Hessisches Ministerium f端r Umwelt, Energie, Landwirtschaft und Verbraucherschutz
Wasserstoff und Brennstoffzellen
Energietechnologie ohne Emissionen und mit hoher Effizienz
INHALT GRUSSWORT ··············································································································· 2 EINLEITUNG ················································································································ 3 H2BZ-INITIATIVE HESSEN: DIE H2BZ-TECHNOLOGIE VORANBRINGEN ···· 3
1 IDEAL VERNETZT: H2BZ-INITIATIVE HESSEN UND HESSEN AGENTUR
4
Das Netzwerk von Kompetenzträgern und die Wirtschaftsförderungsgesellschaft des Landes Hessen ······················································· 5 Die Mitglieder der H2BZ-Initiative Hessen ························································· 7 Tatkräftige Hilfe bei der Umsetzung von Wasserstoff- und Brennstoffzellenprojekten ··················································································· 8
2 WARUM DER BRENNSTOFFZELLE DIE ZUKUNFT GEHÖRT 3 VIELFÄLTIGE TECHNIK MIT POTENZIAL
9 10
Die Brennstoffzelle – Sechs Typen und ihre Anwendungsgebiete ················· 10 Baldiger Markteintritt in speziellen Märkten ···················································· 16 Brennstoffzellen brauchen Peripherie-Geräte ·················································· 16 Energieträger für Brennstoffzellen ···································································· 17 Die Geschichte der Brennstoffzelle ··································································· 18
4 WASSERSTOFF: EIN NAHEZU UNBEGRENZT VERFÜGBARES ELEMENT 19 Wasserstoff-Herstellung: Emissionsfreier Energiekreislauf durch Einsatz erneuerbarer Energien ······························································· 23 Verdichteter Wasserstoff – Speicherung und Transport ·································· 24 Tanken mit Sicherheit ·························································································· 25 Pipelines bringen Wasserstoff zum Verbraucher ············································· 26 Im Wasserstoff liegt die Zukunft ········································································ 27
5 GUTE GRÜNDE FÜR DIE BRENNSTOFFZELLE
28
Regenerative Energien fördern, CO2-Ausstoß mindern, Umwelt entlasten ························································· 28 FÖRDERGELDER DES LANDES HESSEN ···························································· 30 PROJEKTE MIT BEISPIELWIRKUNG ····································································· 31 EIN AUSBLICK IN DIE ENERGIETECHNOLOGIE VON MORGEN ·················· 35 IMPRESSUM ·············································································································· 36 Nähere Angaben zu den in Hessen tätigen Unternehmen, Institutionen und Einzelpersonen, die an Brennstoffzellen oder der Peripherie arbeiten, finden Sie im Kompetenzatlas Wasserstoff und Brennstoffzellen Hessen unter www.H2BZ-Hessen.de
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LIEBE LESERINNEN, LIEBE LESER,
der Weg in ein neues Energiezeitalter ist umweltpoli-
Wasserstoff an öffentlichen Tankstellen für PKW,
tisch die größte Herausforderung, vor der wir stehen.
Busse und LKW mit Brennstoffzellensystemen, Ver-
Darum wollen wir in Deutschland und ganz besonders
sorgung für Hausheizungsanlagen, stationäre Klein-
in Hessen neue Technologien fördern und Märkte ent-
kraftwerke, autonome Energieversorgung zum Bei-
wickeln, um neue Arbeitsplätze zu schaffen und Wert-
spiel von Krankenhäusern durch eigene Brennstoff-
schöpfung zu erzielen. Eine sichere, klima- und
zellen-Blockheizkraftwerke – das ist möglich und wird
umweltfreundliche Energieversorgung bildet eine
derzeit auch in Hessen geplant oder schon getestet.
wesentliche Grundlage für wirtschaftliches Handeln und für eine prosperierende gesellschaftliche Entwicklung. Die hessische Energiepolitik hat sich konkrete Ziele gesetzt: Wir wollen den Endenergieverbrauch bei Strom und Wärme bis zum Jahr 2050 möglichst zu 100 Prozent aus erneuerbaren Energien decken. Dabei spielen Bio- und Windenergie eine maßgebliche Rolle. Aber auch die Solarenergie, die Geothermie und Wasserstoff werden ihren Potenzialen entsprechend ausgebaut. Um den CO2-Ausstoß zu verringern, müssen wir aber auch unsere Technologien überdenken und offen sein für emissionsfreie Lösungen. Dazu gehört die Wasserstoff- und Brennstoffzel-
Speichertechnologien müssen weiter entwickelt werden, etwa um nicht im Netz speicherbare Energie später zu nutzen oder um regenerative Energien auch für die Grundlast einsetzen zu können. Viele Akteure aus Wirtschaft und Wissenschaft in Hessen treiben die Entwicklung der zukunftsträchtigen Wasserstoff- und Brennstoffzellen-Technik voran, die Nachfrage steigt und weitere energieintensive Bereiche, wie die Informations- und Kommunikationstechnik, steigen in die Erprobung mit ein. Größere Stückzahlen werden Brennstoffzellen preiswerter und am Markt bestandsfähig machen.
lentechnologie. Wasserstoff als Energieträger kann
Mit der HA Hessen Agentur GmbH als zentrale Ein-
Fahrzeuge, Heizungs- und Kühlanlagen oder porta-
richtung der Wirtschaftsförderung in Hessen und der
ble Geräte wie Handys und Laptops mit Energie ver-
H2BZ-Initiative Hessen e.V. ist das Land für die tech-
sorgen. Brennstoffzellen wandeln diese Energie in
nischen Herausforderungen, vor denen die Wasser-
Strom um. Die führenden Autohersteller, in Hessen
stoff- und Brennstoffzellen-Technologie steht, gut
zum Beispiel Opel, arbeiten schon seit einigen Jah-
positioniert.
ren an solchen Elektro-Antrieben, Testfahrzeuge sind international im Einsatz. In mehreren Projekten arbeiten in Hessen Techniker und Forscher daran, die Elektromobilität zu steigern und Fahrzeuge effizient
Die vielen Vorteile und Synergie-Nutzungen von wasserstoffbetriebenen Brennstoffzellen machen sie für viele Anwendungen brauchbar. Lassen Sie sich von dieser Technik inspirieren.
zu machen. Die Wasserstoff- und Brennstoffzellentechnologie hat viele Vorteile, die sie effizient macht. Brennstoffzellen erzeugen gleichzeitig Strom und Wärme, arbeiten geräuschlos und – mit regenerativ gewonnenem Wasserstoff betrieben – emissionsfrei. Wasserstoff kann – mit erneuerbaren Energien herge-
Hessische Ministerin für Umwelt, Energie,
werden. In Industrieparks fällt er als Nebenprodukt
Landwirtschaft und Verbraucherschutz
chemischer Prozesse an, und dort, etwa im Industriepark Frankfurt-Höchst, wurden bereits WasserstoffTankstellen für Fahrzeuge mit Brennstoffzellentechnik eingerichtet.
2
Lucia Puttrich
stellt – als klimaneutraler Energiespeicher verwendet
EINLEITUNG
Wie hängen Brennstoffzellentechnologie, Wasser-
tät mit der Brennstoffzelle zu tun hat, wie und warum
stoffgewinnung durch erneuerbare Energien und
sich das Land Hessen und die Wasserstoff- und
die Reduzierung des CO2-Ausstoßes zusammen,
Brennstoffzellen-Initiative Hessen – kurz H2BZ-Initia-
und welche Konsequenzen ergeben sich daraus für
tive Hessen – für die Akteure in diesen Branchen
Hessen? Welche Arten von Brennstoffzellen es gibt,
stark machen, erfahren Sie auf den nächsten Seiten.
welche Rolle Wasserstoff als Sekundärenergieträger
Dazu finden Sie wichtige Fakten zum Thema Ener-
bei der Nutzung von erneuerbaren Energien in
gie und Emissionen sowie beispielhafte Projekte
Zukunft spielen kann, was das Thema Elektromobili-
hessischer Akteure.
Alina Stahlschmidt
Alexander Bracht
alina.stahlschmidt@hessen-agentur.de
Daniela Jardot daniela.jardot@hessen-agentur.de
HA Hessen Agentur GmbH Bereichsleitung Technologie und Innovation alexander.bracht@hessen-agentur.de
HA Hessen Agentur GmbH Wasserstoff- und Brennstoffzellentechnologie
H2BZ-INITIATIVE HESSEN: DIE H2BZ-TECHNOLOGIE VORANBRINGEN Wenn Sie die Technologie der Zukunft interessiert,
Welche Zielsetzung wir verfolgen, welche Projekte wir
wenn Sie die Aktivitäten der Wasserstoff- und Brenn-
schon realisiert haben und wie Sie der H2BZ-Initiative
stoffzellen-Initiative Hessen unterstützen möchten,
Hessen beitreten können – das alles können Sie auf
wenn Sie mit Ihrem Unternehmen oder Ihrer Institu-
unserer Internetseite www.H2BZ-Hessen.de nachle-
tion eine Chance in dieser einzigartig effizienten und
sen. Oder Sie sprechen uns persönlich an, wir freuen
emissionsfreien Form der Energieerzeugung sehen,
uns auf Sie!
werden Sie Mitglied und bringen Sie mit uns die dringend notwendige Forschung und Entwicklung sowie die Erprobung in der Praxis voran. Dr. Joachim Wolf ist seit Mitte 2009 Vorstandsvorsitzender der H2BZ-Initiative Hessen e.V., die er bereits in den Anfangsjahren als Mitglied des Beirates unterstützte. Im Rahmen seiner über zwanzigjährigen Managementtätigkeit in internationalen Positionen der Linde Group in München und Wiesbaden brachte er als Executive Director von „Hydrogen Solutions“ die Aktivitäten von Linde auf diesem Gebiet zu einem weltweit einmaligen Standard.
Dr. Joachim Wolf Vorstandsvorsitzender H2BZ-Initiative Hessen Sie erreichen Dr. Joachim Wolf über die Geschäftsstelle der H2BZ-Initiative joachim.wolf@H2BZ-Hessen.de
Seit Anfang 2009 führt der promovierte Physiker sein eigenes Beratungsunternehmen flowadvice in München und Wiesbaden, das im Auftrag des Hessischen Ministeriums für Umwelt, Energie, Landwirtschaft und Verbraucherschutz auf dem Gebiet Wasserstoff- und Brennstoffzellentechnologie die Projektanbahnung in Hessen vorantreibt. Dr. Joachim Wolf war an der Entstehung der europäischen „Hydrogen & Fuel Cell Technology Platform“ beteiligt und wirkte im Advisory-Council an der Programmrealisierung mit. Er ist Mitbegründer der European Hydrogen Association, im Deutschen Wasserstoff- und Brennstoffzellenverband engagiert und war bis 2008 im Vorstand der National Hydrogen Association of North America. Als einer der Impulsgeber und Initiatoren ist er seit Anbeginn auch Mitglied des Beirates des „Nationalen Innovationsprogramm“ (NIP) der Bundesrepublik Deutschland.
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1
IDEAL VERNETZT FÜR HESSEN DIE WASSERSTOFF- UND BRENNSTOFFZELLEN-INITIATIVE HESSEN UND DIE HESSEN AGENTUR
Das Potenzial der Wasserstoff- und Brennstoffzellen-
Die HA Hessen Agentur GmbH als Wirtschaftsförde-
technologie gewinnt angesichts der Klimaschutzvor-
rungseinrichtung des Landes Hessen und die H2BZ-
gaben und des wirkungsvollen Einsatzes erneuer-
Initiative Hessen e.V. wollen insbesondere Unterneh-
barer Energien zunehmend an Bedeutung. Mit dieser
men und Institutionen in Hessen fördern, aber auch
Technologie kann schon heute eine effiziente Ener-
Synergien mit Partnern aus anderen Ländern schaf-
gieversorgung in dezentralen stationären Einrichtun-
fen. Gemeinsam wollen sie helfen, das technologi-
gen, als portable Technik oder mobil in Fahrzeugen
sche Potenzial von Unternehmen, Institutionen und
gewährleistet werden. Erste Anwendungen wurden
Wissenschaft weiter zu entwickeln – und zwar im
in diesen Bereichen bereits umgesetzt. Der CO2-Aus-
Bereich der Brennstoffzelle und der hierfür geeigne-
stoß kann beim Einsatz von Brennstoffzellen bei-
ten innovativen Energieträger.
spielsweise in Fahrzeugen oder Blockheizkraftwerken auf Null gesenkt werden. Brennstoffzellen in Elektrofahrzeugen erhöhen die Reichweite und ermöglichen ein einfaches und schnelles „Nachtanken“.
