorgung sein, aber er wird wesentliche Beiträge liefern, um die Energiewende in Deutschland zu einem Erfolgsmodell zu gestalten. Das Buch möchte Informationen geben und Denkanstöße vermitteln. Der Leser möge selbst entscheiden, wie er sich auf diesem Wege einbringen und beteiligen kann. Esslingen und Berlin, August 2013 Johannes Töpler, Jochen Lehmann Inhaltsverzeichnis 1 Wasserstoff als strategischer Sekundärenergieträger ..................... 1 Thomas Hamacher 2 Rolle des Wasserstoffs bei der großtechnischen Energiespeicherung im Stromsystem ................................... 25 Philipp Kuhn, Maximilian Kühne und Christian Heilek 3 Sicherheit in der Anwendung von Wasserstoff .......................... 43 Ulrich Schmidtchen und Reinhold Wurster 4 Mobile Anwendungen ................................................ 59 Christian Mohrdieck, Massimo Venturi, Katrin Breitrück und Herbert Schulze 5 Wasserstoff und Brennstoffzelle – mobile Anwendung in der Luftfahrt .... 113 Andreas Westenberger 6 Brennstoffzellen in der Hausenergieversorgung ......................... 133 Thomas Badenhop 7 Unterbrechungsfreie Stromversorgung ................................ 147 Hartmut Paul 8 Sicherheitsrelevante Anwendung ...................................... 157 Lars Frahm 9 Portable Brennstoffzellen ............................................. 167 Angelika Heinzel, Jens Wartmann, Georg Dura und Peter Helm 10 Nutzung von konventionellem und grünem Wasserstoff in der chemischen Industrie ............................................. 175 Christoph Stiller 11 Elektrolyse-Verfahren ................................................ 189 Bernd Pitschak und Jürgen Mergel XI XII Inhaltsverzeichnis 12 Die Entwicklung von Großelektrolyse-Systemen: Notwendigkeit und Herangehensweise ............................................... 209 Fred Farchmin 13 Kosten der Wasserstoffbereitstellung in Versorgungssystemen auf Basis erneuerbarer Energien .......................................... 225 Thomas Grube und Bernd Höhlein 14 Polymerelektrolytmembran-Brennstoffzellen (PEFC) Stand und Perspektiven .............................................. 241 Ludwig Jörissen und Jürgen Garche
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