Wasserstoff-Tankstellen - Ein Leitfaden für Anwender und Entscheider Hessisches Ministerium für Umwelt, Energie, Landwirtschaft und ...
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Hessisches Ministerium für Umwelt, Energie, Landwirtschaft und Verbraucherschutz www.H2BZ-Hessen.de Wasserstoff-Tankstellen Ein Leitfaden für Anwender und Entscheider www.energieland.hessen.de
Mit dieser Broschüre möchten wir Ihnen allgemein verständliche und praxisorientierte Informationen zum Thema Wasserstoff-Infrastruktur an die Hand geben. Neben einer allgemeinen Einführung in das Themenfeld Wasserstoff- und Brennstoffzellen- (H2BZ 1)Technologie, beleuchtet die Broschüre die Mobilität der Zukunft, in der Wasserstoff und Brennstoffzellen als feste Bestandteile einer zukünftigen Elektromobilität gesehen werden. Vertiefende Informationen über den Energieträger Wasserstoff, die Planung und den Aufbau von Wasserstoff-Tankstellen sowie wirtschaftliche Aspekte und Fördermöglichkeiten bilden den Kern der Broschüre. Einen Überblick über die H2BZ-Aktivitäten in Hessen, Informationen zu relevanten Akteuren und weiterführenden Publikationen sowie technische Daten und die häufigsten Fragen im Zusammenhang mit der H2BZ-Technologie runden die Broschüre ab. 1 Aus Gründen der Vereinfachung haben sich die Autoren für die Abkürzung „H2BZ“ für „Wasserstoff und Brennstoffzelle“ entschieden. Im Gegensatz dazu wird jedoch in H2 die 2 tiefgestellt geschrieben, wenn es für Wasserstoff steht.
INHALT
GRUSSWORT ·································································································································· 2
1 WASSERSTOFF UND BRENNSTOFFZELLEN 5
SCHLÜSSELTECHNOLOGIE FÜR DIE ZUKUNFT
1.1 Die globale Energiedebatte ······························································································· 5
1.2 Wasserstoff und Brennstoffzellen ······················································································· 7
2 PERSPEKTIVEN FÜR DIE MOBILEN H2BZ-ANWENDUNGEN 10
3 INFRASTRUKTUR 1: 14
VO N DER H 2 -ERZEUGUNG BIS ZUR BEREITSTELLUNG AN DER TANKSTELLE
3.1 Erzeugung ····················································································································· 14
3.2 Speicherung ················································································································· 16
3.3 Distribution ··················································································································· 18
3.4 Sicherheit ······················································································································ 19
4 INFRASTRUKTUR 2: WASSERSTOFF-TANKSTELLEN 20
4.1 Stationäre Tankstellen ·································································································· 21
4.2 Mobile H2-Tankstellen ·································································································· 23
4.3 Spezielle Tankstellen ···································································································· 25
4.4 Normen und Vorschriften ···························································································· 26
4.5 Planung und Auslegung einer H2-Tankstelle ····························································· 27
5 WIRTSCHAFTLICHKEIT DER H2BZ-TECHNOLOGIE 29
5.1 H2-Kostenstrukturen ····································································································· 29
5.2 Unterstützungsmöglichkeiten beim Aufbau von H2-Tankstellen ····························· 30
6 WEITERFÜHRENDE INFORMATIONEN 33
6.1 Kontaktadressen und Ansprechpartner in Hessen ··················································· 33
6.2 Kontaktadressen und Ansprechpartner bundesweit ················································ 34
6.3 Ergänzende Publikationen ··························································································· 34
7 AN HESSEN FÜHRT AUCH IN SACHEN H2BZ-TECHNOLOGIE KEIN WEG VORBEI 35
8 ANHANG 36
8.1 Die 10 häufigsten Fragen ···························································································· 36
8.2 Datenblatt und Umrechnungstabellen ······································································· 38
IMPRESSUM ································································································································ 40
1
Lucia Puttrich
Hessische Ministerin für Umwelt, Energie,
Landwirtschaft und Verbraucherschutz
Sehr geehrte H2BZ-Interessierte,
Sie halten eine weitere hessische Broschüre über die Wasserstoff- und Brennstoff-
zellen (H2BZ)-Technologie in der Hand. Die von uns als Leitfaden konzipierte Bro-
schüre beschäftigt sich mit dem zentralen Themenfeld Wasserstoff-Infrastruktur.
Innovationen aus Hessen helfen bei der Erreichung der Klimaziele
Für das Land Hessen gewinnt die H2BZ-Technologie zunehmend an Bedeutung,
denn unsere Energiewelt steht vor zahlreichen Veränderungen. Die Gründe dafür
liegen in der steigenden Nachfrage nach Energie bei gleichzeitig begrenzten
fossilen Energiequellen sowie in der internationalen Klimapolitik, die eine deutliche
Reduzierung klimaschädlicher Schadstoffe, insbesondere CO2, vorsieht. Im Rahmen
des Hessischen Energiegipfels im Jahr 2011 wurden die Weichen für die zukünftige
Energieversorgung des Landes gestellt. Die Hessische Landesregierung hat zusam-
men mit Vertretern von Wirtschafts- und Umweltverbänden, Gewerkschaften und
der Industrie Maßnahmen beraten und definiert, damit die Energiewende in Hes-
sen gelingen kann. Wichtigstes Ziel dabei ist es, bis zum Jahr 2050 den Endenergie-
verbrauch (Strom und Wärme) zu 100 Prozent aus erneuerbaren Energien zu decken,
Energie einzusparen und die Energieeffizienz zu erhöhen sowie die Energieinfra-
struktur auszubauen.
Die Unterstützung der Markteinführung der H2BZ-Technologie ist aber nicht nur
aus energie- und umweltpolitischer Sicht wichtig, sondern wird auch die hessische
Wirtschaft nachhaltig stärken. Wenn es uns gelingt, die in Hessen bereits vorhandenen
(Kern-) Kompetenzen in diesem Technologie- und Innovationsfeld weiter auszu-
bauen, dann schaffen wir zukunftsfähige Arbeitsplätze und stärken Hessens Position
als deutschen und europäischen Innovationsstandort.
