Wasserstoff und Brennstoffzellen - Stand der Entwicklungen im Überblick - FVEE
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Wasserstoff und
Brennstoffzellen
Stand der Entwicklungen
im Überblick
• Wasserstoff und Brennstoffzellen –
Ein Systemüberblick
• Netzmanagement und Integration
von Brennstoffzellen
• Internationale Entwicklungen
der Wasserstofftechnologie
• Regenerativer Wasserstoff –
Erzeugung, Nutzung und
Syntheserohstoff
• Wasserstoffnutzung – Ökobilanzen,
Kosten und Endenergiestrukturen
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Dr. Gerd Eisenbeiß • Wasserstoff und Brennstoffzellen
FVS Themen 2004
Wasserstoff und Brennstoffzellen –
ein Systemüberblick
Dr. Gerd Eisenbeiß Wasserstoff – ein wichtiges von Strom oder jedenfalls hochwertiger Ener-
gie. Aber es ging auch schon um die Frage,
FZ Jülich Thema im ForschungsVerbund
energie@fz-juelich.de welcher Kraftstoff denn eines Tages dem Ver-
Sonnenenergie kehr zur Verfügung stehen würde, wenn die
natürlich vorkommenden Kohlenwasserstoffe
Prof. Dr. Der FVS • ForschungsVerbund Sonnenenergie wie Erdöl und Erdgas nicht mehr oder nur
Jürgen Schmid wurde vor 14 Jahren auf Initiative der Bundes- extrem teuer zu haben sein würden.
ISET regierung gegründet. Sein prioritäres Ziel war
jschmid@iset.uni-kassel.de es, die erneuerbaren Energien zu erforschen
und energiewirtschaftlich nutzbar zu machen. Der solare Brüter
„Energiewirtschaftlich” bedeutete dabei soviel
wie „in großem Maßstab”, d. h. die Gründer Die Wasserstoff-Idee ist schon relativ alt.
wollten nicht nur Nischen besetzen, sondern Prof. Justi in Göttingen der 30er Jahre oder
erneuerbare Energien zu einem wesentlichen der AEG-Ingenieur Dahlberg aus den 70er Jah-
Pfeiler unserer Energieversorgung machen – ren des letzten Jahrhunderts dürfen hier zitiert
unserer Energieversorgung in Deutschland und werden. Insbesondere Dahlberg entwickelte
der Energieversorgung überall in der Welt. Die- die Vision vom solaren Wasserstoff, der aus
ses Ziel eint uns im ForschungsVerbund nach dem Sand der Sahara mit Hilfe der dortigen
wie vor und wir sind stolz auf das zwischenzeit- Solarenergie Europa versorgen sollte. Er sprach
lich Erreichte und unseren Beitrag dabei. damals vom „solaren Brüter”, weil Solarenergie
den Sand der Wüste zu Silizium reduzieren
Die Wasserstoff-Idee war schon bei der Grün- sollte und dieses Silizium wiederum als photo-
dung ein Teil der Vision, obwohl wir sicher zu voltaische Zellen den Strom für die Silizium-
jeder Zeit zu den Realisten gehörten, die sich Reduktion und die Wasserstoff-Produktion
über die Länge des Weges bis zum Erfolg klar liefern sollte (Abb. 1).
waren. Diese Fragen bestimmten die mitunter
auch kontroverse Diskussion:
Das HYSOLAR- Projekt
• Brauchen Solar- und Windgeneratoren als
stark intermittierend produzierende Strom- Mitte der 80er Jahre hatte das Forschungs-
quellen Wasserstoff als Zwischenspeicher ministerium diese Idee aufgegriffen, nachdem
zur Netzstabilisierung? der Reaktorunfall in Tschernobyl die Solarener-
gieforschung wieder in den Vordergrund poli-
• Wird die Stromversorgung der Menschheit tischen Interesses gerückt hatte. In einem spek-
intersaisonale Stromspeicher brauchen, takulären politischen Ansatz, zu dessen Vätern
die Batterien überlegen sind? u.a. der damalige badenwürttembergische
Ministerpräsident Lothar Späth und Prof. Bloss
• Ist ein indirekter interkontinentaler aus Stuttgart sowie Prof. Winter aus dem DLR •
Stromtransport durch Wasserstoff-Pipelines Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt
trotz der zweimaligen Umwandlung gehörten, wurde das sogenannte HYSOLAR-
günstiger als Hochspannungs-Gleichstrom- Projekt ins Leben gerufen und ab 1986 gemein-
Übertragung? sam von BMBF (Bundesministerium für Bildung
und Forschung), dem Bundesland Baden-Würt-
Es ging also insbesondere um die Probleme temberg und dem Königreich Saudi-Arabien ge-
intermittierender Stromquellen, intersaisonaler fördert. Die Projektleitung lag beim DLR, einem