Initiative Hessen
Wasserstoff
Brennstoffzellen„Stack“ Wasserdampf
Bipolarplatte (Anode +)
Bipolarplatte (Kathode –)
individuelle Brennstoffzellen
Katalysator Luft O2
Elektrolyt (hier: ProtonenAustausch-Membran) H2
H2O
Elektronen Protonen
Energie aus Wasserstoff: Das Prinzip der Brennstoffzelle Brennstoffzellen bestehen aus einer Vielzahl von Elektrodenpaaren (jeweils Anode und Kathode), die durch einen Elektrolyten (fest oder flüssig) getrennt sind. Zwischen den Elektroden läuft ein chemischer Prozess ab, bei dem die positiven Ionen von der Anode zur Kathode wandern und andererseits Elektronen von der Anode zur Kathode geleitet werden. Wird als Energieträger Wasserstoff eingesetzt, entsteht als Emission lediglich Wasser bzw. Wasserdampf. Den Stapel aus einer Vielzahl von einzelnen Brennstoffzellen nennt man Stack. (Quelle: Mercedes Benz)
4
Aufbau eines Brennstoffzellen-Stacks. Quelle: Ticona GmbH
DAS NETZWERK VON KOMPETENZTRÄGERN UND DIE WIRTSCHAFTS FÖRDERUNGSGESELLSCHAFT DES LANDES HESSEN Aus Begeisterung für die Technologie und aus Grün-
Die Aktivitäten der Initiative werden seit Beginn von
den des Klimaschutzes haben sich im Jahr 2002 füh-
der Hessischen Landesregierung unterstützt. Mit der
rende Vertreter der Wasserstoff- und Brennstoffzellen-
Projektträgerschaft wurde die Hessen Agentur
technologie aus Unternehmen, Hochschulen und
betraut. Die Hessen Agentur ist die Wirtschafts-
Institutionen in der Wasserstoff- und Brennstoffzellen-
förderungsgesellschaft des Landes Hessen. Sie hat
Initiative Hessen e.V. (H2BZ-Initiative Hessen) zusam-
das Ziel, den Standort Hessen zu stärken und seine
mengeschlossen.
Vorteile national und international bekannt zu
Den jeweiligen Entwicklungsbedarf zu erkennen, hat besondere Bedeutung für neue Technologien. Dazu gehört das Entwerfen von integrierenden Entwicklungs- und Pilotprojekten. Zu diesen selbst gesteckten Zielen und Aufgaben der H2BZ-Initiative gehören daneben die Wissensverbreitung in Lehre und Ausbildung sowie die Darstellung der Technologien in der Öffentlichkeit. Mit ihren Aktivitäten leistet die Initiative damit einen wichtigen Beitrag zur Stärkung des Wirtschafts- und Wissenschaftsstandorts Hessen. Sie ist somit der Mittelpunkt des Kompetenznetzwerkes in Hessen.
machen. Mit ihren vielfältigen Aktivitäten trägt sie dazu bei, dass Hessen in zahlreichen Bereichen seine internationale Spitzenposition behält. Unternehmen profitieren von der breiten Kompetenz und europaweiten Netzwerken in unterschiedlichen technologischen Bereichen. Die Hessen Agentur knüpft Kontakte zu Forschung und Entwicklung und hilft, den Weg von der kreativen Idee zum wirtschaftlichen Erfolg zu ebnen. Sie nutzt dabei ihre Kompetenzen in zukunftsträchtigen Anwendungen und Forschungen wie Nano-, Bio-, Umwelt-, Energie- sowie Informations- und Kommunikationstechnologie und schafft im Rahmen des Technologietransfers Synergien für Unternehmen und Wissenschaft.
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Als „Think Tank“ identifiziert und bewertet sie Zukunftstechnologien und gibt Impulse für die Bildung von Netzwerken und Clustern. Die Hessen
Die H2BZ-Initiative und die Hessen Agentur
a betreiben gemeinsam Technologiemarketing regional, national und international im Kontext
Agentur fördert im Rahmen von Hessen ModellPro-
der Wirtschafts- und Technologieförderung des
jekte die Zusammenarbeit von Unternehmen und Hochschulen.
Landes Hessen und
a sind zentrale Ansprechpartner und Berater für
Standort- und Technologiemarketing im Bereich Was-
Fragen rund um das Thema Wasserstoff- und
serstoff und Brennstoffzelle bedeutet zunächst die
Brennstoffzellentechnologie in Hessen und
Vernetzung von Akteuren aus Wirtschaft und Wissen-
a führen Informationen aus Politik, Wirtschaft,
schaft und die Begleitung auf dem Weg in den Markt.
Wissenschaft und Gesellschaft zu diesem
Ihre maßgebliche Herausforderung sehen die Hessen
Thema zusammen.
Agentur und die H2BZ-Initiative in der wirtschaftli-
Gemeinsam initiieren sie den Technologie-
a
chen Realisierung und Durchsetzung der Wasserstoff-
transfer auf diesem Technologiefeld, z. B.
und Brennstoffzellentechnologie bis zu ihrer breiten
durch die gezielte Nutzung der Medien,
Anwendung.
Durchführung von Veranstaltungen usw.
a Die Wasserstoff- und Brennstoffzellen-Initiative wird bei der Erfüllung ihrer Aufgaben durch die Hessen Agentur im Auftrag des Hessischen Ministeriums für Umwelt, Energie, Landwirtschaft und Verbraucherschutz begleitet.
und unterstützen Unternehmen, die sich auf diesem Gebiet betätigen.
a Die Initiative ist Mitglied des DWV, Deutscher Wasserstoff- und Brennstoffzellen-Verband,
a
sowie der Kompetenznetze Deutschland. Die Kompetenznetze Deutschland des Bundesministeriums für Wirtschaft und Technologie (BMWi) vereinen die innovativsten und leistungsstärksten nationalen Kompetenznetze mit technologischer Ausrichtung.
a Die Hessen Agentur ist Ansprechpartner für die Förderung im Rahmen von Hessen ModellProjekte
Der Beirat der H2BZ-Initiative Hessen
Land Hessen (HMUELV)
Die Aufgabe des Beirats ist die Beratung und Unterstützung des Vorstandes beim Erreichen der Vereins-
HA HessenAgentur HessenA Agentu t r GmbH GmbH bH H2BZ-Technologie
ziele. Seine Mitglieder sind führende Vertreter aus der (Energie-) Wirtschaft und Forschungseinrichtungen sowie Wirtschaftsförderer. Sie werden auf die Dauer von zwei Jahren berufen. Dem Beirat können
H2BZ-Initiative Mitglieder Mitglieder
Vorstand
Beirat Beirat
auch Nicht-Vereinsmitglieder angehören.
H2BZ-Projektanbahnung H2BZ-Projekt H2BZ-Proj ekt k GmbH
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DIE MITGLIEDER DER H2BZ-INITIATIVE HESSEN
Adam Opel AG
IBR Ingenieurbüro Redlich und Partner GmbH
Sandstede Technologie Consult.
Air Liquide Forschung und Entwicklung GmbH
Infraserv GmbH & Co. Höchst KG
Scheppat, Prof. Dr. Birgit
Brennstoffzellen- und Batterie-Allianz Baden-Württemberg (BzA-BW)
Ingenieurbüro Wilhelm GmbH
Adler, Susanne
DiWiTech-Ingenieurpraxis ELT Elektrolyse Technik GmbH emutec | mitte GmbH EW Medien und Kongresse GmbH Ewald, Dr. Rolf
Ingenieurbüro Ralph Luh
ITM Power GmbH Kämpny, Hans Kippels, Anna-Kristin Kippels, Heinz Alfred Linde AG Löhn, Helmut
Sanevo Vertriebs-GmbH & Co. KG
Schleussner, Dr. Dr. med. h.c. Hans Schmelig, Willi Schmidt-Walter, Prof. Dr. Heinz sera ComPress GmbH SMA Solar Technology AG Stadtschule Schlüchtern Süwag Energie AG
Fraunhofer Institut für Windenergie und Energiesystemtechnik (IWES)
N2telligence GmbH
Technische Universität Darmstadt • Fachgebiet Erneuerbare Energien • Fachgebiet Thermische Verfahrenstechnik
FVI – Forum Vision Instandhaltung e.V.
Nitschke, Hartmut
TGZ GmbH, Kaisersesch
Gaskatel GmbH
NRG Plan GmbH
Ticona GmbH
GHR Hochdruck-Reduziertechnik GmbH
Pfeiffer, Norbert
Umicore AG & Co. KG
Grabenhenrich, Dr. Heinz Bernd
Proton Motor Fuel Cell GmbH
HA Hessen Agentur GmbH
Reich, Jürgen
Umwelt Campus Birkenfeld, Fachhochschule Trier
HIC Hansen Ingenieur Consult
Renewable Energies Consulting Dr.-Ing. Rolf Schicke
Fahr, H.-Michael
Materials Valley e.V. Matthes, Klaus
Winfriedschule Fulda
Hüttenberger Produktionstechnik Martin GmbH
Rittal GmbH Co. KG
Wolfram Brandes Management Consulting
Roth Industries GmbH & Co. KG
Wolf, Joachim
Hydrogen Energy GWL GmbH
Rübsam, Helmut
Zarden, Peter
Hochschule RheinMain
Das Netzwerk aus kompetenten Fachleuten, Institutionen aus der Wissenschaft und aus Unternehmen wächst stetig. Teilen Sie die Begeisterung für die Technik, die den Weg zur emissionsfreien Energie frei macht. Werden Sie Mitglied und bringen Sie die Technik mit Ihren Ideen voran!
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TATKRÄFTIGE HILFE BEI DER UMSETZUNG VON WASSERSTOFF- UND BRENNSTOFFZELLENPROJEKTEN
Die H2BZ Projektanbahnung Vielen Unternehmen fehlen die personellen Res-
Bereich der Wasserstoff- und Brennstoffzellentech-
sourcen zu einer raschen Umsetzung innovativer Pro-
nologie. Sie hält wichtige Informationen über Mög-
duktideen. Mittelständler haben oft nicht genügend
lichkeiten der Projektförderung und Kontakte zu ent-
finanzielle Mittel, um aus Ideen Produkte zu machen
sprechenden Förderstellen bereit und kann helfen,
und sie auf den Markt zu bringen. Sie brauchen für
Projektskizzen anzufertigen und Förderanträge zu
eine Produktentwicklung kompetente und zuverläs-
schreiben. Die H2BZ Projektanbahnung wird vom
sige Partner, die sie technologisch begleiten. Seit
Hessischen Ministerium für Umwelt und Energie
Anfang 2010 unterstützt daher die H2BZ Projektan-
über die Hessen Agentur finanziert und kann daher
bahnung bei der Konzeption, Vorbereitung und teil-
Hessischen Unternehmen und Einrichtungen eine
weise auch der Entwicklung von Projekten im
kostenlose Erstberatung bieten.
