Wasserstoffanwendungen | Wasserstoff

Wasserstoff ist vielseitig und kann auf verschiedene Weise genutzt werden. Diese vielfältigen Verwendungsmöglichkeiten können in zwei große Kategorien eingeteilt werden:

1. Wasserstoff als Rohstoff. Eine Rolle, deren Bedeutung seit Jahrzehnten anerkannt ist und die weiter wachsen und sich entwickeln wird.
2. Wasserstoff als Energieträger, der die Energiewende ermöglicht. Die Nutzung von Wasserstoff in diesem Zusammenhang hat bereits begonnen und nimmt allmählich zu. In den kommenden Jahren wird dieser Bereich dramatisch wachsen. Die Vielseitigkeit von Wasserstoff und seine mehrfache Nutzung sind der Grund, warum Wasserstoff zur Dekarbonisierung der bestehenden Volkswirtschaften beitragen kann. Die Rolle von Wasserstoff im Dekarbonisierungsprozess lässt sich wie folgt zusammenfassen:

Langjährig etablierte Verwendungen – Wasserstoff als Rohstoff (stoffliche Verwendungen)

Heute wird Wasserstoff in verschiedenen industriellen Prozessen eingesetzt. Unter anderem ist seine Verwendung als Rohstoff in der chemischen Industrie und als Reduktionsmittel in der metallurgischen Industrie zu nennen. Wasserstoff ist ein grundlegender Baustein für die Herstellung von Ammoniak und damit von Düngemitteln sowie von Methanol, das bei der Herstellung vieler Polymere verwendet wird. Ein weiteres Einsatzgebiet sind Raffinerien, wo Wasserstoff für die Verarbeitung von Erdölzwischenprodukten verwendet wird. So werden etwa 55 % des weltweit produzierten Wasserstoffs für die Ammoniaksynthese, 25 % in Raffinerien und etwa 10 % für die Methanolproduktion verwendet. Die anderen Anwendungen machen weltweit nur etwa 10 % der globalen Wasserstoffproduktion aus.

Ammoniak – Düngemittel

Die wichtigste Wasserstoff-Stickstoff-Verbindung ist Ammoniak (NH3), auch als Azan bekannt. Technisch wird Ammoniak in großem Maßstab nach dem Haber-Bosch-Verfahren gewonnen. Bei diesem Verfahren werden Wasserstoff und Stickstoff durch direkte Synthese miteinander verbunden. Zu diesem Zweck müssen zunächst die Ausgangsstoffe Stickstoff und Wasserstoff gewonnen werden. Im Falle des Stickstoffs geschieht dies durch Niedertemperaturzerlegung von Luft, während der Wasserstoff heute aus der Dampfreformierung von Erdgas stammt.

Nahezu 90 % des Ammoniaks gehen in die Düngemittelproduktion. Dazu wird ein großer Teil des Ammoniaks in feste Düngemittelsalze oder nach katalytischer Oxidation in Salpetersäure (HNO3) und deren Salze (Nitrate) umgewandelt. Aufgrund seiner hohen Verdampfungsenergie wird Ammoniak auch in Kälteanlagen als umweltfreundliches und kostengünstig zu erzeugendes Kältemittel eingesetzt; seine technische Bezeichnung lautet R-717.

Industrielle Bereiche

Wasserstoff wird in verschiedenen industriellen Anwendungen eingesetzt; dazu gehören die Metallverarbeitung (vor allem beim Legieren von Metallen), die Flachglasherstellung (Wasserstoff als Inertisierungs- oder Schutzgas), die Elektronikindustrie (als Schutz- und Trägergas, bei Abscheideprozessen, zur Reinigung, beim Ätzen, bei Reduktionsprozessen etc.) sowie Anwendungen in der Stromerzeugung, z.B. zur Generatorkühlung oder zum Korrosionsschutz in Kraftwerksleitungen.