8 Speicherung und interkontinentalen Transports der vier Gründungsmitglieder des FVS 1990.
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Dr. Gerd Eisenbeiß • Wasserstoff und Brennstoffzellen
FVS Themen 2004
Hauptzweck des Projektes war es, heraus zu
Die solare Brüteridee der 70er Jahre
finden, ob das Zusammenschalten von photo-
voltaischen Generatoren und Elektrolyse auf
einfache Weise technisch beherrscht werden
kann. Dazu musste ein Elektrolyseur entwickelt
werden, der auch bei den allnächtlichen Unter-
brechungen Wasserstoff mit gutem Wirkungs-
grad produzieren konnte. Außerdem wurden
verschiedene andere Technologien der Wasser-
stoff-Erzeugung und Anwendung vor allem
in den Universitäten Stuttgart, Riyad und
Jeddah erforscht. Brennstoffzellen als Energie-
wandler von Wasserstoff zu Strom spielten
erst ganz am Ende des HYSOLAR-Projektes
eine Rolle.
Wasserstoff und
Brennstoffzellen im FVS Im DLR kamen auch Fragestellungen aus Welt- Abbildung 1
raumanwendungen (autonome Versorgung zeigt ein Solarkraft-
Neben dem DLR haben auch andere Mitglie- von Weltraumplattformen) hinzu, während das werk in Kalifornien,
der des FVS auf dem Gebiet solaren Wasser- Forschungszentrum Jülich vor allem seine beim das heute auf thermi-
stoffs gearbeitet, zum Beispiel das Forschungs- Hochtemperatur-Reaktor erworbene Kompetenz schem Wege Strom
zentrum Jülich, wo Solarzellen auf dem Dach für Hochtemperaturwerkstoffe nutzen konnte. produziert. In Zukunft
der Bibliothek den Strom für einen selbst ent- könnten solche Kraft-
wickelten Elektrolyseur liefern. Für das ZSW • Die sich für Brennstoffzellen-Entwicklung en- werke auch Elektro-
Zentrum für Sonnenenergie- und Wasserstoff- gagierenden Forschungsinstitute des FVS lösten lyse-Wasserstoff
Forschung war die HYSOLAR -Kooperation von sich dabei ein Stück von der solaren Mission, bereitstellen. In den
DLR und der Universität Stuttgart eine der Grün- denn die jetzt zu entwickelnden Systeme müssen 70er Jahren stellte
dungswurzeln und das Fraunhofer ISE • Institut sich zunächst in der „Erdgas-Welt” von heute man sich solche
für Solare Energiesysteme in Freiburg hat früh- bewähren. Eine Entwicklung ist dabei die Hoch- Anlagen als Photo-
zeitig kleine, dezentrale Solar-Wasserstoffsys- temperatur - Brennstoffzelle, weil sie eine mehr voltaikkraftwerke vor,
teme entwickelt, z. B. für das berühmte erste oder weniger interne Reformierung des Brenn- deren Strom teilweise
energieautarke Haus in Freiburg. gases erlaubt, um den am Elektrolyten erfor- unmittelbar zur Her-
derlichen Wasserstoff bereit zu stellen. Dabei stellung von Silizium
In den frühen 90er Jahren wurde deutlich, wandten sich DLR und FZ Jülich der SOFC 1 und Solarzellen ge-
dass Brennstoffzellen auf Grund fortgeschritte- zu, während das ZSW an Problemen der nutzt werden könnte.
ner Werkstoffwissenschaften, Fertigungs- und MCFC 2 arbeitete.