Ausbau erneuerbarer Energien und Energieversorgungsstrukturen
Fossile Energien werden weniger und damit kostbarer. Ihr Einsatz wird sich
verstärkt auf Anwendungsfelder konzentrieren, die auch in Zukunft von fossilen
Energieressourcen abhängig sind. Gleichzeitig wird der Ausbau der erneuerbaren
Energien voranschreiten, denn sie stehen auf der Erde in nahezu unendlichen
Mengen zur Verfügung. Die erneuerbaren Energien bieten eine vielversprechende
Möglichkeit, den steigenden Energiebedarf nachhaltig zu decken, ohne die Umwelt
weiter zu belasten. Damit dies gelingen kann, müssen die bestehenden Energie-
versorgungsstrukturen ausgebaut werden, denn die erneuerbaren Energien liefern
den Strom nicht unbedingt dann, wenn er benötigt wird, sondern wenn es Wetter
(Wind) und Tageszeit (Sonne) ermöglichen. Aus diesem Grund müssen neue Strom-
speicher geschaffen werden, damit sowohl die privaten als auch die industriellen
Verbraucher jederzeit ihren gewünschten Energiebedarf decken können.
2
Wasserstoff – Energieträger der Zukunft
Wasserstoff, der aus erneuerbaren Energiequellen erzeugt und anders als Strom
auch langfristig gespeichert werden kann, bietet die gewünschten Voraussetzun-
gen, zum Schlüsselfaktor für die Energieversorgung der Zukunft zu werden. Seit
Jahrzehnten wird er in großen Mengen hergestellt und findet für die Herstellung
unterschiedlicher Produkte wie beispielsweise in der Chemie-, Halbleiter- und
Lebensmittelindustrie Verwendung. Zukünftig kann er darüber hinaus als Kraftstoff
im Verkehr sowie als Brennstoff für die Kraft-Wärme-Erzeugung in Häusern und
Gebäuden eingesetzt werden. Insbesondere der Verkehrssektor steht vor der gro-
ßen Herausforderung, klimafreundlicher zu werden. In Deutschland ist der Verkehr
für fast 20 Prozent des CO2-Gesamtausstoßes verantwortlich, gut die Hälfte davon
entfällt dabei auf den Individualverkehr.
Mit der Einführung der Elektromobilität, zu der sowohl batterie-elektrische als auch
brennstoffzellen-elektrische Fahrzeuge zählen, kann der Verkehrssektor seine
Abhängigkeit von erdölbasierten Kraftstoffen deutlich reduzieren. Voraussetzung
ist, dass der Strom und der Wasserstoff für den Betrieb der Fahrzeuge aus regene-
rativen Energiequellen hergestellt werden. Im Verkehrssektor wird mit Wasserstoff
ein neuer Treibstoff eingeführt, der bei Verwendung mit Brennstoffzellen-Technologie
lokal keinerlei Schadstoffe produziert.
Wasserstoff-Infrastruktur – Unabdingbare Voraussetzung für BZ-Fahrzeuge
Mit dem Anstieg der Elektrofahrzeugzahlen im Verkehr wird auch der Ausbau der
entsprechenden Tankstellen-Infrastruktur einhergehen. Das Henne-Ei-Problem
bezüglich Fahrzeuge und Infrastruktur kann nur durch ein gemeinsames Engage-
ment der beteiligten Partner gelöst werden, die dabei von der Politik unterstützt
werden. Neben den etablierten Akteuren eröffnen sich für Planer und Entscheider
in Wirtschaft und Kommunen neue, attraktive Möglichkeiten, das Thema für sich
aufzugreifen sowie sich frühzeitig für den Aufbau einer Wasserstoff-Infrastruktur zu
interessieren und auch zu engagieren. Wir möchten Ihnen mit der vorliegenden
Broschüre aufzeigen, wie sich Ihr Interesse mit dem anderer Akteure bündeln und
daraus vielleicht schon in naher Zukunft ein Infrastruktur-Projekt ganz in Ihrer Nähe
realisieren lässt. Wir haben bei der Broschüre insbesondere darauf geachtet, aus
der Anwendung heraus aufzuzeigen, welche Überlegungen angestellt und was kon-
kret in die Wege geleitet werden muss, um eine Wasserstoff-Tankstelle installieren
zu können. Mit der Veröffentlichung der vorliegenden Publikation steht ein neuer
Informationsbaustein zur weiteren, intensiven Auseinandersetzung mit der H2BZ-
Technologie zur Verfügung.
Ich freue mich, wenn beim Lesen der Broschüre fruchtbare Ideen entstehen und Sie
sich mit uns weiter in das Thema Wasserstoff- und Brennstoffzellen-Technologie ein-
bringen.
Ihre
3
Windpark-Anlage
CO2 armes Kraftwerk
Solar-Anlage
H2-Infrastruktur
Herstellung, Speicherung,
Verteilung
H2-Infrastruktur
Tankstelle Biogas-Anlage
Wohnhäuser
Kraft-Wärme-Erzeugung
durch Brennstoffzellen-Anlagen
Industrie/Gewerbe
Kraft-Wärme-Erzeugung
durch Brennstoffzellenanlagen,
H2-betriebene Flurfördergeräte
Wasserstoff-Erzeugung durch
Elektrolyse oder Reformierung
Transformator
Brennstoffzellenanlage
Stromtankstelle
1 WASSERSTOFF UND BRENNSTOFFZELLEN
SCHLÜSSELTECHNOLOGIE FÜR DIE ZUKUNFT
1.1 DIE GLOBALE ENERGIEDEBATTE
Der weltweit steigende Energiebedarf bei gleichzei- Brennstoffzellen als Energiewandler für die Strom-
tiger Verknappung der fossilen Energien sowie die und Wärmeerzeugung sowie Wasserstoff als saube-
Folgen des Klimawandels haben in den vergange- rer Energieträger für den Einsatz in Massenmärkten
nen Jahren zu einem kontinuierlichen Umdenken im bieten ideale Voraussetzungen, die Energiefragen
Umgang mit Energie geführt. Die großen Industrie- der Zukunft nachhaltig zu beeinflussen.
nationen sind immer mehr darum bemüht, fossile
Es herrscht weitgehend Einigkeit darüber, dass die
(primäre) Energieträger wie Öl, Kohle und Gas effi-
Einführung einer auf Wasserstoff- und Brennstoffzel-
zienter zu nutzen und den Anteil der (sekundären)
len-basierten Energiezukunft vor allem dann gelin-
Energieträger Strom und Wasserstoff durch die Ver-
gen kann, wenn sie von einer breiten Mehrheit
wendung erneuerbarer (primärer) Energieträger wie
gewollt und akzeptiert wird. Wirtschaft, Forschung
Wind, Wasser, Sonnenenergie, Geothermie und Bio-
und Politik sind global vernetzt und engagieren sich
masse auszubauen. Insgesamt haben die heute vor-
gemeinsam, den Weg für die breite Markteinführung
handenen Energietechnologien zur Nutzung der
der Technologie vorzubereiten. Wichtig ist insbeson-
erneuerbaren Energien das Potenzial, den jährlichen
dere, die zukünftigen Nutzer und die Öffentlichkeit
Weltenergiebedarf fast sechsfach zu decken2.