Die Direktreduktion von Eisenerz – d.h. die Abtrennung von Sauerstoff aus dem Eisenerz mit Hilfe von Wasserstoff und Synthesegas – könnte sich zu einem wichtigen industriellen Verfahren in der Stahlherstellung entwickeln, da bei der traditionellen Hochofenmethode große Mengen an Kohlenstoff freigesetzt werden. Während die Direktreduktion mit Erdgas in der Stahlproduktion mittlerweile etabliert ist (World Steel Association 2015), existieren entsprechende Produktionsverfahren auf Basis von Wasserstoff bisher nur im Pilotmaßstab.

Kraftstoffherstellung

Wasserstoff wird zur Verarbeitung von Rohöl zu raffinierten Kraftstoffen wie Benzin und Diesel sowie zur Entfernung von Verunreinigungen wie Schwefel aus diesen Kraftstoffen eingesetzt.

Der Einsatz von Wasserstoff in Raffinerien hat in den letzten Jahren aus verschiedenen Gründen zugenommen:
(i) die strengen Vorschriften, die einen niedrigen Schwefelgehalt in Diesel vorschreiben,
(ii) der erhöhte Verbrauch von minderwertigem „schwerem“ Rohöl, für dessen Raffination mehr Wasserstoff benötigt wird, und
(iii) der erhöhte Ölverbrauch in Entwicklungsländern wie China und Indien.

Zirka 75 % des derzeit weltweit von Erdölraffinerien verbrauchten Wasserstoffs wird von großen Wasserstoffanlagen geliefert, die Wasserstoff aus Erdgas oder anderen Kohlenwasserstoffbrennstoffen erzeugen

Wasserstoff ist auch ein wichtiger Grundstoff für die Herstellung von Methanol (CH 3 OH). Die Herstellung von Methanol (Methanolsynthese) erfolgt durch die katalytische Hydrierung von Kohlenmonoxid.
Methanol kann direkt als Kraftstoff in Verbrennungsmotoren verwendet werden. Es wird auch in Direkt-Methanol-Brennstoffzellen oder nach Reformierung in PEM-Brennstoffzellen eingesetzt. Aus Methanol werden Kraftstoffadditive hergestellt, und es wird zur Umesterung von Pflanzenölen zu Methylestern (Biodiesel) verwendet.

Verwendungsmöglichkeiten – energetische Nutzung

Im Energiebereich wird der meiste Wasserstoff durch Brennstoffzellen (BZ) genutzt. Eine Brennstoffzelle ist ein elektrochemisches Gerät, das Wasserstoff und Sauerstoff kombiniert, um Strom zu erzeugen, wobei Wasser und Wärme als Nebenprodukte entstehen. In ihrer einfachsten Form besteht eine einzelne Brennstoffzelle aus zwei Elektroden – einer Anode und einer Kathode – mit einem Elektrolyten dazwischen. An der Anode reagiert der Wasserstoff mit einem Katalysator, wobei ein positiv geladenes Ion und ein negativ geladenes Elektron entstehen. Das Proton wandert dann durch den Elektrolyten, während das Elektron einen Stromkreis durchläuft und einen Strom erzeugt. An der Kathode reagiert Sauerstoff mit dem Ion und dem Elektron und bildet Wasser und Nutzwärme.

Wasserstoff im Verkehr

Wasserstoffkraftstoff gilt als guter Kandidat, um zur Dekarbonisierung des Straßenverkehrs beizutragen, wenn er durch den Prozess der Elektrolyse aus erneuerbaren Energiequellen hergestellt wird. In diesem Fall liegen die Hauptvorteile von Brennstoffzellen-Elektrofahrzeugen in der Nullemission von CO 2 und Schadstoffen (am Auspuff entsteht nur Wasser) sowie in der höheren Effizienz von Brennstoffzellen im Vergleich zu Verbrennungsmotoren. Personenkraftwagen und Stadtbusse, aber auch andere Fahrzeuge, wie z. B. Flurförderzeuge usw, sind gute Beispiele für die neue Technologie, die in den nächsten Jahren zur Serienreife gelangen wird.

Die Anwendungsmöglichkeiten von Wasserstoff als Kraftstoff für die Mobilität lassen sich zum einen nach der chemischen Form bzw. Bindung des Wasserstoffs und zum anderen nach dem Energiewandler unterscheiden, mit dem die im Wasserstoff gespeicherte Energie verfügbar gemacht wird.