Verfahrenstechniken eine neue Chance zum
Erfolg bieten. Daraufhin haben sich mehrere Parallel dazu nahmen die Mitglieder des FVS
Mitgliedsinstitute, auch das ISET • Institut für die Entwicklung der Membran-Brennstoffzellen
Solare Energieversorgungstechniken in Kassel, auf, die – mit Wasserstoff oder direkt mit Me-
den neuen Herausforderungen zugewandt. thanol betrieben – eine externe Bereitstellung
Dabei wurde im FZ Jülich und beim DLR an die dieser Brennstoffe erfordern. Dabei zielt die
erworbene hohe Kompetenz für Elektrochemie Entwicklungsstrategie der Forschungsgruppen
angeknüpft, denn eine Brennstoffzelle ist schließ- nicht primär auf den Fahrzeugantrieb, wie ihn
lich im Grundsatz eine umgekehrte Elektrolyse. die großen Konzerne der Automobilindustrie
mit hohem Aufwand anstreben, sondern eher
auf kleinere dezentrale Anwendungen oder gar
1 SOFC = Solid Oxid Fuel Cell eine Mikroenergietechnik, die den Ersatz von
2 MCFC = Molten Carbonate Fuel Cell Batterien in Notebooks und Kameras erlaubt. 9
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Ein wichtiges Thema des ForschungsVerbundes Allerdings geht es heute nicht allein um Klima-
Sonnenenergie ist auch die systemtechnische schutz, sondern auch um die Versorgung mit
Herausforderung, Brennstoffzellen ebenso Kraftstoffen für den Verkehr. Schon seit den
wie Photovoltaik- und Windanlagen so ins 70er Jahren waren Energieforschung und ener-
elektrische Versorgungsnetz einzubinden, dass gietechnische Innovationen auch von der Er-
Versorgungssicherheit und Frequenzstabilität wartung bestimmt, insbesondere Erdöl werde
gewährleistet sind. Hier liegt insbesondere eine über die nächsten Jahrzehnte knapp und sehr
Stärke des ISET sowie des Fraunhofer ISE. teuer werden. Hier standen sich stets – und
auch heute wieder – unterschiedliche Einschät-
zungen gegenüber. Global tätige Ölfirmen
weisen gerne darauf hin, dass Öl reichlich vor-
Wasserstoff-Energiepolitik
handen sei und die immer wieder genannten
und Klimaschutz 30 Jahre Reichweite der Vorräte lediglich eine
Folge marktbedingt beschränkter Aufwen-
Heute ist Wasserstoff wieder ein politisches dungen für Prospektion und Exploration seien.
Thema, und zwar auf der globalen Agenda von Selbst die Preisanstiege dieses Herbstes werden
Staatspräsidenten. Das überraschte in Deutsch- nicht so dramatisch interpretiert, wie dies eine
land; denn hierzulande galt das Thema in Poli- andere Gruppe von Fachleuten tut, nämlich als
tik und Forschung nicht als aktuell. Nach den klares Zeichen, dass Ölförderung schon recht
Erfahrungen mit dem Projekt HYSOLAR und dem bald zurückgehen werde. Diese Gruppe ver-
Großprojekt Solar-Wasserstoff-Bayern schien den weist zusätzlich auf die steigenden Bedürfnisse
Unternehmen und auch den solar engagierten insbesondere in Ostasien, die den Ölmarkt
Politikern die Angelegenheit genügend klar: weiter anspannen und die Preise ansteigen
wenn man wegen des notwendigen Klimaschut- lassen müssten. Beim Thema Wasserstoff geht
zes Wasserstoff mittels erneuerbarer Energien es allerdings nicht um den Ersatz der Primär-
gewinnen will, muss man warten, bis diese energiequelle Erdöl, sondern um den Ersatz der
erneuerbaren Energien entsprechend kosten- Sekundärenergieträger Benzin, Diesel und Ke-
günstig sind. rosin, von denen der Verkehr abhängt (Abb. 2).
