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SHELL WASSERSTOFF-STUDIE ENERGIE DER ZUKUNFT? Nachhaltige Mobilität durch Brennstoffzelle und H2
SHELL WASSERSTOFF-STUDIE
ENERGIE DER ZUKUNFT? EINLEITUNG 4 1
DAS ELEMENT WASSERSTOFF 6
Nachhaltige Mobilität durch Brennstoffzelle und H2
SHELL DEUTSCHLAND WUPPERTAL INSTITUT
Dr. Jörg Adolf (Projektleitung) Prof. Dr. Manfred Fischedick (Supervision)
Dr. Christoph H. Balzer Dr. Karin Arnold (Projektkoordination)
Dr. Jurgen Louis Dipl.-Soz.Wiss. Andreas Pastowski
Dipl.-Ing. Uwe Schabla Dipl.-Ing. Dietmar Schüwer
www.shell.de www.wupperinst.org
3 2
SPEICHERUNG & BEREITSTELLUNGSPFADE
TRANSPORT 20 11
HERAUSGEBER
Shell Deutschland Oil GmbH
22284 Hamburg
+ –
9 ZUSAMMENFASSUNG 62 4
ENERGIE- UND UMWELTBILANZEN NUTZUNG 28
H2-SZENARIEN FÜR PKW 57
MOBILE
ANWENDUNGEN
TANKSTELLEN-INFRASTRUKTUR 51 AUTOKOSTEN 47 38
ENERGETISCHE
STATIONÄRE
6 ANWENDUNGEN
8 7 35
5
Gestaltung & Produktion: Mänz KommunikationEINLEITUNG Shell Wasserstoff-Studie
Exemplare der Shell Nutzfahrzeug-Studie, der Shell Pkw-Szenarien
ENERGIE DER ZUKUNFT? und der Shell/BDH Hauswärme-Studie sind weiterhin erhältlich.
Schreiben Sie an: shellpresse@shell.com
In den vergangenen Jahren hat Shell eine Reihe Szenario-Studien Geschäftsfeld Shell Hydrogen. In Zusammenarbeit mit dem Wup-
zu wichtigen Energiefragen erstellt: zum einen Studien für die pertal Institut hat Shell jetzt eine Energieträger-Studie zum Thema
Verbrauchssektoren motorisierter Individualverkehr (Pkw) und Wasserstoff erstellt. Sie befasst sich mit dem aktuellen Stand der
Nutzfahrzeuge (Lkw und Busse) sowie die Energie- und Wärme- Wasserstoffgewinnung, Wasserstoff-Anwendungstechnologien
versorgung privater Haushalte, zum anderen Studien über den und mit der Frage, welche Potenziale und Perspektiven Wasser- gebundener Form vor. Soll Wasserstoff als Und im Hinblick auf energetische Anwen- Das Wuppertal Institut erforscht und entwi-
Stand und die Perspektiven einzelner Energieträger und Kraft- stoff als Energieträger im globalen Energiesystem von morgen Energieträger einer künftigen Wasserstoff- dungen: Was sind die wichtigen Umwand- ckelt Leitbilder, Strategien und Instrumente
stoffe, darunter Biokraftstoffe, Erdgas und Flüssiggas. besitzt. Neben nichtautomobilen Anwendungen steht der Einsatz Energiewirtschaft dienen, muss zunächst lungstechniken der energetischen Wasser- für Übergänge zu einer nachhaltigen Ent-
von Wasserstoff im Straßenverkehr und hier speziell in Brenn- seine Herkunft geklärt werden: Wo kommt stoffnutzung? Gibt es für Wasserstofftechnik wicklung. Im Zentrum stehen Ressourcen-,
Shell ist schon seit Jahrzehnten in der Forschung, Entwicklung stoffzellen-Pkw im Fokus. der Wasserstoff vor? Wie und mit welchen neben den mobilen Energie-Anwendungen Klima- und Energieherausforderungen in
und Anwendung von Wasserstoff aktiv und betreibt ein eigenes technischen Verfahren kann er erzeugt auch solche im stationären Bereich? ihren Wechselwirkungen mit Wirtschaft und
werden? Wenn eine künftige Energiewirt- Gesellschaft. Die mit der Studie befasste
Schwerpunkt der Studie ist das Thema
schaft nachhaltig sein soll, kommt es dabei Forschungsgruppe „Zukünftige Energie- und
WASSERSTOFF – EIN VIEL ebenso das Interesse an neuen Energien. FORSCHUNGSZIELE UND Nachhaltige Mobilität durch Brennstoffzel-
auf die Art und Weise der Herstellverfahren Mobilitätsstrukturen“ befasst sich dabei im
BEACHTETES ELEMENT Allerdings erlangten die Themen Nach- LEITFRAGEN len und H2. Im Zusammenhang von Was-
haltigkeit, Klima- und Umweltschutz für die an. Was sind daher die Vor- und Nachteile Besonderen mit dem Übergang in zukunfts-
serstoff und Mobilität stehen Brennstoffzel-
In der Chemie sind mehr als 100 Elemente Energieversorgung eine immer größere Shell Szenario-Studien wollen vor allem der einzelnen Erzeugungspfade? fähige Strukturen aus technisch/struktureller
len-Pkw im Vordergrund. Allerdings können
bekannt, über 90 kommen natürlich vor. eines: in kompakter Form Fakten, Trends und systemanalytischer Sicht.
Rolle. Hierdurch entfachte sich neues Inter- Hoch entwickelte Energiesysteme setzen Wasserstoff und Brennstoffzelle auch von
Elemente sind Stoffe, die in keine einfa- esse an Wasserstoff als sauberer und nach- und Perspektiven von wichtigen Energiethe-
verstärkt auf den Sekundärenergieträger anderen Verkehrsmitteln genutzt werden. Die Projektleitung und Koordination der
cheren Stoffe zerlegt werden können und haltiger Energieoption. men aufbereiten. Wie in den vorangegan-
Strom. Strom als Energieträger hat viele Ziel der Studie ist es deshalb, einen Über- Shell Wasserstoff-Studie auf Seiten von
aus denen alle anderen Stoffe aufgebaut genen Shell Studien zu den Themen Pkw,
Vorteile, allerdings auch Nachteile: er lässt blick über den technischen Stand und die Shell Deutschland lag bei Dr. Jörg Adolf.
sind. Auch Wasserstoff ist ein Element – In den vergangenen zwei Jahrzehnten Nutzfahrzeuge, Hauswärme oder zu ein-
sich in der Regel nur in kleineren Mengen Perspektiven von Wasserstoff- und Brenn- Auf Seiten des Wuppertal Instituts oblag
aber nicht irgend eines. Wasserstoff ist das standen und stehen andere Energieträger zelnen Energieträgern steht zunächst die
und über kürzere Zeiträume direkt spei- stoffzellentechnik in allen Verkehrsbereichen die wissenschaftliche Koordination Dr.
kleinste und leichteste aller Elemente. Was- – wie Erdgas, Biokraftstoffe/Biomasse fachliche Analyse und Aufbereitung eines
chern sowie im Wesentlichen hauptsäch- einschließlich nicht straßengebundener Ver- Karin Arnold. Sie wurde unterstützt von
serstoff war das erste Element, welches sich oder Strom – im Zentrum der Energiediskus- Themas im Vordergrund.
lich leitungsgebunden transportieren. Eine kehrsmittel zu geben. Dipl.-Soz.Wiss. Andreas Pastowski und
nach dem Urknall im Weltall bildete. Und sion. Währenddessen wurde jedoch inten-
So wird zwar viel über Wasserstoff disku- Alternative oder wichtige Ergänzung könn- Dipl.-Ing. Dietmar Schüwer. Die Arbeit ent-
er ist das erste Element im Periodensystem siv an wasserstoff-relevanten Technologien Nach einer Bewertung der technologischen
tiert und berichtet; auch ist Wasserstoff ein ten chemische Speicher wie Wasserstoff stand unter der wissenschaftlichen Supervi-
der modernen Chemie. geforscht und entwickelt. Gleichwohl Reife von Kraftfahrzeugen und Pkw im
besonders einfaches Element. Dennoch bilden. Wenn Wasserstoff eine Aufgabe sion von Prof. Dr. Manfred Fischedick.
konnte sich Wasserstoff bislang weder in Besonderen gilt es, die Kosten bzw. Wirt-
Entdeckt wurde Wasserstoff als brennbares handelt es sich bei Wasserstoff nicht um ein im Energiesystem der Zukunft übernehmen
der Breite noch in einzelnen Anwendungs- schaftlichkeit von Wasserstoffmobilität als Weiterhin trugen folgende Autoren der
Gas bereits im 18. Jahrhundert. Wichtige alltäglich erfahrenes Produkt, insbesondere soll, sind die Möglichkeiten der Speiche-
bereichen als neuer Energieträger kommer- wichtiges Entscheidungskriterium sowie den Shell zur wissenschaftlichen Bearbeitung
Erzeugungs- und Nutzungstechnologien nicht bei Endverbrauchern, die mit Benzin rung und des Transportes von Wasserstoff
ziell etablieren. Aufbau einer Wasserstoffversorgungsinfra- der Studie bei: Dr. Jurgen Louis für technisch-
wurden im 19. und frühen 20. Jahrhundert und Strom vertraut sind. Die Erfahrung mit zu analysieren.
