Hydrogen Solutions Ihr Partner für nachhaltige Wasserstofferzeugung - Siemens
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Hydrogen
Solutions
Ihr Partner für nachhaltige
Wasserstofferzeugung
siemens.com/silyzer
Erneuerbare Energien
Wachstum
Erneuerbare Energien werden weltweit immer wichtiger. Um elektrische Energie jedoch über einen längeren Zeit
Sie sind das Rückgrat einer nachhaltigen und CO2-freien raum hinweg zu speichern und sektorenübergreifend zur
Energiewirtschaft und damit Schlüsseltechnologie für Verfügung zu stellen, bedarf es alternativer Energieträger.
die Dekarbonisierung bis zum Jahr 2100. Ihr Anteil an der
weltweiten Stromerzeugung wächst täglich. Doch wie Wasserstoff –
lassen sich fluktuierende Energiequellen wie Sonne und Energieträger der Zukunft?
Wind in bestehende Netze, kontinuierliche Industrie
Wasserstoff ist nicht nur der Energieträger der Zukunft –
prozesse und in eine flexible und individuelle Mobilität
er ist der Energieträger der Gegenwart!
integrieren?
Wasserstoff ist das häufigste Element im Universum.
Elektrochemie Nahezu alle unsere chemischen Energieträger basieren
Durch elektrochemische Prozesse lässt sich elektrische auf Wasserstoff, wenn auch in gebundener Form, und
Energie direkt in chemische Energieträger wandeln – zwar als Kohlenwasserstoffe oder andere Wasserstoff
und umgekehrt! Der Vorteil ist, dass der Zwischenschritt verbindungen. Um die Klimaerwärmung aufgrund des
der thermischen Energieerzeugung wegfällt und somit weltweit wachsenden CO2-Ausstoßes zu begrenzen,
sehr hohe Wirkungsgrade zu erreichen sind. müssen Lösungen gefunden werden, diese Energieträger
CO2-neutral und damit nachhaltig herzustellen. Dafür
Der wohl bekannteste elektrochemische Prozess ist die bedarf es unter anderem der Herstellung von Wasserstoff
Batterie, mit der elektrische Energie fast ohne Verluste auf Basis regenerativer Energien.
zwischengespeichert werden kann.
Volatile elektrische Energie Netzintegration Umwandlung und Speicherung Anwendung
Netz
Windkraft PEM-Elektrolyse Industrie
stabilisierung
Solar Speicherung Mobilität
Energie
Umwandlung und Speicherung
O2 H2
H+
+ Anode – Kathode
Elektrode
PEM
H 2O
Strom + 2H2O → O2 + 2H2
Elektrolyse Proton Exchange Membrane
Schon im Jahr 1800 entdeckten zwei Engländer, William (PEM) Elektrolyse
Nicholson und Anthony Carlisle, die Elektrolyse, also ein Erstmals erkannten J. H. Russell und seine Mitarbeiter
Verfahren, um Wasser in seine Bestandteile Wasserstoff 1973 das große Potenzial der PEM-Elektrolyse für die
und Sauerstoff zu spalten. Dies gelang mithilfe von Energiewirtschaft.
Gleichstrom. Damit begründeten die beiden Briten ein
neues Feld der Chemie, die Elektrochemie. Der Name PEM ist abgeleitet von der protonenleitenden
Membran, der sogenannten Proton-Exchange-Membrane.
Ihre spezielle Eigenschaft: Sie ist durchlässig für Protonen,
aber nicht für Gase wie Wasserstoff oder Sauerstoff.
„Wasser ist die Kohle Damit übernimmt sie in einem elektrolytischen Prozess
unter anderem die Funktion des Separators, der die
der Zukunft.“ Vermischung der Produktgase verhindert.
Auf ihrer Vorder- und Rückseite sind Elektroden ange-
Für viele Jahrzehnte war die Elektrolyse von Wasser die bracht, die mit dem Plus- und Minuspol der Spannungs-
Standardmethode, um Wasserstoff herzustellen, und quelle verbunden sind. Hier findet die Wasserspaltung
veranlasste den französischen Schriftsteller Jules Verne statt. Im Vergleich zur traditionellen Alkali-Elektrolyse
1874 in seinem Roman „Die geheimnisvolle Insel“ zur ist die PEM-Technologie ideal geeignet, um Wind- und
Aussage: „Wasser ist die Kohle der Zukunft.“ Durch die Sonnenstrom, der volatil, also unregelmäßig erzeugt wird,
Entwicklung der Erdgas-Infrastruktur hat sich im Laufe der aufzunehmen, da eine hochdynamische Betriebsweise
Jahre die Gas-Reformierung und die Kohlevergasung als und ein schnelles Ein- und Ausschalten ohne Vorwärmen
Hauptquelle für Wasserstoff durchgesetzt. möglich ist. Außerdem zeichnet die PEM-Elektrolyse
folgende Eigenschaften aus:
• Hohe Wirkungsgrade bei hohen Leistungsdichten
• Hohe Produktgasqualität auch in Teillast
95% • Wartungsarmer und zuverlässiger Betrieb
Weltweit werden jährlich
• Keine Chemikalien und Fremdstoffe
über 600 Milliarden Kubik- 5%
meter Wasserstoff benötigt,
von denen mehr als 95 %
auf Basis fossiler Brenn Fossile Elekrolyse,
stoffe hergestellt werden. Rohstoffe Biomasse etc.
