Wasserstoff E-Book

Christian Synwoldt

• Herausgeber: Wiley-VCH GmbH
• Kategorie: Wissenschaft und neue Technologien
• Sprache: Deutsch
• Veröffentlichungsjahr: 2022

Seitenzahl: 1043

Beschreibung

Das Buch befasst sich mit Technologie und Anwendungen des alternativen Energieträgers Wasserstoff und den ökonomischen und politischen Rahmenbedingungen, die auf eine Erhöhung des Wasserstoffanteils am europäischen Energiemix abzielen.

Leseprobe

Inhaltsverzeichnis

Abdeckung

Titelblatt

Copyright-Seite

Geleitwort Werner Diwald

Geleitwort Folker Hellmeyer

Geleitwort Volker Angres

Geleitwort Manfred Weber

Geleitwort Mathis Wackernagel

Abkürzungen

Chemische Formelzeichen

Physikalische und chemische Größen und Einheiten

Präfixe für Einheiten

Teil I: Technik

1 Einleitung

1.1 Technische Beschreibung

1.2 Chemische und physikalische Eigenschaften

1.3 Aktuelle Einsatzfelder und Mengengerüste

1.4 Künftige Rolle in einem Energiesystem

1.5 Zukünftiger Bedarf an Wasserstoff

Literaturnachweis

2 Herstellung

2.1 Ausgangsstoffe

2.2 Herstellungsverfahren

2.3 Nachhaltigkeit

Literaturnachweis

3 Transport und Speicherung

3.1 Speicher ≠ Speicher

3.2 Speichertechnologien

3.3 Transport

3.4 Fazit

Literaturnachweis

Teil II: Projekte – Politik

4 Staatliche Aktivitäten und Grundlagen beim Wasserstoff

4.1 Staatliche und private Institutionen die beim Thema Wasserstoff aktiv agieren

4.2 Öffentliche Haltung zu Wasserstoff durch Politik und NGOs auf EU‐ und deutscher Ebene

4.3 Randthema CO

2

‐Ausgleichsmechanismen: Wie die EU größere Gerechtigkeit bei Klimaschutzmaßnahmen erreichen will

4.4 Agenda 21, Lokale Agenda 21 und das Abkommen von Paris 2015 – was bedeutet es tatsächlich für die Staaten und die Umsetzung?

4.5 Staatliche Wasserstoffstrategien im In‐ und Ausland – einzeln, zusammen und gegeneinander

4.6 Diese deutschen Bundesländer und Kommunen sind aktuell, auch mit Konzernen, im Wasserstoffbereich aktiv

4.7 Diese Staaten sind aktuell im Wasserstoffbereich aktiv, auch gegeneinander

4.8 Diese Beiträge zu den Klimazielen erhoffen sich die Staaten

4.9 Diese Beiträge zur Energieversorgung durch Wasserstoff insgesamt oder nach Branchen sind kurz‐ bis mittelfristig realistisch

4.10 Wasserstoff‐Importe aus dem Ausland – das ehemalige Solarprojekt Desertec und die Notwendigkeit grünen Wasserstoff

4.11 Nationales Innovationsprogramm Wasserstoff‐ und Brennstoffzellentechnologie Phase II (NIP) – Maßnahmen der Forschung, Entwicklung und Innovation – Schwerpunkt Nachhaltige Mobilität [143]

14)

4.12 Positive und negative staatliche Beiträge zur weiteren technischen und ökonomischen Entwicklung und logistischen Verbreitung (Leitungsnetze/​Pipelines) von Wasserstoff in der EU

4.13 Beispielhafte Wasserstoffprojekte inklusive Zulieferindustrie und ihre Ziele

4.14 Fazit

Literaturnachweis

5 Anwendungsbereich Mobilität

5.1 Anwendungsbereiche Verkehr: Nutzung und Erwartungshaltung der Hersteller und Käufer

5.2 Leistungsfähigkeit/​Projekte der einzelnen Hersteller im Kfz‐Bereich, Zukunftsausblick Mobilität für Hersteller und Anwender

5.3 Die Brennstoffzelle aus Marktsicht: ihre Hersteller, Kosten und Marktchancen

5.4 Wasserstofftankstelleninfrastruktur in der EU und in D für Kfz, Züge und andere Anwender

5.5 Eine Betrachtung der E‐Fuels

5.6 Vermutete oder bekannte volks‐ und betriebswirtschaftliche Vorteile und Erträge (Problematik lokale und externe Effekte)

5.7 Vermutete oder bekannte volks‐ und betriebswirtschaftliche Nachteile und Kosten (Problematik externe Kosten)

5.8 Fazit

Literaturnachweis

6 Ökonomischer Rahmen rund um Wasserstoff

6.1 Entwicklungspfade für Kosten und Preise zur Herstellung und Lieferung/​Logistik von Wasserstoff

6.2 Einflussfaktoren wie nationale CO

2

‐Bepreisung, EEG‐Umlage, europäischer Emissionshandel, Rohstoffpreise und weitere Parameter wie Standortfaktoren

6.3 Generelle Problematik der externen Effekte bezogen auf den anthropogenen Klimawandel und deren Auswirkungen auf Kosten und damit Preise