struktur zu betrachten. Da wasserstoffbetrie- wissenschaftliche Fragen von Wasserstoff-
entwickelt. Schon damals wurden seine Aufgrund hoher Kapitalinvestitionen und Wasserstoff beschränkt sich weitgehend Wenn es um die Verwendung von Wasser- bene Pkw nur dann sinnvoll sind, wenn sie und Brennstoffzellentechnik, Dipl.-Ing. Uwe
Potenziale für die Energiewirtschaft erkannt. langer Nutzungsdauern erfordert die auf die Anwendung als Einsatzstoff in der stoff geht, stand in den vergangenen Jahren nachhaltiger als heutige Fahrzeuge betrie- Schabla für stationäre Brennstoffzellenan-
Inzwischen weiß man, dass Wasserstoff Eroberung substanzieller Energiemarktan- Chemieproduktion und als technisches Gas vor allem die Automobilität im Zentrum der ben werden können, werden zuletzt mit wendungen sowie Dr. Christoph H. Balzer
einen sehr hohen spezifischen Energiege- teile durch neue Energieträger erheblichen in der Industrie. Diskussion. Doch Wasserstoff kann und Hilfe von Szenariotechnik mögliche Ener- für die Erstellung von Energie- und Treib-
halt (Heiz- und Brennwert) besitzt. In man- zeitlichen Vorlauf.
Ein erstes und wichtiges Ziel der Shell Was- wird nicht allein für Verkehrszwecke genutzt. gie- und Umweltbilanzen künftiger Brenn- hausgasbilanzen und Szenariotechnik.
chen zeitgenössischen Zukunftsvisionen
Dennoch stellt sich die berechtigte Frage: serstoff-Studie ist es daher, über das Ele- Bei neuen Technologien gibt es oftmals stoffzellen-Pkw-Flotten abgeschätzt.
spielte Wasserstoff eine herausragende
Ist Wasserstoff die Energie oder zumindest ment und den Energieträger Wasserstoff Synergien verschiedener Anwendungen, Außerdem wurde für die Erstellung der
Rolle als Energieträger.
eine wichtige Energie der Zukunft? Und Basisinformationen bereitzustellen. Dazu was bei der Betrachtung von technologi- Shell Wasserstoff-Studie eine Vielzahl von
Neuen Auftrieb erlangte Wasserstoff mit schen Lernkurven- und Skaleneffekten zu AUTOREN UND QUELLEN weiteren Experten, Entscheidungsträgern
wenn ja, wann und wie könnte Wasserstoff gehört an erster Stelle eine verständliche
der Raumfahrt in den 1960er Jahren, die sich zu einem führenden Energieträger im Aufarbeitung der besonderen Eigenschaf- berücksichtigen ist. Und wenn es um den Bei der Erstellung der Shell Wasserstoff- und Stakeholdern aus Wissenschaft, Wirt-
sehr stark auf Wasserstoff als Energiespei- globalen Energiesystem entwickeln? Einsatz von knappen Ressourcen geht, sind Studie hat Shell eng mit dem Wuppertal schaft und Politik befragt. Shell dankt allen
ten und Vorzüge von Wasserstoff.
cher setzte, und im Gefolge der Energie- konkurrierende Verwendungen zu beach- Institut zusammengearbeitet. Bereits 2007 Befragten an dieser Stelle für Information
preiskrisen in den 1970er Jahren, als nach Kernanliegen der Shell Wasserstoff-Studie Wasserstoff gehört zu den 10 häufigsten ten. Von daher stellt sich die Frage: Welche hat das Wuppertal Institut das Konzept und Zusammenarbeit. Eine Auswahl rele-
alternativen Energiekonzepten Ausschau ist es, hierzu qualifizierte Einschätzungen Elementen auf der dem Menschen zugäng- grundsätzlichen Anwendungsbereiche – „Geologische CO2-Speicherung“ als klima- vanter Daten und Quellen befindet sich am
gehalten wurde. In den 1990er Jahren und damit auf diese Fragen Antworten lichen Erdoberfläche. Allerdings kommt er stoffliche wie energetische – gibt es für politische Handlungsoption für Shell unter- Ende der Studie.
waren die Energiepreise niedrig – und geben zu können. in der Natur nicht in reiner, sondern nur in Wasserstoff (noch)? sucht und bewertet (WI 2007).
4 5>> Im Anfang war der Wasserstoff.
1 DAS ELEMENT WASSERSTOFF Shell Wasserstoff-Studie
+20°
3 PHASENDIAGRAMM WASSERSTOFF
Wasser wird die Kohle der Zukunft sein. Druck (bar) +10°
Jules Verne
700 GH2 0
„Die geheimnisvolle Insel“
1874
-10°
350 GH2
ZUKUNFTSVISION CcH2
-20°
WASSERSTOFF-WIRTSCHAFT
100
Fest -30°
Überkritisches Fluid
SH2
Kritischer Punkt 13 bar, -240˚ -40°
Flüssig
10
-50°
NIST 2017, eigene Darstellung
Wasserstoff spielt – fast seit seiner Entdeckung – eine wichtige In den 1970er Jahren wurde unter dem Eindruck knapper und LH2
Rolle in den zeitgenössischen Zukunftsvisionen, insbesondere teurer werdender fossiler Ressourcen das Konzept einer (sola- -60°
Gasförmig
solchen zur Energiewirtschaft und zur Fortbewegung. ren) Wasserstoffwirtschaft mit H2 als zentralem Energieträger
-70°
entwickelt. Seit den 1990er Jahren machten Wasserstoff und
Bereits 1874 sah der französische Science-Fiction-Autor Jules Brennstoffzellen im Mobilitätsbereich technisch große Fort-
-80°
Verne (1828 – 1905) in seinem Roman „L‘Île mystérieuse“ schritte. Nach der Jahrhundertwende wurden – nicht zuletzt
1
-260˚ -250˚ -240˚ -230˚ -220˚ + 20˚
(Die geheimnisvolle Insel) in Wasserstoff und Sauerstoff die vor dem Hintergrund erneuter globaler Rohstoffverknappungen Temperatur (°C) -90°
Energieträger der Zukunft. Wasserstoff sollte durch Zerlegung sowie immer drängenderer Nachhaltigkeitsfragen – die Poten-
(Elektrolyse) von Wasser gewonnen werden und die Kohle, den ziale einer Wasserstoffwirtschaft – erneut taxiert (Rifkin 2002). Temperatur nicht mehr verflüssigt werden. Dieser Druck wird der Wasserstoff flüssig, rechts davon gasförmig. Rechts und -100°
damals in der Energieversorgung noch dominierenden Energie- kritischer Druck genannt; er liegt für Wasserstoff bei 13,1 oberhalb des kritischen Punktes wird Wasserstoff zu einem
träger, ablösen. In der jüngeren Vergangenheit geht es zunehmend um die Rolle
bar. Kritische Temperatur und kritischer Druck kennzeichnen überkritischen Fluid, das weder gasförmig noch flüssig ist. -110°
von Wasserstoff in einer nationalen und globalen Energie-
den kritischen Punkt eines Stoffes. Für Wasserstoff liegt der Im Vergleich zu Methan verläuft die Dampfdruckkurve von
In den 1960er Jahren beflügelte der erfolgreiche Einsatz von wende. Dabei wird der Mehrwert von Wasserstoff (aus Elektro- -120°
kritische Punkt bei etwa –240°C bzw. 33,15 K und gut 13 Wasserstoff sehr steil und kurz – über einen kleinen Tempe-
Wasserstoff als Raketentreibstoff sowie von Brennstoffzellen lyse) in einer zunehmend elektrifizierten Energiewelt durchaus
bar. Im kritischen Punkt eines Stoffes gehen flüssige und Gas- ratur- und Druckbereich. Die Verflüssigung erfolgt hauptsäch-
zum Betrieb von Hilfsaggregaten im Weltraum – insbesondere auch kritisch diskutiert. Gleichwohl wird für Wasserstoff – insbe- -130°
phase ineinander über. Gleichzeitig markiert der kritische lich über Kühlung und weniger über Kompression. Die kom-
im Rahmen des US-amerikanischen Saturn-Apollo-Raumfahrtpro- sondere als sauberer und transportabler Energiespeicher – eine
Punkt das obere Ende der Dampfdruckkurve im Druck-Tem- primierte Speicherung von Wasserstoff (bei 350 oder 700
gramms – die Wasserstoff-Phantasien weiter. Ebenfalls in den wichtige Rolle in einer strombasierten Energiezukunft gesehen -140°
peratur-Phasendiagramm. Die kritische Dichte im kritischen bar) erfolgt hingegen stets als überkritisches Fluid.