über Chancen der Technologie zu informieren, 2 siehe Website
Diese Entwicklung, der auch in Hessen Rechnung damit sie die neuen Produkte akzeptieren und die www.fvee.de des
getragen wird, verfolgt drei große Ziele: Zum einen erforderlichen Veränderungen mittragen. Forschungsverbunds
Erneuerbare Energien
soll der weltweite CO2-Ausstoß, der als eine der
Hauptursachen für den Klimawandel angesehen 3 siehe Website
wird, nachhaltig verringert werden. Zum anderen Erneuerbare Energien www.hessen-
nachhaltig.de
streben viele Staaten eine größere Unabhängigkeit in Deutschland / Hessen
von Energieimporten wie Öl und Gas an. Schließlich
Die erneuerbaren Energien sollen zukünftig einen
sucht man nach Lösungen und Alternativen, um den
großen Beitrag zur Energieversorgung in Deutsch-
langfristig dramatisch steigenden Preisen für sich
land leisten. Der Anteil der erneuerbaren Ener-
verknappende fossile Energieträger entgegenzuwir-
gien am Endenergieverbrauch (ohne Verkehr)
ken und auch in Zukunft Wirtschaftswachstum und
soll in Hessen bis 2050 auf möglichst 100 Prozent
Wohlstand zu sichern.
erhöht werden. Deutschland ist führend bei der
Der Einsatz von Technologien zur Effizienzsteigerung Nutzung und Entwicklung erneuerbarer Energien.
und erneuerbarer Energien nimmt dabei einen Eine entscheidende staatliche Maßnahme dafür
hohen Stellenwert, auch innerhalb der Nachhaltig- war die Einführung des Erneuerbare-Energie-
3
keitsstrategie der hessischen Landesregierung, ein. Gesetzes (EEG) und des CO2-Zertifikatehandels.
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nerg
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So af ne
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Er M jährlicher
Weltenergie-
bedarf
Potenziale erneuerbarer Energien
und Weltenergiebedarf (pro Jahr)
Quelle: ForschungsVerbund Sonnenenergie
5
© visdia - Fotolia.com © vege - Fotolia.com © Agentur für Erneuerbare Energien © Agentur für Erneuerbare Energien
Begriffserläuterungen
a Fossile Energie wird aus in der Erdkruste a Kernenergie wird in der Regel weder als fossile
lagernden Energieträgern gewonnen, die wie noch erneuerbare Energie bezeichnet, sondern
Braun- und Steinkohle, Torf, Erdgas und Erdöl steht für sich.
über Millionen von Jahren aus Abbauprodukten
a Primärenergie ist die aus noch nicht weiterbear-
von abgestorbenen Pflanzen und Tieren ent-
beiteten Energiequellen stammende Energie.
standen sind. Diese fossilen Energieträger sind
Primärenergiequellen können fossil (Steinkohle,
Teil des Kohlenstoffkreislaufs und ermöglichen
Braunkohle, Erdöl, Erdgas) oder erneuerbar
es, die in vergangenen Zeiten gespeicherte
(Sonne, Wasser, Wind, Geothermie, Biomasse)
(Sonnen-) Energie heute in hochkonzentrierter,
sein. Aus der Primärenergie wird durch Aufbe-
materialisierter Form zu verwerten.
reitung Sekundärenergie (man nennt sie auch
a Regenerative / erneuerbare Energien sind Nutz- oder Endenergie).
Energien aus Quellen, die sich kurzfristig von
a Nutzenergie: Die Form der Energie, die der
selbst erneuern oder deren Nutzung nicht zur
Anwender letztendlich verwendet, wird als
Erschöpfung der Quelle beiträgt. Es sind nach-
Nutzenergie bezeichnet (Sekundärenergie kann
haltig zur Verfügung stehende Energieressour-
auch Nutzenergie sein). Zwei Beispiele:
cen, zu denen insbesondere Wasserkraft, Wind-
1. Rohöl (Primärenergie) wird zu Heizöl (Sekun-
und Sonnenenergie, Erdwärme (Geothermie)
därenergie) wird zu Wärme (Nutzenergie).
und die durch Gezeiten erzeugte Energie
2. Solarenergie (Primärenergie) wird zu Strom
zählen. Die aus nachwachsenden Rohstoffen
(Sekundärenergie) wird zu Wasserstoff
(Holz, Abfall) gewonnene Biomasse zählt eben-
(Nutzenergie).
falls zu den erneuerbaren Energiequellen.