• Bei der direkten Nutzung wird (reiner) molekularer Wasserstoff (H2) direkt, d.h. ohne weitere Umwandlung, als Energieträger vom Verkehrsmittel genutzt. In diesem Fall kann Wasserstoff sowohl in Verbrennungsmotoren als auch in Brennstoffzellen (Brennstoffzellensystemen) eingesetzt werden.
• Bei der indirekten Nutzung wird Wasserstoff zur Erzeugung von Endenergieträgern verwendet oder durch zusätzliche Umwandlungsschritte in gasförmige oder flüssige wasserstoffhaltige Kraftstoffe umgewandelt. Solche PtG- (Power-to-Gas) und PtL- (Power-to-Liquids) Brennstoffe können dann wiederum in Wärmekraftmaschinen eingesetzt werden. Auch die Nutzung in Brennstoffzellen wäre (in einigen Fällen) mit Hilfe eines Reformers möglich, ist aber nicht wirtschaftlich.

Luftfahrt

In der zivilen Luftfahrt gelten wasserstoffbetriebene Brennstoffzellen als potenzielle Energielieferanten für Flugzeuge, wie sie es in der Raumfahrt schon seit einiger Zeit sind. So können Brennstoffzellenmodule als Notstromaggregate oder als Hilfsaggregate das Bordnetz mit Strom versorgen. Weitergehende Konzepte umfassen das Starten des Haupttriebwerks und des Bugradantriebs für Flugfeldbewegungen von Verkehrsflugzeugen.

Maritime Anwendungen

Wie in der Luftfahrt werden derzeit Brennstoffzellen als Energielieferanten für die Bordstromversorgung getestet. Der Einsatz von wasserstoffbetriebenen Brennstoffzellen für den Schiffsantrieb befindet sich dagegen noch in einer frühen Entwicklungs- bzw. Erprobungsphase – mit Anwendungen in kleineren Passagierschiffen, Fähren oder Sportbooten. Die Nieder- und Hochtemperatur-Brennstoffzelle (PEMFC) und die Festoxid-Brennstoffzelle (SOFC) werden als die vielversprechendsten Brennstoffzellentypen für nautische Anwendungen angesehen (EMSA 2017). Bisher wurden jedoch noch keine Brennstoffzellen für große Handelsschiffe skaliert und eingesetzt.

Bahnen

Bei elektrischen Lokomotiven erfolgt die Energieversorgung über stationäre Stromleiter (Oberleitungen, Stromschienen) und Stromabnehmer an den Fahrzeugen. Aus technischen, wirtschaftlichen oder anderen Gründen kann jedoch nicht jede Bahnstrecke elektrifiziert werden. Insbesondere auf Strecken mit geringem Verkehrsaufkommen sind die hohen Anfangsinvestitionen, die für die Elektrifizierung der Strecken erforderlich sind, nicht immer zu rechtfertigen. Außerdem können Oberleitungen nicht zum Rangieren genutzt werden, wenn gleichzeitig Kräne für den Transport von Gütern im Einsatz sind. Im Untertagebau hingegen müssen die Triebfahrzeuge ohne Luftschadstoffe auskommen.

Eine weitere Alternative können Schienenfahrzeuge sein, die Wasserstoff als Energiespeicher und Energieträger nutzen. Brennstoffzellenbetriebene Schienenfahrzeuge verbinden den Vorteil des schadstofffreien Betriebs mit dem Vorteil niedriger Infrastrukturkosten, die mit denen des Dieselbetriebs vergleichbar sind.

Förderfahrzeuge

Brennstoffzellen-Flurförderzeuge, wie Gabelstapler oder Schlepper (Flughäfen), eignen sich besonders für den Betrieb in Innenräumen, da sie keine lokalen Schadstoffemissionen und nur geringe Geräuschemissionen verursachen. Brennstoffzellenfahrzeuge haben gegenüber batteriebetriebenen Flurförderzeugen Vorteile beim Betanken. Statt die Batterie zu wechseln, können die Fahrzeuge innerhalb von zwei bis drei Minuten betankt werden.