1960er Jahren wurden die ersten Pkw als Prototypen mit Brenn- (Nitsch 2003; Ball/Wietschel 2009).
Punkt beträgt 31 Gramm pro Liter (g/l). -150°
stoffzellen ausgerüstet. Im Zusammenhang mit Temperatur- und Druckänderungen ist
Der Schmelzpunkt, an dem Wasserstoff vom flüssigen in den als Besonderheit des Wasserstoffs dessen negativer Joule-
-160°
festen Aggregatzustand übergeht, liegt unter Normaldruck Thomson-Koeffizient zu beachten: Dehnt sich Luft unter
bei –259,19°C bzw. 13,9 K und damit noch etwas tiefer Normalbedingungen aus, kühlt sie ab – ein Effekt, der bei -170°
1.3 EIGENSCHAFTEN VON lische und chemische Eigenschaften von –273,15°C und entspricht 20,3 Kelvin (K)
als der Siedepunkt. Damit weist nur das Edelgas Helium tie- der Verflüssigung von Gasen (Linde-Hampson-Verfahren)
WASSERSTOFF Stoffen haben sowohl Einfluss auf die Nut- auf der absoluten Temperaturskala. Unter-
fere Siede- und Schmelzpunkte als Wasserstoff auf. genutzt wird. Anders dagegen Wasserstoff: dieser erwärmt -180°
zung und Nützlichkeit eines Stoffes wie halb dieser Temperatur ist Wasserstoff bei
sich bei Drosselung. Erst unterhalb seiner Inversionstempera-
Wasserstoff ist – unter Normal- oder Stan- auch auf dessen Handling; das gilt insbe- Normaldruck von 1,013 bar flüssig, darü- Der Tripel- bzw. Dreiphasenpunkt eines Stoffes befindet sich
tur von 202 K, das sind ca. –71°C, weist auch Wasserstoff -190°
dardbedingungen – ein farb- und geruchs- sondere auch für die sichere Handhabung ber gasförmig. im Phasendiagramm dort, wo alle drei Aggregatzustände
einen „normalen“ Joule-Thomson-Effekt auf. Für Hauptbe-
loses Gas. Wasserstoff ist nicht toxisch und und Speicherung von Energieträgern. im thermodynamischen Gleichgewicht sind; für Wasserstoff -200°
Der Aggregatzustand ist aber nicht nur von standteile der Luft, Stickstoff und Sauerstoff, liegt die Inversi-
verursacht keine Umweltschäden – ist also liegt er bei –259,19°C und 0,077 bar. Der Tripelpunkt ist
PHYSIKALISCHE EIGENSCHAFTEN der Temperatur, sondern auch vom Druck onstemperatur hingegen bei 621 K bzw. 764 K.
insofern umweltneutral. gleichzeitig der unterste Punkt der Dampfdruckkurve. Die -210°
Wasserstoff – hier und im Folgenden abhängig. So lassen sich Gase auch durch Dampfdruckkurve gibt Druck-Temperatur-Kombinationen Die Dichte ist eine physikalische Größe, die durch das Ver-
Im Hinblick auf die Eigenschaften von Stof- Druckerhöhung verflüssigen. Allerdings gibt -220°
Di- bzw. Gleichgewichtswasserstoff (H2) – an, bei denen sich Gas- und Flüssigphase von Wasserstoff hältnis Masse pro Volumen definiert ist. Gase haben im
fen unterscheidet man physikalische und es eine so genannte kritische Temperatur,
liegt unter Normalbedingungen gasförmig im Gleichgewicht befinden. Links der Dampfdruckkurve ist Vergleich zu flüssigen und festen Stoffen eine sehr geringe
chemische Eigenschaften. Erstere werden oberhalb derer ein Gas auch durch noch -230°
vor. Lange Zeit hielt man Wasserstoff für ein
durch Messen und Experimentieren ermit- so hohen Druck nicht mehr verflüssigt wer-
permanentes Gas, das nicht in einen der Gasförmig, nicht mehr verflüssigbar
telt, letztere bei chemischen Reaktionen den kann. Beim Wasserstoff beträgt die kri- Kritischer Punkt -240° -240°
beiden anderen Aggregatzustände flüs-
beobachtet. Zu den wichtigsten chemi- tische Temperatur –239,96°C (33,19 K).
sig oder fest überführt werden kann (Holle- -250°
schen Eigenschaften von Energieträgern Will man Wasserstoff verflüssigen, muss
mann/Wiberg 2007). Gasförmig @ Normaldruck, unter Druck verflüssigbar
Siedepunkt -253°
gehört das Stoffverhalten bei der Verbren- man diese Temperatur unterschreiten. Flüssig @ Normaldruck
nung (Redoxverhalten), sei es bei der hei- Tripelpunkt -259° Schmelzpunkt -260°
Tatsächlich liegt sein Siedepunkt sehr tief, Fest @ Normaldruck
ßen Umwandlung, sei es bei der kalten und zwar bei –252,76°C; das ist nahe Ebenso kann ein Gas bei genügend hohem
elektrochemischen Verbrennung. Physika- am absoluten Temperaturnullpunkt von Druck auch durch weiteres Absenken der Absoluter Temperaturnullpunkt: -273,15° = 0K
8 91 DAS ELEMENT WASSERSTOFF Shell Wasserstoff-Studie
Dichte. Die Dichte von Wasserstoff in gas- 4 ZÜNDBEREICHE VON KRAFTSTOFFEN
förmigem Zustand beträgt bei einer Tem- ZWISCHENFAZIT
peratur von 0°C bzw. 273,15 K 0,089 Wasserstoff Zu mageres Gemisch
Wasserstoff ist der häufigste Stoff im Universum und die Aufgrund seiner physikalischen Eigenschaften ist Wasserstoff ein
Gramm pro Liter (g/l). Da Luft mit 1,29 g/l Zündbereich
Methan Zu fettes Gemisch ergiebigste Energiequelle für Sterne. nahezu „permanentes Gas“. Wasserstoffgas lässt sich erst bei sehr
etwa 14 mal schwerer als gasförmiger
Hydrogenium (H) ist das erste Element im Periodensystem der tiefen Temperaturen (unter –253°C) verflüssigen. Wegen seiner
Wasserstoff ist, zeigt Wasserstoff in der Propan
Gestis 2017; eigene Darstellung
Chemie und zugleich das kleinste und leichteste Atom. geringen Dichte wird H2 meist als Druckgas gespeichert.
Atmosphäre eine große Auftriebskraft. Im Ethanol
Freien verflüchtigt sich Wasserstoff rasch. In Reinform tritt Wasserstoff auf der Erde nur in molekularer Form Die charakteristische Eigenschaft des Wasserstoffs ist seine hervor-
Ottokraftstoff (H2) auf. Hauptsächlich kommt irdischer Wasserstoff in gebunde- ragende Brennbarkeit. Aufgrund seiner chemischen Eigenschaften
Für die Speicherung und den Transport von Biodiesel
ner Form vor, insbesondere als Wassermolekül (H2O). erfordert der Umgang mit Wasserstoff große Sorgfalt.
Wasserstoff als Energieträger spielt die Wasserstoff wird schon lange als Energiequelle der Zukunft
Verflüssigung eine wichtige Rolle. In flüssi- Dieselkraftstoff
gesehen. Zudem wird er als Grundlage einer nachhaltigen
gem Zustand am Siedepunkt bei –253°C 20% 40% 60% 80% 100% Wasserstoff-Wirtschaft diskutiert.
bzw. 20,3 K) und 1,013 bar liegt Wasser-
stoff mit einer Dichte von 70,79 g/l vor. Am dass H2 in einem sehr breiten Konzentra- leküls erhebliche Energiemengen – sprich
Schmelzpunkt mit –259,2°C bzw. 13,9 K tionsspektrum brennbar ist. Entsprechend hohe Temperaturen – benötigt werden, um
2 BEREITSTELLUNGSPFADE
und 1,013 bar beträgt die Dichte 76,3 g/l groß ist der durch die untere und obere neue Bindungen knüpfen zu können. Erst
(Hollemann/Wiberg 2007). Explosionsgrenze gekennzeichnete Zünd- bei 6000 K liegt Wasserstoff nahezu voll-
bereich von Wasserstoff: Die Untergrenze ständig in atomarer Form vor. Zusätzlich zu
Durch Verflüssigung nimmt die Dichte des
liegt bei einer Konzentration von 4 Vol.%, hohen Temperaturen werden für chemische
Wasserstoffs um etwa den Faktor 800 zu
die Obergrenze bei 77 Vol.%. Die heute Reaktionen unter Wasserstoffbeteiligung oft
bzw. das zu speichernde Stoffvolumen ent-
eingesetzten flüssigen und gasförmigen noch Katalysatoren eingesetzt.