6.4 Markt für Wasserstoff in Deutschland, der EU und der Welt

6.5 Wasserstoff an den Börsen

6.6 Evolution und Disruption von Geschäftsmodellen (verschiedener Branchen) durch den Einsatz von Wasserstoff

6.7 Herstellung und Vertrieb von Wasserstoff in geografisch „abgelegenen“ Staaten

6.8 Anwendung von Wasserstoff außerhalb der Mobilität wie Heizungen, Stahl‐ und Zementindustrie, chemische Industrie, Raffinerien, Energiespeicherung sowie Kombipakete

6.9 Fazit

Literaturnachweis

7 Regulatorischer Rahmen, die Situation aus juristischer Sicht

7.1 Fehlanreize und Hemmnisse bei Vorgaben und Normen durch rechtlichen Rahmen

7.2 Aktuelle/​optimierte rechtliche Rahmenbedingungen für Wasserstoffhersteller, um wirtschaftlich nachhaltig erfolgreich zu sein

7.3 Richtlinie zur Förderung der Nutzung von Energie aus erneuerbaren Quellen auf EU‐Ebene, europäischer Rechtsrahmen inklusive RED II

7.4 Recht, Gesetze und Verordnungen zum Wasserstoff auf Bundesebene, EnWG und EEG 2017

7.5 Richtlinie über die Gewährung von Zuwendungen zur Förderung von Pilot‐ und Demonstrationsvorhaben der Wasserstoffwirtschaft (Wasserstoffrichtlinie) am Beispiel des Bundeslands Niedersachsen, VORIS 28010 (niedersächsisches Vorschrifteninformationssystem) [12]

5)

7.6 Rechtliche Rahmenbedingungen für Hersteller und Anwender von wasserstoffbasierten Produkten

7.7 Abänderung des Erneuerbare‐Energien‐Gesetz (EEG) Richtung Wasserstoff, Umbau des EEG zu einem einheitlich genutzten europäischen Instrument

7.8 Ausweitung der Besonderen Ausgleichsregelung (BesAR) des EEG

7.9 Fazit

Literaturnachweis

8 Politische Handlungsfelder

8.1 Hintergrundwissen zum Thema Wasserstoff bei Politik, Umweltorganisationen und Medien

8.2 Internationale Denk‐ und Handlungsansätze bei Wasserstoff

8.3 BMVI und BMWi bringen 62 Wasserstoffgroßprojekte auf den Weg

8.4 Politisch angestrebte Klimaneutralität in Deutschland 2045/EU bis spätestens 2050

8.5 Nationale Strategieansätze u. a. Stiftung H2Global, internationaler Klimaclub und vom BMWi „20 konkrete Vorschläge zur Stärkung von Klimaschutz und Wirtschaftskraft“

8.6 Beispiele für Forderungen an den Staat bezüglich Wasserstoff

8.7 Realistisch beurteilte Situation 2021/​2022 als Fragen und Antworten (Q & A)

8.8 Fazit

Literaturnachweis

9 Ergebnis einer selbst durchgeführten kleinen Umfrage im Wasserstoffbereich

9.1 Art und Vorgehensweise der Umfrage

9.2 Antworten in schriftlicher/​verbaler und numerischer Form der befragten Fachleute

9.3 Kernaussagen des Wasserstoffunternehmers Jens Asmuth der Firma JAG

1)

9.4 Fazit der eigenen empirischen Untersuchung

10 Finales Fazit und Ausblick zu den Kapiteln 4 bis 9 (Stand Ende 2021)

Stichwortverzeichnis

End User License Agreement

List of Tables

Chapter 1

Tab. 1.1 Physikalische Eigenschaften von Wasserstoff.

Tab. 1.2 Wasserstoff‐Roadmap nach FHG ISI/ISE.

Chapter 2

Tab. 2.1 Gegenüberstellung der Elektrolyseverfahren.

Tab. 2.2 Treibhausgaspotenzial für einen 100‐Jahre‐Zeitraum.

Tab. 2.3 Optionen zur CO

2

‐Abscheidung bei der Dampfreformierung.

Tab. 2.4 Direkter und indirekter Flächenbedarf für die Wasserstoffelektrolys...

Chapter 3

Tab 3.1 Synthetische Kohlenwasserstoffe auf der Basis von Wasserstoff.

Tab. 3.2 Abkürzungen für Wasserstoffspeicher.

Tab. 3.3 Energieaufwand und erzielbare Energiedichte für Wasserstoffspeicher...

Tab. 3.4 Entwicklungsziele für Wasserstoffspeicher nach U.S. DRIVE.

Tab. 3.5 Abtrennen von Stickstoff und Kohlenstoffdioxid aus Luft.

Tab. 3.6 Auszug aus dem Produktengemisch der Fischer‐Tropsch‐Synthese.

Tab. 3.7 Vergleich der Energiedichte von chemischen Wasserstoffspeichern....

Tab. 3.8 Anwendungsfelder für Transport‐ und Speichertechnologien.

Chapter 4

Tab. 4.1 Selbst erstellte Tabelle nach Daten der European Commission (Quelle...