Strombasiertes Energiesystem
Strom zu Kraftstoff
Kraftstoffbasiertes Energiesystem
m (niedriger Wirkungsgrad)
Übergangs-
Kraftstoff zu Strom phase
(niedriger Wirkungsgrad)
20.000
Gesamte Primärenergieversorgung [Mtoe]
heute 2030 2050
Solarthermische
15.000 Fördermaximum Kraftwerke (SOT)
fossil / nuklear
Regenerative Energien
etwa 2015
Photovoltaik
2% 31%
8% 64%
8% Strom
10.000 Windkraft
15%
19%
Quelle: Reinhold Wurster, Ludwig-Bölkow-Systemtechnik GmbH
Uran Wasserkraft
Wärme/ Geothermie
Kohle Brennstoff
Biomasse 19%
90% 76%
5.000 sche
Solarthermische
Erdgas
50% Kollektoren
Brennstoff
Erdöl 17%
1940 1960 1980 2000 2020 2040 2060 2080 2100
Regenerativer Strom Regenerative Wärme/Brennstoff Fossile/nukleare Brennstoffe
6
1.2 WASSERSTOFF UND BRENNSTOFFZELLEN
Wasserstoff- und Brennstoffzellensysteme sind Mit Hilfe der H2BZ-Technologie kann Energie grund-
Schlüsseltechnologien für die Energieversorgung sätzlich an jedem beliebigen Ort sicher und effizient
der Zukunft, mit vielfältigen Anwendungen und zur Verfügung gestellt werden. Sie kann darüber
Märkten. Unternehmen aus Deutschland gehören hinaus einen wesentlichen Beitrag zum Klimaschutz
schon heute zu den weltweit führenden Unterneh- leisten, sofern sie auf Basis erneuerbarer Energien
men bei der Entwicklung und Vermarktung dieser genutzt und möglichst bald eine breite Markteinfüh-
umweltfreundlichen und effizienten Technologien. rung im Bereich der Strom- und Wärmeerzeugung
oder als Antrieb in Fahrzeugen erfolgt. Vorausset-
zung für die Markteinführung ist, dass aus der H2BZ-
Technologie wettbewerbsfähige Techniken und
Verfahren etabliert werden.
Hessisches Ministe
rium für Umwelt,
Landwirtschaft und Energie,
Verbraucherschutz
www.H2BZ-Hessen.de
Kompetenzatlas
Wasserstoff und Bre
nnstoffzellen
Hessen
In Hessen arbeiten Hochschulen und Forschungseinrichtungen 4 Eine Einführung in die
sowie zahlreiche Unternehmen an der industriellen Forschung H2BZ-Technologie bie-
und Entwicklung der H2BZ-Technologie. Eine Übersicht über die tet die hessische Bro-
schüre Wasserstoff und
engagierten Akteure und ihre jeweiligen Aktivitäten gibt der aktu-
Brennstoffzellen. Wei-
elle Kompetenzatlas Wasserstoff und Brennstoffzellen Hessen4. terführende Publikatio-
Download des Kompetenzatlas unter www.h2bz-hessen.de nen zum Thema sind
im Anhang aufgelistet.
5 Man unterscheidet
heute sieben Brenn-
stoffzellen-Typen:
Alkalische BZ (AFC),
Nieder- und Hochtem-
BRENNSTOFFZELLENSYSTEME: ANWENDUNGSGEBIETE, PRODUKTE UND TYPEN
peratur-Polymer-Elek-
ANWENDUNG STATIONÄR MOBIL PORTABEL SPEZIELLE ANWENDUNGEN trolyt-BZ (LT-PEMFC /
HT-PEMFC), Direkt-
Produkt Strom- und Heizkraft- Antrieb für Batterielade- APU Notstrom- Antrieb für methanol-BZ (DMFC),
Heizgeräte werke für Pkw, Busse geräte, (Auxiliary aggregate Zweiräder, Phosphorsaure BZ
für Ein- und Industrie- und leichte Stromversor- Power Unit)- und USV Flurförder- (PAFC), Schmelzkarbo-
Mehrfamili- anlagen, NFZ gung für Bordstrom zeuge, nat-BZ (MCFC) und
enhäuser Kliniken Konsum- U-Boote, Oxidkeramische BZ
und andere elektronik, Sonderfahr- (SOFC).
Großimmo- im Freizeit- zeuge
bilien bereich 6 Aufgrund der spezifi-
Funktion Strom und Strom/ Strom Strom Strom Strom Strom schen Eigenschaften
der BZ Wärme Wärme/ von Methanol kann
Kühlung es als Energieträger
in Brennstoffzellen-
BZ-Typ5 LT-/HT- LT-/HT- LT-/HT- LT-/HT- LT-/HT- LT-/HT- LT-/HT- anwendungen nur
PEMFC, PEMFC, PEMFC PEMFC, PEMFC, PEMFC, PEMFC,
eingeschränkt genutzt
PACFC, PACFC, DMFC DMFC DMFC DMFC,
MCFC, MCFC AFC werden.
SOFC
Kraft- Erd-, Biogas, Erd-, Biogas, H2 H2 H2 H2 H2
Brennstoff H2 H2 Methanol6 Methanol Methanol Methanol
7
Brennstoffzellen als Energiewandler7 Wärme. Brennstoffzellen, die mit reinem Wasserstoff
betrieben werden, verursachen lokal keinerlei Emis-
Insbesondere in der Strom- und Wärmeerzeugung
sionen. Selbst beim Einsatz von Erdgas oder Metha-
für Gebäude sowie im Antriebssystem von Wasser-
nol fallen wesentlich niedrigere CO2-Emissionen pro
stoff-Elektrofahrzeugen bieten Brennstoffzellen ein
Einheit Nutzenergie an als bei der Verbrennung von
enormes Verbesserungspotenzial hinsichtlich Ener-
fossilen Brennstoffen.
gieverbrauch und Emissionen (Luftschadstoffe und
Lärm) gegenüber herkömmlichen Technologien. Als
Energiewandler eröffnen sie einen vielversprechen-
Wasserstoff als Energieträger
den Weg, den Wirkungsgrad von Stromerzeugungs-
systemen zu erhöhen. Im Gegensatz zu konventio- Wasserstoff (H2) ist – wie Strom auch – ein Energie-
nellen Energiewandlern wie beispielsweise Verbren- träger und keine Energiequelle. Auf der Erde liegt
nungsmotoren oder Turbinen, die die chemische er nie in Reinform, sondern grundsätzlich in chemi-
Energie des Kraftstoffs zuerst in thermische und schen Verbindungen wie Wasser, Kohlenwasserstof-
dann in mechanische Energie umwandeln, erzeugen fen und anderen organischen Verbindungen vor.
