Energiewende 3.0 E-Book

Sven Geitmann

• Herausgeber: Hydrogeit Verlag
• Kategorie: Fachliteratur
• Sprache: Deutsch
• Veröffentlichungsjahr: 2013

Seitenzahl: 262

Beschreibung

Was kommt nach der Energiewende 1.0 (Einstieg in die erneuerbaren Energien) und der Energiewende 2.0 (endgültiger Ausstieg aus der Atomenergie)? Richtig! Die Energiewende 3.0. Im Sommer 2011 startete in Deutschland die Energiewende 2.0. Diese Herkulesaufgabe, die hiesige Atomenergie durch erneuerbare Energien zu ersetzen, wird noch lange Zeit andauern. Trotzdem ist es erforderlich, schon heute auf die Zeit danach zu gucken. Was kommt anschließend? Können die erneuerbaren Energien tatsächlich eine zuverlässige Energieversorgung sicherstellen? Die Antwort lautet: Ja! Voraussetzung ist aber, dass Solar- und Windstrom effizient gespeichert werden können. Und genau an dieser Schnittstelle, bei der Energiespeicherung von grünem Strom, kommt Wasserstoff ins Spiel. Wasserstoff ist der perfekte Energiespeicher, um Sonnen- und Windstrom auch über längere Zeiträume bevorraten zu können. Die Idee einer solaren Wasserstoffwirtschaft beziehungsweise von Windwasserstoff ist nicht neu, aber noch nie waren die Voraussetzungen so gut wie heute, um diese Idee endlich in die Realität umsetzen zu können. Dieses Buch skizziert den Weg dorthin - von der gestrigen bis zur zukünftigen Energieversorgung. Es widmet sich dafür insbesondere der Thematik rund um Wasserstoff und Brennstoffzellen, denn gemeinsam können sie beide - der Wasserstoff als Energieträger und die Brennstoffzelle als Energiewandler - die in den nächsten Jahren anstehende Energiewende 3.0 ermöglichen. Mit einem Vorwort von Dr. Klaus Bonhoff, Geschäftsführer der Nationalen Organisation Wasserstoff- und Brennstoffzellentechnologie GmbH (NOW)

Leseprobe

Energiewende 3.0

Sven Geitmann

Energiewende 3.0

Mit Wasserstoff und Brennstoffzellen

Sven Geitmann

Sachbuchmit 54 Abbildungen und 10 Tabellen

Dieses Werk einschließlich aller seiner Teile ist urheberrechtlich geschützt. Jede Verwertung außerhalb der engen Grenzen des Urheberrechtsgesetzes ist ohne Zustimmung des Autors und des Verlages unzulässig und strafbar. Dies gilt insbesondere für Vervielfältigungen, Übersetzungen, Mikroverfilmungen und die Einspeicherung und Verarbeitung in elektronischen Systemen.

Alle in diesem Buch enthaltenen Angaben, Daten, Ergebnisse usw. wurden vom Autor nach bestem Wissen erstellt und vom Verlag mit größtmöglicher Sorgfalt geprüft. Dennoch sind inhaltliche Fehler nicht völlig auszuschließen. Daher erfolgen alle Angaben ohne jegliche Verpflichtung oder Garantie des Autors und des Verlages. Sie übernehmen deshalb keinerlei Verantwortung und Haftung für etwaige vorhandene inhaltliche Unrichtigkeiten.

Bibliografische Information der Deutschen Bibliothek:

Die Deutsche Bibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliografie; detaillierte bibliografische Daten sind im Internet über http://dnb.ddb.de abrufbar.

Weitere Produkte des Hydrogeit Verlags:Alternative Kraftstoffe ISBN 978-3-937863-15-3Erneuerbare Energien ISBN 978-3-937863-14-6Hydrogen Society ISBN 978-3-937863-31-3Wasserstoff-Autos ISBN 978-3-937863-07-8Wasserstoff-CD ISBN 978-3-937863-10-8

ISBN 978-3-937863-16-0

3. komplett überarbeitete und aktualisierte Auflage

© Copyright 2012 Hydrogeit Verlag, 16727 Oberkrämer, GermanyGedruckt bei der adame GmbH, Berlinauf holzfreiem Papier, PEFC-zertifiziert, ISO 9001, ISO 14001, EMASLektorat: Dione Gutzmer, Berlin, www.korrekturleserin.deCover & Design: Büro für Gestaltung, Dipl.-Des. Andreas Wolter, WeimarSatz: Henrike Hiersig, Weimar