Chapter 6

Tab. 6.1 Selbst erstellt, angelehnt an A. Dembowski [35].

Chapter 8

Tab. 8.1 Wasserstoffprojekte nach Bundesländern.

List of Illustrations

Chapter 1

Abb. 1.1 Weltweiter Wasserstoffbedarf (2018);

Abb. 1.2 Endenergiebedarf nach Verbrauchssektoren;

Abb. 1.3 Saisonale Erzeugungsprofile von (a) PV und (b) Windenergie (2020);...

Abb. 1.4 Auswirkung des Speicherwirkungsgrads auf den Primärenergiebedarf...

Chapter 2

Abb. 2.1 Einsatzstoffe zur globalen Wasserstoffproduktion (2018);

Abb. 2.2 Verfahren zur Wasserstoffproduktion in Deutschland (2020);

Abb. 2.3 Wasserstoffproduktion aus regenerativen Energien und Biomassen;

Abb. 2.4 Kosten für Emissionszertifikate im ETS‐System;

Abb. 2.5 CO

2

‐Emission bei der Wasserstoffherstellung;

Chapter 3

Abb 3.1 Speicherdichte von Wasserstoff;

Abb. 3.2 Ermittlung des Speicherwirkungsgrads

Abb. 3.3 Globaler Primärenergiebedarf nach Energieträgern (2019);

Chapter 4

Abb. 4.1 Wasserstoff kann sieben Rollen im Energiewandel spielen.

Abb. 4.2 Begrenzung Temperatursteigerung abhängig von CO

2

‐Emissionen [55].

Abb. 4.3 Aufbau und Einheiten des Referenzkraftwerks Lausitz

Abb. 4.4 Weiterentwicklung der Wasserstofftechnologie.

Abb. 4.5 Nationale Wasserstoffstrategien weltweit [100].

Abb. 4.6 Zeitleiste nationale Wasserstoffstrategien [101].

Abb. 4.7 Struktur der Energieversorgung nach Energieträgern 2018 (* z. B. Ge...

Abb. 4.8 GET H2 Nukleus [148].

Abb. 4.9 Vision für ein Wasserstoffnetz [152].

Abb. 4.10 Europas Gaspipelinenetz und die Stufen der Wasserstoff‐Backbone‐Ve...

Abb. 4.11 Der Aufbau des „Energieparks Bad Lauchstädt“. Grafik: VNG.

Chapter 6

Abb. 6.1 Die zukünftigen Kosten strombasierter synthetischer Kraftstoffe....

Guide

Cover Page

Title Page

Copyright Page

Geleitwort Werner Diwald

Geleitwort Folker Hellmeyer

Geleitwort Volker Angres

Geleitwort Manfred Weber

Geleitwort Mathis Wackernagel

Abkürzungen

Chemische Formelzeichen

Physikalische und chemische Größen und Einheiten

Präfixe für Einheiten

Table of Contents

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Index

WILEY END USER LICENSE AGREEMENT

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Wasserstoff

Technik – Projekte – Politik

Christian Synwoldt und David Novak

Autoren

Christian SynwoldtIngenieurbüro SynwoldtBirkenweg 254426 MalbornDeutschland

Dr. David NovakEngerode 5630880 LaatzenDeutschland

TitelbildUnter Verwendung eines Bilds von Getty Images, © Jorg Greuel/Getty Images.

Alle Bücher von Ernst & Sohn GmbH werden sorgfältig erarbeitet. Dennoch übernehmen Autoren, Herausgeber und Verlag in keinem Fall, einschließlich des vorliegenden Werkes, für die Richtigkeit von Angaben, Hinweisen und Ratschlägen sowie für eventuelle Druckfehler irgendeine Haftung.

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Satz le-tex publishing services GmbH, LeipzigDruck und Bindung

Print ISBN 978-3-527-34988-3ePDF ISBN 978-3-527-83618-5ePub ISBN 978-3-527-83619-2

Gedruckt auf säurefreiem Papier.

Geleitwort Werner Diwald

Aufbruch in eine grüne Wasserstoff‐Marktwirtschaft

Grüner Wasserstoff ist in der öffentlichen Debatte nicht mehr wegzudenken. Bis 2030 gilt es nun die Klimaemissionen in allen Sektoren um mindestens 55 % zu senken. Grüner Wasserstoff wird hierbei eine Schlüsselfunktion einnehmen müssen, um die erneuerbare Energieversorgung wirtschaftlich und nachhaltig zu jedem Zeitpunkt und in jeglicher Anwendung zu gewährleisten.

Mit der Nationalen Wasserstoffstrategie (NWS) hat die Bundesregierung 2020 sicherlich einen lobenswerten und wichtigen Schritt in die richtige Richtung gemacht. Nun ist die Industrie auf Rahmenbedingungen angewiesen, die einen nachhaltigen wirtschaftlichen Betrieb erlauben. Die Bundesregierung hat die Aufgabe, bis spätestens 2024 die regulatorischen Rahmenbedingungen für eine prosperierende Wasserstoff‐Marktwirtschaft zielstrebig und konsequent zu schaffen. Sie hat es in der Hand, ob Deutschland sich in der zukünftigen Wasserstoff‌industrie und ‑wirtschaft an die Spitze eines globalen Marktes mit enormem Potenzial setzen kann.