7 Ausführliche Informa- Brennstoffzellen aus der chemische Energie des Aus diesen chemischen Verbindungen kann er
tionen über Wasserstoff Kraftstoffs (Wasserstoff) direkt Strom. In der mobilen durch Energiezufuhr herausgelöst werden und steht
und Brennstoffzellen
Anwendung ist der Wirkungsgrad eines Brennstoff- dann als Kraft-, Treib- und Brennstoff zur Verfügung.
finden Sie unter
www.H2BZ-Hessen.de zellen-Elektro-Antriebs mit knapp 50 Prozent heute
Im Gegensatz zu konventionellen Kraft- und Treibstof-
und auf der Website schon doppelt so hoch wie der eines modernen Die-
des Deutschen Wasser- fen weist Wasserstoff im Hinblick auf die Primärener-
selmotors.
stoff- und Brennstoff- giequellen, mit denen er erzeugt wird, die höchste
zellenverbandes DWV In der Brennstoffzelle wird ein Kraftstoff (meist Was- Flexibilität auf. Er kann, wie Strom auch, aus fossilen
unter www.dwv-info.de
serstoff) und Sauerstoff (aus der Luft) mit Hilfe eines oder erneuerbaren Energien hergestellt werden.
Katalysators über eine Membran kontrolliert zusam- Fossile Energien sind an geografische Vorkommen
mengeführt. Dabei entstehen Strom, Wasser und gebunden, während die Erzeugung von Wasserstoff
Wasserstoff Brennstoffzellen-
„Stack“
Quelle: Mercedes-Benz
Wasserdampf
Bipolarplatte Bipolarplatte
(Anode +) (Kathode –) individuelle
Brennstoffzellen
Katalysator
Luft
O2
Elektrolyt (hier: Protonen-
Austausch-Membran)
H2 H2O
Elektronen
Protonen
Funktionsprinzip einer PEM-Brennstoffzelle
8Wasserstoff H2
Wasserstoff trägt im Periodensystem der
chemischen Elemente die Nummer 1 und
wird mit H (lat. Hydrogenium, engl. Hydro-
gen) abgekürzt. Bei Umgebungsbedin-
gungen ist Wasserstoff ein sehr leichtes,
ungiftiges Gas. Seine Atome haben den
kleinsten Durchmesser, er besitzt die
geringste Dichte und ist das bei weitem
häufigste Element des Universums: 90 Pro-
Quelle: dreamstime
zent aller Atome sind Wasserstoff, das ent-
spricht 75 Prozent der gesamten Masse.
aus Biomasse oder erneuerbaren Energien theore- sie vorhanden sind und nicht notwendigerweise
tisch überall dort erfolgen kann, wo der Wasserstoff dann, wenn die Energie tatsächlich benötigt wird.
auch benötigt wird. Dies führt zu einer größeren wirt- Erneuerbare Energie muss also speicherfähig wer-
schaftlichen Unabhängigkeit von Produzenten und den. Die Rolle des Wasserstoffs ist somit eng verbun-
Verbrauchern. den mit der Nutzung und dem weiteren Ausbau der
erneuerbaren Energien. So kann mittels Elektrolyse
Im Gegensatz zu Strom hat Wasserstoff aufgrund sei-
aus überschüssigem Strom Wasserstoff erzeugt und
ner physikalischen Eigenschaften darüber hinaus
gespeichert werden und bei Bedarf wieder ver-
das Potenzial, nicht nur Energieträger, sondern auch
stromt und zurück ins Netz gespeist werden. Vor
Energiespeicher für Strom aus erneuerbaren Ener-
allem die direkte Nutzung des so erzeugten H2 für
gien zu werden. Dies ist insbesondere vor dem Hin-
die Anwendung in Brennstoffzellen-Fahrzeugen ist
tergrund wichtig, dass Wind und Sonne nur dann zur
denkbar.
Energiegewinnung genutzt werden können, wenn
Mobilität Sonne
sauber Wind Wissen
Technologie
Energieversorgung
Biomasse
Ökologie
Markt
Wasser Wasserstoff Potenzial
Brennstoffzelle Nachhaltigkeit
Forschung Antrieb Energie Netzwerk
effizient Entwicklung Qualität
Kooperation 9
Umwelt Klimaschutz2 PERSPEKTIVEN FÜR DIE MOBILEN
H2BZ-ANWENDUNGEN
Um die immer schärferen Umwelt- und Emissions- sowohl Batterie-elektrische als auch Brennstoff -
vorschriften zu erfüllen, stellt die Automobilindustrie zellen-Fahrzeuge. Während man den Einsatz von
seit geraumer Zeit die Weichen für die Elektrifizie- Batterie-elektrischen Autos aufgrund ihrer Merkmale
rung der Antriebe. Neben den bereits eingeführten heute vor allem im innerstädtischen Bereich sieht,
Hybrid-Fahrzeugen werden in den kommenden Jah- haben Elektroautos mit Brennstoffzellentechnologie
ren erste serienreife Elektromodelle für die verschie- das Potenzial, langfristig die Verbrennungsmotoren
denen Marktsegmente, insbesondere bei PKW, ohne Abstriche bei Leistung, Reichweite und Kom-
Bussen und leichten Nutzfahrzeugen, auf den Markt fort zu ersetzen.
gebracht. Zu den reinen Elektrofahrzeugen zählen
ÜBERSICHT MOBILE BRENNSTOFFZELLEN-ANWENDUNGEN
BRENNSTOFFZELLEN KOMMEN IN UNTERSCHIEDLICHEN MOBILEN ANWENDUNGEN ZUM EINSATZ UN
MIT WASSERSTOFF ODER METHANOL ALS KRAFTSTOFF BETRIEBEN. WASSERSTOFF KANN DABEI IN FL
ODER GASFÖRMIGER FORM MIT UNTERSCHIEDLICHEN DRÜCKEN IM FAHRZEUG GESPEICHERT WERDE
Individualverkehr Öffentlicher Personennahverkehr (ÖPNV) Innerstädt. Güterverkehr / Verteile
PKW, Zweiräder Busse Leichte Nutzfahrzeuge, Transporter
Kraftstoff: Wasserstoff gasförmig Kraftstoff: Wasserstoff gasförmig Kraftstoff: Wasserstoff gasförmig
350 oder 700 bar, flüssig 350 bar 350 bar
Sonderverkehre Kommune / Stadt Freizeitverkehr Luft- und Raumfahrt
Entsorgungsfahrzeuge Wohnmobile, Boote Raketen, Passagierflugzeuge, Segel
Kraftstoff: Wasserstoff Kraftstoff: Wasserstoff Kraftstoff: Wasserstoff
Methanol flüssig und gasförmig
10In Deutschland und auf europäischer Ebene werden Hessen ist Partner der Clean Energy Partnership (CEP)
Automobilindustrie und Energieversorger im Rahmen
zahlreicher öffentlich-privater Partnerschaften bei der Ein- Hessen, vertreten durch
führung der Elektromobilität unterstützt. Demonstrations- das Hessische Ministerium
programme wie die Clean Energy Partnership, die Indus- für Umwelt, Energie, Land-
trieinitiative H2 Mobility oder der von der Bundesregie- wirtschaft und Verbrau-
rung verabschiedete Nationale Entwicklungsplan Elek- cherschutz (HMUELV), ist
tromobilität (NEP) zeigen auf vielfältige Art und Weise, im Mai 2011 der dritten
Quelle: Wildhirt
wie die Elektromobilität mit Batterie-elektrischen Antrie- Phase (bis 2016) der
ben und Brennstoffzellen-Systemen zukünftig im Alltag Clean Energy Partnership
verankert werden kann. Ministerin Lucia Puttrich bei der Präsentation der beigetreten. Ähnlich wie
CEP-Fahrzeuge in Wiesbaden
in Berlin und Hamburg
soll damit in Hessen die Einführung der H2BZ-Technologie im Straßen-
verkehr weiter vorangebracht werden. Die bereits installierte, öffentli-
che Wasserstoff-Tankstelle des Industrieparks Infraserv Höchst in Frank-
furt wird dabei Ausgangspunkt für den weiteren Ausbau der Infrastruk-
ND WERDEN tur in Hessen werden. Als Fahrzeuge kommen die Brennstoffzellen-
LÜSSIGER Autos von GM/Opel (HydrogGen4),
Honda (FCX Clarity) und Daimler (Mer-
EN.