Kraftstoffe der Zukunft
Abbildung 2 Biomasse
Primärenergiequellen Fermentation Wind
Gas
für Fahrzeugkraft- Gaserzeugung Photovoltaik,
stoffe: links die Methanol FTD Solarthermische
Ethanol Kraftwerke
konventionellen Wege BIO-Diesel
Reforming
vom Rohöl zu Benzin POX
Elektrolyse
und Diesel, halbrechts
GTL DNG
die erneuerbaren Ener-
ÖL Kohle
gien als Stromliferan- CNG Wasser- (mit CO2 -
ten für Elektrolyse- Benzin stoff Abtrennung)
Wasserstoff und ganz Diesel Gaserzeugung
rechts Fischer-Tropsch- FTD
Diesel (FTD) aus Kohle. Auto
GTL = Gas-to-Liquid Kraftstoffe sind eine Alternative zu Rohöl und werden aus Erdgas hergestellt.
DNG = Debutanisiertes Erdgas
CNG = Druckerdgas
POX = Reformierung mit einem partiellen Oxidationsverfahren
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Forschungsstrategie des FVS Deshalb sind Brennstoffzellen mit allen
Systemaspekten ein wichtiges Thema des
Zwei Fragen sind also entscheidend für die ForschungsVerbunds Sonnenenergie.
Beurteilung des Wasserstoffthemas und seiner
Dringlichkeit: 4. Der ForschungsVerbund Sonnenenergie
erforscht mit besonderer Priorität die System-
• Wie ökologisch, wirtschaftlich und zusammenhänge von Wasserstofftechniken
zeitlich drängend ist die Situation der auf der Basis erneuerbarer Energien. Dabei
Erdölversorgung? wird in den Arbeitsergebnissen immer wieder
• Welche Kraftstoffe stehen bei Rückgang deutlich, dass regenerativer Wasserstoff erst
und Verteuerung der Ölversorgung zur dann zu vertretbaren Kosten bereitgestellt
Verfügung? werden kann, wenn die direkte Nutzung der
erneuerbaren Energien durch konzentrierte
Der ForschungsVerbund Sonnenenergie nimmt strategische Forschung deutlich verbilligt
beide Fragen sehr ernst und möchte mit seinen worden ist; dies wird am Beispiel von Elektro-
wissenschaftlichen Möglichkeiten an Lösungen lysewasserstoff aus regenerativem Strom
mitarbeiten, die die Risiken mindern und ins- unmittelbar sichtbar.
besondere die erneuerbaren Energien als kosten-
günstige Energiequelle erschließen. Er hat die 5. Der ForschungsVerbund Sonnenenergie
Wasserstofffrage aufgenommen und sich for- befürwortet und betreibt verfahrenstechni-
schungsstrategisch mit den folgenden sechs sche Forschung zur Erzeugung regenerativer
Thesen positioniert: Kraftstoffe und Wasserstoff aus Biomasse.
Er weist allerdings aufgrund seiner system-
1. Der ForschungsVerbund Sonnenenergie analytischen Forschungsergebnisse darauf
konzentriert seine Forschungsarbeiten auf die hin, dass die Strom- und Wärmeerzeugung
volle Erschließung erneuerbarer Energiequel- aus Biomasse technisch, wirtschaftlich und
len. Da aus heutiger Sicht eine sehr umfang- ökologisch vorteilhafter ist als die Erzeugung
reiche Nutzung erneuerbarer Energien ihre von Biokraftstoffen. Insofern können For-
Speicherung auch in Wasserstoff erforderlich schungsergebnisse im Bereich regenerativer
macht, ist die Wasserstofftechnik ein Teil Kraftstoffe nur dann umgesetzt werden,
seiner Arbeiten. wenn politische Rahmenbedingungen den
Biomasseeinsatz auf den weniger wirtschaft-
2. Die Gewinnung von Kraftstoffen aus erneuer lichen Kraftstoffmarkt kanalisieren, wie dies
baren Energien stellt anspruchsvollere Anfor- gegenwärtig mit der obligatorischen EU-
derungen an kostensenkende Entwicklungen, Quote für Alternativkraftstoffe geschieht.
als ihr Vordringen in den Strom- und Wärme
markt. Auch der ForschungsVerbund Sonnen- 6. Zusammengefasst begrüßt der Forschungs-
energie entwickelt regenerative Kraftstoffe, Verbund Sonnenenergie das gestiegene
wobei Wasserstoff hierbei eine Option ist, Interesse von Öffentlichkeit und Politik an
sowohl für die direkte Nutzung als auch als erneuerbaren Energien und Brennstoffzellen.