DANKSAGUNG

Diese Ausgabe ist die Neuauflage des Buches „Wasserstoff und Brennstoffzellen – Die Technik von morgen!“, das zum ersten Mal im Mai 2002 von Sven Geitmann herausgebracht wurde. Die zweite überarbeitete und erweiterte Auflage erschien 2004 im Hydrogeit Verlag. Diese dritte Auflage wurde nochmals komplett überarbeitet und aktualisiert, wobei verstärkt der im Rahmen der Energiewende viel diskutierte Ansatz einer solaren Wasserstoffwirtschaft in den Mittelpunkt gerückt wurde.

Besonderer Dank geht an dieser Stelle an all diejenigen, die mit Informationen, Bildmaterial und konstruktiven Ratschlägen bei der Erstellung dieses Buches zur Seite standen. Hervorzuheben sind Dr. Klaus Bonhoff, der passende einleitende Worte fand, Dione Gutzmer, die bei der Textdurchsicht hilfreich zur Seite stand, Andreas Wolter, der die Covergrafik erstellte, Henrike Hiersig, die das Layout vornahm, und natürlich Doritt, Willi und Frigga.

Viel Spaß bei der Lektüre wünscht

Sven Geitmann

VORWORT

von Dr. Klaus Bonhoff

Wasserstoff und Brennstoffzellen sind seit langem bekannte Technologien – ihre Aktualität und Relevanz ist heute insbesondere vor dem Hintergrund der Energiewende höher denn je. Im Verkehr und in der stationären Energieversorgung, in der Industrie wie zu Hause, erwartet der Kunde eine zuverlässige und kostengünstige Bereitstellung von Antriebsenergie, Strom und Wärme. Angesichts der Abhängigkeit von fossilen Energieträgern und deren steigende Preise sowie angesichts der energie-, klima- und industriepolitischen Herausforderungen ist die Nutzung innovativer Technologien – eingebettet in ganzheitlich optimierte Systeme – unabdingbar.

Die Energiewende, also die Steigerung der Energieeffizienz und der schrittweise Umbau der Energieversorgung weg von fossilen und hin zu erneuerbaren Energien, wird in Deutschland von einem breiten gesellschaftlichen Konsenses getragen. Die Nutzung heimischer regenerativer Energiequellen verringert die Abhängigkeit von fossilen Energieimporten, erhöht den Anteil inländischer Wertschöpfung, ermöglicht deutliche Effizienzgewinne sowie die Reduktion klimaschädlicher Gase. Allerdings bringt der Ausbau der erneuerbaren Energien auch Herausforderungen mit sich. Ein zentraler Punkt ist die Einbindung stark wachsender Mengen unregelmäßig anfallenden Wind- und Solarstroms in die Verkehrs- und Energiewirtschaft.

Die Aufnahmekapazitäten der bestehenden Netze sind damit überfordert und auch der diskutierte notwendige Ausbau der Netze wird angesichts der zu erwartenden hohen Leistungen nicht ausreichen. Das Energiesystem muss sich von zentralen Strukturen, in denen bedarfsgerecht Energie bereit gestellt wird, wandeln zu einem eher dezentralen System, in dem das Energieangebot (aus erneuerbaren Quellen) und der Bedarf voneinander entkoppelt sind. Im Verkehrssektor ist die Nutzung erneuerbarer Energiequellen als Kraftstoff unabdingbar, um das langfristige Ziel der Dekarbonisierung zu erreichen.

Wasserstoff als Energiespeicher und -träger sowie Brennstoffzellen als hocheffiziente Energiewandler sind Schlüsseltechnologien für ein neues Energiekonzept die heute an der Schwelle zur Kommerzialisierung stehen. Vielfältige Demonstrationsaktivitäten im Rahmen des von der Bundesregierung geförderten Nationalen Innovationsprogramms Wasserstoff- und Brennstoffzellentechnologie (NIP) belegen die Alltagstauglichkeit entsprechender Systeme.