sprechend ab. Zum Vergleich: Bei der Ver-
Kraftstoffe haben deutlich kleinere Zünd-
flüssigung von Flüssiggas liegt der Dichte- Molekularer Wasserstoff (H2) ist zwar rela-
bereiche. Lediglich Ethanol, enthalten
bzw. Volumenfaktor – je nach Butan-/ tiv reaktionsträge. Durch punktuelle Erhitzung
etwa im Ottokraftstoff, weist mit 27 Vol.%
Propan-Anteil – bei rund 250, bei der Ver- eines 2:1-Wasserstoff-Sauerstoff-Gemisches
eine höhere obere Explosionsgrenze
flüssigung von Methan zu Liquefied Natu- (Knallgas) auf ca. 600°C kann jedoch
auf. Würde man Wasserstoff in Verbren-
ral Gas (LNG) bei rund 600 (Shell 2013, eine Kettenreaktion in Gang gesetzt wer-
nungskraftmaschinen einsetzen, erlaubten
2015). den, die zur explosionsartigen Ausbreitung
die weiten Zündgrenzen extrem magere
des Temperaturanstieges durch das ganze
Ein weiteres relevantes Merkmal von H2 Luft-Wasserstoff-Gasgemische. Während
Gasgemisch führt. Der durch die hohe
ist seine extrem hohe Diffusionsfähigkeit. das Verbrennungsluftverhältnis bei moder- Da Wasserstoff in der Regel nur in gebun- zunimmt, wenn zunehmend (überschüssi- sung fester Brennstoffe. Zusätzlich wird die
Reaktionswärme gebildete Wasserdampf
Wasserstoff kann sich als leichtestes Gas nen Dieselmotoren bei λ =2 liegt, wären im dener Form vorkommt, muss er für die che- ger) Strom aus erneuerbaren Energien zur Elektrolyse von Wasser mit Strom aus diver-
erlangt in der Folge ein viel größeres Volu-
in ein anderes Medium hinein ausbreiten, Wasserstoffbetrieb Lambda-Werte von bis mische oder energetische Nutzung gezielt Verfügung steht. sen Quellen sowie die Nutzung von indust-
men als das ursprüngliche Wasserstoff-
wobei poröses Material oder gar Metalle zu 10 möglich (Eichlseder/Klell 2012). hergestellt werden. Dazu sind verschiedene riellem „Rest-Wasserstoff“ betrachtet.
Sauerstoff-Gemisch. Bei der ruckartigen
durchschritten werden (Hollemann/Wiberg Verfahren möglich und werden auch heute Abbildung 6 zeigt prinzipielle Prozess-
Die Selbstentzündungstemperatur von rei- Ausbreitung des Wasserdampfes kommt es
2007). Dabei kann es auch zur Material- schon genutzt. Der überwiegende Teil der schritte für die industrielle Bereitstellung von Je nach Herstellverfahren enthält das
nem Wasserstoff liegt bei 585°C und zur so genannten Knallgasexplosion.
versprödung kommen. Die hohe Diffusivi- heutigen globalen Wasserstoffproduktion Wasserstoff. Es wird deutlich, dass für die gewonnene Wasserstoff-Produktgas uner-
damit höher als die konventioneller Kraft- Zur Vermeidung einer Knallgasexplosion erfolgt aus fossilen Energieträgern. wichtigsten Prozesse mehrere Rohstoffe wünschte Stoffe (wie Kohlenmonoxid, CO)
tät bei der Speicherung erfordert die Ver-
stoffe. Allerdings ist die minimale Zündener- ist beim Arbeiten mit Wasserstoff daher genutzt werden können, die zwar eine und Verunreinigungen; das gilt insbeson-
wendung spezieller Materialien für die
gie mit 0,02 MJ deutlich geringer als bei stets eine Knallgasprobe zu nehmen oder Nur ein kleiner Anteil Wasserstoff wird mit- Anpassung der Prozessführung, aber keine dere für die thermo- und biochemischen
Speicherbehältnisse – zum Beispiel aus-
anderen Brennstoffen. Wasserstoff wird Sauerstoff wird dem Wasserstoff erst im tels Elektrolyse produziert, wozu derzeit grundsätzlich neuen Verfahren notwendig Verfahren. Je nach Verwendungszweck
tenitische Stähle oder die Beschichtung mit
daher als extrem entzündbares Gas klassi- Moment des Entzündens beigemischt (Hol- Strom aus verschiedenen Quellen genutzt machen. Zu nennen sind die Dampfrefor- muss das Produktgas einer Nachreinigung
Diffusionssperrschichten. Anderenfalls kann
fiziert. Allerdings würde bereits eine einfa- lemann/Wiberg 2007). Auch bei Gasmi- wird (siehe Abbildung 5). Für die Zukunft mierung als derzeit wichtigster Herstellungs- unterzogen werden; teilweise werden auch
es zu Diffusionsverlusten des gespeicherten
che elektrostatische Entladung (mit einer schungen von Wasserstoff mit Chlorgas ist davon auszugehen, dass die Wasser- prozess, sowie die partielle Oxidation, die bereits die Ausgangsstoffe bearbeitet.
Wasserstoffs kommen.
Energie von etwa 10 MJ) auch für die Ent- (Chlorknallgas) oder Fluor kann es bei der stofferzeugung aus Elektrolyse deutlich autotherme Reformierung sowie die Verga-
zündung nahezu aller anderen Kraftstoffe Umsetzung zu Chlor- bzw. Fluorwasserstoff
CHEMISCHE EIGENSCHAFTEN
ausreichen. Die maximale Flammenge- zu exothermen Reaktionen mit Explosion
Die charakteristischste chemische Eigen-
schwindigkeit von Wasserstoff beträgt 346 kommen.
schaft des Wasserstoffs ist seine Brennbar- 5 ANTEIL DER PRIMÄREN ENERGIETRÄGER AN DER GLOBALEN WASSERSTOFF-PRODUKTION
m/s und damit rund achtmal so viel wie die
keit (Hollemann/Wiberg 2007). Verbrennt Seine chemischen Eigenschaften machen
von Methan (43 m/s).
Wasserstoff in der Luft, ist die Flamme bei Wasserstoff zu einem hervorragenden Strom Kohle Öl Erdgas
Tageslicht kaum sichtbar, da sich die Flam- In Bezug auf das thermische Verhalten Brenn- und Kraftstoff. Dabei erfordert der 5% 11% 16% 68%
me durch geringe Wärmestrahlung und von Wasserstoff ist festzuhalten, dass auf- Umgang mit Wasserstoff große Sorgfalt,
hohen Ultraviolett-Anteil auszeichnet. Im grund der starken Bindung zwischen den insbesondere die Einhaltung von Sicher-
Vergleich zu anderen Kraftstoffen fällt auf, H2-Wasserstoffatomen des Wasserstoffmo- heitsvorschriften.
E4tech 2014; eigene Darstellung
10 112 BEREITSTELLUNGSPFADE Shell Wasserstoff-Studie
werden kann. Geeignete Katalysatoren Wärmeauskopplung aus der Reaktion auf- Je nach Vergaserbauart werden unter-
6 VERFAHREN ZUR ERZEUGUNG VON WASSERSTOFF können dabei helfen (Aicher et al. 2004). gefangen. Zudem wird durch die Verwen- schiedliche Reaktortypen unterschieden.
dung von O2 statt Luft das Aufkommen von Der Vergasungsprozess selbst kann unter
PRIMÄRENERGIE SEKUNDÄRENERGIE UMWANDLUNG ZWISCHENPRODUKT ENDENERGIETRÄGER Im nächsten Schritt werden CO und verblei-
Stickstoff in der Wassergas-Shift-Reaktion Überdruck oder aber drucklos bei Atmo-
Sonne Strom
bendes Wasser in der so genannten Was-
Wind so gut wie ausgeschlossen, so dass hier sphärendruck durchgeführt werden. Die
ELEKTROLYSE sergas-Shift-Reaktion weiter zu H2 und CO2
ein niedrigerer Energieverbrauch erreicht Leistungsdichte des Vergasers steigt mit stei-
umgewandelt (DWV 2015).
wird. Trotzdem bleibt die partielle Oxida- gendem Betriebsdruck. Generell wird bei
Algen aus CO + H2O → CO2 + H2
Sonnenlicht tion weniger effizient als die Dampfrefor- der Vergasung Wärme zugeführt (endo-
BIO-CHEMISCHE Durch weitere chemische Umwandlungs- mierung, bietet dafür aber den Vorteil, eine therme Reaktion = allotherme Vergasung).