cedes-Benz B-Klasse F-Cell) zum Ein-
erdienste Sonderverkehre Logistik satz. Weitere Fahrzeuge und Applikatio-
nen werden folgen.
Flurförderzeuge
2001 wurde die CEP in Berlin initiiert.
Gründungspartner waren die großen
deutschen Automobilhersteller, füh-
rende Technologie-, Mineralöl- und
Energiekonzerne, die mit dem Verkehrs-
Quelle: Total Deutschland
ministerium vereinbart haben, Wasser-
stoff-betriebene Fahrzeuge auf die
Kraftstoff: Wasserstoff gasförmig, 350 bar Straße zu bringen und die dafür not-
Methanol wendige Infrastruktur aufzubauen. Ziel ist es, die technische Alltags-
tauglichkeit von Fahrzeugen (PKW und Busse) und die kostengünstige
Maritime Anwendung Erzeugung und Bereitstellung des Wasserstoffs zu demonstrieren
sowie H2-Tankstellen aufzubauen. Ursprünglich für Berlin konzipiert,
flieger U-Boote, Kreuzfahrtschiffe, Fähren
wurde in der zweiten Phase Hamburg in die Partnerschaft einbezogen.
Beide Städte werden durch einen H2-Tankstellen-Korridor miteinander
verbunden. Neben Hessen sind die Länder Nordrhein-Westfalen und
Baden-Württemberg neue Partner in der CEP.
Weitere Infos unter:
www.cleanenergypartnership.de
Kraftstoff: Wasserstoff
Methanol
Bildquellen (von links nach rechts): obere Reihe CEP, HyCologne, Daimler, Fronius International; untere Reihe, Berliner Stadtreinigung BSR, Zemships, DLR, ThyssenKrupp
11Wie Strom auch bietet der Energieträger Wasserstoff In diesem Zusammenhang wird meistens vom
im Bereich der Mobilität eine saubere und erneuer- „Henne-Ei-Problem“ gesprochen, denn Fahrzeuge
bare Alternative zu den fossilen Treibstoffen, solange benötigen Tankstellen und Tankstellen Fahrzeuge –
er aus erneuerbaren Energien erzeugt wird. nur was kommt zuerst? Beides muss parallel aufge-
baut werden, damit die Kunden die neuen Möglich-
Genau wie bei den konventionellen Fahrzeugen wird
keiten annehmen und sich die notwendigen Investi-
der Wasserstoff in Brennstoffzellen-Fahrzeugen im
tionen möglichst bald auszahlen. Aus diesem Grund
Tank mitgeführt, der, wenn er leer ist, in nur drei
kooperieren Automobilhersteller, Mineralölfirmen,
Minuten wieder befüllt werden kann oder – je nach
Gashersteller sowie Energieversorger und entwickeln
Anwendung – getauscht werden muss. Bei der Ein-
gemeinsam tragfähige Infrastrukturlösungen für die
führung von Wasserstoff als Kraftstoff kommt dem
unterschiedlichen Nutzergruppen. Diese werden
Aufbau einer H2-Infrastruktur, die eine sichere, ein-
heute bereits in verschiedenen, öffentlich geförderten
fache, schnelle und leicht zugängliche Betankung
Demonstrationsprojekten umgesetzt und getestet.
ermöglicht, eine entscheidende Rolle zu.
WASSERSTOFF-
TANKSTELLEN-
STATIONEN IN GB
EUROPA PL
NL
Quelle: www.h2stations.org D
B
F A
CH
I
ES
in Betrieb geplant
12Quelle: Shell / CEP
Initiative H2 Mobility
2009 haben führende Industrieunternehmen
(Daimler, EnBW, Linde, OMV, Shell, Total,
Vattenfall) mit Unterstützung der Bundes-
Das Betanken eines Fahrzeugs mit Wasserstoff ist schnell, komfortabel und sicher.
regierung (Vertreten durch die NOW GmbH)
die Initiative „H2 Mobility“ gegründet. Ziel ist
Die Umsetzung einer flächendeckenden H2-Infrastruktur es, den Auf- und Ausbau einer flächende-
– das bedeutet für Deutschland rund 1000 Tankstellen8 ckenden Wasserstoffinfrastruktur in Deutsch- 8 Zum Vergleich: Es gibt
9
und eine Investition von rund 1,5 bis 2 Milliarden Euro – land gemeinsam voranzutreiben. Ab 2011 laut ADAC über 14.000
konventionelle Tank-
geht heute von einem Szenario aus, das in Großstädten soll das derzeitige H2-Tankstellennetz deut-
stellen in Deutschland.
beginnt. Dort werden zuerst wenige Wasserstoff-Tankstel- lich ausgebaut werden, um die Kommerziali-
9 Zum Vergleich: Der
len aufgebaut, die die innerstädtische Versorgung kleiner sierung von Elektrofahrzeugen mit Brenn-
Aufbau einer flächen-
Flotten sicherstellen. In einem nächsten Schritt werden stoffzellen zu ermöglichen. Die Automobil- deckenden Stromlade-
entlang so genannter Korridore – auf den Hauptverbin- hersteller haben in diesem Zusammenhang infrastruktur wird eben-
dungsachsen zwischen Großstädten – weitere Tankstellen ab 2015 die Markteinführung mehrerer hun- falls mit rund 1,5 bis 2
Milliarden Euro beziffert.
installiert. Mit steigenden Fahrzeugzahlen wird sich dann derttausend Fahrzeuge angekündigt. Die
das Wasserstoffnetz flächendeckend ausbreiten, so dass Initiative ist offen für weitere interessierte
das Betanken langfristig überall möglich sein wird. Teilnehmer.