Unterstützung und Initiierung von Projekten Die H2BZ Projektanbahnung unterstützt in allen
Mit
Phasen der Projektrealisierung wie der Definition
Ansprechpartner geschaffen, der bei der prakti-
des Projektes und der notwendigen Leistungen, der
schen Umsetzung von Anwendungen für Wasserstoff
Kalkulation der personellen und finanziellen Res-
und Brennstoffzellen in Hessen unterstützt.
sourcen. Sie hilft bei der Akquisition von Projektpartnern, dem Recherchieren der möglichen Förderprogramme, dem Erstellen und Vorstellen einer Projektskizze, der Organisation und Durchführung von Öffentlichkeitsarbeit zur Darstellung der Projektergebnisse und berät und begleitet bis hin zu einer
der
H2BZ
Projektanbahnung
wurde
Projekte, die bereits in Angriff genommen wurden, kommen aus den Bereichen Sonderfahrzeuge, dezentrale Stromversorgung, unterbrechungsfreie Stromversorgung (USV) sowie Wasserstoffspeicherung.
Markteinführung.
Kontakt über die Geschäftsstelle der H2BZ-Initiative Hessen PEM-BrennstoffzellenStacks bestehen aus einzelnen Zellen, in denen die Elektroden durch eine Membran getrennt werden. Quelle: BASF
8
ein
info@H2BZ-Hessen.de www.H2BZ-Hessen.de
2
WARUM DER BRENNSTOFFZELLE DIE ZUKUNFT GEHÖRT
Die Energiewandlung für die vielfältigen Anwendun-
Verbrennung fossiler Brennstoffe – noch immer die
gen im Verkehr, der Versorgung der Haushalte und
häufigste Form der Energiewandlung – verstärkt den
der Wirtschaftsunternehmen ist heute in den meis-
Treibhauseffekt und ist ein globales Problem. Lärm
ten Fällen noch mit erheblicher Belastung der
und Abgase sorgen für erhebliche Konflikte, und
Umwelt verbunden. Kohlenstoffdioxid (CO2) aus der
toxische Abwässer belasten die Umwelt.
Die Wasserstoff- und Brennstoffzellentechnologie vereint Emissionsfreiheit und funktionale Vorteile in der Energieerzeugung. Als Vorteile sind zu nennen:
a höchst effiziente Technik bei gleichzeitiger Erzeugung von Strom und Wärme, Nutzung von bis zu über 90 Prozent der im Energieträger enthaltenen Energie (zum Vergleich: Verbrennungsmotoren in Blockheizkraftwerken bis über 80 Prozent)
a wichtige Komponente für unabhängige Systeme zur dezentralen Energieversorgung
Quelle: vege – Fotolia.com
a sehr leise im Betrieb a verursacht keine Vibrationen a wartungsarm, da ohne bewegliche Teile a flexibel einsetzbar in stationären (zum Beispiel Blockheizkraftwerken), mobilen (Fahrzeuge) oder portablen (Laptop, Handy etc.) Anwendungen
a gewährleistet Elektromobilität mit großen Reichweiten und kurzen Betankungszeiten
Quelle: Linde
a keine Emissionen außer Wasserdampf beim Betrieb mit reinem Wasserstoff, kein Kohlenstoffdioxid, keine Stickoxide, keine Feinstäube
a klimaneutral, wenn bei der Erzeugung Strom aus erneuerbaren Energien verwendet oder der Wasserstoff aus Biomasse gewonnen wurde
a Wasserstoff verursacht keine Wasserbelastung a Speichermedium für regenerative Energien Quelle: Schunk Bahn- und Industrietechnik
9
3
VIELFÄLTIGE TECHNIK MIT POTENZIAL
DIE BRENNSTOFFZELLE – SECHS TYPEN UND IHRE ANWENDUNGS GEBIETE Brennstoffzellen sind elektrochemische Energie-
Eine Brennstoffzelle kann z. B. die im Wasserstoff
wandler, bestehend aus einer Vielzahl von Elektro-
gespeicherte Energie direkt in Strom umwandeln.
denpaaren (jeweils Anode und Kathode), die durch
Sie arbeitet verschleißfrei und lautlos. Bei einer
einen Elektrolyten (fest oder flüssig) getrennt sind.
Batterie erschöpft sich die Leistung mit dem Verzehr
Zwischen den Elektroden läuft ein chemischer Pro-
der Anode. Die Brennstoffzelle jedoch liefert unbe-
zess ab, bei dem einerseits die positiven Ionen von
grenzt Strom, solange gasförmiger Brennstoff (Was-
der Anode zur Kathode wandern, andererseits
serstoff) und Luft (Sauerstoff) von außen zugeführt
werden Elektronen über einen elektrischen Leiter
werden. Beide Stoffe reagieren zu Wasser, das als
von der Anode zur Kathode geleitet. Außen wird
Nebenprodukt anfällt. Brennstoffzellen liefern elek-
elektrische Leistung abgenommen – dieses Prinzip
trischen Strom – elektrische Energie – und zusätzlich
haben sie gemeinsam mit Autobatterien bzw. Akku-
nutzbare Wärme – thermische Energie.
mulatoren. Der Elektrolyt besteht aus einer ionenleitenden Flüssigkeit oder einer Membran, einer Karbonatschmelze, einer Säure, Lauge oder aus einer ionenleitenden Keramik.
Die Entwicklung der Brennstoffzelle ist noch nicht abgeschlossen: Sie ist ein viel versprechender Energiewandler, der gegenwärtig meist in Einzelexemplaren oder Kleinstserien angefertigt wird und deshalb noch zu teuer in der Herstellung ist. In den nächsten Jahren ist intensive Arbeit zur Verbesserung der Lebensdauer, der Peripheriegeräte und zur Senkung der Herstellungskosten erforderlich – zum Beispiel durch die Optimierung der Produktionsver-
H2 Ano
d
) e (-
ss (Wa
ers
f) to f
fahren. Dann kann die Brennstoffzelle mit den heutigen Verbrennungsmotoren und Hausheizungen
t hei Ein n e rod lekt E (+) n bra ode h m t Me Ka
l Küh
ung
ss Wa
erd
a
f mp
Elektronen Protonen
O2
Man kennt sechs Brennstoffzellen-Typen, die sich in der Art der verwendeten Elektrolyte unterscheiden. Je höher die Arbeitstemperatur der Brennstoffzelle ist, desto unempfindlicher sind die Katalysatoren gegen Vergiftung und desto schneller läuft die elek-
O2 ft (Lu
konkurrieren.
trochemische Reaktion ab. Im so genannten Stack, dem Stapel von Brennstoff-
)
H2 Elektrolyt (PEM-Membran)
Elektroden mit Katalysatorschicht
Funktionsprinzip einer Polymer-Elektrolyt-Membran (PEM) -Brennstoffzelle
10
zellen, kann jede technisch sinnvolle Spannung durch Hintereinanderschalten von einzelnen Brennstoffzellen erreicht werden.
Die alkalische Brennstoffzelle (AFC) Die AFC ist die klassische Brennstoffzelle. Kalilauge dient als flüssiger Elektrolyt. Die Betriebstemperatur liegt bei ca. 80°C; sie ist also eine Niedertemperatur-Brennstoffzelle und braucht zur Reaktion einen Metall-Katalysator. Sie wird mit reinem Wasserstoff betrieben. Wenn Luft als Sauerstoffträger benutzt wird, muss ein Luftwäscher zur CO2-Entfernung vorgeschaltet werden. Ihr Hauptanwendungsgebiet ist die Strom- und Wärme-Erzeugung für autarke Verbraucher, bei denen die Brennstoff-Effizienz entscheidend ist: zum Beispiel in der Raumfahrt, in militärischen Verwendungen wie U-Booten und bei Einsätzen in entlegenen Gebieten (Wetterstationen).
Brennstoffzelle: Typen und Merkmale Bezeichnung
Betriebstemperatur
Elektrolyt
Kraft- / Brennstoff
Anwendung
Alkalische Brennstoffzelle
80°C
Kalilauge
Wasserstoff
mobil (Raumfahrt)
2a LTPEMFC
Niedertemperatur-Polymer-ElektrolytMembran-Brennstoffzelle
80°C
Festpolymer
Wasserstoff
mobil, stationär, spez. Anwendungen
2b HTPEMFC
Hochtemperatur-Polymer-ElektrolytMembran-Brennstoffzelle
100–200°C
Festpolymer
Wasserstoff
mobil, stationär
3
DMFC
Direktmethanol-Brennsoffzelle
70–90°C
Festpolymer
Methanol
spez. Anwendungen
4
PAFC
Phosphorsaure Brennstoffzelle
200°C
Phosphorsäure
Erdgas
stationär
5
MCFC
Schmelzkarbonat-Brennstoffzelle
650°C
Natrium- und Kaliumkarbonat
Erdgas, Biogas
stationär
6
SOFC
Oxidkeramische Brennstoffzelle
1000°C
Zirkonoxid
Erdgas, Biogas
stationär
1
AFC
11
Die Polymer-Elektrolyt-Membran-Brennstoffzelle (PEMFC) Die PEMFC wird auch Protonenaustauschmembran-
ihre Alltagstauglichkeit zu erproben. Aktuelle Mittel-
Brennstoffzelle (Proton Exchange Membran Fuel
klassefahrzeuge mit dieser Technologie erreichen
Cell) genannt. Im Gegensatz zum alkalischen System
mit einer Wasserstoff-Tankfülllung eine Reichweite
besteht hier der Elektrolyt aus einer ionenleitenden
von ca. 400 bis 600 Kilometern, annehmbare Höchst-
Kunststoff-Folie, die durch Beschichtung gleichzeitig
geschwindigkeiten und haben ein gutes Beschleu-
auch Katalysatorträger, Diffusionsschicht, Elektro-
nigungsvermögen. Durch kurze Betankungszeiten
denträger und Separationswand zwischen den rea-
gewährleistet die Technologie zudem eine alltags-
gierenden Gasen ist. Sie arbeitet zwischen 50 und
taugliche Elektromobilität.
80°C (Niedertemperatur), eventuell bei einigen Bar Druck (die Druckdifferenz zwischen den beiden Menbranseiten ist relativ klein) und erreicht hohe Leistungsdichten.
Die PEMFC gilt als das KFZ-Antriebsaggregat im Brennstoffzellenbereich. Hier gab es in den letzten Jahren bedeutende Fortschritte in der Entwicklung. Allerdings ist weitere Entwicklungsarbeit nötig, um
Die PEMFC eignet sich durch die modulare Bau-
je nach Anwendung die Lebensdauer der Membran
weise, niedriges Leistungsgewicht und relativ gute
weiter zu erhöhen und die notwendigen niedrigen
Kaltstart-Eigenschaften besonders für mobile An-
Fertigungskosten zu erreichen.
wendungen. Nachteilig sind der Regelungsbedarf der Feuchtigkeit im Reaktionsraum und die Empfindlichkeit gegen CO im Anodengas.
Neben den in Fahrzeugen und zur unterbrechungsfreien Stromversorgung (USV) eingesetzten Niedertemperatur-PEM-Brennstoffzellen existieren darüber
Mit PEM-Brennstoffzellen sind die in der Öffentlich-
hinaus auch Hochtemperatur-PEM-Zellen. Diese kön-
keit viel beachteten mobilen Anwendungen in PKW
nen durch eine besonders widerstandsfähige PEM-
(DaimIer, Opel, Volkswagen, Ford, Toyota etc.) und
Folie bei einem Temperaturniveau von 200°C betrie-
in Bussen (DaimIer, MAN, Vossloh, Auwärter, Neo-
ben werden. Damit ist die CO/CO2-Toleranz erhöht
plan etc.) ausgerüstet, die zur Zeit weltweit in
worden, was sich vorteilhaft auf die Lebensdauer
Demonstrationsprogrammen eingesetzt werden, um
und die Wirtschaftlichkeit auswirkt.