Eine Vielzahl von Experten gehen davon aus, dass allein Deutschland bis 2045 einen Mindestbedarf an grünem Wasserstoff von 700 TWh/a (EU 2000 TWh/a) für eine nachhaltige, wirtschaftliche und versorgungssichere Energiewirtschaft haben wird. Zur Deckung dieser Nachfrage ist neben dem dringenden Aufbau einer heimischen Produktionskapazität bis 2030 von mindestens 10 GW und bis 2045 von mindestens 40 GW der Import von mindestens 600 TWh/a grünem Wasserstoff erforderlich. Global steht ein jährliches Energie‐Markthandelspotenzial von über 2000 Mrd. Euro zur neuen Umverteilung an. Damit verbunden ist ein Investitionsvolumen von mehr als 6000 Mrd. Euro bzw. einem jährlichen Umsatz im Maschinen‐ und Anlagenbau von 300 Mrd. Euro. Deutschland braucht jetzt den politischen Aufbruch in das Zeitalter einer grünen Wasserstoff‐Marktwirtschaft. Diese gilt es konsequent politisch einzuleiten und zu begleiten.

Die grüne Wasserstoff‐Marktwirtschaft bietet aber nicht nur für Deutschland enorme Chancen, sondern ebenso für die Europäische Union. Das gemeinsame Ziel muss es sein, eine europäische Wasserstoff‐Wirtschaftsunion aufzubauen. Der innereuropäische Handel von grünem Wasserstoff eröffnet gerade unseren südosteuropäischen und südlichen Mitgliedsstaaten eine Chance der wirtschaftlichen Stabilisierung. Aber leider fehlt es auch der EU‐Wasserstoffstrategie an der erforderlichen Dimension, die der zukünftigen globalen Rolle des grünen Wasserstoffs gerecht wird. Deutschland sollte hier mehr Verantwortung und Gestaltungswillen übernehmen.

Sicherlich stellen uns die globalen Klimaziele vor große Herausforderungen und verlangen uns einen der größten industriellen Revolutionsprozesse ab. Es ist Zeit für den gemeinsamen Aufbruch in die Ära der grünen Wasserstoff‐Marktwirtschaft.

Werner Diwald

Vorstandsvorsitzender, Deutscher Wasserstoff‐ und Brennstoffzellen‐Verband, Berlin

Geleitwort Folker Hellmeyer

Wasserstoff mit starkem Zukunftspotenzial

Die Welt befindet sich in einer ökonomischen Zeitenwende, die im Hinblick auf Breite, Tiefe und Tempo einmalig ist. Die heutige Zeitenwende bedient den Produktionsfaktor Boden im Kontext mit Umwelt und wirkt sich auf die Produktionsfaktoren Kapital und Arbeit aus. Das Umweltthema bewegt die Welt seit Jahrzehnten. Aber erst in den letzten Jahren wurde sukzessive ein neues globales Bewusstsein etabliert. Der Druck auf die Politik nahm latent zu und die internationale Politik reagierte losgelöst davon, welche Regierungsformen dominierten oder dominieren.

Diese Entwicklung pro ESG (Umwelt‑, Sozial‐ und Unternehmensführungskriterien) ist zunächst einem Top‐down‐Ansatz geschuldet, der aber immer stärker von einem „Bottom‐up“‐Prozess begleitet wird. Das Thema der Finanzierung der „grünen Wende“ findet sich in allen bedeutenden westlichen Zentralbanken.

In der Folge sind wir heute mit eklatanten Neuausrichtungen konfrontiert. An den Finanzmärkten wurden ESG‐Kriterien verankert, die eine immer prominentere Rolle in der internationalen Kapitalallokation einnehmen. Die großen Kapitalsammelstellen steuern die Portfolios immer verstärkter nach diesen Standards, da die Kunden es ihnen abverlangen. Laut einer Untersuchung von PwC Luxemburg werden die europäischen ESG‐Vermögen bis 2025 auf 5,5–7,6 Billionen Euro steigen. Das entspräche einem Anteil von 41 bis 57 % des gesamten Fondsvermögens Europas. Der Kapitalmarkt wird perspektivisch „grün“.

Wirtschaft und Gesellschaft mit ihren Prozessen hängen an dem Thema Energie. Es ist bezüglich der als dringend definierten Klimafragen das im Vordergrund stehende Thema. Der Abschied von fossilen Brennstoffen wird forciert. Derzeit findet eine primäre Neuausrichtung in Richtung Elektromobilität statt. Bezüglich der infrastrukturellen Anforderungen auf globaler Ebene kann das Thema Elektromobilität jedoch nicht ausschließlich als Lösungsweg definiert werden. Das gilt auch bezüglich des mit Elektromobilität verbundenen Verbrauchs endlicher Ressourcen.