So wird zum Beispiel Strom aus Wind oder Photovoltaik per Elektrolyse zu Wasserstoff gewandelt und dann gespeichert. Die Machbarkeit und zunehmende Wirtschaftlichkeit von so genannten Wind-Wasserstoff-Systemen wird in Deutschland, erfolgreich demonstriert. Der Wasserstoff kann als emissionsfreier Kraftstoff für Brennstoffzellenfahrzeuge oder als CO2-freies Industriegas genutzt werden, er kann als großmaßstäblicher Energiespeicher von fluktuierender erneuerbarer Energie genutzt und bei Bedarf rückverstromt werden oder er kann ins Erdgasnetz eingespeist werden.

Mit Blick auf die Elektromobilität mit Brennstoffzelle und Wasserstoff sind die grundsätzlichen technologischen Herausforderungen in Bezug auf Zuverlässigkeit und Performance von Brennstoffzellenfahrzeugen inklusive deren Betankung in wenigen Minuten überwunden. Die Erfahrungen der Clean Energy Partnership (CEP) zeigen, dass aus Kundensicht hier heute keine Abstriche gegenüber herkömmlichen Fahrzeugen mehr gemacht werden. Führende Automobilhersteller bereiten den Markteintritt ab 2015 vor. Gemeinsame Analysen der Industrie, beispielsweise im Rahmen von H2-Mobility, zeigen die zentrale Bedeutung von Brennstoffzellenfahrzeugen für die zukünftige Verkehrswirtschaft auf und legen die Basis für einen koordinierten Aufbau einer bedarfsgerechten Betankungsinfrastruktur für Wasserstoff parallel zum Hochlauf der Fahrzeuge.

Die Wasserstoff- und Brennstoffzellentechnologie nähert sich in Deutschland auch im Bereich der Hausenergie der Markteinführung, die Japan bereits in vollem Gange ist. Im NIP Leuchtturm-Projekt callux wird der Beweis geführt, dass Brennstoffzellenheizgeräte auf der Basis von Erdgas eine effiziente und kostensparende Alternative in der Hausenergieversorgung werden können. Auf Basis dieser Erprobungen werden in weiteren, auch grenzüberschreitenden, Verbundvorhaben zusätzliche Erfahrungen gesammelt und der Markteintritt konzertiert vorbereitet. Andere Anwendungen von Wasserstoff- und Brennstoffzellentechnologien, die heute erfolgreich im Alltag erprobt werden, umfassen unter anderem die netzunabhängige Stromversorgung/Notstromaggregate, Spezialfahrzeuge zum Beispiel im Umfeld von Lagerhallen oder Flughäfen, portable Stromversorgung im professionellen und im privaten Umfeld oder auch Lösungen für den Luft- und für den Schiffsverkehr.

Die Technologiefelder rund um Produktion, Verteilung und Nutzung von Wasserstoff sowie die anwendungsspezifischen Herausforderungen an die Brennstoffzelle sind sehr vielfältig. Die erfolgreiche Einführung entsprechender Produkte am Markt kann nur gelingen, wenn diese in der Gesellschaft auf Akzeptanz stoßen. Dazu sind in der jetzigen Phase der Marktvorbereitung die Verbreitung von Informationen und der Austausch mit Politik, Wirtschaft, Anwendern und der breiten Öffentlichkeit so wichtig. Hierzu leistet das vorliegende Buch „Wasserstoff und Brennstoffzellen“ einen aktuellen, umfassenden und kompetenten Beitrag.