KONVERSION WASSERSTOFF größere Bandbreite an Rohstoffen umset- Allerdings kann je nach Prozessführung die
Biomethan verfahren wie CO-Methanisierung und
Biomasse Biogas zen zu können und nicht auf Methan ange- freiwerdende Wärme aus der vorangehen-
Ethanol, Öle die selektive CO-Oxidation wird der Koh-
lenmonoxidgehalt weiter reduziert. Durch wiesen zu sein (Zakkour/Cook 2010). den partiellen Oxidation des Brennstoffs
anschließende CO2-Wäsche und weitere direkt im Reaktor genutzt werden (auto-
THERMISCHE Autotherme Reformierung (ATR) therme Vergasung). Dies geht allerdings zu
Erdgas KONVERSION physikalische Reinigungsschritte wird der
Reinheitsgrad des Produktgases weiter Bei der autothermen Reformierung handelt Lasten des Wirkungsgrades.
SMR
Dampfreformierung erhöht (DWV 2015). es sich um eine Kombination von Dampfre-
Öl Als Oxidationsmittel bzw. Vergasungsmittel
Synthesegas formierung und partieller Oxidation (POX).
POX Für die Nutzung von Kohle sowie Schweröl kommen Luft oder ein Gemisch aus Sau-
Die Reformierung von Methan erfolgt nach
Partielle Oxidation
als Ausgangsstoffe verläuft das Verfahren erstoff und Wasserdampf bzw. Kohlen-
Kohle folgender Reaktionsgleichung:
der Dampfreformierung prinzipiell analog. dioxid zum Einsatz. Ebenfalls analog zur
ATR
Autotherme Reformierung Allerdings unterscheidet sich die Herstel- 4 CH4 + O2 + 2 H2O → 4 CO + 10 H2 partiellen Oxidation ist das entstehende
lung des Synthesegases im ersten Schritt. Produktgas am reinsten, wenn Sauerstoff
In der Prozesskombination aus Dampfre-
eingesetzt wird, da durch den Einsatz von
formierung und partieller Oxidation wird
Luft ein recht hoher Anteil von Stickstoff in
Partielle Oxidation (POX) die hohe Wasserstoffausbeute durch die
Im Folgenden werden die Verfahren zur Umwandlung von Kohlenwasserstoffen und Oxidationsmittel wird so eingestellt, dass den Prozess eingebracht wird. Die Zusam-
Unter der partiellen Oxidation versteht Dampfreformierung bestimmt. Die parti-
Erzeugung von Wasserstoff genauer dar- Alkoholen durch chemische Prozesse in keine Wärme zu- oder abgeführt werden mensetzung des entstehenden Synthesega-
man die exotherme Umwandlung vorzugs- elle Oxidation liefert intern die benötigte
gestellt. Es folgt eine vergleichende Zusam- Wasserstoff verstanden, wobei die Neben- muss („isotherm“). ses, also der Anteil bzw. die Reinheit von
weise schwerer Kohlenwasserstoffe (wie Prozesswärme.
menstellung der Energieaufwände und produkte Wasser(dampf), Kohlenmonoxid Wasserstoff, wird außerdem durch Verga-
Treibhausgasemissionen für die Wasser- und Kohlendioxid entstehen.
Dampfreformierung Schweröl oder Kohle) mit Hilfe von Sauer- sungstemperatur und -druck sowie die Kühl-
Dem Vorteil der autothermen, von externer
stofferzeugung nach dem Well-to-Tank-An-
Steam Methane Reforming (SMR) stoff (O2). Die thermische partielle Oxida- leistung des Reaktors und die Verweilzeit
Wärmezufuhr unabhängigen Reaktion ste-
satz, also von der Gewinnung des Primär- Bei Einsatz von Luft als Oxidationsmittel fin- Ausgangsstoffe der Dampfreformierung tion findet unter hohem Druck und hohen des Produktgases im Reaktor beeinflusst
hen erhöhte Investitions- und Betriebskosten
energieträgers bis zur Bereitstellung des det sich auch Stickstoff im Produktgas. Die sind zumeist Erdgas und Wasser; es können Temperaturen von etwa 1.250 °C bis (Görner et al. 2015).
der Luftzerlegungseinheit sowie eine auf-
Wasserstoffs in einem Speicher bzw. (Fahr- Reaktion läuft bei hohen Temperaturen (zwi- aber prinzipiell auch andere leichte Kohlen- 1.400 °C statt. Da Wärme frei wird, benö-
wendigere Rauchgasreinigung gegenüber.
schen ca 700 °C und 900 °C) ab. Ein wasserstoffe wie Flüssiggas oder Rohbenzin tigt man keine externe Wärmequelle außer Die Aufbereitung und Reinigung des Was-
zeug-)Tank.
Katalysator hilft, die Umsetzung zu realisie- (Naphtha) benutzt werden (Zakkour/Cook der partiellen Verbrennung des Rohstoffs. serstoff-Produktgases erfolgt ähnlich wie
Die Zusammenstellung der Energie- und Die POX-Reaktionsgleichung für Hexade- VERGASUNG (KOHLE) oben bei der Dampf-Reformierung.
ren. Die Reformierung erfordert neben dem 2010). Der Ausgangsstoff muss zunächst
Treibhausgasbilanzen orientiert sich an den kan, ein langkettiges in Gasöl vorkommen- Die Vergasung ist eine traditionelle
Rohstoff ein Oxidationsmittel, das den nöti- vorbereitet werden, was üblicherweise die
Arbeiten von (JEC 2014), weshalb die dort des Alkan, sieht folgendermaßen aus: Methode zur Herstellung von Brenngasen.
gen Sauerstoff liefert. Anhand des Oxida- Entfernung von Schwefel beinhaltet, wel-
zugrunde gelegten Prozesse kurz darge- Sie bezeichnet die Umsetzung eines Koh-
2.2 BIOGENE
tionsmittels lassen sich drei grundsätzliche cher den Katalysator angreift. Im nächsten
stellt werden. Zudem wird ein Überblick C16H34 + 8 O2 → 16 CO + 17 H2
lenstoffträgers (etwa Kohle) mit Sauerstoff
BEREITSTELLUNG
Verfahren einteilen (Aicher et al. 2004): Schritt werden Methan und Wasser über
über die heutigen und künftig erwarteten Analog zur Dampfreformierung wird ein oder einem sauerstoffhaltigen Vergasungs-
folgende Reaktionen in Wasserstoff
Herstellungskosten der unterschiedlichen ■■ Dampfreformierung: Als Oxidationsmittel Synthesegas erzeugt, das mittels Wasser- mittel zu einem Synthesegas. Dabei wird
umgewandelt:
Verfahren gegeben. dient reiner Wasserdampf. Die Reaktion gas-Shift und Gasaufbereitung zu Wasser- der eingesetzte Rohstoff zunächst getrock- Im globalen Maßstab ist die Bereitstellung
erfordert die Zufuhr von Wärme CH4 + H2O → CO + 3 H2 stoff wird (Zakkour/Cook 2010). Dabei net und unter Luftabschluss thermisch in von Wasserstoff aus Biomasse bisher zu
(„endotherm“). CH4 + 2 H2O → CO2 + 4 H2 gilt: Je längerkettig der eingesetzte Kohlen- Kohlenstoff- und Wasserstoffverbindungen vernachlässigen. Langfristig ist aber unter
2.1 ERZEUGUNG ■■ Partielle Oxidation: Bei diesem Verfah- wasserstoff, desto geringer die anteilige zerlegt, die anschließend durch Oxidation dem Aspekt der CO2-armen Bereitstel-
Es entsteht ein Synthesegas, das haupt-
AUS FOSSILEN ren kommen Sauerstoff oder Luft zur An- Wasserstoffausbeute. teilweise verbrannt werden (Eichlseder/ lung von Wasserstoff durchaus eine Betei-
sächlich aus Wasserstoff und Kohlenmono-
ENERGIETRÄGERN wendung. Der Prozess setzt Wärme frei Klell 2012). Aus dem erhitzten Kohlenstoff ligung dieser Herstellungsoption denkbar
xid besteht, mit Anteilen von Kohlendioxid, Ein wesentlicher Unterschied zur Dampfre- – vorausgesetzt, Anforderungen an die
(„exotherm“). und Wasserdampf entsteht über folgende
Wasserdampf sowie Rest-Kohlenwasser- formierung ist die Verwendung von O2 statt Nachhaltigkeit der eingesetzten Biomasse
REFORMIERUNG Reaktionsgleichung ein Synthesegas aus
■■ Autotherme Reformierung: Dieser Prozess stoffen. Sowohl der Kohlenstoff als auch die Wasserdampf als Oxidationsmittel. Dieser können zuverlässig erfüllt werden, und aus-
CO und H2, wobei das Kohlenmonoxid
Die Reformierung fossiler Kohlenwasser- ist eine Kombination aus der Dampfrefor- H2-Moleküle können eine Verbindung mit wird üblicherweise in einer Luftzerlegungs- reichend Biomasse steht zur Verfügung.