Concept BlueZERO – Elektromobilität für jeden Bedarf Stadtverkehr
Überlandverkehr
Langstreckenverkehr
Modulares Konzept für Elektromobilität: • Batterie-elektrischer Antrieb (BlueZERO E-CELL) • Brennstoffzellenantrieb (BlueZERO F-CELL) • Batterie-eletrischer Antrieb mit Range Extender (BlueZERO E-CELL PLUS)
E-CELL F-CELL E-CELL PLUS Quelle: Daimler
12
Im Labor wird ein Auswaschtest durchgeführt, durch den die chemische Stabilität einer Membran bestimmt werden kann: Diese gibt Auskunft über die Lebensdauer der Membran-ElektrodenEinheit (MEA). Die MEA ist das Herzstück der Brennstoffzelle. Hier finden die chemischen Reaktionen statt, die aus dem Wasserstoff – also dem Brennstoff – die Energie herausholen. Quelle: BASF Fuel Cell
Die Direkt-Methanol-Brennstoffzelle (DMFC) Ihr Vorzug ist der flüssige Brennstoff Methanol, der
kationseinrichtungen an Standorten ohne Netzan-
heute in tragbaren Kunststoffkartuschen oder Tank-
bindung eingesetzt. Weitere Anwendungen sind
patronen kompakt gespeichert angeboten wird. Die
portable und mobile Systeme, die Energie für einen
DMFC arbeitet mit einem Kunststoff-Folien-Elektro-
wochen- oder monatelangen autarken Einsatz mit-
lyten wie die PEMFC. Die Betriebstemperatur liegt
führen. Bis heute wurden bereits mehr als 23.000
beim Betrieb mit flüssigem Methanol bei ca. 80°C;
DMFC-Systeme verkauft und arbeiten als zuverläs-
der elektrische Wirkungsgrad liegt auf Zellebene bei
sige Energiequelle beim Kunden.
30 bis 40 Prozent, Systeme im Kleinleistungsbereich erreichen 25 Prozent Gesamtwirkungsgrad vom Treibstoff Methanol zum Gleichstrom. Der Bedarf an Edelmetall-Katalysatoren ist derzeit noch relativ hoch, weshalb sich der kommerzielle Einsatz bisher nur im Kleinleistungsbereich unterhalb 1 kW durchgesetzt hat. DMFC-Produkte sind bereits seit einigen Jahren erhältlich und werden z. B. unter dem Markennamen EFOY für die Bordstromversorgung von Wohnmobilen vermarktet. DMFC-Systeme werden aber auch im industriellen Einsatz als Energiequelle für den Betrieb von stationären Sensoren und Kommuni-
Quelle: SFC Energy AG
13
Ein Werk des TognumTochterunternehmens MTU Friedrichshafen GmbH wurde im Jahr 2008 mit Wärme und Strom aus einem BrennstoffzellenKraftwerk versorgt. Quelle: MTU onsite energy
Die phosphorsaure Brennstoffzelle (PAFC)
Die Schmelzkarbonat-Brennstoffzelle (MCFC)
Die PAFC ist eine Mitteltemperatur-Brennstoffzelle,
Mit 650°C Betriebstemperatur ist die MCFC eine
die bei ca. 200°C arbeitet und einen elektrischen
Hochtemperatur-Brennstoffzelle, deren Abwärme
Wirkungsgrad von 55 Prozent hat. Ihre Elektroden
zur Dampferzeugung (Kraft-Wärme-Kopplung) aus-
sind Folien aus Kohlefasern, die den fein verteilten
gekoppelt wird bzw. zur Kälteerzeugung durch
Platinkatalysator tragen. Der Elektrolyt, Phosphor-
Kraft-Wärme-Kälte-Kopplung genutzt werden kann.
säure, ist als Gel auf einem Geflecht aus teflonge-
Wegen des hohen Temperatur-Niveaus muss kein
bundenem Siliziumkarbid fixiert. Die Nachteile der
Reformer vorgeschaltet und auch stark kohlenstoff-
PAFC sind ihre geringe Stromdichte und die lange
haltige Brennstoffe können verstromt werden. Der
Anfahrzeit.
Elektrolyt ist ein schmelzflüssiges Alkalikarbonat, das
Neben dem eigentlichen Stack bilden der Reformer, die Gasreinigung zur Beseitigung des CO2, der Wär-
hoch korrosiv ist und hohe Anforderungen an die eingesetzten Werkstoffe stellt.
metauscher und der elektrische Wechselrichter die
Auch dieser Brennstoffzellen-Typ wird aus modula-
Systemkomponenten für eine mit Erdgas betriebene
ren Stackpaketen zu größeren Leistungsklassen auf-
PAFC. Dieser Brennstoffzellen-Typ ist technisch rela-
gebaut und kann mit Erdgas, Grubengas, Biogas
tiv weit entwickelt und als dezentrales Blockheizkraft-
sowie mit Klär- oder Deponiegas gespeist werden.
werk (BHKW) mit Kraft-Wärme-Kopplung internatio-
Die Reinigung der Brenngase kann zentral innerhalb
nal im Einsatz.
der Gesamtanlage erfolgen. Bereits bei kleineren Leistungen (ab 200 kWeI) können im KWK-Betrieb Strom und Dampf erzeugt werden, was diesen Brennstoffzellentyp zur dezentralen Energieversorgung für Kommunen und Industriebetriebe interessant macht. Etwa zwanzig MCFC-BHKW-Anlagen sind inzwischen in unterschiedlichen Anwendungen erprobt. Sie nutzen zum Teil biogene Gase aus Vergärungs- und Kläranlagen.
14
Am Leuchttisch werden aus einer Membran und zwei Elektroden die sogenannten Membran-Elektroden-Einheiten (MEAs) zusammengesetzt. Quelle: BASF
Die oxidkeramische Brennstoffzelle (SOFC) Die SOFC funktioniert bei Temperaturen bis 1.000°C
Aufgrund des möglichen hohen elektrischen Wir-
und zeichnet sich durch einen festen Elektrolyten
kungsgrades (ca. 60 Prozent) werden diese Systeme
(Zirkoniumoxid) aus, der bei hohen Temperaturen
auch als Stromerzeuger eingesetzt wie beispiels-
Ionen leitet und die Reaktionsgase voneinander
weise der „BlueGEN“ der Firma Ceramic Fuel Cells,
trennt. Die SOFC wird in Platten- oder Röhrenform
der von dem hessischen Unternehmen Sanevo ver-
gestaltet. Ihre Anwendung liegt im Bau von Block-
trieben wird.
heizkraftwerken.
Deutsche Energieversorger haben das wirtschaft-
Die Zukunftskonzeption für große SOFCs wird in der
liche und umweltschonende Potenzial erkannt, das
Kombination mit nachgeschalteter Dampfturbine
die hocheffiziente Nutzung der Primärenergie Erd-
gesehen. Für kleine SOFCs bietet die Kombination
gas in Brennstoffzellen-Heizgeräten in Verbindung
mit einer Mikrogasturbine gute Chancen. Brennstoff-
mit Kraft-Wärme-Kopplung bietet, allerdings ist diese
zellen dieses Typs werden zum Beispiel als Heiz-
Form der Energieerzeugung nicht CO2-neutral.
geräte entwickelt.
Diese Brennstoffzellen-Anwendung ist bereits relativ
Eine viel versprechende Form der SOFC ist die
marktnah und könnte in der Serienproduktion die für
Konzeption der Firma Hexis im Leistungsbereich
einen breiten Markterfolg notwendige Kosten-
1 bis 10 kWel mit integriertem Heißwasserboiler für
degression erfahren.
den Einsatz als kompakte Strom- und Heizzentrale in Ein- und Mehrfamilienhäusern, gespeist aus dem Erdgasnetz.
15
BALDIGER MARKTEINTRITT IN SPEZIELLEN MÄRKTEN Eine interessante Anwendung von Brennstoffzellen,
nik aus Methanolpatronen, erlauben vielfach deut-
die einen baldigen Markteintritt verspricht, sind
lich längere Betriebszeiten und schnellen Speicher-
Mini-Brennstoffzellen in PEM-Technik mit Brennstoff-
wechsel und damit fast unbegrenzte Gerätenutzung
speichern für Methanol oder reinen Wasserstoff: Sie
auch an Orten ohne Stromnetz.
sind ideale Stromquellen für elektronische Geräte wie Laptops, Camcorder, MP3-Player oder Handys.
Vergleichbare Vorteile bieten kleine PEM-Brennstoffzellen als Notstromaggregate im Bereich der unter-
Batterien und Akkus ermöglichen oft nur relativ
brechungsfreien Stromversorgung (USV) für Rechen-
kurze Betriebszeiten, bilden einen hohen Kostenfak-
zentren oder in der Telekommunikation zum Beispiel
tor und sind problematisch in der Entsorgung. Der
zur Versorgung von Funkmasten, wo sie lange Über-
Ladeprozess von Akkus braucht erhebliche Zeit und
brückungszeiten gewährleisten. Im Gegensatz zu
einen Stromanschluss. Mini-Brennstoffzellen mit
motorbetriebenen Aggregaten arbeiten sie ge-
PEM-Technik, gespeist aus Wasserstoffspeichern
räuschlos und vibrationsfrei. Dies ist besonders auf
(Hydrid- oder Druckspeicher) oder mit DMCF-Tech-
Schiffen oder beim Camping interessant.
BRENNSTOFFZELLEN BRAUCHEN PERIPHERIE-GERÄTE Der Zylinderblock einer Verbrennungskraftmaschine
Die Kosten der Peripherie-Geräte sind mitbestim-
ist noch kein betriebsfähiger Motor, ebenso wenig
mend für die Gesamtkosten des betriebsbereiten
ist ein Brennstoffzellen-Stack ein einsatzfähiger
Aggregats – wie beim Verbrennungsmotor – und in
Energieerzeuger. Je nach System besteht ein
der Summe meist höher als die des reinen Stacks
betriebsbereites Brennstoffzellenaggregat neben
(bzw. Zylinderblocks). Auch bei diesen Nebenaggre-
dem Zellenstapel (Stack) aus der Steuerung, gege-
gaten besteht noch Entwicklungs-, Anpassungs- und
benenfalls notwendigen Nebengeräten zur Herstel-
Erprobungsbedarf.
lung von Wasserstoff oder Reinigung anderer Gase und ggf. einem Wechselrichter. Letzterer macht aus dem Gleichstrom der Brennstoffzelle erst Wechselstrom, sofern dieser in ein Netz eingespeist werden soll. Außerdem gehören zum System Brennstoffzelle noch Mess- und Regelgeräte, Brennstoffspeicher und andere Hilfsaggregate. Alle Teilkomponenten des Systems müssen auf den Brennstoff, die Betriebstemperatur, den Elektrolyten, die abzuführenden Wärmemengen sowie die mechanischen
und
elektrischen
Anforderungen
des
Gesamtaggregats abgestimmt sein und vergleichbare Dauerstandfestigkeiten besitzen. PEM-Brennstoffzellenstack Quelle: Schunk Bahn- und Industrietechnik
16
ENERGIETRÄGER FÜR BRENNSTOFFZELLEN: WASSERSTOFF, ERDGAS, LIQUIFIED PETROLEUM GAS, KOHLENWASSERSTOFFE, METHANOL
In den Niedrigtemperatur-Brennstoffzellen (alkalische, Polymer-Elektrolyt-Membran- und phosphorsaure Brennstoffzelle) kommt nur reiner Wasserstoff zum Einsatz. Wo dieser nicht zur Verfügung steht, lässt er sich mit Hilfe von Reformern zum Beispiel aus Erdgas erzeugen. Die gegenwärtigen Feldversuche von Brennstoff zellen in Fahrzeugen werden überwiegend mit Hochdruck-Wasserstoff durchgeführt. Hochtemperatur-Brennstoffzellen können auch Kohlenwasserstoffe mit gewissen Verunreinigungen, wie sie zum Beispiel in Klärgasen vorkommen, verbren-
traiLH2 – eine mobile Betankungseinheit für gasförmigen und flüssigen Wasserstoff
nen. Sie werden mit Erdgas, LPG (Liquified Petroleum Gas) oder Biogas gespeist. Für den Einsatz von Methanol, das in Erdgas- und in Erdölförderländern in großen Mengen und zu niedrigen Preisen anfällt,
Der Preis der Brennstoffe wird im Wesentlichen
ist die Direkt-Methanol-Brennstoffzelle bestimmt, die
durch die vorgelagerten Energiewandlungsschritte /
sich besonders für den mobilen Einsatz eignen
Verarbeitungsstufen (fuel chain) bestimmt. Erdgas,
würde. Logistisch ist Methanol ähnlich handhabbar
besonders für stationäre Anwendungen, ist der
wie Benzin.