Das Thema Wasserstoff bietet als Alternative mannigfaltige Lösungsansätze als Mobilitätsanker, aber auch als Speichermedium. Auch stellt sich bei Wasserstoff nicht die Frage hinsichtlich endlicher Ressourcen. Damit liegt hier als Alternativtechnologie ein völlig anderes Grundprofil als bei der Elektromobilität vor. Bei der Bahn wird Wasserstoff bereits genutzt. Vor Helgoland wird bis 2026 das Demonstrationsprojekt „H2Mare“ errichtet. Die Unternehmen Siemens Energy, RWE und Salzgitter‐Mannesmann sind mit weiteren 33 Partnern verantwortlich.

International ist beim Thema Wasserstoff eine hohe Dynamik erkennbar. Unternehmen wie Ballard Power, Plug Power oder Siemens Energy stehen heute im Fokus der Finanzmärkte. Die globalen Wirtschaftsstrukturprogramme, unter ihnen das 750 Mrd.‐Euro‐Paket der EU und das mindestens 1,5 Billionen US‐Dollar schwere US‐Infrastrukturpaket, bedienen alle auch das Thema der Energiewende.

Ich wünsche diesem Buch eine breite Leserschaft, denn das Thema verdient eine hohe Aufmerksamkeit und eine weite Verbreitung. Wasserstoff hat eine gute Zukunft!

Folker Hellmeyer

Langjähriger Chefvolkswirt und ‑analystbei führenden deutschen Bankhäusern

Geleitwort Volker Angres

Gesucht: Die Wasserstoff‐Visionäre

Nichts ist schwerer vorhersagbar als die Zukunft. Sagt man. Anhaltspunkte in der Gegenwart allerdings können schon eine grobe Richtung skizzieren. Aus einzelnen Ereignissen werden mitunter perspektivische Entwicklungen, dann gefestigte Trends. Für die sogenannten erneuerbaren Energien kann man das wohl so annehmen. Doch wie genau wird er aussehen, der verlässliche Weg hinein in eine wirklich nachhaltige Energiezukunft? Wasserstoff, egal ob grau, blau oder gar grün, komme da schon überhaupt nicht infrage, lassen sich nicht wenige Kritiker vernehmen. Wo sollen, bitte schön, die Unmengen Ökostrom für die Elektrolyse des grünen, also klimaneutralen Wasserstoffs herkommen? Gemeint ist das physikalisch‐chemische Verfahren, um Wasser in seine Bestandteile Sauerstoff und Wasserstoff zu zerlegen. Außerdem seien bei der Wasserstoffherstellung hohe Umwandlungsverluste zu beklagen und es sei zudem viel zu teuer. Deutschland würde es außerdem nie schaffen, Wasserstoff auch nur annährend zur Deckung des Eigenbedarfs herzustellen.

So. Wasserstoff ist demnach also raus aus dem Rennen. Wenn man dieser Sichtweise folgt. Schauen wir einfach mal genauer hin: Deutschland ist alles andere als energieautark. Die Energieimporte sind deutlich angestiegen: 2002 mussten wir 60 % unserer Primärenergieträger importieren, 2020 waren es schon knapp 70 % (Quelle: Umweltbundesamt). Heißt: Warum nicht auch eines Tages Wasserstoff importieren? Ungewöhnlich wäre das nicht.

Dann die Elektrolyse: schlechter Wirkungsgrad und alles viel zu teuer. Mit heutigen Maßstäben die Zukunft erobern – das wird kaum gelingen. Wieder hilft der genauere Blick. Diesmal schauen wir in die Großlabore des Forschungszentrums Jülich. In einem 14 m hohen Raum steht dort die größte künstliche Sonne der Welt. Mit den 149 Strahlern schafft sie punktuell das 10 000‐Fache von dem, was an Sonnenlicht auf der Erde ankommt – und Temperaturen bis 3000 ℃. Die künstliche Sonne ist das Herzstück eines völlig neuen Verfahrens, um Wasserstoff herzustellen: nur mit Licht, ohne Strom und im Moment allerdings noch mit Speziallampen. Weil es für die Forschungsarbeit praktischer ist, mit der künstlichen Sonne zu arbeiten. Sie lässt sich nach Belieben ein‐ und ausschalten. Später soll dann die „echte“ Sonne als Lichtquelle dienen. Im Labor funktioniert dieses revolutionäre Verfahren schon. Jetzt wird in industriell nutzbare Größenordnungen hochskaliert.

Was „Politik“ jetzt erkennen muss: Derartige Projekte verdienen die bestmögliche Unterstützung, ohne Wenn und Aber. Denn Wasserstoff ist ein universeller Energieträger, er kann Motoren und Flugzeugturbinen antreiben, er kann zu Strom werden und man kann mit ihm heizen. Und er „passt“ unter bestimmten Umständen auch in das vorhandene Erdgasnetz, eine Infrastruktur ist also schon angelegt. Der Nationale Wasserstoffrat (NWR) fordert folgerichtig konkrete Ausbauziele für die Jahre 2025 und 2035. Denn vor allem der Schwerlastverkehr könnte in naher Zukunft mit Wasserstoff fahren. Auch ein klimaverträglicher Luftverkehr ist ohne grünen Wassersoff und daraus abgeleitete CO2‐neutrale Kraftstoffe nicht denkbar. So gab es Rückenwind für Wasserstoff als ein Kernelement des künftigen Energiemix im November 2020. Glasgow, Schottland: Das Schlussdokument der 26. UN‐Klimakonferenz, der „Glasgow Climate Pact“, fordert alle Länder auf, den Ausbau der erneuerbaren Energien drastisch zu steigern. Ein universeller Energiespeicher wie Wasserstoff hilft, z. B. eine 24/7‐Strom‐Rundumversorgung per Windkraft und Photovoltaik überhaupt erst zu ermöglichen. Und Glasgow machte den Weg auch frei für den Start internationaler Kooperationen zum Klimaschutz. Eine Steilvorlage: Wasserstoffkooperationen mit den Ländern, die viel mehr Sonne haben als wir. Sicher bringen dann die Jülicher Forscher sehr gerne ihr Know‐how mit. Neue Geschäftsfelder tun sich auf.