wiederum durch anschließende Shift-Reak-
stoffe ist die mit Abstand am weitesten ver- mierung und der partiellen Oxidation und Sauerstoff eingehen. Dabei soll möglichst anlage hergestellt, was den Energiever-
tion zu CO2 abgebaut wird:
breitete Methode der Wasserstoffherstel- arbeitet mit einer Mischung aus Luft und wenig Wasserstoff zu Wasser oxidieren, brauch der partiellen Oxidation erheblich Es gibt grundsätzlich zwei Verfahren, um
lung. Unter Reformierung wird dabei die Wasserdampf. Das Verhältnis der beiden damit eine hohe Ausbeute an H2 erzielt erhöht. Das wird aber in Teilen durch die C + H2O → CO + H2 aus Biomasse Wasserstoff bereitzustellen,
12 132 BEREITSTELLUNGSPFADE Shell Wasserstoff-Studie
nämlich thermo-chemisch oder bio-chemisch. von Biogas ist allenfalls eine Entschwefe- ist ein nachwachsender Rohstoff, dessen 8 KENNDATEN VON ELEKTROLYSEUREN
Die Möglichkeit, aus Biomasse Strom zu lung vorzuschalten. Potenziale und Verfügbarkeit aufgrund viel-
Temperatur Wirkungs- Lebens-
erzeugen und diesen mittels Elektrolyse zu fältiger Anforderungen, etwa an die Nach-
°C Elektrolyt Anlagengröße grad Reinheit H2 Systemkosten erwartung Reifegrad
Wasserstoff umzuwandeln, wird unter Elek- Möglich ist auch die Nutzung von Pflan- haltigkeit, aber auch durch Nutzungskon-
trolyse subsummiert. zenölen, Biodiesel oder Bioglyzerin (her- kurrenzen begrenzt sind (Fritsche et al. Alkaline
Kalium- 0,25 – 760 99,5 % 1000 – 1200 60.000 –
Kommerziell seit 100
Elektrolyse 60 – 80 1,8 – 5.300 kW 65 – 82 % Jahren in Industrie
gestellt über physikalisch-chemische Verfah- 2012; Kaltschmitt et al. 2016). (AE)
hydroxid Nm3 H2/h – 99,9998 % €/kW 90.000 h
genutzt
THERMO-CHEMISCHE VERFAHREN ren). Flüssige Sekundärenergieträger, wie
etwa Bioethanol, Biodiesel, Bioöle oder Proton Exchange
Thermo-chemische Verfahren basieren Kommerziell in mittleren
Membran Feststoff- 0,01 – 240 99,9 % 1900 – 2300 20.000 –
in den meisten Fällen auf der Vergasung Glycerin machen unter Umständen Anpas- Elektrolyse
60 – 80
membran Nm3 H2/h
0,2 – 1.150 kW 65 – 78 %
- 99,9999 % €/kW 60.000 h
und kleinen Anwendun-
gen (2 BEREITSTELLUNGSPFADE Shell Wasserstoff-Studie
deckend verfügbar würde. Darüber hinaus Im Rahmen des Projektes „CO2 ReUse bonisierung von Energieerzeugung und
SEKTORKOPPLUNG: WASSERSTOFF ALS SPEICHERMEDIUM UND POWER-TO-X ist die industrielle Distributions-Infrastruktur NRW“ (WI/Covestro 2015) ist ein detail- Energieverbrauch werden die fossilen Ener-
als Basis bzw. Trittbrett für ein universelles lierter Einblick in die Produktion, Verteilung gieträger, insbesondere Kohle, zurückge-
Im Zuge der Energiewende nimmt der Anteil von erneuerbaren Ener- rem Strom über Wasserstoff in andere Energieträger, das Power-to-
Wasserstoff-Versorgungssystem angesehen und Nutzung von industriellem Wasserstoff drängt. Tatsächlich sind die spezifischen
gien in der Stromerzeugung deutlich zu. Am stärksten werden Wind- X-Konzept (PtX), in mehrere Nutzungsrouten auf (Rieke 2013; Dena
worden. erarbeitet worden. Der überwiegende Teil Treibhausgasemissionen von Wasserstoff
kraft und Photovoltaik ausgebaut. Allerdings schwankt die Verfüg- 2015; NREL 2016; LBST/Hinico 2016): die Einspeisung des Was-
an industriellem Wasserstoff wird gezielt aus Kohlevergasung mehr als doppelt so
barkeit dieser dargebotsabhängigen und nicht beliebig abrufbaren serstoffes ins Erdgasnetz in geringeren Mengen; die Methanisierung Zu dieser Zeit sind durchaus relevante
für den gewünschten Zweck (vorwiegend hoch wie diejenigen der Erdgasreformie-
erneuerbaren Energien (Variable Renewable Energies, VRE) im Zeit- des Wasserstoffes mit CO2 zu CH4 und Einleitung als Austauschgas Mengen an Wasserstoff als Nebenpro-
chemische Industrie) produziert. Dabei sind rung (JEC 2014). Langfristig wird die ther-
ablauf. Auf der anderen Seite erfordert die Bereitstellung von Strom ins Erdgasnetz (beide Power-to-Gas). Zu diesem Zweck wird aller- dukt aus verschiedenen Industriebetrieben
auch die Raffinerien zu Netto-Konsumenten mische Umwandlung zunehmend durch
aufgrund seiner physikalischen Eigenschaften den ständigen Aus- dings eine konzentrierte CO2-Quelle am Ort der Methanisierung „übers Dach abgelassen“ worden, anstatt
von Wasserstoff geworden. Faktisch kann Elektrolyse (mittels Strom aus erneuerbaren
gleich von Stromangebot und Stromnachfrage. benötigt. Schließlich kann der gespeicherte Wasserstoff über Brenn- sie in weitere Produktionsprozesse einzu-
von der gesamt produzierten Menge an Energien) abgelöst.
stoffzellen rückverstromt werden (Power-to-Power). binden (WI/Covestro 2015). Seitdem sind
Übersteigt der Anteil erneuerbarer Energien etwa ein Viertel der Wasserstoff nur ein relativ kleiner Anteil
allerdings in Deutschland und Europa die Im Folgenden werden daher nur zwei
Stromerzeugung, sind besondere/zusätzliche Maßnahmen zur Inte- Weitere Nutzungskonzepte sind: Der Einsatz von Wasserstoff aus von 9 % für externe Anwendungen (z.B. als
Energiepreise angestiegen und die betrof- Hauptpfade der Wasserstoffbereitstellung
gration fluktuierender erneuerbarer Energiebereitstellung erforder- erneuerbaren Energien („grüner Wasserstoff“) für die Kraftstoffvere- Kraftstoff) als verfügbar angesehen werden.
fenen Industrien bestrebt, den anfallenden untersucht: die Dampfreformierung von Erd-
lich. Anderenfalls kann es zur Beschränkung erneuerbarer Energieer- delung (Hydrierung) oder die Kraftstoffherstellung über Synthesepro- Industrieller Wasserstoff steht damit kaum
Wasserstoff entweder in ihre Prozesse zu gas sowie die Elektrolyse. Herstellpfade auf
zeugung bzw. ihrer Nutzung kommen. zesse in flüssige Kraftstoffe (Power-to-Liquids) sowie die Nutzung des noch bzw. nicht für andere Anwendungen,
integrieren oder, wenn das nicht möglich der Basis von Kohle und (Schwer)Öl wer-
erzeugten Wasserstoffs als chemischer Grundstoff (Power-to-Chemi- etwa als Kraftstoff, zur Verfügung.
Neben weiteren nachfrage- und angebotsseitigen Maßnahmen ist, zahlungskräftige Abnehmer dafür zu den nicht weiter betrachtet. Für die ausge-
cals; Power-to-Plastics). finden. In den USA wird dagegen laut einer Erhe- wählten Hauptbereitstellungspfade und ihre
kann die Energiespeicherung eine wichtige Rolle zur verbesserten
Systemintegration übernehmen. Bislang dominieren Pumpspeicher- Derzeit ist Power-to-X noch ein Feld für Forschung und Entwicklung. bung von (Cox 2011) noch Potenzial im Varianten werden Energie- und Treibhaus-
Mit der quantitativen Abschätzung verfüg-
kraftwerke die Stromspeicherkapazitäten – allerdings in Höhe von Verschiedene Projekte beschäftigen sich mit grundsätzlichen Fragen Rest-Wasserstoff gesehen. Die wichtigste gasbilanzen betrachtet und Erzeugungs-
baren industriellen Restwasserstoffs hat sich
weniger als 3 % der globalen Stromerzeugung. Sehr dynamisch ent- der Machbarkeit sowie der Wirtschaftlichkeit (BMVI 2014; Graf et Quelle ist dabei die Chlor-Alkali-Elektrolyse; bzw. Bereitstellungskosten abgeschätzt.
eine Reihe von Untersuchungen beschäftigt.
wickelt sich die kurzzeitige Stromspeicherung in Batterien für Klein- al. 2014; Sundmacher 2014; Zuberbühler et al. 2014). aber auch Deponiegas und biogene Gase
Das EU-Projekt „Roads 2 HyCom“ (Mai- Die Energie- und Treibhausgasbilanzen
anlagen. Eine länger währende Speicherung größerer überschüs- werden als potenzielle Quelle für Was-
Ein Nachteil von PtX-Konzepten ist zweifellos die Vielzahl der sonnier et al. 2007) hat unter anderem für die voranstehenden Wasserstoff-Bereit-
serstoff als Nebenprodukt gesehen. Dabei
siger Strommengen erfordert jedoch neue Speicherformen wie die eine Karte mit Wasserstoffproduktionsstät- stellungspfade werden anhand von (JEC
Umwandlungsschritte. Dies führt zu niedrigen Effizienzen über den kommt der Verfügbarkeit von Gasaufberei-
chemische Speicherung in Form von Wasserstoff (IEA 2016b). ten in Europa erstellt. Die H2-Quellen sind 2014) dargestellt und analysiert. (JEC
gesamten Nutzungspfad (IEA 2015b). Andererseits ermöglicht das tungsanlagen eine erhebliche Bedeutung zu.