Brennstoff mit der bereits heute breitesten Verfügbarkeit durch das dichte, bestehende Verteilungsnetz.
Nähere Angaben zu den in Hessen tätigen Unternehmen, Institutionen und Einzelpersonen, die an Brennstoffzellen oder der Peripherie arbeiten, finden Sie im Kompetenzatlas Wasserstoff und Brennstoffzellen Hessen unter www.H2BZ-Hessen.de
17
DIE GESCHICHTE DER BRENNSTOFFZELLE Direkte Umwandlung von chemischer in elektrische Energie Das Prinzip der Brennstoffzelle wurde von Christian
In Deutschland griff Prof. Eduard Justi 1951 an der
Friedrich Schönbein, einem Schweizer Professor an
TU Braunschweig das Thema Brennstoffzelle auf und
der Universität Basel, gefunden. Schönbein,
legte mit Prof. August Winsel die Grundlagen der
der in engem Kontakt mit Sir William
alkalischen Brennstoffzelle. Winsel setzte ab 1961
Grove stand, erkannte schon 1839,
die Arbeiten in der VARTA-Forschung in Kelkheim /
dass chemische Energie direkt in
Hessen fort, wo eine Reihe praktischer Anwendun-
elektrische umgewandelt werden
gen der alkalischen Brennstoffzelle (z. B. Gabelstap-
kann. Aufbauend auf dieser Ent-
lerantriebe) verwirklicht wurde, ehe das Arbeitsge-
deckung erzeugte Grove in einem
biet an die Firma Siemens abgegeben wurde.
galvanischen Bad durch Zusammenführung von Wasserstoff und Sauerstoff in „kalter Verbrennung“, das heißt ohne Flammenbildung, elektrischen Strom. Die gefürchtete Knallgasexplosion hat nicht stattgefunden.
Für die Raumfahrt entdeckte man vor 40 Jahren die Brennstoffzelle und ihre Vorzüge wieder: eine leichte und effiziente Strom- und Wärmequelle, deren „Abfall“ nur Wasser ist, das man den Astronauten sogar als Trinkwasser gab. Im Gemini-Projekt der NASA sorgte eine PEM-Zelle (Polymer-Elektrolyt-Membran-Zelle) für Strom und Wärme, während in den Apollo-Raumkap-
Die Wissenschaftler Ludwig Mond und Carl Langer
seln und den Mondfähren AFCs (Alkalische Brenn-
gaben dem Apparat 1889 den Namen „Fuel Cell“,
stoffzellen) diese Aufgaben erfüllten.
also „Brennstoffzelle“. Aber nicht die Brennstoffzelle, deren günstigen elektrischen Wirkungsgrad man schon früh erkannte, sondern der elektrische Generator, der auf dem 1866 von Siemens gefundenen „Elektrodynamischen Prinzip“ beruhte, leitete in der zweiten Hälfte des 19. Jahrhunderts das Zeitalter der großtechnischen Stromerzeugung ein.
Aber erst Ereignisse in den siebziger Jahren sorgten für ein umfassenderes Interesse: die Ölkrisen und das neue Umweltbewusstsein. In den vergangenen 30 Jahren ist deswegen in Europa, in den USA und Kanada sowie in Japan von Wissenschaft und Wirtschaft mit staatlicher Förderung viel in die Forschung und Entwicklung der Brennstoffzelle investiert worden.
Die Wiege der Wasserstoff-Erzeugung stand in Hessen In Hessen stand die Wiege der industriellen Wasser-
Die erste industrielle Anwendung des neuen Ener-
stoff-Erzeugung und -Anwendung: 1896 nahm der
gieträgers Wasserstoff entwickelte 1903 der Inge-
Chemiker Dr. Ignaz Stroof in der Chemischen Fabrik
nieur Adolf Wiss im Griesheimer Werk mit seinem
Griesheim (bei Frankfurt) die erste Chloralkali-Elek-
Wasserstoff-Sauerstoff-Brenner zum Schweißen. Dies
trolyse der Welt in Betrieb, die Chlor, Natronlauge
war der Beginn einer neuen Technologie zum Ver-
und Wasserstoff in großen Mengen produzieren
binden und Schneiden von Metallen, der Autogen-
konnte. Eine Einsatzmöglichkeit war Wasserstoff als
technik, die die Metallverarbeitung revolutionierte.
Füllstoff für die damals neuen Zeppeline: Man füllte ihn mit 150 bar in Stahlflaschen und brachte ihn zu den Startplätzen.
18
4
WASSERSTOFF
EIN NAHEZU UNBEGRENZT VERFÜGBARES ELEMENT UND VOLLER ENERGIE
Quelle: dreamstime
Wasserstoff ist eine so genannte Sekundär-Energie.
Unter Standard-Bedingungen von Druck und Tem-
Um Wasserstoff zu erzeugen, muss man Energie auf-
peratur ist Wasserstoff das leichteste Gas. Er ist
wenden. Einmal mittels erneuerbarer Energien,
geruchlos und unsichtbar. Im Gemisch mit Luft ist er
Kohle, Erdöl oder Erdgas hergestellt, ist seine Anwen-
bei Konzentrationen von 4 bis 75 Volumenprozent
dungsbreite, seine Umwandlungsfähigkeit und seine
zündfähig, aber nicht selbstentzündlich. Wasserstoff
Umweltverträglichkeit allen anderen Energieträgern
ist ungiftig, nicht korrosiv und nicht Wasser gefähr-
überlegen. Er ist als Brennstoff für Brennstoffzellen zur
dend.
schadstofffreien Erzeugung von Elektrizität und Wärme geeignet – und das ist das große Potenzial der Wasserstoff- und Brennstoffzellen-Technologie.
Ein Kilogramm Wasserstoff enthält soviel Energie wie 2,5 Kilogramm Benzin. Er ist allerdings spezifisch leicht und beansprucht deshalb bei gleichem Ener-
Wasserstoff findet sich in nahezu unbegrenzten
gieinhalt ein viermal so großes Speichervolumen.
Mengen auf der Erde, allerdings stets chemisch mit
Damit weist er immer noch eine deutlich höhere Ener-
anderen Elementen verbunden. In der überwiegen-
giedichte auf als alle bekannten Batteriesysteme.
den und nutzbaren Form liegt er gebunden an Sauerstoff in Form von Wasser vor.
19
Wasserstoff-Einfüllstutzen
Kühlmittelbehälter Leistungsverteilung Luftfilter Brennstoffzellen-Stack
Druckwasserstoff-Speichertank Leistungsbatterie Steuergerät
Kühler
Elektrischer Antriebsmotor
Wasserstoffzuführung
Gleichspannungswandler
Brennstoffzellen-Fahrzeuge sind mit speziellen Tanks ausgerüstet, die wie ein Benzintank an Zapfsäulen gefüllt werden können. Quelle: Adam Opel AG
Wasserstoff wird unter Einsatz elektrischer Energie
Wenn Strom erzeugt ist, muss er verbraucht werden.
aus Wasser (Elektrolyse) oder aus Kohlenwasserstof-
Nicht verbrauchter Strom kann mittels Elektrolyse in
fen hergestellt. Die Herstellung aus Kohlenwasser-
Wasserstoff umgesetzt werden. Hier liegt einer der
stoffen geschieht nach bewährten Verfahren: Mittels
großen Vorteile der Wasserstoff-Technologie: Strom-
Dampfreformierung oder durch partielle Oxidation
spitzen bei zum Teil stark fluktuierenden Energie-
von Kohlenwasserstoffen produziert man den größ-
wandlungssystemen wie Wind- oder Solarenergie
ten Teil des weltweit erzeugten Wasserstoffs und
können zur Wasserstoffproduktion und -speicherung
verbraucht ihn am Ort der Erzeugung in anderen
eingesetzt werden. Dieser Wasserstoff kann in der
industriellen Prozessen. Bisher sind nur etwa fünf
Brennstoffzelle bei Bedarf in Strom und Wärme
Prozent des Wasserstoffs Handelsware. Der größte
umgewandelt werden. Wenn Wasserstoff seine Ener-
Teil wird für die Hydrierung von Kohlenwasserstof-
gie in der Hausheizung, im Automotor oder im Klein-
fen, für die Härtung von Fetten oder für die Vergü-
kraftwerk abgegeben hat, fällt er aufgrund der Reak-
tung von Metallen eingesetzt. Die zukunftsfähige
tion mit Sauerstoff als reines Wasser beim Verbrau-
und emissionsfreie Form bietet die Gewinnung von
cher an.
Wasserstoff aus Biogas oder im Elektrolyse-Verfahren. Die Voraussetzung ist, dass der benötigte Strom aus erneuerbaren Quellen kommt.
20
Weltweit werden pro Jahr ca. 520 Mrd. Kubikmeter
a Es wird einen Übergang von einem
Wasserstoff erzeugt. Die Chemie- und Erdöl-Indus-
brennstoffbasierten zu einem strombasierten
trie sind die größten Erzeuger und Verbraucher von
Energiesystem geben.
Wasserstoff. Der Anteil von Wasserstoff, der für Energie-Erzeu-
a Der Verkehrssektor wird Strom als „hauptsächliche Primärenergiequelle“ nutzen.
gung und -Umwandlung eingesetzt werden wird, wird im 21. Jahrhundert voraussichtlich stark steigen.
a Die künftige Infrastruktur wird sich ändern:
Seine Einsatzmöglichkeiten steigen mit dem techno-
Strom wird fossile Brennstoffe langfristig
logischen Fortschritt auf allen Gebieten. Der Preis
ersetzen müssen.
von Wasserstoff als Energieträger hängt ab vom Angebot der kohlenstoffhaltigen Primärenergien
a Stromspeicherung wird unentbehrlich – Wasserstoff wird als wichtiges Stromspeichermedium
bzw. von den Kosten für Strom. Ein wichtiger Faktor
fungieren und ein starker Partner für erneuer-
zur Kostenreduzierung ist die Anlagengröße.
bare Energien und den Verkehrssektor werden.