Berlin, 2012

Dr. Klaus Bonhoff

Geschäftsführer der NOW GmbH

Nationale Organisation Wasserstoff- und Brennstoffzellentechnologie

INHALT

1  Einleitung

2  Heutige Energieversorgung

2.1 Energiebedarf

2.2 Heutige Energiequellen

2.2.1 Primärenergieverbrauch

2.2.2 Stromverbrauch

2.3 Zeitliche Verfügbarkeit

2.4 Umweltbelastung

2.4.1 Limitierte Emissionen

2.4.2 Nichtlimitierte Emissionen

2.4.3 CO2-Problematik

2.4.4 Wasserdampfbildung

2.5 Atomenergie

2.6 Lastmanagement

2.7 Entwicklung im Energiesektor

2.7.1 Wirtschaft

2.7.2 Technik

2.7.3 Thermodynamik

2.8 Solare Wasserstoffwirtschaft

2.8.1 Desertec

2.8.2 Neunburg vorm Wald

2.8.3 Phoebus

2.8.4 Insellösung Utsira

2.8.5 Island

3  Wasserstoff

3.1 Eigenschaften

3.2 Knallgas

3.3 H2-Konfiguration

3.4 Materialwechselwirkungen

3.5 Stadtgas

3.6 Kernreaktoren

4  Herstellung

4.1 Elektrolyse

4.2 Dampfreformer

4.3 Partielle Oxidation

4.4 Autothermer Reformer

4.5 Kværner-Verfahren

4.6 Vergasung

4.7 Biochemische Herstellung

4.8 Chemische Industrie

4.9 Methanhydrat

4.10 Dissoziation

4.11 Herstellungskosten

5  Reinigung

6  Verflüssigung

7  Speicherung

7.1 Druckbehälter

7.1.1 Niederdrucktank

7.1.2 Hochdrucktank

7.2 Kryogenbehälter

7.3 Metallhydrid

7.4 Nanoröhrchen

7.5 Carbazol

7.6 MTH-Speicher

7.7 Unterirdische Kavernen

7.8 Methanisierung

8  Transport

8.1 Gastransport

8.2 Flüssigtransport

8.3 Pipeline

8.4 Leitungen & Ventile

9  Infrastruktur

9.1 Tankstellen

9.2 GH2-Betankung

9.3 LH2-Betankung

10 Sicherheit

10.1 Vorsichtsmaßnahmen

10.2 Unfallgefahren

10.2.1 Lkw-Unfall

10.2.2 Pkw-Brand

10.2.3 Lachenbildung

11 Brennstoffzelle

11.1 Funktionsweise

11.2 Hohe Effizienz

11.3 Verschiedene Typen

11.3.1 AFC

11.3.2 DMFC

11.3.3 PEM-FC

11.3.4 PAFC

11.3.5 MCFC

11.3.6 SOFC

11.3.7 SAFC

11.3.8 Mikrobielle BZ

11.4 Brennstoffe

11.4.1 Erdgas

11.4.2 Flüssiggas

11.4.3 Biogas

11.4.4 Methanol

11.5 Kosten

11.6 Vor- & Nachteile

12 Einsatzgebiete

12.1 Mikro und Mini

12.2 Portable Einheiten

12.3 Unterbrechungsfreie Stromversorgung

12.4 Hausenergieversorgung

12.5 Kraftwerksbetrieb

12.6 Fahrzeuge

12.6.1 Pkw

12.6.2 Busse

12.7 Luftfahrt

12.8 Raumfahrt

12.9 Schifffahrt

13 Wasserstoffmotor

13.1 Gemischbildung

13.2 Umweltbilanz

13.3 Autos mit H2-Motor

14 Katalytischer Brenner

15 Fazit

16 Anhang

16.1 Abkürzungen

16.2 Geschichte

16.3 Kennwerttabelle

16.4 LH2-Sicherheitsmaßnahmen

Literatur

Index

Autor

Verlagsprogramm

1 EINLEITUNG

Wasserstoff ist das häufigste Element im Universum. Das Gas verfügt über einen hohen Heizwert und verbrennt mit Sauerstoff zu nichts anderem als Wasser. Es ist extrem leicht und wird bereits seit über 70 Jahren als Industriegas verwendet. Aber genügen allein diese Eigenschaften, um Wasserstoff zum so genannten „Kraftstoff der Zukunft“ zu machen?

Energiespeicher egal welcher Art sind heutzutage unabdingbar, weil ohne Energie so gut wie gar nichts läuft auf diesem Planeten. Dementsprechend ist der Energiebedarf mittlerweile immens geworden. Wissenschaftler und Techniker arbeiten zwar fortwährend an der weiteren Effizienzsteigerung, um die Reichweite konventioneller Energieressourcen zu verlängern, aber die Entwicklungsfortschritte werden immer kleiner. Trotz der voranschreitenden Technisierung und Computerisierung ist bei jeder Technik irgendwann ein Stadium erreicht, in dem es aus thermodynamischen oder mechanischen Gründen nicht mehr oder nur noch kaum merklich weitergeht.