Einsatzstoff für synthetische Kraftstoffe. Forschungspolitisch sollte die notwendige
Kostensenkung bei der Nutzung erneuer-
3. Brennstoffzellen als besonders vielversprech- barer Energien allerdings höchste Priorität
ende Konversionstechnologie benötigen haben. Der FVS rät, den Weg in eine regene-
für die elektrochemischen Umwandlungs- rativ-orientierte Energiewirtschaft konsequent
prozesse Wasserstoff. Hochtemperaturbrenn- zu verfolgen, wobei Strom und Wasserstoff
stoffzellen können wegen ihres internen eine wesentliche Rolle als Endenergieträger
Reformings unmittelbar auf Erdgasversor- spielen – in Verbindung mit effektiven Ener-
gungssysteme zugreifen. Für Niedertempe- giewandlern, insbesondere Brennstoffzellen.
ratur-Brennstoffzellensysteme ist eine Wasser- Er unterstreicht den großen Forschungs- und
stoffversorgung erforderlich. Entwicklungsbedarf, der auch Wasserstoff-
systeme umfasst. 11
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Mit dieser Positionierung weist der Forschungs- und erst recht in Deutschland ein prioritäres
Verbund Sonnenenergie klar auf die Bedeutung Anliegen, das man anders als in den USA mittels
der erneuerbaren Energien als Energiequellen Einsparungen, erneuerbaren Energien und
und auf die Bedeutung von Brennstoffzellen als Kyoto-Instrumenten verfolgt, die die Volkswirt-
effiziente Wandler hin. schaften aktuell finanziell belasten, auch wenn
später Klimafolgekosten global vermindert wer-
den. Allerdings gilt für die europäische Fahr-
Internationale Perspektiven zeug-Industrie dasselbe wie für die japanische:
auch europäische Hersteller müssen sich auf
Niemand sollte bei der Nachahmung von Politi- dem US-Markt durchsetzen, also Fahrzeuge
ken anderer Länder übersehen, dass nicht über- mit Elektro- oder Wasserstoff-Antrieb anbieten.
all ein klarer Beitrag zum Klimaschutz im Vor-
dergrund steht und dass andere wirtschaftsstarke Vor diesem Hintergrund ist es richtig, dass
Staaten der Erde den Wasserstoff eher als Pro- Europa der Entwicklung der Brennstoffzellen-
dukt von Kernreaktoren sehen als von Sonnen- technik hohe Priorität einräumt und auch
energie. die Schlüsselfragen der Wasserstofftechnik in
Forschungs- und Entwicklungsprogrammen
Insbesondere die USA setzen auch langfristig aufgreift. Dabei kommt der Speicherfrage
auf ihre heimischen Kohlevorräte und haben besondere Bedeutung bei, denn klar und
jedenfalls im Moment keine besonderen Akzep- provokativ formuliert:
tanzprobleme mit der Kernenergie. Die USA
streben nicht in erster Linie Klimaschutz an, Mit elektrischem Strom kann man fast alles
sondern wollen kontinentale Versorgungsunab- auch direkt machen, sauber und rückstandsfrei.
hängigkeit. Fossil und nuklear erzeugter Wasser- Wasserstoff wird nur benötigt, soweit er trotz
stoff soll diese Versorgungssicherheit insbeson- der Umwandlungsverluste bessere Speicherung
dere für den Verkehrssektor garantieren und bietet, wie sie insbesondere im Verkehr, aber
die Kraftstoffpreise niedrig halten. Für Präsident auch bei Kleingeräten sehr wünschenswert
Bush ist Wasserstoff kein Mittel zum Klimaschutz, wäre. Der Verbraucher möchte in einer erdöl-
sondern ein Mittel zur Autarkie, verbunden freien Zukunft sicher nicht den Beschränkungen
mit dem industriepolitischen Ziel, die von der in Reichweite eines Fahrzeugs oder Nutzungs-
Brennstoffzelle erwarteten Innovationen als dauer eines elektronischen Kleingerätes ausge-
Marktführer zu beherrschen. setzt sein, die wir von den elektrischen Batterien
kennen. Allerdings: wird er die Vorteile von
Japan verfügt über keine nennenswerten fossi- Wasserstoff-Brennstoffzellen-Lösungen mit den
len Energiequellen. Daher zieht es alle Versor- Mehrkosten abwägen. Auch die neuen Lösun-
gungsoptionen in Betracht, wobei die Diver- gen müssen also preiswert sein.