Reinhold Wurster von der Ludwig-Bölkow-Systemtechnik GmbH und Mitglied des Beirats der Wasserstoff- und Brennstoffzellen-Initiative Hessen sieht im Jahr 2015 das Förder- und Produktionsmaximum fossiler und nuklearer Brennstoffe erreicht. Er stellt folgende Thesen auf (siehe folgende Grafik):
Strombasiertes Energiesystem Kraftstoffbasiertes Energiesystem m
20.000
2030
heute
2050 Solarthermische Kraftwerke (SOT)
Fördermaximum fossil / nuklear etwa 2015
15.000
2% 8%
10.000
8% 15%
Uran Kohle
19% Wärme/ Brennstoff
76%
90%
5.000
31% Strom
Erdgas
50% Brennstoff
Photovoltaik
64% Windkraft Wasserkraft Geothermie Biomasse 19% sche Solarthermische Kollektoren
Regenerative Energien
Gesamte Primärenergieversorgung [Mtoe]
Kraftstoff zu Strom (niedriger Wirkungsgrad)
Übergangsphase
Strom zu Kraftstoff (niedriger Wirkungsgrad)
17%
Erdöl
Quelle: Reinhold Wurster, LudwigBölkow-Systemtechnik GmbH
1940
1960 Regenerativer Strom
1980
2000
2020
Regenerative Wärme/Brennstoff
2040
2060
2080
2100
Fossile/nukleare Brennstoffe
21
Die ökonomische und ökologische Entwicklung in
lichen Stoffen vor sich geht. Der Vorteil der Verwen-
Industrienationen muss dahin gehen, immer mehr
dung erneuerbarer Energien liegt neben der Emis-
Primärenergie durch die Sekundärenergien Elektri-
sionsfreiheit in der Möglichkeit der dezentralen und
zität und Wasserstoff zu ersetzen, weil ihre Umwand-
von fossilen Rohstoffen unabhängigen Versorgung.
lung in andere Energieformen, ihr Transport und ihre Anwendung beim Verbraucher mit überlegenem Wirkungsgrad und ohne Bildung von umweltschäd-
Flächenbedarf für erneuerbare Kraftstoffe: Nutzung eines Hektars Land für die Kraftstoffproduktion
1ha
Wasserstoff ~733 GJ/ha
VM Fahrzeug ~493.000 km/ha
Belegung = 33%
BZ Fahrzeug ~875.000 km/ha
Photovoltaik
Wasserstoff
VM Fahrzeug ~245.000 km/ha
~363 GJ/ha
BZ Fahrzeug ~434.000 km/ha
Belegung = 1% Windenergie
Wasserstoff Belegung = 100%
BZ Fahrzeug ~110.000 km/ha
~93 GJ/ha
Biomasse VM Fahrzeug ~62.000 km/ha
Belegung = 100%
Biodiesel ~48 GJ/ha
Biomethan ~112 GJ/ha
Biomasse
Primärenergie
Biomethan, ~80.000 km/ha
BtL, ~51.000 km/ha Biodiesel, ~33.000 km/ha; Bioethanol, ~35.000 km/ha
Belegte Landfläche
Kraftstoffproduktion pro Hektar
ha=Hektar, VM=Verbrennungsmotor, BZ=Brennstoffzelle
Referenzfahrzeug: VW Golf [Concawe/EUCAR/JRC 2006], Ø Fahrleistung=12.500 km/Jahr
Quelle: Wasserstoff aus erneuerbaren Energien, Reinhold Wurster, Ludwig-Bölkow-Systemtechnik GmbH
22
WASSERSTOFF-HERSTELLUNG: EMISSIONSFREIER ENERGIEKREISLAUF DURCH EINSATZ ERNEUERBARER ENERGIEN Die Wasserstoffproduktion durch Elektrolyse bietet die Möglichkeit eines emissionsfreien WasserstoffEnergiekreislaufs, wenn der Strom für die Elektrolyse aus einer regenerativen Energiequelle wie beispielsweise Sonnen- oder Windenergie oder aus Wasserkraft stammt. Zudem bietet sich zur Produktion von Wasserstoff die Vergasung von Biomasse an. Dazu kann man außer Resten aus der Land- und Forstwirtschaft oder Biomüll aus Haushalten auch organische Industrieabfälle zählen, deren Beseitigung oft erhebliche Schwierigkeiten bereitet. Das Zusammenspiel von
Quelle: Linde
konventionellen und regenerativen, von zentral und Wenn man an zwei Platin-Elektroden im leitenden
dezentral erzeugten Energien, kann durch koordinie-
Wasserbad elektrische Spannung anlegt, fließt elek-
rende Energie-Management-Systeme gesteuert wer-
trischer Strom und spaltet das Wasser. Wasserstoff
den, die durch elektronische Netze optimiert wer-
und Sauerstoff scheiden sich gasförmig an den Elek-
den. Das Fraunhofer IWES in Kassel entwickelt dafür
troden ab. Dieser Vorgang heißt Elektrolyse.
komplexes Know-how.
Die Dampfreformierung ist das am weitesten verbreitete Verfahren zur Erzeugung von wasserstoffreichem Synthesegas aus leichten Kohlenwasserstoffen. Die Einsatzstoffe Erdgas, Flüssiggas oder Naphtha werden mit Wasserdampf in katalytischen Rohrreaktoren zu Synthesegas mit hohem Wasserstoffgehalt umgesetzt. Prozesswärme und Rauchgaswärme werden zur Dampferzeugung genutzt. Quelle: Linde
23
VERDICHTETER WASSERSTOFF – SPEICHERUNG UND TRANSPORT Ein großer Vorzug des Energieträgers Wasserstoff
Industriegase-Unternehmen fahren verflüssigten
gegenüber der Elektrizität ist seine Speicherfähig-
Wasserstoff in großen Tankwagen – ähnlich wie Ben-
keit; allerdings muss man das Gas zu diesem Zweck
zin oder Diesel – sicher von der Verflüssigungsan-
verdichten (bis auf 700 bar) oder verflüssigen. In bei-
lage zum Verbraucher.
den Fällen ist dazu zusätzliche Energie aufzuwenden. Der verdichtete Wasserstoff gilt als ideal für mobile Anwendungen, d. h. für Kraftfahrzeuge mit Brennstoffzellen-Antrieb. In Brennstoffzellen-Fahrzeugen wird Wasserstoff in speziell konstruierten superisolierten Tanks, Hochdruck-Speichern aus Stahl oder in Composite-Behältern gespeichert – entweder als komprimiertes Gas (CGH2) oder verflüssigt (LH2) bei einer Temperatur von –253°C.
Wasserstoff-Tankstelle am Industriepark Höchst. Quelle: Zero Regio
Wasserstoff-Tankstellen ermöglichen Mobilität Erste Wasserstofftankstellen sind in Frankfurt (mehr dazu auf Seite 26), Hamburg, Berlin, am Münchener Flughafen und Stuttgart in Betrieb genommen worden, um die Brennstoffzellen-Fahrzeuge mit Wasserstoff zu versorgen. In den Ballungsräumen der chemischen Industrie fällt Wasserstoff als Nebenprodukt der Chlor-Alkali-Elektrolyse an, der zunehmend zur Betankung von Fahrzeugen zur Verfügung steht. Um die Mobilität von Fahrzeugen mit Wasserstoff-Brennstoffzellen-Antrieb zu gewährleisten, muss dieses Netzwerk weiter ausgebaut werden. Die Tankstellen können entweder mit Tankwagen oder über Pipelines mit Wasserstoff-Nachschub versorgt werden.
Quelle: Linde
24
TANKEN MIT SICHERHEIT Die Industrie, die seit Jahrzehnten mit gasförmigem und flüssigem Wasserstoff umgeht, hat aus dieser Erfahrung viele der erforderlichen Vorschriften und Praktiken entwickelt. Millionen Menschen nutzen tagtäglich gasförmige und flüssige Brennstoffe im Auto und im Haushalt, weil sie die Handhabung gelernt haben und die Industrie ihnen die entsprechenden, sicheren Geräte bietet.
Das Betanken der Wasserstoff-Tanks von BrennstoffzellenFahrzeugen ist mit speziellen Einfüllstutzen ähnlich einfach wie das Tanken von Erdgas. Quelle: Linde
Für die Sicherheit jedes Kraft-
Benzin
Wasserstoff
3,2– 4
0,09
0,6– 8 %
4– 75 %
1,1 %
18 %
0,24 mJ
0,02 mJ
Ein Funken reicht aus, um Wasserstoff oder Benzin zu zünden
Zündtemperatur
220– 280 °C
585 °C
Benzin kann sich an heißen Oberflächen entzünden
Flamme
strahlt heiß
wenig Wärmestrahlung
Verbrennungsgefahr neben Wasserstoff-Flamme gering
giftig
ungiftig
Dichte im Verhältnis zu Luft
Schlussfolgerung Wasserstoff verflüchtigt sich schnell, Benzin bleibt am Boden
stoffs spielen seine physikalischen und chemischen Eigen-
Zündbereich
schaften eine entscheidende Rolle. Im direkten Vergleich mit Benzin zeigt sich, dass Wasser-
Detonationsgrenze
stoff keinesfalls gefährlicher ist: Er verflüchtigt sich sehr schnell, verbrennt anstatt zu explodie-
Zündenergie
ren, entzündet sich nicht so leicht an heißen Oberflächen und ist im Gegensatz zu Benzin ungiftig für Mensch und Umwelt. Quelle: TÜV Süddeutschland
Gesundheits gefährdung
Wasserstoff kann in einem großen Bereich gezündet werden Wasserstoff verbrennt, bevor er explodiert
Wasserstoff stellt keine Gefahr für Böden und Gewässer dar
25
PIPELINES BRINGEN WASSERSTOFF ZUM VERBRAUCHER Das Massentransportmittel für Wasserstoff ist die Rohrleitung: Seit Jahrzehnten betreibt die chemische Industrie in NRW ein sicheres und leistungsfähiges Leitungsnetz für gasförmigen Wasserstoff von ca. 240 Kilometern Länge, das jährlich ca. 250 Mio. Kubikmeter transportiert. In Marl, am Nordrand des Ruhrgebiets, wird das größte Abfüll-Zentrum für Wasserstoff in ganz Europa betrieben. Im Industriepark Höchst ist für das Projekt Zero Regio (siehe Seite 32) eine hochmoderne Wasserstoffleitung installiert worden. Die hinsichtlich Druck und Länge einzigartige Hochdruck-Pipeline hat eine Gesamtlänge von 1,7 Kilometern und führt einen Druck von bis zu 1100 bar. Eine etablierte Wasserstoff-Infrastruktur ist das Erdgasnetz, das viele Millionen Verbraucher in Deutschland erreicht. Erdgas besteht zu über 90 Prozent aus Methan, dem H2-reichsten Kohlenwasserstoff, aus
Quelle: Linde
dem wiederum Wasserstoff gewonnen werden kann. Technisch ist es relativ einfach, an jedem Verbrauchs-
Bei Infraserv Höchst in Frankfurt am Main fallen 30
punkt mit einem so genannten Reformer aus ver-
Millionen Kubikmeter Wasserstoff pro Jahr aus der
schiedenen Kohlenwasserstoffen reinen Wasserstoff
Chlorproduktion an. Seit der Inbetriebnahme der
für die Brennstoffzelle zu erzeugen. Damit steht Was-
Wasserstoff-Tankstelle am Südrand des Industrie-
serstoff prinzipiell bereits heute für die Versorgung
parks Höchst im November 2006 waren Brennstoff-
vieler privater Haushalte in Deutschland zur Verfü-
zellen-betriebene A-Klasse-Fahrzeuge von Daimler
gung.
für das EU-Projekt Zero Regio im Alltagstest – einige
Der größte Teil der heutigen Wasserstoffproduktion entsteht als Neben- oder Koppelprodukt in Prozessen der chemischen Industrie und wird auch von dieser selbst in Folgeprozessen wieder verbraucht, vor allen Dingen in der Petrochemie. Wenn er im industriellen Maßstab gezielt erzeugt wird, geschieht das zur Zeit hauptsächlich durch Reformierung von Erdgas. Dieses Verfahren stützt sich allerdings auf einen fossilen und nicht dauerhaft vorhandenen Rohstoff und ist mit erheblichen CO2 -Emissionen verbunden.
26
davon auf dem Gelände des Frankfurter Flughafens und im Industriepark Höchst. Im Rahmen des von der Europäischen Union geförderten und von Infraserv Höchst koordinierten Projektes Zero Regio lieferten diese Fahrzeuge wichtige Erfahrungswerte über Alltagsbetrieb, Betankung und Infrastruktur.
IM WASSERSTOFF LIEGT DIE ZUKUNFT GermanHy, eine Studie zur Frage „Woher kommt der
a Je nach Rahmenbedingungen kann regenerativ
Wasserstoff in Deutschland bis 2050?“ im Auftrag des
erzeugter Wasserstoff bis 2050 bis zu 70 Prozent
Bundesministeriums für Verkehr, Bau und Stadt-
aller PKW / Lieferfahrzeuge versorgen – auch bei
entwicklung (BMVBS) und in Zusammenarbeit mit
starker fossiler Ressourcenverknappung.
der Nationalen Organisation Wasserstoff- und Brennstoffzellentechnologie (NOW), zeigt drei Szenarien
a Zur Herstellung von Wasserstoff wird ein Primärenergiemix verwendet. Dabei können in der
auf und kommt zu folgenden Ergebnissen:
Übergangsphase regional verfügbarer Wasserstoff aus Industrieanlagen (Nebenprodukt), Erd-
a Deutschland verbraucht rund 30 Prozent seiner Primärenergie im Verkehrssektor. Wasserstoff
gasreformierung vor Ort und Biomasseverga-
kann bis 2050 im Verkehrssektor ein wesent-
sung eine Rolle spielen. Langfristig überwiegen
licher Energieträger werden und hier etwa
regenerative Energieträger wie z. B. Windenergie.