Sie benötigen weniger Platz und sind kostengünstiger in Wartung und Reparatur. Brennstoffzellen-Flurförderzeuge ermöglichen einen ununterbrochenen Einsatz und eignen sich daher besonders für den Mehrschicht-Flottenbetrieb im Materialumschlag (FCTO 2014b). Bei größeren Flurförderzeugflotten im Mehrschichtbetrieb lassen sich im Vergleich zur Batterietechnologie (moderate) Kostensenkungen erzielen und zudem die Produktivität im Materialumschlag steigern.

Busse

Im Straßenverkehr sind Busse im öffentlichen Personennahverkehr der am gründlichsten erprobte Anwendungsbereich für Wasserstoff und Brennstoffzellen. Seit Anfang der 1990er Jahre wurden und werden weltweit mehrere hundert Busse mit Wasserstoff betrieben – überwiegend in Nordamerika, Europa und zunehmend auch in Asien.

Wurde Wasserstoff anfangs noch in Bussen mit Verbrennungsmotor eingesetzt, so konzentrieren sich die Busentwickler inzwischen fast vollständig auf Brennstoffzellen-Elektrobusse (FCEB). Der Einsatz von kleinen FCEB-Flotten wird im städtischen Bereich gefördert, um einen Beitrag zur technologischen Entwicklung und zur Luftreinhaltepolitik zu leisten.
Brennstoffzellenbusse haben inzwischen einen hohen technischen Reifegrad erreicht, sind aber noch nicht in Serie. Aufgrund der geringen Stückzahlen sind sie bisher mit rund 1 Million Euro noch deutlich teurer als Standard-Dieselbusse, die etwa 250.000 Euro kosten. Auch die Wartungskosten konnten deutlich gesenkt und die zuverlässigen Betriebszeiten erhöht werden (Hua et al. 2013).

Abhängig von den jährlichen Produktionszahlen sollen die Produktionskosten für FCEBs in zukünftigen Projekten jedoch weiter sinken. Die Produktionskosten für 12-Meter-Busse sollen bis 2020 auf ca. 450.000 EUR (Kauf von 100 Bussen) und bis 2030 auf ca. 350.000 EUR sinken und damit in die Nähe von Dieselhybridbussen kommen.

Moderne Brennstoffzellenbusse beziehen ihre Energie aus zwei Brennstoffzellenstacks mit einer Leistung von jeweils ca. 100 kW. Außerdem verfügen sie über eine relativ kleine Traktionsbatterie und können Bremsenergie zurückgewinnen. Außerdem haben sie etwa 30 bis 50 kg komprimierten Wasserstoff an Bord, der in Drucktanks bei 350 bar gespeichert wird. Einige batterieelektrische Busmodelle haben dagegen große Antriebsbatterien und nur kleine Brennstoffzellenstacks, die als Reichweitenverlängerer eingesetzt werden.

Brennstoffzellenbusse haben inzwischen eine Reichweite von 300 bis 450 km und bieten damit im Alltagsbetrieb fast die gleiche Flexibilität wie Dieselbusse. Während einige ältere Stadtbusse noch weit über 20 kg Wasserstoff (statt 40 Liter Diesel) pro 100 km verbrauchen, sind es bei neueren Brennstoffzellenbussen nur noch 8 bis 9 kg pro 100 km, was einen Energieeffizienzvorteil von rund 40 % gegenüber Dieselbussen bedeutet. Um den Markt zu entwickeln, sind Demonstrationsprojekte mit großen Flotten im Langzeiteinsatz geplant. Bis 2020 soll die FCEB-Flotte in Europa von 90 auf 300 bis 400 Fahrzeuge anwachsen.