sifikation der Bezugsquellen als Element der
Absicherung gesehen wird. Da Akzeptanzpro-
bleme der Kernenergie nicht als entscheidend Das Wasserstoffsystem
betrachtet werden, könnte Wasserstoff aus und seine Forschungs- und
Kernkraftwerken gewonnen werden. Zudem
braucht Japans Fahrzeug-Industrie den US-
Entwicklungsthemen
Markt, muss also die dort verlangten Lösungen
wettbewerbsfähig anbieten können. Wie den Im Folgenden seien einige wesentliche Zusam-
USA dürfte es auch Japan um die Führung bei menhänge anhand von Systembildern erläutert.
Brennstoffzellen als innovatives Schlüsselpro-
dukt der Zukunft gehen. Wer Wasserstoff einsetzen will, muss ihn zu-
nächst erzeugen. Wer dies in so großem Maß-
In Europa gibt es nicht genug Kohle, um den stab tun will, dass der Verkehrssektor versorgt
Strom und den Kraftstoffmarkt zu bedienen. werden kann, muss letztlich Wasser spalten,
Außerdem ist man über Kernenergie sehr kontro- denn die Alternative Erdgas ist ebenso wenig
12 verser Auffassung. Klimaschutz ist auf EU-Ebene nachhaltig wie das schwindende Öl und die
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Wasserstoff-Erzeugung
Abbildung 3
Nachhaltigkeitsprobleme CO2 radioaktive Abfälle keine Probleme zeigt, wie Wasserstoff
durch Einsatz verschie-
dener Primärenergie-
quellen aus seinen
Primärenergien zur fossile nukleare solare (incl. Wind, Erdwärme etc.)
Stromerzeugung natürlichen Verbindun-
gen gewonnen werden
kann. Dabei sind die
fossilen H2-Quellen wie
Strom
Erdgas und Erdöl (links)
und Biomasse (rechts)
nur beschränkt verfüg-
H2 -Quellen Erdgas, Erdöl Wasser Biomasse bar. In der obersten
Zeile ist vermerkt,
Methanhydrate Abfälle Energiepflanzen
Reformierung Elektrolyse chemische/thermische Umwandlung welche ökologischen
Nachhaltigkeits-
probleme diese Ener-
giequelle haben.
Wasserstoff
Alternative energetische Biomasse bietet In der Wasserstoff-Anwendung sollten nach
quantitativ nicht genug Potenzial (Abb. 3). unseren Erwartungen im ForschungsVerbund
Sonnenenergie Brennstoffzellen eine überra-
Mittelfristig ist es sinnvoller, Biomasse im Strom- gende Bedeutung erlangen, sowohl in Kleinan-
und Wärmemarkt zur Verdrängung der dort wendungen als Batterieersatz wie auch im Ver-
eingesetzten Kohlenwasserstoffe zu nutzen. kehr zunächst als Ersatz der Lichtmaschine und
Insofern ist kritisch zu bewerten, wenn die EU dann auch im Antrieb. Allerdings sind weder
bis 2010 eine Beimischung von 5,75 % Biokraft- Wasserstoff noch Brennstoffzellen in diesen
stoff in Benzin und Diesel verordnet. Aber auch Anwendungen konkurrenzlos. Bei Kleinanwen-
diese Strategie zur Entlastung des Kraftstoff- dungen kann auch Methanol als Energieträger
marktes ist ökonomisch und ökologisch noch und eine Direkt-Methanol-Brennstoffzelle ein-
günstiger als eine Biomasse-Konversion zu gesetzt werden und die herkömmliche Batterie
Wasserstoff. mag auch noch ein gewisses Verbesserungs-
potenzial haben. Es ist aber zu erwarten, dass
Aus heutiger Sicht ist die Wasserstofferzeugung die Brennstoffzellen in diesem Kleingerätebe-
durch Elektrolyse die Referenztechnologie, mit reich erste Märkte finden werden, die für das
der wahrscheinlich besten Wirtschaftlichkeit. industrielle Lernen große Bedeutung haben.