20 bis 40 Prozent des Energiebedarfs im Verkehrssektor abdecken. Wasserstoff und Brenn-
a Bei der Verteilung von Wasserstoff dominieren die Lieferung von flüssigem Wasserstoff (An-
stoffzellen können im Straßenverkehr bis 2050
fangsphase mit geringen Mengen) sowie die
eine große Bedeutung erlangen. Sie werden
Versorgung mit Druckwasserstoff-Pipelines (ab
zentraler Bestandteil eines diversifizierten
2030, kostengünstiger bei großen Mengen). Vor-
Angebotes (Kraftstoffe und Antriebskonzepte).
a
Bei drastischem Rückgang fossiler Energieimporte müssen verstärkt erneuerbare Energien eingesetzt, erhebliche Effizienzsteigerungen
Ort-Produktion ergänzt regional das Angebot. Nähere Informationen unter www.bmvbs.de und www.germanhy.de.
erreicht und energiesparendes Verhalten umgesetzt werden.
Herkunft von Wasserstoff in Deutschland 2030
100 PJ
2050
480 PJ
„Moderat“
Kohle ohne CCS Kohle mit CCS
2030
100 PJ
2050
470 PJ
„Klima“
Erdgas Wind Biomasse
2030
90 PJ
2050
440 PJ 0%
20 %
40 %
60 %
80 %
Anteile der Primärenergieträger an der Wasserstoffproduktion
„RessourcenVerknappung“
Nebenprodukt
100 % Quelle: GermanHy
27
5
GUTE GRÜNDE FÜR DIE BRENNSTOFFZELLE
REGENERATIVE ENERGIEN FÖRDERN, CO 2 -AUSSTOSS MINDERN, UMWELT ENTLASTEN Die Wasserstoff- und Brennstoffzellentechnologie
Die Europäische Union hat sich verpflichtet, den
hat gegenüber anderen Energiewandlungsmetho-
Ausstoß von Kohlendioxid bis zum Jahr 2020 um
den enorme Vorteile und darum ein großes Poten-
mindestens 20 Prozent gegenüber 1990 zu senken.
zial. Emissionsfreier und hocheffizienter Betrieb von
Studien der Internationalen Energie Agentur, einer
Fahrzeugen, Kraftwerken und Heizungsanlagen ist
autonomen Institution der Organisation für wirt-
die Herausforderung, der sich Hersteller und Ver-
schaftliche
braucher stellen müssen. Neben Lärm-, Feinstaub-
(OECD), zeigen, dass die Energieeffizienz bis 2050
und anderen toxischen Belastungen ist die Klimaver-
potenziell zur größten einzelnen Emissionssenkungs-
änderung durch CO2 das größte Problem, das
quelle im Energiesektor werden kann. Dies hätte
umweltpolitisch angegangen werden muss. Aus der
sowohl ökologische als auch wirtschaftliche Vorteile.
Zusammenarbeit
und
Entwicklung
Knappheit der fossilen Ressourcen, dem wachsenden Kohlendioxid-Ausstoß und dem prognostizierten bedrohlichen Klimawandel resultieren nicht nur Handlungsempfehlungen für die Umweltpolitik, sondern auch Herausforderungen an die Forschung und Entwicklung in Wissenschaft und Wirtschaft. EnergieTechnologien, die ohne CO2-Emissionen hohe Effizienz und Verfügbarkeit gewährleisten, sind gefragt: zum Beispiel die Wasserstoff- und Brennstoffzellentechnologie.
„Das Weltenergiesystem steht an einem Scheideweg. Die derzeitigen weltweiten Trends von Energieversorgung und -verbrauch sind eindeutig nicht zukunftsfähig, in ökologischer ebenso wie in wirtschaftlicher und sozialer Hinsicht.“ Internationale Energie Agentur, 2008
28
Nicholas Stern, Leiter des volkswirtschaftlichen
Wandlungstechniken wie Brennstoffzellen sowie
Dienstes der britischen Regierung, kommt in seinem
Hybridkonzepte, die mehrere Techniken oder Brenn-
Report von 2006 zu ähnlichen Schlüssen in Bezug
stoffe komplementär einsetzen. Diese Techniken
auf die notwendige Reduzierung von CO2-Emissio-
sind teilweise bereits technisch ausgereift, einige
nen: „Viele der Technologien zum Erreichen dieser
nähern sich der Schwelle zur Wirtschaftlichkeit, größ-
Reduzierungen existieren zwar bereits, aber die Prio-
tenteils besteht jedoch noch Forschungsbedarf. (...)
rität besteht jetzt darin, ihre Kosten zu reduzieren, so
Verschiedene Arten von Brennstoffzellen werden in
dass sie mit Alternativen zu fossilen Brennstoffen
Versuchsanlagen getestet und lassen elektrische
unter einem Kohlenstoff-Preisrichtlinienprogramm
Wirkungsgrade zwischen 40 und 60 Prozent erwar-
wettbewerbsfähig sind.“
ten.“ (www.bmwi.de)
Die Projektgruppe Energiepolitisches Programm (PEPP)
des
Bundeswirtschaftsministeriums
hat
„10 langfristige Handlungslinien für die künftige Energieversorgung in Deutschland“ herausgegeben und stellt fest: „Weitere innovative Ansätze zur Erhöhung der Umwandlungseffizienz sind Techniken zur Stromerzeugung aus Abwärme, hocheffiziente
Energiebedingte Emissionen von Kohlendioxid (Deutschland 2006) in Millionen Tonnen (Mt) nach Sektoren 2
Andere energiebedingte Emissionen
6
Land- und Forstwirtschaft, Fischerei
149 12 117 46
Straßenverkehr Übriger Verkehr Haushalte Kleinverbraucher
101
Verarbeitendes Gewerbe
366
Energiewirtschaft
799
Gesamt
Quelle: BMWi/UBA, Stand 08.07.2008
29
FÖRDERGELDER DES LANDES HESSEN HESSEN MODELLPROJEKTE Das Land Hessen fördert die Durchführung von
Zur Förderung dieser Vorhaben stehen derzeit drei
besonders innovativen Forschungs- und Entwick-
Maßnahmen zur Verfügung: LOEWE KMU-Verbund-
lungsvorhaben im Technologiebereich – auch auf
vorhaben (Förderlinie 3), finanziert aus Landesmit-
dem Gebiet der Wasserstoff- und Brennstoffzellen.
teln, sowie KMU-Modell- und -Pilotprojekte und als
Als Projektträger fungiert die Hessen Agentur. Bezu-
erweiterte Maßnahme modellhafte Forschungs- und
schusst werden im Rahmen von Hessen ModellPro-
Entwicklungsprojekte mit Schwerpunkt im Automo-
jekte kleine und mittlere Unternehmen (KMU), die
tivebereich, die beide aus Mitteln des Europäischen
gemeinsam mit weiteren Partnern (Unternehmen,
Fonds für regionale Entwicklung und aus Mitteln des
Hochschulen,
Landes Hessen finanziert werden.
Forschungseinrichtungen)
ange-
wandte Forschungs- und Entwicklungsprojekte realisieren. Weitere Informationen unter www.innovationsfoerderung-hessen.de
LOEWE — Landes-Offensive zur Entwicklung Wissenschaftlichökonomischer Exzellenz
EUROPÄISCHE UNION: Investition in Ihre Zukunft Europäischer Fonds für regionale Entwicklung
HESSISCHES ENERGIEGESETZ Im Rahmen des Hessischen Energiegesetzes vom November 2008 können Projekte unterstützt wer-
Nutzung neuer Energietechnologien (Marktvorbe-
den, die Entwicklung, Demonstration und Anwen-
reitungsförderung) mit den Schwerpunkten energie-
dung stationärer Wasserstoff- und Brennstoffzellen-
effiziente Gebäudetechnologien, rationelle Elektrizi-
systeme zum Inhalt haben. Ziel ist es, die rationelle
tätsanwendung, rationelle Energienutzung sowie
und umweltverträgliche Energienutzung in Hessen
Nutzung erneuerbarer Energien.
voranzutreiben und einen Beitrag zu einer gesamtwirtschaftlich wettbewerbsfähigen und sicheren Erzeugung und Verwendung von Energie zu leisten.
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Gefördert werden können marktnahe Vorhaben zur
FÖRDERPROGRAMME STELLEN GELDER IN AUSSICHT Die Bundesregierung hat ein Förderprogramm auf-
Berücksichtigung der komplementären Mittel der
gelegt, das die Weiterentwicklung und Einführung
Industrie und Anwender im Zeitraum 2007 bis 2016
dieser Technologien unterstützen will: durch die
bis zu 1,4 Milliarden Euro zur Verfügung. Hinzu kom-
gezielte Förderung im Rahmen des von den Bundes-
men noch Mittel des BMBF zur Grundlagenforschung
ministerien für Verkehr, Bau und Stadtentwicklung
und institutionellen Förderung der Großforschungs-
(BMVBS), Wirtschaft und Technologie (BMWi), Bil-
einrichtungen auf diesem Gebiet.“ (www.bmvbs.de)
dung und Forschung (BMBF) sowie Umwelt, Naturschutz und Reaktorsicherheit (BMU) gemeinsam formulierten „Nationalen Innovationsprogramm Wasserstoff- und Brennstoffzellentechnologie“ (NIP).
Im Februar 2008 wurde die Nationale Organisation Wasserstoff- und Brennstoffzellentechnologie (NOW) gegründet, um die internationale Wettbewerbsfähigkeit im Bereich Wasserstoff- und Brennstoffzel-
„Im Rahmen des NIP sind für die kommenden zehn
lentechnologie auszubauen. NOW koordiniert die
Jahre zusätzliche 500 Millionen Euro Förderung [Stand
Aktivitäten im Auftrag der verschiedenen Bundesmi-
2006] dieser Technologie vorgesehen. Bei Fortschrei-
nisterien und stellt Kontakt zu internationalen Insti-
bung der seit Jahren erfolgreich laufenden FuE-För-
tutionen und der Industrie her (www.now-gmbh.de).
derung des Bundes für Brennstoffzellen und Wasser-
Weitere Informationen zur Förderung bzw. Förderbe-
stoff – vor allem durch das BMWi – stehen unter
ratung finden Sie auch unter www.H2BZ-Hessen.de.
PROJEKTE MIT BEISPIELWIRKUNG NULL-EMISSION UND ELEKTROMOBILITÄT IN RHEIN-MAIN, KLIMANEUTRALE IKT Beispielhafte Projekte für den Einsatz der Wasser-
im Verkehrsbereich, welches insbesondere auch die
stoff- und Brennstoffzellentechnologie, an denen
Ergebnisse des Projektes Zero Regio mit dem Ziel
hessische Akteure beteiligt sind, zeigen, wie im
der Entwicklung emissionsfreier Transportsysteme
Zusammenspiel unterschiedlicher Unternehmen und
für den alltäglichen Einsatz in europäischen Bal-
Institutionen eine zukunftsweisende Energieerzeu-
lungsräumen aufgreift. Im RheinMain BLUE Cluster
gung ohne Emissionen aussehen kann. Die Projekte
planen mehrere Unternehmen, Brennstoffzellen in
nehmen sich der globalen Verantwortung für die
der Informations- und Kommunikationstechnik (IKT)
Verminderung von Kohlendioxid an: Clean Energy
einzusetzen. In einem weiteren Projekt setzt die Fra-
Partnership (CEP) ist ein europäisches Demonstrations-
port AG seit Herbst 2011 ein Brennstoffzellensystem
projekt in der Wasserstoffmobilität und ein Leucht-
der Firma Rittal zur partiellen Absicherung der
turmprojekt des Nationalen Innovationsprogramms
Stromversorgung ein.