Nationaler Entwicklungsplan Elektromobilität (NEP)
Deutschland hat 2009 den Nationalen Entwicklungsplan Elektromobilität verabschiedet und damit die
Weichen für eine zukunftsfähige Mobilität gestellt. Im NEP wurde das Ziel erklärt, bis 2020 eine Million
Elektrofahrzeuge auf Deutschlands Straßen zu bringen und das Land zum Leitmarkt für Elektromobilität
zu entwickelt. Neben dem bereits erfolgreich gestarteten Nationalen Innovationsprogramm Wasserstoff-
und Brennstoffzellentechnologie (NIP) – siehe Kapitel 6.2.2 – werden mit dem NEP Entwicklungen im
Bereich der Energiespeichertechnologien, der Batterie-elektrischen Antriebe sowie der Aufbau einer
Stromladeinfrastruktur verfolgt. Batterie- und die Brennstoffzellentechnologie sind aus Sicht der Bundes-
regierung sich ergänzende Technologien, die beide in gleichem Maße weiterentwickelt werden sollen.
Die einzelnen Bundesländer sind ebenfalls dabei oder haben bereits das nationale Programm durch
eigene Förderprojekte und -initiativen ergänzt, die die Einführung der H2BZ-Technologie in den jeweiligen
Bundesländern verstärken.
Weitere Informationen unter www.elektromobilitaet2008.de
133 INFRASTRUKTUR 1
VON DER H 2 -ERZEUGUNG BIS ZUR BEREITSTELLUNG AN DER TANKSTELLE
Wasserstoff wird seit über 100 Jahren in der chemi- 3.1 ERZEUGUNG
schen und Grundstoffindustrie eingesetzt. Insbeson-
dere die Düngemittel- und Methanolherstellung Der Energieträger Wasserstoff kann mittels unter-
benötigen große Mengen Wasserstoff. H2 wird darü- schiedlicher Primärenergiequellen und verschiede-
ber hinaus in der Stahl- und Glasindustrie sowie in ner Umwandlungsprozesse erzeugt werden.
der Halbleiter-, Lebensmittel- und chemischen
Industrie genutzt. In der chemischen Industrie fällt
Wasserstoff auch als Nebenprodukt bei der Chlor- Wasserstoffproduktion
herstellung an, wie beispielweise im Industriepark
Die gesamte weltweite Wasserstoffproduktion
Höchst bei Frankfurt. Dieser Nebenprodukt-Wasser-
beträgt seit Mitte der 90er Jahre rund 500 Milliar-
stoff steht heute – nach entsprechender Aufberei-
den10 Nm3 (Norm-Kubikmeter). In Deutschland
tung – für die Verwendung in Brennstoffzellenanwen-
beläuft sich die Produktion von Nebenprodukt-
dungen zur Verfügung.
10 Informationen von LBST Wasserstoff aus der chemischen Industrie auf
und Fraunhofer IWES Für die Zukunft rückt die Produktion von Wasserstoff knapp 1 Milliarde Nm3 jährlich. Diese Menge
zum 9. Brennstoffzellen-
aus erneuerbaren Energiequellen in den Mittel- reicht aus, um allein in Deutschland über 250.000
Forum Hessen
punkt. Das ermöglicht neue Herstellungsverfahren Brennstoffzellenfahrzeuge bei einer jährlichen
11 Zahlen aus der Studie
und -prozesse. Für den flächendeckenden Aufbau Laufleistung von 12.500 Kilometer11 zu versorgen.
HyWays 2007
einer Wasserstoff-Versorgung im Verkehrssektor
müssen alle Glieder der H2-Infrastrukturkette – von
der Produktion über Speicherung und Transport bis
hin zur Bereitstellung an der Tankstelle – betrachtet
und auf die geltenden Anforderungen hin optimiert
werden.
DIE WICHTIGSTEN WEGE DER WASSERSTOFFERZEUGUNG
Fossile Energie:
Öl, Erdgas, Kohle Kohlenwasserstoffhaltige
Primärenergie-
quellen Regenerative Energie: Ausgangsstoffe:
Wind, Sonne, Wasser, Öl, Erdgas, Kohle, Biogas,
Geothermie, Biomasse Biomasse
Nuklearenergie
Dampfreformierung,
Kohlevergasung,
Prozess Verstromung und Elektrolyse
bio-, photo-, thermochemische
Prozesse
H2 Wasserstoff (flüssig, gasförmig)
14Während bisher die großtechnische Wasserstoff- Wasserstoffqualität
Erzeugung aus fossilen Energieträgern (vorwiegend
mittels Dampfreformierung aus Erdgas) dominiert, Je nachdem, aus welchem Ausgangsstoff und wel-
rückt in Zukunft die Herstellung auf Basis erneuerba- chem Prozess der Wasserstoff erzeugt wird, weist
rer Energien immer mehr in den Mittelpunkt. Die er unterschiedliche Reinheitsstufen auf. Um Was-
Produktion von H2 mittels Elektrolyse von Wasser aus serstoff in Brennstoffzellen-Anwendungen nutzen
regenerativ erzeugtem Strom steht dabei im Vorder- zu können, wird er in einer sehr hohen Qualität
grund. Technische Voraussetzung für die Elektrolyse hergestellt, da Verunreinigungen Auswirkungen
sind so genannte Elektrolyseure, die heute schon in auf Katalysatoren und Membranen haben. Ähnlich
großen Anlagen eingesetzt werden. Die Herausfor- wie bei Kraftstoffen, bei denen heute Schwefel-
derung für die Zukunft liegt unter anderem in der und Partikelgehalte für die Anwendungen in
Entwicklung kleiner, flexibler und kostengünstiger modernen Motoren klar festgelegt sind, arbeitet
Anlagen, die direkt vor Ort an der Wasserstoff-Tank- man hinsichtlich der Wasserstoffqualität an ein-
stelle installiert und kurzfristig Wasserstoff erzeugen heitlichen Standards, die sowohl den technischen
können. Elektrolyseure werden somit wesentliche Anforderungen der Brennstoffzellenhersteller als
Komponenten für die zukünftige Stromspeicherung auch denen der Wasserstoffproduzenten gerecht
von überschüssigem regenerativen Strom in Form werden.
von Wasserstoff bilden.