So ist es auch beim Verbrennungsmotor. Dieser basiert auf einer Technik, die mittlerweile so weit ausgereizt ist, dass kaum noch Wirkungsgradverbesserungen möglich sind. Nach weit über 100 Jahren Entwicklungsarbeit am Otto- und Dieselmotor ist die Frage berechtigt, ob es nicht andere Techniken gibt, die den heutigen Anforderungen besser genügen.

Die Brennstoffzelle ist solch eine Technik. Sie ist zwar keine wirklich neue Erfindung, aber manchmal kann es sich durchaus lohnen, alte Patente zu reaktivieren. Die Brennstoffzelle basiert auf einem Prinzip, das bereits vor über 170 Jahren entdeckt, dann aber nicht mit sonderlich viel Vehemenz weiterentwickelt wurde.

Dass nicht bereits früher auf diese Technik zurückgegriffen wurde, lässt sich durch die damalige dominante Stellung des Verbrennungsmotors erklären, der bis Anfang des neuen Jahrtausends nie ernsthaft in Frage gestellt wurde. Im Zuge der Industrialisierung mit dem anschließenden Wechsel von Kohle zu Öl war die Verbrennungskraftmaschine für über 100 Jahre ein durchaus geeignetes Medium. Die Brennstoffzelle bietet im direkten Vergleich dazu jedoch eine wesentliche Effizienzsteigerung bei gleichzeitig sauberem und leisem Betrieb. Dies hat sie bereits in den sechziger Jahren des letzten Jahrhunderts bei zahlreichen Einsätzen in der Raumfahrt bewiesen.

Betrachtet man die Historie (s. Kap. 16.2), wird deutlich, dass an dieser Technologie schon seit zig Jahren mehr oder minder intensiv geforscht wird, aber erst in den 1980er Jahren wurde erstmals ernsthaft darüber nachgedacht, Wasserstoff als Kraftstoff zu verwenden. Entscheidend war damals – in Zeiten des aufkeimenden Umweltschutzes – der ökologische Aspekt. Aus den ersten Anlaufsversuchen entwickelte sich Ende der 1990er Jahre ein regelrechter Hype um diese Technologie. Da die technische Umsetzung jedoch nicht so zügig erfolgte wie zunächst erwartet, nahm das Interesse schnell wieder ab. Mitte des ersten Jahrzehnts des 21. Jahrhunderts folgte dann die nächste Euphoriewelle mit ähnlichem Effekt, weil 2009 zunächst das Thema Elektromobilität mit den rein batteriebetriebenen Fahrzeugen in den Focus gelangte.

Jetzt ist quasi der dritte Frühling ausgebrochen. Die Schlagwörter, die schon mehrmals kursierten (z.B. Wasserstoffwirtschaft, Brennstoffzellenfahrzeuge), sind wieder in vielen Mündern, auch wenn das Detailwissen in der Bevölkerung immer noch dünn ist. Die Frage stellt sich daher, warum gerade jetzt wieder so viel davon geredet wird. Liegt dies an der Energiewende 2.0, die 2011 nach dem Atomunglück in Fukushima, Japan, ausgerufen wurde? Ist die Wasserstofftechnik vielleicht doch geeignet, aktuelle Energieprobleme lösen zu helfen, und können Brennstoffzellen tatsächlich eine aussichtsreiche Perspektive für die Energieversorgung bieten?

Beim wirtschaftlichen Vergleich mit konventionellen Systemen schnitt die neue Technologie bislang nicht gut ab. Viele Komponenten sind noch zu teuer und die Wasserstoffherstellung ist noch nicht in ausreichendem Maße auf ökologische Weise realisierbar. Nimmt man jedoch die Entwicklung der letzten Jahre als Maßstab für die Zukunft, so ist absehbar, dass in nächster Zeit die ersten Notstromaggregate, Hausenergiesysteme und Brennstoffzellenfahrzeuge auf den Markt kommen werden. Die Preise werden zwar zu Anfang noch nicht unbedingt günstig sein, mit steigenden Absatzzahlen wird sich jedoch bald eine konkurrenzfähige Alternative zu den herkömmlichen Systemen etablieren.