Wasserstoff- und Brennstoffzellentechnologie (NIP)
31
Das Land Hessen tritt im Herbst 2011 dem größten europäischen Demonstrationsprojekt in der Wasserstoffmobilität, der Clean Energy Partnership (CEP), bei. Auf dem Bild zu sehen sind: im Vordergrund Lucia Puttrich, Ministerin HMUELV; Karl-Friedrich Stracke, CEO der Adam Opel AG; dahinter v.r.n.l. Dirk Weigand, Daimler AG; Patrick Schnell, CEP; Dr. Veit Steinle, BMVBS; Dr. Joachim Wolf, H2BZInitiative; Christoph Rust, Honda Motor Europe. Quelle: Wildhirt
Clean Energy Partnership (CEP) – emissionsfreie Mobilität Hessens Beitritt zum größten Demonstrationsprojekt
Brennstoffzellentechnologie echte Erleichterung
in der Wasserstoffmobilität in Europa, der Clean
bringen – ganz gleich, ob es sich dabei um Busse,
Energy Partnership (CEP), markierte im Herbst 2011
Lieferfahrzeuge oder um privat bzw. geschäftlich
den Einstieg in die flächendeckende Nutzung von
genutzte PKW handelt. Einige hessische Unterneh-
Elektromobilität. Ziel ist der kontinuierliche Betrieb
men haben bereits Wasserstoff-Fahrzeuge in ihre
leistungsfähiger Wasserstofffahrzeuge und deren
Dienstwagen-Flotte aufgenommen, um die Weiter-
schnelle und sichere Betankung; ebenso die sau-
entwicklung der grünen Mobilität zu unterstützen.
bere und nachhaltige Erzeugung von Wasserstoff,
Seit 2008 wird die CEP durch das Bundesverkehrs-
um den Wasserstofftransport und die Speicherung
ministerium (BMVBS) gefördert.
von Wasserstoff im flüssigen und im gasförmigen
www.cleanenergypartnership.de
Zustand zu gewährleisten. So gelingt es, sowohl für private als auch gewerbliche Nutzer auch in Zukunft noch mobil zu sein – und das ohne jegliche Emissionen. Insbesondere in den von Feinstaub belasteten Innenstädten können emissionsfreie Fahrzeuge mit
Zero Regio – 16 Partner aus vier Ländern
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Zero Regio steht für „Region mit Null Emissionen“ und
täglichen Einsatz in europäischen Ballungsräumen zu
war ein von der Europäischen Kommission geförder-
entwickeln und zu erproben. Im Rahmen des Projekts
tes integriertes Projekt innerhalb des 6. Forschungs-
lieferten die Fahrzeuge wichtige Erfahrungswerte
rahmenprogramms. Unter der Leitung von Infraserv
über den Alltagsbetrieb und die Betankung von Elek-
Höchst engagierten sich 16 europäische Partner aus
tromobilen. Ende 2006 wurde die erste öffentliche
vier Ländern für den Aufbau einer Wasserstoffinfra-
Wasserstofftankstelle Hessens in Frankfurt-Höchst
struktur für die Versorgung von Brennstoffzellen-PKW
eröffnet. Sie dient insbesondere der Versorgung von
im Rhein-Main-Gebiet sowie in der Lombardei. Ziel
Brennstoffzellentestfahrzeugen, die auf dem Frankfur-
war es, emissionsfreie Transportsysteme für den all-
ter Flughafengelände im Einsatz sind und mit deren
Seit der Inbetriebnahme der Wasserstoff-Tankstelle am Südrand des Industrieparks Höchst im November 2006 waren vier Brennstoffzellen-betriebene A-Klasse-Fahrzeuge von Daimler für das EU-Projekt Zero Regio im Alltagstest – drei davon auf dem Fraport-Gelände und eins im Industriepark Höchst. Quelle: Zero Regio
Hilfe die Alltagstauglichkeit dieser Technologie über-
Insgesamt investierten die Projektbeteiligten, darunter
prüft werden soll. Langfristiges Ziel von Zero Regio war
Unternehmen wie AGIP, Daimler, Linde, die italieni-
es, die Abhängigkeit von nicht-erneuerbaren Energien
schen Energieunternehmen Eni, Sapio und CRF sowie
zu reduzieren, die Schadstoffemissionen zu verringern
die Region Lombardei, rund 13,5 Millionen Euro in
und durch Technologiefortschritte die breitere Anwen-
Zero Regio. Hinzu kamen 7,5 Millionen Euro Förder-
dung der Wasserstoff- und Brennstoffzellentechnolo-
mittel der Europäischen Union.
gie in Europa voranzutreiben.
www.zeroregio.de
RheinMain BLUE Cluster Informations- und Kommunikationstechniken (IKT) ver-
Geräuscharmut und Vibrationsfreiheit und der geringe
ursachen nach aktuellen Schätzungen etwa 2 Prozent
Wartungsaufwand der Brennstoffzellentechnik. Zudem
der weltweiten Kohlendioxid-Emissionen und 10 Pro-
bieten sie eine Unabhängigkeit vom öffentlichen
zent des Stromverbrauchs in Industrieländern, Ten-
Stromnetz und somit eine erhöhte Redundanz. Brenn-
denz steigend. Das Rhein-Main-Gebiet hat eine der
stoffzellen bieten nicht nur eine saubere und sichere
größten Dichten an Rechenzentren. Wichtig für die
Energieversorgung zur effektiven Klimatisierung, son-
IKT-Anlagen ist die unterbrechungsfreie Stromversor-
dern sie erhöhen zudem die Sicherheit, denn sie kön-
gung. Brennstoffzellen können nicht nur ähnlich einem
nen mit der sauerstoffarmen Abluft auch einen Beitrag
Notstromaggregat zur Absicherung gegen Stromaus-
zum präventiven Brandschutz leisten.
fälle dienen, sondern sie lassen sich auch als eine per-
Im Rahmen des RheinMain BLUE Cluster haben das
manente stationäre Energieversorgung von Rechen-
Hessische Ministerium für Umwelt, Energie, Landwirt-
zentren effektiv nutzen. Mit der Wasserstoff- und
schaft und Verbraucherschutz, die HA Hessen Agen-
Brennstoffzellentechnologie soll im Rahmen des
tur GmbH, das Beratungsunternehmen Arthur D.
RheinMain BLUE Cluster in mehreren Projekten in
Little sowie die Wasserstoff- und Brennstoffzellen-
Zukunft die Versorgung sichergestellt werden. Von
Initiative Hessen eine Plattform für Anwender wie
Vorteil bei solchen stationären Anlagen sind der hohe
Betreiber von Rechenzentren und Energieversorger
elektrische und thermische Wirkungsgrad durch
sowie Unternehmen aus dem Bereich der Wasser-
Kraft-Wärme- und Kraft-Wärme-Kälte-Kopplung, die
stoff- und Brennstoffzellentechnologie geschaffen.
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In einem Pilotprojekt sichert die Fraport AG mit einem 5 kW-Brennstoffzellensystem von Rittal die unterbrechungsfreie Stromversorgung rund um einen Parkplatz ab. Quelle: Rittal GmbH & Co. KG
Brennstoffzelle von Rittal sichert partielle Stromversorgung am Frankfurter Flughafen Anfang Oktober 2011 wurde am Airport Frankfurt
Die Brennstoffzellentechnologie von Rittal weist
erstmals an einem deutschen Flughafen ein Brenn-
einen Gesamtwirkungsgrad von rund 50 Prozent auf.
stoffzellensystem zur Absicherung eines Stromnet-
Durch die unmittelbare Wandlung von chemischer
zes in Betrieb genommen. Betreiber ist die Fraport
Energie in elektrische Energie ist der Prozess im Ver-
AG, die Eigentümerin des Frankfurter Flughafens. In
gleich zu Generatorenlösungen zudem emissionsfrei
einem Pilotprojekt sichert die Fraport AG mit einem
und sehr geräuscharm. Die Fraport AG plant die
5 kW-Brennstoffzellensystem von Rittal die unterbre-
Brennstoffzellentechnik zukünftig auch in weiteren
chungsfreie Stromversorgung rund um einen Park-
Anwendungsbereichen des Airports einzusetzen.
platz ab.
www.rittal.com, www.fraport.de
Das Brennstoffzellensystem kann mittels des Einsatzes von Wasserstoffflaschen als Energieträger (insgesamt 200 Liter Wasserstoffvorrat) Unterbrechungen im Versorgungsnetz sekundenschnell absichern und einen Stromausfall von bis zu zehn Stunden überbrücken.
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EIN AUSBLICK IN DIE ENERGIETECHNOLOGIE VON MORGEN
Wasserstoff an öffentlichen Tankstellen für PKW,
Das Fortschreiten der Entwicklung von Bestandteilen
Busse und LKW mit Brennstoffzellensystemen,
der Technologie wie Membran, Elektrolyseur, Was-
Wasserstoff in städtischen Versorgungsleitungen für
serstoffspeicher und Bestandteilen der Peripherie
Hausheizungsanlagen, autonome Energieversor-
verspricht die notwendige Kostenreduktion der Pro-
gung durch eigene Brennstoffzellen-Blockheizkraft-
duktion und damit auch die ökonomische Marktreife
werke – das sind keine fernen Visionen, sondern
in wenigen Jahren. Die Vision von dynamischer Elek-
könnte bald Realität sein. Die Voraussetzungen
tromobilität und gleichzeitiger Unabhängigkeit von
hierfür sind, dass die aktuellen Feldtests erfolgreich
fossilen Brennstoffen kann Wirklichkeit werden.
verlaufen und die erforderlichen Mittel in die Technologie investiert werden. Die Europäische Union strebt an, bis 2020 fünf Prozent der Fahrzeugkraftstoffe durch Wasserstoff zu ersetzen, Automobilhersteller rechnen mit Markteinführungen von wasserstoffbetriebenen Brennstoffzellen-Fahrzeugen ab 2015.
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IMPRESSUM Redaktion: Alexander Bracht Alina Stahlschmidt Daniela Jardot HA Hessen Agentur GmbH Wassertoff- und Brennstoffzellentechnologie c/o Geschäftsstelle H2BZ-Initiative Hessen Abraham-Lincoln-Straße 38-42 65189 Wiesbaden Ab Herbst 2012: Konradinerallee 9 65189 Wiesbaden Dr. Justus Brans Hessisches Ministerium für Umwelt, Energie, Landwirtschaft und Verbraucherschutz Die Mitglieder des Vorstandes der H2BZ-Initiative Hessen, insbesondere: Dr. Joachim Wolf Prof. Dr. Birgit Scheppat Anna-Kristin Kippels Eva Frantz, redaktionsbüro frantz, Göttingen © Hessisches Ministerium für Umwelt, Energie, Landwirtschaft und Verbraucherschutz Mainzer Straße 80 65189 Wiesbaden www.hmuelv.hessen.de Die Abbildungen wurden freundlicherweise von den Mitgliedern und Projektpartnern der H2BZ-Initiative Hessen zur Verfügung gestellt. Vervielfältigung und Nachdruck – auch auszugsweise – nur nach vorheriger schriftlicher Genehmigung. Titelabbildungen: istockphoto.com (Hintergrund) vege, fotolia.com (Solarzellen) Linde (Wasserstofftanks) Erstauflage: November 2009 Zweite leicht veränderte Auflage: April 2012 Gestaltung: WerbeAtelier Theißen, Lohfelden Druck: Druckerei ausDRUCK, Kassel Der Herausgeber übernimmt keine Gewähr für die Richtigkeit, die Genauigkeit und die Vollständigkeit der Angaben sowie für die Beachtung privater Rechte Dritter.
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Initiative Hessen
www.Hessen-Agentur.de www.H2BZ-Hessen.de