Wasserstoff kann per Elektrolyse aus überschüssigem erneuerbaren Speichermedium Wasserstoff bzw. dessen weitere Umwandlung dabei in drei Kategorien unterteilt worden: 2014) enthält Energie- und Treibhausgasbi-
Strom gewonnen werden. Der Wasserstoff kann bei entsprechen- vielfach erst einen beschleunigten Ausbau sowie die Nutzung über- Während die Kategorie Handel (merchant) lanzen für eine Vielzahl von Energieträgern
dem Bedarf direkt als Energieträger genutzt werden. Er kann aber schüssiger erneuerbarer Energien. Nicht zuletzt deshalb wird dem für andere industrielle Abnehmer H2 bereit- und Kraftstoffen. Die Daten werden fortlau-
auch in Großspeichern als Druckgas eingelagert und dann in Zeiten Energiespeicher Wasserstoff und PtX-Nutzungspfaden auf dem Weg
steht, wird H2 noch für den Eigenverbrauch fend aktualisiert und bilden eine anerkannte
(captive) am gleichen Standort einer Nut-
2.5 HERSTELLUNGSPFADE Basis für die Untersuchung von Energie-
von Dunkelflauten wieder ausgespeichert werden. zur treibhausgasneutralen Energiewirtschaft eine wichtige Rolle ein- IM VERGLEICH
zung zugeführt. Lediglich Nebenprodukt- trägern und Kraftstoffen im europäischen
geräumt (UBA 2014).
Schließlich kann der Wasserstoff in andere Energieträger konver- Wasserstoff (by-product) findet keine wei- Kontext. Dabei werden nach (JEC 2014)
tiert werden. Dabei gliedert sich die Konvertierung von erneuerba- Methanisierung tere Nutzung innerhalb des Prozesses In den vorigen Abschnitten dieses Kapitels für jeden Umwandlungsschritt und Trans-
oder am Standort; nur dieser kann anderen sind verschiedene Technologien zur Bereit- port die Energieaufwendungen (unterteilt in
9 POWER-TO-X-PFADE Anwendungen, etwa Brennstoffzellen-Fahr- stellung von Wasserstoff vorgestellt wor- fossile, nukleare und regenerative Energie-
Methan
POWER-TO-GAS PtCH4 zeugen, zugänglich gemacht werden. den. Dabei kann nach Einsatz der Energie- träger) sowie die resultierenden Treibhaus-
CO2
träger unterschieden werden (etwa fossil gasemissionen erfasst und aufsummiert. Im
Allerdings wird auch Nebenprodukt-Was-
oder regenerativ), aber auch nach der Ergebnis wird jeder Pfad mit einer spezifi-
serstoff heute weitgehend genutzt. In der
Größe und Lage der Erzeugungseinheit: je schen Energieeffizienz (in MJ Primärenergie
chemischen Industrie wird er für weitere
nach Bedarf und Versorgungsstrategie wird / MJ Wasserstoff) und der damit einherge-
H2 Prozesse, etwa die Hydrogenisierung ein-
der Wasserstoff in kleinen Anlagen dezen- henden Treibhausgasintensität (g CO2 Äqui-
H2 gesetzt. Mindestens wird er für die Bereit-
tral direkt an der Verbrauchsstelle erzeugt, valent / MJ Wasserstoff), im Folgenden als
PtH2 PtH2 PtH2 stellung von Strom und Wärme genutzt, wie
oder in großen zentralen Anlagen und per CO2 bezeichnet, ausgewiesen.
etwa in der Stahlindustrie. Allerdings könnte
Pipeline oder Lkw an die Abgabestationen
Erdgas-Netz dieser Nebenprodukt-Wasserstoff durch Die Ergebnisse sind in den Diagrammen 10
Stromerzeugung Strom Elektrolyse transportiert.
den Energieträger Erdgas ersetzt und somit und 11 abgebildet. Es werden alle Pfade
verfügbar gemacht werden. Darüber hin- In der Praxis wird es auch Abstufungen, wie als „zentral“ in großen Erzeugungseinheiten
aus wird das Layout neuer oder nachgerüs- etwa eine regionale Versorgung, geben, angesetzt, wobei „zentral“ die inländische
Kavernenspeicher
teter Anlagenstandorte so ausgelegt, dass die an dieser Stelle aus Gründen der bes- Produktion meint. Die Möglichkeit, Wasser-
alle Input- und Produktströme ausgenutzt seren Darstellung nicht abgebildet wird. stoff in großem Maßstab etwa durch Solar-
Benzin, Diesel, werden, so dass die Verfügbarkeit von ein- Noch dominiert die thermische Konversion energie in Nordafrika oder Offshore-
POWER-TO-LIQUIDS Kerosin zelnen „Nebenprodukten“ insgesamt stark aus den fossilen Energieträgern Kohle, Öl Windenergie in Nordeuropa herzustellen
CO2
Synthese zurückgeht. und vor allem Erdgas. Im Zuge der Dekar- und per Schiff nach Deutschland zu trans-
16 172 BEREITSTELLUNGSPFADE Shell Wasserstoff-Studie
portieren, wird an dieser Stelle ausgeklam- 10 ENERGIEAUFWAND DER WASSERSTOFFBEREITSTELLUNG Die hier dargestellten Werte für die aus- 12 ERZEUGUNGSKOSTEN VON WASSERSTOFF
mert. Aufgrund verschiedener, nicht nur 4,5 MJ/MJ H2 gewählten H2-Bereitstellungspfade sind 12 €/kg H2
technischer, sondern auch geopolitischer der JEC-Studie (JEC 2014) entnommen und
Aspekte ist die Realisierung dieser eher Ist
3,5 spiegeln die europäische Situation wieder. 10
Erneuerbare Ausblick
langfristig bedeutsamen Option noch nicht Es wird angenommen, dass diese Werte
JEC 2014; eigene Darstellung
Nuklear Min. - Max.
zu bewerten. Die Sensitivitätsanalyse zeigt 2,5 Fossil ebenso für Deutschland gültig sind. Abwei- 8
die Effekte der dezentralen Erzeugung, chungen zwischen der EU und Deutschland
die zum einen durch die weniger effiziente 1,5 6
sind insbesondere im Strom-Mix zu beach-
Erzeugung, zum anderen durch den Weg- ten. Der deutsche Strom-Mix weist aufgrund
0,5 4
fall oder zumindest die erhebliche Kürzung des hohen Kohleanteils bei der Erzeugung
des Transportwegs bestimmt werden. eine höhere CO2-Intensität auf. Dies 2
EU Gas-Mix Biogas-Mix LNG EU Strom-Mix EE-Strom
Bei der Betrachtung der Energieeffizienz Reformierung Reformierung Reformierung Elektrolyse Elektrolyse
führt aber nicht zu grundlegend anderen
der Bereitstellungpfade sind große Unter- Schlussfolgerungen.
Erdgasreformierung Erdgasreformierung Elektrolyse Elektrolyse Biomasse Biomasse
schiede zwischen den Energieträgern zu
zentral dezentral zentral dezentral zentral dezentral
erkennen (Abbildung 10). Der Pfad EU 11 TREIBHAUSGASEMISSIONEN DER WASSERSTOFFBEREITSTELLUNG Ähnliche Programme und resultierende Stu-
LBST/Hinico 2015; Grube/Höhlein 2013, eigene Darstellung
Strom-Mix-Elektrolyse sticht deutlich heraus, dien gibt es auch in anderen Regionen der
indem er die anderen Pfade um den Faktor 250 g CO2/MJ H2 Welt, etwa in Kalifornien sowie anderen
4,6 bis 5 überragt. Dagegen sind die Staaten der USA. Die Well-to-Wheel-Emis-
versionsanlage sowie Umwandlungswir- Szenarien angegeben; in der Abbildung
Unterschiede in der reinen Höhe der 200 sionen für typische Bereitstellungspfade für
kungsgrad bzw. Ausbeute an H2. sind diese soweit vorhanden gelb dar-
Balken zwischen der Erdgasreformierung Zentrale Pfade Dezentrale Pfade Wasserstoff sind etwa vom Argonne Nati-
150 gestellt.