Es läuft daher alles auf eine grundsätzliche Umstrukturierung des Energiesektors hinaus, so wie es bereits bei der Energiewende 1.0 geschah, als Ende des 20. Jahrhunderts nach dem rein fossilen und atomaren Energiezeitalter der Einstieg in die erneuerbaren Energien vollzogen wurde. Ein ähnlicher Wechsel wird derzeit bei der Energiewende 2.0, bei der Abkehr von der Atomenergie, vorgenommen. Die Energiewende 3.0 steht noch aus: Hierbei geht es nicht nur um eine Substitution der Atomenergie durch erneuerbare Energie, sondern um die Speicherung von nachhaltig generiertem Strom mit Hilfe von Wasserstoff, um Ökostrom auch über längere Zeiträume hinweg bevorraten zu können, damit er grundlastfähig wird. Gleichzeitig muss insgesamt die Effizienz aller Energiesysteme weiter gesteigert werden. Außerdem muss der bereits eingeleitete Wechsel weitergeführt werden, sowohl bei den Energieträgern (von nuklearen/fossilen zu erneuerbaren Energien) als auch bei den Energiewandlern (vom Verbrennungsmotor zur Brennstoffzelle – von wenigen zentralen zu mehr dezentralen Kraftwerken).

Dieses Buch soll über die Möglichkeiten informieren, die Wasserstoff als Kraftstoff und Brennstoffzellen als Energiewandler eröffnen. Die technische Entwicklung ist in beiden Bereichen in den vergangenen Jahren weit vorangekommen und es existieren bereits vielerlei Anwendungen, in denen die Alltagstauglichkeit unter Beweis gestellt wurde. Jetzt geht es um die Markteinführung.

Um die Notwendigkeit eines Wechsels zu verdeutlichen, wird im Folgenden zunächst aus europäischer Sicht über die derzeitige Situation im Energiesektor aufgeklärt. Dann wird Wasserstoff mit seinen Eigenschaften sowie Vor- und Nachteilen vorgestellt, sowohl im Hinblick auf die chemischen und physikalischen Merkmale als auch auf unterschiedliche Herstellungsverfahren. Die anschließende Energiewandlung in verschiedenen Brennstoffzellentypen wird dabei ebenso dargelegt wie die Verbrennung im herkömmlichen Hubkolbenmotor. Darüber hinaus werden Fragen zur Speicherung, zum Transport und zur Betankung beantwortet. Zudem werden die Vor- und Nachteile verschiedener Kraftstoffe aufgezeigt. Auf Sicherheitsaspekte im Zusammenhang mit Wasserstoff wird ebenso eingegangen wie auf das vorhandene Entwicklungspotential dieser Technologie.

Zum Schluss wird festzuhalten bleiben, dass Wasserstoff mit Sicherheit nicht gefährlicher ist als andere Energieträger, sondern durchaus auch in der Vergangenheit schon mit Recht den Titel „Kraftstoff der Zukunft“ getragen hat. Und die Brennstoffzellentechnologie wird die Technik sein, die uns in Zukunft bewegt, und zwar effizienter als bisher.

2 HEUTIGE ENERGIEVERSORGUNG

Im Laufe der Jahrhunderte und Jahrtausende haben sich die Energiequellen der Menschheit stetig gewandelt: Es hat sich sowohl die Art der Energieträger als auch deren Nutzungsdauer verändert. Zunächst wurde über Jahrtausende hinweg Holz verwendet. Dann wurde in der Alt-Steinzeit aus Baumstämmen und Ästen Holzkohle hergestellt. Diese verfügte bereits über deutlich verbesserte Brenneigenschaften. Im Altertum wurden dann Braun- und Steinkohle entdeckt.

Der Vorteil der Kohle lag in ihrem höheren Brennwert. Kohle ist ein aus tierischen und pflanzlichen Substanzen entstandenes Gemisch aus verschiedenen Kohlenwasserstoffverbindungen, das aufgrund seiner Entstehungsgeschichte über eine vergleichsweise hohe Energiedichte verfügt. Ähnlich ist es beim Erdöl sowie beim Erdgas. Beide Medien besitzen ebenfalls einen relativ hohen Energieinhalt. Gegenüber Kohle sind sie zudem einfacher zu handhaben, da beide Energieträger ein vergleichsweise geringeres Gewicht pro Energieeinheit aufweisen.