Man muss kein Hellseher sein: Das Kohlezeitalter neigt sich – langsam, aber sicher – dem Ende zu. Dass es so kommen würde, hat der visionäre Schriftsteller Jules Verne bereits 1874 seinen Helden im Roman Die geheimnisvolle Insel sagen lassen. Der Ingenieur Cyrus Smith erklärt seinen Gefährten die Energieversorgung der Zukunft: „Ich bin davon überzeugt, meine Freunde, dass das Wasser dereinst als Brennstoff Verwendung findet, dass Wasserstoff und Sauerstoff, seine Bestandteile, zur unerschöpf‌lichen und bezüglich ihrer Intensität ganz ungeahnten Quelle der Wärme und des Lichts werden. (…) Ich glaube also, dass man, wenn unsere jetzigen Kohlenschächte einmal erschöpft sein werden, mit Wasser heizen wird. Das Wasser ist die Kohle der Zukunft.“

Christian Synwoldt und David Novak haben das erkannt. Ohne Zweifel gehören sie heute zu den Wasserstoff‐Visionären. Ich wünsche ihrem Buch den größtmöglichen Erfolg. Und ich hoffe auf intensive Impulse für eine nachhaltige Energiezukunft.

Volker Angres

Leiter ZDF‐Umweltredaktion, Mainz

Geleitwort Manfred Weber

Die Europäische Union hat sich ein ambitioniertes Ziel gesetzt: Im Jahr 2050 soll Europa der erste klimaneutrale Kontinent werden. Deutschland möchte dieses Ziel noch früher erreichen.

Die Ziele sind also definiert – allein der Weg dahin ist offen. Und das ist auch richtig so: Nicht Politik soll den Menschen vorschreiben, welche CO2‐freie Technologie sie nutzen möchten, sondern die Verbraucher und der Markt sollen dies entscheiden. Politik hat für technikneutrale Rahmenbedingungen zu sorgen.

Eine der eingesetzten Lösungen ist hier die Wasserstofftechnologie, deren Schwächen und Stärken in vorliegendem Werk analysiert und Lösungen zu einem flächendeckenden Einsatz aufgezeigt werden. Neben E‑Mobilität, (Bio‑)​Gas und synthetischen Kraftstoffen ist Wasserstoff eine Säule im Zeitalter der Dekarbonisierung. Und sie ist vielleicht die zentrale Antwort auf die Frage, wie künftig energieintensive Industriebereiche mit Energie versorgt werden.

Wir erleben zurzeit eine enorme Dynamik in Forschung und Entwicklung rund um das Thema Wasserstoff. Die breite Dynamik ist auch dringend notwendig: heute werden in der EU rund 7,8 Mio. t Wasserstoff verbraucht. Bis zum Jahr 2050 soll sich der Bedarf verzehnfachen.

Nur sogenannter grüner Wasserstoff wird uns helfen, die CO2‐Neutraltität zu erreichen. Hierzu bedarf es des Einsatzes effizienter Elektrolyseure, eines sicheren Versorgungs‐ und Vertriebsnetzes und gleichzeitig international wettbewerbsfähiger Preise.

Letztlich werden wir uns auch mit der Frage beschäftigen müssen, ob wir innerhalb der EU in der Lage sind, uns mit Wasserstoff ausreichend selbst zu versorgen. Oder ob wir uns Partner suchen, beispielsweise in Ländern mit hoher Sonneneinstrahlung, um dort grünen Wasserstoff zu produzieren und nach Europa zu liefern. Dies wäre auch eine große Chance für die EU, beispielsweise afrikanische Länder und Regionen an sich zu binden und dort im Gegenzug einen Beitrag zum Wohlstand zu leisten und Fluchtursachen zu bekämpfen.

Nutzen wir die Chancen, die Wasserstofftechnologie bietet, um den weltweiten Energiebedarf ökologisch zu bedienen. Und haben wir den Mut, dieses Thema auch groß zu denken!