Darüber hinaus werden alternative Herstellungsver-
fahren für Wasserstoff untersucht. Dazu gehören
Hochtemperaturverfahren wie beispielsweise die
Konventionell Erneuerbar
Herstellung von Synthesegasen aus Biomasse, was
heute bereits in Pilotanlagen erprobt wird. Auch die
Wasserstoffgewinnung durch Bakterien oder Algen
ist möglich. Ob diese Verfahren das Potenzial haben,
zukünftig tatsächlich industriell eingesetzt zu wer-
den, wird sich erst in den nächsten Jahren zeigen, da
sich die meisten noch im Forschungsstadium befin- Stromnetz Wind/Wasser/Solarkraft
den. Elektrolyse
Bei der Bewertung sinnvoller wirtschaftlicher und Biologischer
Chemische Stoffwechsel Biologische Prozesse
Prozesse
ökologischer Erzeugungspfade von Wasserstoff
betrachtet man mittlerweile die gesamte Energie- Nebenprodukt H2
kette von der Erzeugung bis zur Verwendung des H
Biomasse-
Wasserstoffs (man spricht in diesem Zusammenhang Vergasung
von Well-to-Wheel). Obwohl die Erzeugung von Kohle
H
Feste Biomasse
Wasserstoff mehr Energie benötigt als beispiels-
Kohle- Biomasse-
weise die Erzeugung von Strom oder konventionel- Vergasung Reformierung
ler Kraft- und Brennstoffe wie Benzin und Diesel aus
fossilen Primärenergien, kann die Gesamtenergiebi-
lanz von Wasserstoff durch Brennstoffzellenanwen- Dampfreformierung von Methan
dungen ausgeglichen und teilweise sogar verbes- Flüssige Biomasse
sert werden.
Erdgas Biogas
Quelle: Linde
15Quelle: Linde
Wasserstofftank an der Linde-Tankstelle in Unterschleißheim
3.2 SPEICHERUNG
Wasserstoff ist bei Umgebungsbedingungen ein Gas, Dies kann auf unterschiedliche Art und Weise
das aufgrund seiner physikalischen Eigenschaften erreicht werden. Das Augenmerk liegt insbesondere
eine hohe gravimetrische Energiedichte (W/kg), aber auf der gasförmigen Speicherung in Drucktanks mit
eine geringe volumetrische Energiedichte (W/l) auf- unterschiedlichen Druckniveaus sowie in der tief -
weist (siehe nachstehende Tabellen/Abbildungen). kalten, flüssigen Speicherung in vakuumisolierten
Für die Speicherung ist man deshalb bestrebt, die Behältern. Diese Speicher lassen sich nicht nur für
volumetrische Energiedichte zu erhöhen, indem man den H2-Transport, sondern auch als Tanks in Fahrzeu-
gasförmigen Wasserstoff entweder komprimiert oder gen einsetzen.
verflüssigt.
Energiespeicherung im Fahrzeug Boil-off-Effekt
Gewicht und Volumen von Energiespeichern für 500 km Reichweite
Der Erhalt der tiefen Speichertemperatur über
Diesel Druckwasserstoff 700 bar Lithium-Ionen-Batterie
6 kg H2 = 200 kWh chem. Energie 100 kWh elektrische Energie
einen längeren Zeitraum ist schwierig. Wenn an
Tankstellen H2 flüssig bereitgehalten wird, ist man
System System System
bemüht, den Boil-off-H2 aufzufangen und als Gas
Kraftstoff Kraftstoff Zellen
zum Tanken zur Verfügung zu stellen. Boil-off-H2
kann auch in vor Ort installierten stationären
43 kg 125 kg 830 kg Brennstoffzellen für die Stromerzeugung an der
33 kg 6 kg 540 kg
Tank- und Servicestation genutzt werden. Durch
die stetige Nutzung von H2-Tankanlagen und eine
kontinuierliche Entnahme (Anzahl Betankungsvor-
46 L 260 L 670 L
Quelle: nach Opel / GM
gänge) kann der Boil-off-Effekt zukünftig vernach-
37 L 170 L 360 L
lässigt werden.
Energiedichten von H2 und anderen Kraftstoffen im Vergleich
Heizwert H2 Flüssig H2 Gasförmig Benzin 120
Energiedichten 120
3 3 3
Energiedichte 2.360 kWh/m 1 bar: 3 kWh/m 8.760 kWh/m 100 verschiedener
Volumen 200 bar: 530 kWh/m³
Kraftstoffe
(kWh/m3) 350 bar: 799 kWh/m3 80
700 bar: 1275 kWh/m3
60
Energiedichte 33,3 kWh/kg 33,3 kWh/kg 12,0 kWh/kg
Masse (kWh/kg) 40 50
43 41
35 33
Der Energieinhalt von 1Nm3 Wasserstoff entspricht 0,34 l Benzin, 20
21 20 15
1 l flüssiger Wasserstoff entspricht 0,27 l Benzin, 9
0
1kg Wasserstoff entspricht 2,75 kg Benzin Diesel Benzin Methan Methanol Wasserstoff
Heizwert: 119,97 MJ/kg = 33,33 kWh/kg = 10,78 MJ/Nm3 = 3,0 kWh/Nm3
[MJ/kg] Energiedichte, bezogen auf die Masse
Brennwert: 141,80 MJ/kg = 39,41 kWh/kg = 12,75 MJ/Nm3 = 3,5 kWh/Nm3
[MJ/l] Energiedichte, bezogen auf das Volumen
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