Sven Geitmann

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.

Energiewende 3.0

Im Sommer 2011 startete in Deutschland die Energiewende 2.0. Diese Herkulesaufgabe, die Atomenergie durch erneuerbare Energien zu ersetzen, wird noch

MIT WASSERSTOFF UND BRENNSTOFFZELLEN

lange Zeit andauern. Trotzdem ist es erforderlich, schon heute auf die Zeit danach zu schauen. 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 wirtschaft beziehungsweise von Wind-Wasserstoff ist nicht neu, aber noch nie waren die Voraussetzungen dafür, diese Idee in die Realität umzusetzen, so gut wie heute.. Dieses Buch skizziert den Weg dorthin – von der gestrigen zu einer zukunftsfähigen Energieversorgung. Es widmet sich dafür insbesondere der Thematik rund um Wasserstoff und Brennstoffzellen, denn gemeinsam können sie beide – der Wasserstoff als Energiespeicher und die Brennstoffzelle als Energiewandler – die in den nächsten Jahren anstehende Energiewende 3.0 ermöglichen.

Energiewende 3.0

längere Zeiträume bevorraten zu können. Die Idee einer solaren Wasserstoff-

„leicht lesbar und gut strukturiert“ – HyWeb „gut recherchiert“ – Elektropraktiker „fundierter Überblick über die Wasserstoff- und Brennstoffzellentechnik“ … „lesenswert“ … „empfehlenswert“ – Solarserver Mit einem Vorwort von Dr. Klaus Bonhoff, Geschäftsführer der NOW GmbH

www.hydrogeit-verlag.de ISBN 978-3-937863-16-0

Sven Geitmann

Nationale Organisation Wasserstoff- und Brennstoffzellentechnologie

Energiewende 3.0 Sven Geitmann

Energiewende 3.0 Mit Wasserstoff und Brennstoffzellen

Sven Geitmann

Sachbuch mit 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 978-3-937863-15-3 Erneuerbare Energien ISBN 978-3-937863-14-6 Hydrogen Society ISBN 978-3-937863-31-3 Wasserstoff-Autos ISBN 978-3-937863-07-8 Wasserstoff-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, Germany Gedruckt bei der adame GmbH, Berlin auf holzfreiem Papier, PEFC-zertifiziert, ISO 9001, ISO 14001, EMAS Lektorat: Dione Gutzmer, Berlin, www.korrekturleserin.de Cover & Design: Büro für Gestaltung, Dipl.-Des. Andreas Wolter, Weimar Satz: Henrike Hiersig, Weimar

danksagung

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Danksagung Diese Ausgabe ist die Neuauf lage 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

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vorwort

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



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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 H2Mobility, zeigen die zentrale Bedeutung von Brennstoffzellenfahrzeugen für die zukünftige Verkehrswirtschaft auf und legen die Basis für einen koordinierten Auf bau 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

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vorwort

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

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Inhalt 1  Einleitung. ..................................................................................................................................................................................14 2  Heutige Energieversorgung. .....................................................................................................................................18 .... 2.1  Energiebedarf. .............................................................................................................................................................20 .... 2.2  Heutige Energiequellen......................................................................................................................................23 ...............2.2.1  Primärenergieverbrauch. ............................................................................................................................23 ...............2.2.2  Stromverbrauch................................................................................................................................................25

.... 2.3  Zeitliche Verfügbarkeit........................................................................................................................................30 .... 2.4  Umweltbelastung.....................................................................................................................................................35 ...............2.4.1  Limitierte Emissionen....................................................................................................................................38 ...............2.4.2  Nichtlimitierte Emissionen.........................................................................................................................39 ...............2.4.3  CO2-Problematik...............................................................................................................................................39 ...............2.4.4  Wasserdampfbildung....................................................................................................................................42

.... 2.5  Atomenergie.................................................................................................................................................................45 .... 2.6  Lastmanagement......................................................................................................................................................46 .... 2.7  Entwicklung im Energiesektor......................................................................................................................50 ...............2.7.1  Wirtschaft..............................................................................................................................................................50 ...............2.7.2  Technik....................................................................................................................................................................52 ...............2.7.3  Thermodynamik................................................................................................................................................52

.... 2.8  Solare Wasserstoffwirtschaft. .........................................................................................................................56 ...............2.8.1  Desertec.................................................................................................................................................................57 ...............2.8.2  Neunburg vorm Wald....................................................................................................................................59 ...............2.8.3  Phoebus.................................................................................................................................................................60 ...............2.8.4  Insellösung Utsira............................................................................................................................................61 ...............2.8.5  Island........................................................................................................................................................................62

3  Wasserstoff. ...............................................................................................................................................................................64 .... 3.1  Eigenschaften. .............................................................................................................................................................64 .... 3.2  Knallgas. ............................................................................................................................................................................67

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inhalt

.... 3.3  H2-Konfiguration........................................................................................................................................................68 .... 3.4  Materialwechselwirkungen.............................................................................................................................68 .... 3.5  Stadtgas.............................................................................................................................................................................70 .... 3.6  Kernreaktoren..............................................................................................................................................................70 4  Herstellung................................................................................................................................................................................73 .... 4.1  Elektrolyse.......................................................................................................................................................................73 .... 4.2  Dampfreformer...........................................................................................................................................................76 .... 4.3  Partielle Oxidation...................................................................................................................................................79 .... 4.4  Autothermer Reformer........................................................................................................................................80 .... 4.5  Kværner-Verfahren..................................................................................................................................................80 .... 4.6  Vergasung........................................................................................................................................................................81 .... 4.7  Biochemische Herstellung................................................................................................................................82 .... 4.8  Chemische Industrie..............................................................................................................................................84 .... 4.9  Methanhydrat..............................................................................................................................................................85 .... 4.10  Dissoziation.................................................................................................................................................................86 .... 4.11  Herstellungskosten..............................................................................................................................................86 5  Reinigung...................................................................................................................................................................................89 6  Verflüssigung. .........................................................................................................................................................................92 7  Speicherung.............................................................................................................................................................................94 .... 7.1  Druckbehälter..............................................................................................................................................................95 ...............7.1.1  Niederdrucktank...............................................................................................................................................95 ...............7.1.2  Hochdrucktank..................................................................................................................................................97