JEC 2014; eigene Darstellung
und der Elektrolyse aus erneuerbaren onal Laboratory im so genannten „Green- Aus verschiedenen Studien (Gökçek 2010;
Energien (EE; hier Wind) gering. Allerdings house gases, Regulated Emissions, and Kwapis/Klug 2010; Lemus/Duart 2010; Es fällt auf, dass die Bandbreite der Bereit-
100
ist die Art des eingesetzten Energieträgers Energy use in Transportation“ Modell ana- Liberatore et al. 2012; Michaelis et al. stellungskosten aus der zentralen Erdgas-
zu beachten: die Elektrolyse aus erneuer- 50 lysiert worden (GREET 2015). Die Werte 2013; DBFZ 2007; Sattler 2010; Smole- reformierung gering ist. Erzeugungskosten
baren Energien verwendet zu mehr als liegen in der gleichen Größenordnung wie naars 2010; Tillmetz/Bünger 2010; Trude- zwischen ein und zwei Euro pro Kilogramm
70 % erneuerbare Energien und verbraucht die der JEC-Studie und stützen damit die wind/Wagner 2007), meist aus den Jah- Wasserstoff (Mittelwert hier 1,4 €/kg)
nur in geringem Umfang fossile und nukle- EU Gas-Mix Biogas-Mix LNG EU Strom-Mix EE-Strom
hier vorgestellten Betrachtungen. ren 2010 bis 2013 sowie zwei älteren aus können damit als derzeit sehr wahrschein-
Reformierung Reformierung Reformierung Elektrolyse Elektrolyse
are Ressourcen (für Transport sowie Her- 2007, haben (Grube/Höhlein 2013) die lich angesehen werden. Die Abweichun-
stellung und Rückbau der hier eingesetzten folgenden Bereitstellungskosten für Wasser- gen bei der dezentralen Reformierung sind
Windenergiekonverter). Dagegen liegt der 2.6 ERZEUGUNGSKOSTEN – stoff aus verschiedenen Pfaden zusammen- deutlich höher. Ähnlich verhält es sich bei
Anteil an erneuerbaren Ressourcen bei den erheblich geringere Emissionen als Bio- Soll also H2 nachhaltig und in großem HEUTE UND AUSBLICK gestellt. Diese sind die zentrale und dezen- der Elektrolyse: die Kostenspreizung für die
Reformierungspfaden bei unter 5 %. Eine methan auf Basis von Energiepflanzen oder Maßstab zur Verfügung gestellt werden, trale Erdgasreformierung, die zentrale und zentralen sind geringer als für die dezent-
Ausnahme hierzu bildet der Pfad „Biogas auch Gülle (DBFZ 2014). Die Beimischung bietet nur die Elektrolyse von regenerativ Wesentliche Kenngröße der verschiedenen dezentrale Elektrolyse von (Wind-)Strom ralen Anlagen. Ein Grund dafür kann darin
Mix“, der zur Hälfte von abfallstämmigem des Biomethans zum Erdgas und die Ver- erzeugtem Strom die Möglichkeit, einen Bereitstellungspfade sind neben den darge- sowie die zentrale und dezentrale Biomas- liegen, dass dezentrale Anlagen häufiger
Biogas gespeist wird und daher einen wendung zur Wasserstoffbereitstellung CO2-armen Kraftstoff bereitzustellen. stellten Energieeinsätzen und THG-Emissi- severgasung bzw. -reformierung. Die Ana- nicht optimal ausgelastet sind und die unter-
höheren Anteil an regenerativer Energie erfolgt in der Regel bilanziell und wird nicht Wenn allerdings größere Strommengen onen auch die Bereitstellungskosten. Diese lyse wird ergänzt um die Daten aus (LBST/ schiedliche Auslastung noch stärkere Aus-
enthält. physisch zur Reformierung transportiert. für den Verkehrssektor zuverlässig benötigt sind in der Studie von (JEC 2014) nicht Hinico 2015). wirkungen auf die Bereitstellungskosten hat
werden, reicht erneuerbarer Überschuss- erfasst, sondern werden aus anderen Lite- als bei einer zentralen Anlage.
Bezüglich der Treibhausgasemissionen Noch wesentlich relevanter als das verwen- Schließlich ist der zeitliche Bezug zu
strom für die Produktion von H2 nicht mehr raturangaben ergänzt. Dabei unterscheidet H2 aus zentralen und dezentralen Elektro-
stellen die Reformierungspfade einen dete Gas für die Reformierung ist die Treib- beachten: die meisten der ausgewerteten
aus. Er muss dann vielmehr gezielt produ- sich die Systematik der Pfade in manchen lyseanlagen kann demnach zu Erzeugungs-
mittleren Wert dar, der sich je nach Her- hausgasintensität des eingesetzten Stroms Studien nennen Daten aus Verfahren, die
ziert werden. Details wie Anlagengröße und Auslastung, kosten zwischen knapp sechs (für die zen-
für die Elektrolyse. Zwischen dem Pfad EU zum Zeitpunkt der Veröffentlichung reali-
kunft des Erdgases bzw. Art des Imports Rohstoffkosten, etc. von den zuvor betrach-
Strom-Mix und dem Pfad Elektrolyse aus Wie umfänglich der Umbau der Stromer- trale Anlage) und etwas unter 8 €/kg (für
(als komprimiertes Erdgas CNG per Pipe- siert worden sind. Nach persönlicher Aus-
erneuerbaren Energien (EE-Strom-Elekt- teten Pfaden. die dezentrale Elektrolyse) bereitgestellt
line oder verflüssigt als LNG, Liquefied zeugung ausfallen muss, zeigt ein Vergleich: kunft der Autoren sind diese Werte in aller
rolyse) liegt für den ökologischen Fußab- Soll H2 per Elektrolyse aus teil-dekarbonisier- werden. Eine wesentliche Eingangsgröße
Natural Gas) nicht erheblich unterscheidet. Betrachtet werden an dieser Stelle nur die Regel noch aktuell. Sie werden daher in
druck der Faktor 17. ter Stromerzeugung mit der gleichen Treib- neben der Auslastung und den geleisteten
Durch die Beimischung von aufbereitetem reinen Erzeugungskosten; Kosten der Infra- Abbildung 12 als Ist-Zustand wiedergege-
hausgasintensität erzeugt werden wie über Volllaststunden ist der Strompreis, der in den
Biogas, so genanntem Biomethan mit Wird ausschließlich regenerativer Strom struktur und Distribution werden an anderer ben. Dort sind die Kostendaten aus den
den Pfad Erdgasreformierung, darf der ein- betrachteten Quellen zwischen 6,5 und 10
Erdgasbeschaffenheit, kann die Treibhaus- verwendet, ist der erzeugte Wasserstoff Stelle behandelt. Wesentliche Stellgrößen genannten Studien zusammengefasst. Dazu
gesetzte Strom nur noch spezifische Treib- Eurocent/kWh schwankt.
gasintensität deutlich gesenkt werden. mit rund 13 g CO2/MJ H2 nahezu emissi- für die Analyse und Zusammenstellung der ist ein gewichteter Mittelwert gebildet und
Dabei kommt es allerdings wesentlich auf onsfrei. Dagegen werden bei Einsatz des hausgasemissionen von rund 56 g CO2/ Bereitstellungskosten sind die Kosten bzw. die Abweichung zum Minimal- bzw. Maxi- Die Erzeugungskosten für die zentralen auf
die Herkunft bzw. eingesetzten Rohstoffe durchschnittlichen europäischen Strom- MJStrom aufweisen. Im Vergleich zu heute Preise der Energieträger bzw. Feedstocks malwert in den schraffierten Balken darge- Biomasse basierten Pfade liegen mit im Mit-
zur Erzeugung des Biomethans an: das hier Mixes in der Elektrolyse rund 2,2 Mal so etwa 150 g CO2/MJStrom müsste die Treib- (Erdgas, Biomasse, Strom, etc.) sowie stellt. Zudem sind in drei Studien ebenfalls tel rund 3,3 €/kg H2 bis maximal 7,4 €/kg
eingesetzte abfallstämmige Biomethan auf viele Emissionen verursacht wie bei der hausgasintensität also mindestens um etwa Energiekosten der Umwandlung; die Art, erwartete Kosten für die Jahre 2020 (bzw. H2 zwischen der Erdgasreformierung und
Basis von kommunalen Abfällen verursacht Erdgasreformierung. zwei Drittel gesenkt werden. Größe, Kapazität und Auslastung der Kon- 2019) sowie 2030 in zwei verschiedenen der Elektrolyse. Auch hier ist die Abhängig-
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