Manfred Weber

Physikingenieur (Technischer Umweltschutz), seit 2004Mitglied des Europäischen Parlaments und seit 2014Vorsitzender der Fraktion der Europäischen Volkspartei (EVP),Brüssel

Geleitwort Mathis Wackernagel

Green Hydrogen: A Second Chance for Humanity

If green hydrogen replaced 1/3 of airplane fuel and 1/2 of industrial fossil fuel demand, Earth Overshoot Day (www.overshootday.org) would move by 18 days. This is massive and shows that green hydrogen can play a significant role in the much needed sustainability transition. What's promising about green hydrogen is not only that it gets produced from renewable sources, but it also enables economic progress, wealth, jobs, and health. Hydrogen is primarily an energy carrier, like electricity. Electricity is a versatile energy carrier that allows to shift our energy demand to renewable resources while also allowing for high flexibility in use. But this may also be delivered by green hydrogen, also made from renewables, thereby avoiding greenhouse gas emissions. Therefore, parallel to electricity, green hydrogen may well be a second complementary energy carrier. In fact, for many applications hydrogen is even better suited than electricity, as David Novak points out in this important book.

But a successful future will most likely include green hydrogen because it enables us to store excess energy from sources like wind, water, and sun, and can be used regardless of when or where it was produced. This is essential, as electricity production by wind, water, and sun naturally varies with daytime, weather, and season. Since electricity needs to be used instantaneously, hydrogen is not only a carrier, but also energy storage, more like electric batteries or pumped‐storage hydroelectricity.

In this regard, hydrogen is especially relevant in sectors such as transportation and logistics, as well as in specialty processes requiring high temperatures and high energy densities. In some domains, hydrogen is clearly the more effective choice than electric batteries, for instance in long‐distance applications such as intercontinental flights or shipping. The key reason is that stored hydrogen has a significant weight advantage over electric batteries. For this very reason, Scotland is experimenting with hydrogen ferries. Whether hydrogen is overall a more effective energy carrier than electric batteries is still to be determined, but it is wise to create competition between technologies, given what is at stake. Most likely both will be needed because of their complementary characteristics.

Where can we expect the fastest transformation?

The simplest transformation is in industry: the number of users is limited (perhaps to just several hundred per country), and hydrogen works wherever coal or natural gas has been used prior.

The most popular application for green hydrogen though is mobility: it is simple to explain, the investments are focused (although sometimes technologically challenging such as planes, which have complex safety procedures). Public acceptance might be high, and it is a media‐friendly subject, particularly because exhaust from any well‐designed hydrogen machine is merely water vapor.

When it comes to widespread implementation, the cost of green hydrogen and the lack of ample renewable energy continue to be limiting factors. While prices have been dropping, green hydrogen still is about twice as expensive to produce per unit of energy as gasoline for cars, even including taxes. But technological advances could cut those costs significantly. Clearly, green hydrogen needs more attention, and this book is a welcome addition to the much required public discussion.

Dr. Mathis Wackernagel

Physikingenieur (co‐creator of Ecological Footprint accounting, President of Global Footprint Network (Earth Overshoot Day), Oakland, CA 94612, USA

Abkürzungen

Abkürzung

Langtext (international)

Langtext/​Beschreibung (deutsch)

aFRR

automatic frequency restoration reserve

Sekundärregelleistung

AER

absorption‐enhanced reforming

absorptionsgestützte Reformierung

APR

aqueous phase reforming

Wasserphasen‐Reforming

ADR

agreement concerning the international carriage of dangerous goods by road

Gefahrstoffverordnung für den Straßenverkehr

ATR

autothermal reforming

autotherme Reformierung

ADN

accord européen relatif au transport international des marchandises dangereuses par voie de navigation intérieure

Gefahrstoffverordnung für die Binnenschiff‌fahrt

BtL

biomass to liquid

Verfahren zur Herstellung von flüssigen Energieträgern aus Biomasse

CAPEX

capital expenditures

Investition

CDA

carbon direct avoidance

Verfahren zur Vermeidung von CO

2

‐Emissionen

CNG

compressed natural gas

komprimiertes Erdgas (Methan)

CCS

carbon dioxide capture and storage

CO

2

‐Abtrennung und Speicherung

CCU

carbon dioxide capture and utilization

CO

2

‐Abtrennung und Nutzung

CANDU

Canada Deuterium Uranium

Reaktortyp für Natururan

CtL

coal to liquid

Verfahren zur Herstellung von flüssigen Energieträgern aus Kohle

DALY

disability adjusted life years

verlorene gesunde Lebensjahre

DME

dimethyl ether

Dimethylether

DMFC

direct methanol fuel cell

Direktmethanolbrennstoffzelle

ETBE

ethyl‐

tert

‐butylether

Ethyl‐

tert

‐Butylether

EUA

European Emission Allowance

Erlaubnis zur Emission einer 1 t CO

2

, CO

2

‐Zertifkat

FCR

frequency containment reserve

Primärregelleistung

GEMIS

Globales Emissions‐Modell Integrierter Systeme; Software zur Ökobilanzierung

GtL

gas to liquid

Verfahren zur Herstellung von flüssigen Energieträgern aus Gasen (Erdgas)