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Personenwagen

Neben batterieelektrischen Fahrzeugen sind wasserstoffbetriebene Brennstoffzellen-Pkw die einzige emissionsfreie Antriebsalternative im motorisierten Individualverkehr. Die ersten Brennstoffzellen-Pkw wurden bereits in den 1960er Jahren als Demonstrationsprojekte getestet. Einen neuen Schub erhielt die Brennstoffzellenentwicklung in den 1990er Jahren. In den meisten Fällen handelte es sich bei den Brennstoffzellen-Versuchsfahrzeugen um umgebaute Autos, die ursprünglich mit einem Verbrennungsmotor ausgestattet waren. Die frühen Versuchsmodelle waren damals jedoch weder technisch noch wirtschaftlich wettbewerbsfähig. Außerdem wurden bis vor etwa 10 Jahren noch Prototypen mit Benzinmotor mit Wasserstoff als alternativem Energie- und schadstoffarmem Kraftstoff getestet. Dabei handelte es sich um Fahrzeuge mit modifizierten bivalenten Motoren, die sowohl mit Benzin als auch mit Wasserstoff betrieben werden konnten. Wasserstoffbetriebene Verbrennungsmotoren erreichen aufgrund des Kraftstoffs nicht nur etwas höhere Wirkungsgrade als im Benzinbetrieb, sondern stoßen auch deutlich weniger Schadstoffe aus.

Obwohl Wasserstoff ein sauberer Kraftstoff mit hervorragenden physikalisch-chemischen Eigenschaften ist, konnte er sich als Kraftstoff für den motorisierten Straßenverkehr nicht durchsetzen. Für den Pkw-Verkehr wird nun fast ausschließlich auf wasserstoffbetriebene Brennstoffzellen als Antriebsenergiequelle gesetzt.

Mit Prototypen von Brennstoffzellen-Pkw liegen inzwischen zahlreiche praktische Erfahrungen vor. Eine Reihe von großen Automobilherstellern bietet bereits erste Serienfahrzeuge an, die in ihrer Funktionalität herkömmlichen Autos mit Verbrennungsmotor in nichts nachstehen. Die Zahl der in den nächsten Jahren produzierten Brennstoffzellen-Pkw wird voraussichtlich zwischen einigen hundert und tausenden von Einheiten liegen. Nahezu alle Brennstoffzellen-Pkw sind heute mit PEM-Brennstoffzellen ausgestattet, sowohl in Serien- als auch in Parallelkonfiguration. Die Preise für Mittelklassewagen mit Brennstoffzellen liegen mit rund 60.000 EUR/USD noch deutlich über denen für Pkw mit Verbrennungsmotor. Mit dem Start der FCEV-Serienproduktion werden die Fahrzeugkosten und -preise voraussichtlich deutlich sinken.

Die Brennstoffzellenstacks der neuesten Brennstoffzellenmodelle haben eine Leistung von 100 kW und mehr. Im Vergleich zu batterieelektrischen Autos haben sie eine größere Reichweite – heute etwa 400 bis 500 Kilometer – bei geringerem Fahrzeuggewicht und deutlich kürzeren Betankungszeiten von drei bis fünf Minuten. Sie haben in der Regel 4 bis 7 kg Wasserstoff an Bord, der in Drucktanks bei 700 bar gespeichert wird.

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Stationäre Energieanwendungen

Stationäre Brennstoffzellen können zur dezentralen Stromversorgung in netzfernen Gebieten eingesetzt werden. Der Markt für Backup-Stromanwendungen (BUP) gewinnt zunehmend an Bedeutung. Zu den Backup-Anwendungen gehören zum einen die Notstromversorgung und zum anderen die unterbrechungsfreie Stromversorgung (USV).

Notstromaggregate werden zur Aufrechterhaltung des Betriebs bei längeren Stromausfällen eingesetzt. In solchen Fällen wird die Umschaltung vom Stromnetz in der Regel (kurzzeitig) unterbrochen.
Unterbrechungsfreie Stromversorgungen werden dagegen eingesetzt, um hochsensible technische Anlagen gegen Netzschwankungen und kurzzeitige Ausfälle zu schützen und so einen kontinuierlichen Betrieb zu gewährleisten. Einsatzgebiete sind insbesondere Telekommunikations- und IT-Anlagen, wie Funktürme oder Rechenzentren.

Im Vergleich zu konventionellen thermischen Kraftwerken haben Brennstoffzellen auch bei kleinen Anlagen deutlich höhere elektrische Wirkungsgrade von bis zu 60 %. Dies ist aus exergetischer Sicht vorteilhaft, da viel hochwertiger Strom und wenig Wärme erzeugt wird.