Anwendungen
Industrie
Ca. 90 Prozent der weltweiten jährlichen Wasserstoff
erzeugung von über 600 Milliarden Kubikmeter werden
in der Industrie benötigt. Dort ist Wasserstoff eine unver-
zichtbare Chemikalie, die sowohl als Energieträger, Additiv
oder als Reduktionsmittel dient. In erster Linie wird der
Wasserstoff als Basischemikalie für die Synthese von
Ammoniak und anderen Düngemitteln wie beispielsweise
Harnstoff oder auch für die Synthese von Methanol,
verschiedenen Polymeren und Harzen verwendet. Weitere
Großverbraucher der heutigen Wasserstoffindustrie sind
Raffinerien, die Metallindustrie, aber auch die Halbleiter-,
Glas- und Nahrungsmittelindustrie.
Metall
Chemikalien Raffinerie verarbeitung Andere
Energie
Nur ein geringer Teil des Wasserstoffs wird derzeit im
Energiesektor verwendet. Und das, obwohl Wasserstoff
als eine der vielversprechendsten Technologien bei der
großflächigen Integration von erneuerbaren Energien gilt.
Je mehr Strom aus fluktuierenden Energiequellen wie
Sonne und Wind erzeugt wird und je stärker der Anteil
konventioneller Stromerzeuger sinkt, desto wichtiger
sind Veränderungen in den Energiesystemen. Schließlich
muss die regenerativ erzeugte Energie auch in sonnen-
und windarmen Zeiträumen zur Verfügung stehen. Hierfür
ist es notwendig, Energie, auch über längere Zeiträume
hinweg, zwischenzuspeichern. Eine Schlüsselrolle spielt
dabei der Wasserstoff als Energieträger und Speicher
medium. Als passende Infrastruktur dient zum Beispiel
das enorme Speicherpotenzial der Gasnetze.
Sogenannte Insellösungen lassen sich ebenfalls über
eine Wasserstoffinfrastruktur realisieren. Das hoch
dynamische Systemverhalten der PEM-Elektrolyse eignet
sich hervorragend für die direkte Kopplung an regenerative
Energien. Somit können Lastspitzen im Inselnetz abge
griffen und die Energie bei Bedarf in Gasturbinen oder
über Brennstoffzellen rückverstromt werden.Wind Photovoltaik
Wasserstoffelektrolyse
und Speicherung
Industrie
EnergieNetzstabilisierung
MobilitätMobilität
Eine der größten Herausforderungen der globalen „Der Wasserstoff überzeugt
Dekarbonisierung ist die Elektrifizierung der Mobilität.
Wasserstoff kann über zwei Wege helfen, dies zu ändern. durch seine Vielseitigkeit.
Mithilfe von Brennstoffzellenfahrzeugen kann Wasserstoff
direkt genutzt werden – statt CO2 und NOx wird nur Wasser
emittiert. Zusammen mit Batteriefahrzeugen können
dadurch nicht nur die Emissionen des lokalen Stadt-,
sondern auch des Überlandverkehrs und des Leicht- und Gravimetrische Energiedichte in kWh / kg
Schwertransports reduziert werden, da die Reichweite
dieser Fahrzeuge signifikant höher ist als die von reinen 33,3 13,9 11,9 12,0 0,2
Batteriefahrzeugen. Dabei dauert es nur drei Minuten,
ehe der Tank wieder gefüllt ist.
Der zweite Weg ist die Synthese von Kohlenwasserstoffen
aus nachhaltigem Wasserstoff mit Kohlenstoffen aus der
Agrar- und Forstwirtschaft. Somit können auch Sektoren
Wasserstoff Methan Diesel Benzin Li-Ionen-
wie die Luft- und Schifffahrt mit hohen Anforderungen
Batterie
an ihre Kraftstoffe dekarbonisiert werden.
Er dient als Energieträger,
mit dem elektrische Energie
von wenigen Kilowatt- bis
hin zu Gigawattstunden
gespeichert werden kann,
und das über einen Zeit-
raum von mehreren Wochen.
Anschließend kann er als
Prozessgas in der Industrie
und in der Mobilität als
Treibstoff für emissionsfreie
Brennstoffzellen genutzt
werden.“
Gabriele Schmiedel, CEO der Hydrogen SolutionsHerausgeber Siemens AG 2018 Corporate Technology Research In Energy and Electronics Hydrogen Solutions Postfach 32 20 91050 Erlangen Deutschland Artikel-Nr. PDLD-B10116-00 Gedruckt in Deutschland ZuZ 18-050 04181. siemens.com/silyzer SILYZER ist eine eingetragene Marke der Siemens AG. Änderungen und Irrtümer vorbehalten. Die Informationen in diesem Dokument enthalten lediglich allgemeine Beschreibungen bzw. Leistungsmerkmale, welche im konkreten Anwendungsfall nicht immer in der beschriebenen Form zutreffen bzw. welche sich durch Weiterentwicklung der Produkte ändern können. Die gewünschten Leistungsmerkmale sind nur dann verbindlich, wenn sie bei Vertragss- chluss ausdrücklich vereinbart werden.
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