GWP

global warming potential

Treibhauspotenzial

HTC

hydrothermal carbonization

hydrothermale Vergasung

HT‐PEMFC

high‐temperature polymer electrolyte membrane fuel cell

Hochtemperatur‐Polymermembran‐Brennstoffzelle

IBU

inorganic building units

anorganische Verbindung aus Übergangsmetallen

IMDG

international maritime dangerous goods code

Gefahrstoffverordnung für den internationalen Schiffverkehr

LCA

life cycle analysis

Lebenszyklusanalyse

LOHC

liliquid organic hydrogen carrier

flüssiger organischer Wasserstoffträger

LNG

liquified natural gas

verflüssigtes Erdgas (Methan)

LPG

liquid petrol gas

Gemisch aus Propan, Butan

mFFR

manual frequency restoration reserve

Minutenregelleistung

MCFC

molten carbonate fuel cell

Schmelzkarbonatbrennstoffzelle

MOF

metal‐organic framework

Metallorganische Gerüstverbindung

MTA

methanol to aromatics

Verfahren zur Herstellung von Aromaten aus Methanol

MTBE

methyl‐

tert

‐butylether

Methyl‐

tert

‐Butylether

MTO

methanol to olefines

Verfahren zur Herstellung von Olefinen aus Methanol

MTP

methanol to propylen

Verfahren zur Herstellung von Polypropylen aus Methanol

OPEX

operational expenditures

Betriebskosten

PEM

proton exchange membrane

Protonen‐Austausch‐Membran

POX

partial oxidation

partielle Oxidation

 CPOX

catalytical partial oxidation

…mit Katalysator

 TPOX

thermal partial oxidation

…ohne Katalysator

ppm

parts per million; 1 : 10

6

1 : 1 Million

ppb

parts per billion; 1 : 10

9

1 : 1 Milliarde

PtC

power to chemicals

Verfahren zur Herstellung von Chemikalien mit Strom

PtF

power to fuel

Verfahren zur Herstellung eines flüssigen Energieträgers mit Strom

PtG

power to gas

Verfahren zur Herstellung eines gasförmigen Stoffes mit Strom

PtH

power to heat

Verfahren zur Wärmeerzeugung aus Strom

PtL

power to liquid

Verfahren zur Herstellung eines flüssigen Stoffes mit Strom

RID

règlement concernant le transport international ferroviaire de marchandises dangereuses

Gefahrstoffverordnung für den Schienenverkehr

SOEC

solid oxide electrolyzer cell

Feststoffelektrolysezelle

SOFC

solid oxide fuel cell

Feststoffbrennstoffzelle

SCR

selective catalytical reduction

selektive katalytische Reduktion

SMR

steam methane reforming

Dampfreformierung

TRBS

Technische Regeln für Betriebssicherheit

VOC

volatile organic compounds

flüchtige organische Verbindungen

ZIF

zeolitic imidazolate framework

Zeolitic Imidazolate Framework

Chemische Formelzeichen

Symbol

Name

Ordnungszahl

Atommasse

H (

1

H)

Wasserstoff, Protium

 1

  1,0

D (

2

H)

Deuterium

 1

  2,0

T (

3

H)

Tritium

 1

  3,0

Li

Lithium

 3

  6,9

B

Bor

 5

 10,8

C

Kohlenstoff

 6

 12,0

N

Stickstoff

 7

 14,0

O

Sauerstoff

 8

 16,0

F

Fluor

 9

 19,0

Na

Natrium

11

 23,0

Mg

Magnesium

12

 24,3

Al

Aluminium

13

 27,0

Si

Silicium

14

 24,0

P

Phosphor

15

 31,0

S

Schwefel

16

 32,1

Cl

Chlor

17

 35,5

K

Kalium

19

 39,1

Ca

Calcium

20

 40,1

Ti

Titan

22

 47,9

V

Vanadium

23

 50,9

Cr

Chrom

24

 52,0

Mn

Mangan

25

 54,9

Fe

Eisen

26

 55,8

Co

Cobalt

27

 58,9

Ni

Nickel

28

 58,7

Cu

Kupfer

29

 63,5

Zn

Zink

30

 65,4

Sr

Strontium

38

 87,6

Zr

Zirkonium

40

 91,2

Nb

Niob

41

 92,9

Ru

Ruthenium

44

101,1

Rh

Rhodium

45

102,9

Pd

Palladium

46

106,4

Cd

Cadmium

48

112,4

In

Indium

49

114,8

Sn

Zinn

50

118,7

I

Iod

53

126,9

La

Lanthan

57

138,9

Ce

Cer

58

140,1

W

Wolfram

74

183,8

Re

Rhenium

75

186,2

Ir

Iridium

77

192,2

Pt

Platin

78

195,1

Hg

Quecksilber

80

200,6

Th

Thorium

90

232,0

U

Uran

92

238,0

Pu

Plutonium

94

244,0

Präfixe für Einheiten

Präfix für Einheit

Name

Wert

E

Exa

10

18

P

Peta

10

15

T

Tera

10

12

G

Giga

10

9

M

Mega

10

6

k

Kilo

10

3

h

Hekto

10

2

da

Deka

10

1

10

0

d

Dezi

10

–1

c

Zenti

10

–2

m

Milli

10

–3

µ

Mikro

10

–6

n

Nano

10

–9

p

Piko

10

–12

f

Femto

10

–15

a

Atto

10

–18

Teil ITechnik