.... 7.2  Kryogenbehälter. ......................................................................................................................................................98 .... 7.3  Metallhydrid............................................................................................................................................................... 102 .... 7.4  Nanoröhrchen........................................................................................................................................................... 107 .... 7.5  Carbazol. ........................................................................................................................................................................ 108 .... 7.6  MTH-Speicher............................................................................................................................................................ 111 .... 7.7  Unterirdische Kavernen. .................................................................................................................................. 111 .... 7.8  Methanisierung....................................................................................................................................................... 113



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8  Transport.................................................................................................................................................................................. 116 .... 8.1  Gastransport. ............................................................................................................................................................. 116 .... 8.2  Flüssigtransport. ..................................................................................................................................................... 117 .... 8.3  Pipeline. .......................................................................................................................................................................... 118 .... 8.4  Leitungen & Ventile. ............................................................................................................................................ 119 9  Infrastruktur........................................................................................................................................................................... 121 .... 9.1  Tankstellen................................................................................................................................................................... 121 .... 9.2  GH2-Betankung........................................................................................................................................................ 127 .... 9.3  LH2-Betankung......................................................................................................................................................... 129 10  Sicherheit.............................................................................................................................................................................. 132 .... 10.1  Vorsichtsmaßnahmen..................................................................................................................................... 132 .... 10.2  Unfallgefahren. ..................................................................................................................................................... 136 ...............10.2.1  Lkw-Unfall....................................................................................................................................................... 136 ...............10.2.2  Pkw-Brand. ..................................................................................................................................................... 137 ...............10.2.3  Lachenbildung............................................................................................................................................. 138

11  Brennstoffzelle................................................................................................................................................................. 140 .... 11.1  Funktionsweise..................................................................................................................................................... 142 .... 11.2  Hohe Effizienz........................................................................................................................................................ 148 .... 11.3  Verschiedene Typen......................................................................................................................................... 150 ...............11.3.1  AFC...................................................................................................................................................................... 150 ...............11.3.2  DMFC. ................................................................................................................................................................ 152 ...............11.3.3  PEM-FC.............................................................................................................................................................. 153 ...............11.3.4  PAFC.................................................................................................................................................................... 156 ...............11.3.5  MCFC.................................................................................................................................................................. 156 ...............11.3.6  SOFC................................................................................................................................................................... 158 ...............11.3.7  SAFC. .................................................................................................................................................................. 159 ...............11.3.8  Mikrobielle BZ. ............................................................................................................................................. 160

.... 11.4  Brennstoffe............................................................................................................................................................... 161 ...............11.4.1  Erdgas................................................................................................................................................................ 161 ...............11.4.2  Flüssiggas........................................................................................................................................................ 162

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inhalt

...............11.4.3  Biogas................................................................................................................................................................ 163 ...............11.4.4  Methanol......................................................................................................................................................... 164

.... 11.5  Kosten........................................................................................................................................................................... 167 .... 11.6  Vor- & Nachteile. .................................................................................................................................................. 168 12  Einsatzgebiete.................................................................................................................................................................. 170 .... 12.1  Mikro und Mini. .................................................................................................................................................... 170 .... 12.2  Portable Einheiten............................................................................................................................................. 171 .... 12.3  Unterbrechungsfreie Stromversorgung. ....................................................................................... 172 .... 12.4  Hausenergieversorgung............................................................................................................................... 173 .... 12.5  Kraftwerksbetrieb............................................................................................................................................... 175 .... 12.6  Fahrzeuge.................................................................................................................................................................. 178 ...............12.6.1  Pkw...................................................................................................................................................................... 179 ...............12.6.2  Busse. ................................................................................................................................................................. 182

.... 12.7  Luftfahrt...................................................................................................................................................................... 185 .... 12.8  Raumfahrt. ................................................................................................................................................................ 186 .... 12.9  Schifffahrt.................................................................................................................................................................. 187 13  Wasserstoffmotor.......................................................................................................................................................... 189 .... 13.1  Gemischbildung.................................................................................................................................................. 189 .... 13.2  Umweltbilanz......................................................................................................................................................... 194 .... 13.3  Autos mit H2-Motor........................................................................................................................................... 195 14  Katalytischer Brenner. ............................................................................................................................................... 197 15  Fazit............................................................................................................................................................................................ 198 16  Anhang................................................................................................................................................................................... 208 .... 16.1  Abkürzungen.......................................................................................................................................................... 208 .... 16.2  Geschichte................................................................................................................................................................ 211 .... 16.3  Kennwerttabelle.................................................................................................................................................. 216 .... 16.4  LH2-Sicherheitsmaßnahmen. ................................................................................................................... 218



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Literatur........................................................................................................................................................................................... 220 Index................................................................................................................................................................................................... 230 Autor. ................................................................................................................................................................................................. 234 Verlagsprogramm. ................................................................................................................................................................. 235

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1 EINLEITUNG

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