Im laufenden Betrieb zeichnen sich Brennstoffzellen-Backups durch folgende Vorteile aus: lange autonome Betriebs- und Nutzungsdauer, geringe Wartungskosten durch das Fehlen beweglicher Teile und leise, (lokal) emissionsfreie Stromerzeugung.

Die Backup-Leistung stationärer Brennstoffzellen variiert von wenigen kW bis über 1 GWe. Bei Brennstoffzellen mit geringer elektrischer Leistung handelt es sich häufig um tragbare Brennstoffzellen, die Gewichtsvorteile gegenüber wiederaufladbaren Batterien und Generatoren bieten. Im stationären Bereich wird eine Vielzahl verschiedener Brennstoffzellentypen eingesetzt, in einigen Fällen auch zur Kühlung. Als Brennstoffe werden neben Wasserstoff auch Methanol, Erdgas und Flüssiggas verwendet.

Hausenergie

Wird neben dem erzeugten Strom auch die entstehende Wärme genutzt, spricht man von Kraft-Wärme-Kopplung (KWK). Werden solche Anlagen im häuslichen Wärmesektor eingesetzt, werden sie wegen ihrer geringeren Leistung auch als Mikro-KWK oder Mini-KWK-Anlagen bezeichnet.

KWK-Anlagen können mit zwei Strategien betrieben werden: Die Anlage deckt entweder den Großteil des Strom- oder des Wärmebedarfs. Sind die Strompreise hoch, bietet sich eine stromgeführte Betriebsweise an. Auf diese Weise kann der Strombezug aus dem Netz minimiert oder der erzeugte KWK-Strom in das Stromnetz eingespeist und vergütet werden.

Die als Nebenprodukt der Kraft-Wärme-Kopplung erzeugte Wärme wird zur Deckung eines Teils des Wärmebedarfs der Gebäude genutzt. Die überwiegend stromgeführte Betriebsweise führt zu einer geringen Wärmeleistung der Brennstoffzellenheizungen. Der restliche Wärmebedarf des Gebäudes wird durch ein zusätzliches Heizsystem, z.B. einen Brennwertkessel, gedeckt. Aus diesem Grund eignen sich Brennstoffzellen besonders für Gebäude mit geringem Raumwärmebedarf, wie z.B. Niedrigenergie- oder nahezu Nullenergiehäuser. In Gebäuden mit höherem Raumwärmebedarf werden hybride Brennstoffzellen-Heizsysteme eingesetzt, die aus einer Brennstoffzelle und einem Brennwertkessel zur Deckung des Spitzenwärmebedarfs bestehen.

Stationäre Brennstoffzellen im Leistungsbereich bis 10 kWe sind in der Regel PEM- oder SO-Brennstoffzellen. Der typische KWK-Leistungsbereich für Ein- und Mehrfamilienhäuser liegt bei 0,7 bis 5 kWe. Wenn Brennstoffzellensysteme mit Erdgas als Brennstoff betrieben werden, kann eine vorhandene Erdgasinfrastruktur genutzt werden. Allerdings muss der Brennstoff zunächst reformiert werden. Im Falle von PEM-Brennstoffzellen erfolgt die Reformierung extern. Bei SO-Brennstoffzellen ist aufgrund der höheren Temperaturen eine interne Reformierung möglich.

Der wohl größte Vorteil von Brennstoffzellen gegenüber thermischen Kraftprozessen ist die direkte elektrochemische Umwandlung bei der Strom- und Wärmeerzeugung und der damit verbundene höhere elektrische Wirkungsgrad. Im kombinierten Betrieb, d.h. elektrisch und thermisch, können Brennstoffzellen Wirkungsgrade von bis zu 95 % erreichen. Der elektrische Wirkungsgrad liegt bei bis zu 45 %. Darüber hinaus zeichnen sich Brennstoffzellensysteme durch hohe Wirkungsgrade über alle Lastpunkte aus, sie sind leise, haben geringe Wartungskosten und arbeiten (lokal) emissionsfrei.