Ob diese Einschätzung gerechtfertigt ist, muss Hilfsstromquellen auf Brennstoffzellenbasis
allerdings in Forschung und Entwicklung noch (APUs)1 werden eine zweite frühe Marktchance
geklärt werden. Die Alternativen sind thermo- bieten, zumal bei beiden Frühanwendungen
chemische Verfahren der Wasserspaltung bei ho- die energiewirtschaftliche Verfügbarkeit von
hen Temperaturen, aber auch biologische oder kostengünstigem Wasserstoff noch keine
photochemische Verfahren, deren Erforschung Rolle spielt.
noch bei weitem nicht abgeschlossen ist.
1 APU = Auxillary Power Unit 13
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Dr. Gerd Eisenbeiß • Wasserstoff und Brennstoffzellen
FVS Themen 2004
Autarker Betrieb im Kleinleistungsbereich
Photovoltaik
Abbildung 4
zeigt, wie erneuerbar lokales, autarkes elektrisches Netz Verbraucher
Wind
erzeugter Strom im
Bedarfsfall über einen
Elektrolyseur als
Wasserstoff gespei-
Wasser
chert und über eine Elektrolyse Brennstoffzelle
Brennstoffzelle ins Strom-
Netz zurückgespeist kurzzeitspeicher
werden kann. 2000 €/kW 2000 €/kW
Wasserstoff-
druckspeicher
Diskutiert wird auch die Vorstellung von Elek- nehmen müssen, dass der Wasserstoff mittels
trolyse-Brennstoffzellen-Systemen im Netzma- erneuerbaren Stroms gewonnen wird. Dann
nagement. Ein solches Wasserstoffsystem muss nämlich wird man auf jeden Fall mit direktem
aber mit anderen Lösungen, z. B. Pumpspeichern Stromeinsatz besser fahren (Abb. 5).
oder Druckluftspeichern (CAES) konkurrieren,
wobei Kosten und Wirkungsgrade entscheiden Brennstoffzellen müssen allerdings nicht auf
werden. Andererseits muss darauf hingewiesen eine energiewirtschaftliche Wasserstoffversor-
werden, dass solche Zwischenspeicher vorteil- gung warten; sie sind insbesondere in den
hafterweise beide Produktgase der Elektrolyse, Hochtemperaturversionen SOFC und MCFC
also Wasserstoff und Sauerstoff, am selben Ort auch mit Erdgas zu betreiben, ohne externe
speichern. Über Brennstoffzellen (oder Gastur- Reformer vorzuschalten. Deshalb entwickeln wir
binen und Motoren) werden sie dann wieder in im ForschungsVerbund Sonnenenergie Hoch-
Strom zurück verwandelt. Solche Systeme bieten temperatur-Brennstoffzellen mit großem Auf-
aber quantitativ nichts Wesentliches für weiter- wand. Sie versprechen gute Wirkungsgrade
gehende Verwendungen, wie etwa im Verkehr, auf Erdgasbasis und werden noch effizienter,
an. Sollte man allerdings für die Kraftstoffversor- wenn sie eines Tages mit Wasserstoff betrie-
gung des Verkehrs in ganz anderen Dimensio- ben werden.
nen Wasserstoff über Elektrolyse herstellen müs-
sen, wäre die Netzstabilisierungsfunktion ein Membran-Brennstoffzellen niederer Betriebs-
eleganter Nebeneffekt für einen entsprechend temperatur müssen in der Erdgaswelt zunächst
geregelten Elektrolyseurbetrieb (Abb. 4). Reformer vorschalten, um dann den so erzeug-
ten Wasserstoff nutzen zu können. Für den
Auch die Vorstellung von wasserstoffversorgten Klimaschutz kann dies gleichwohl ein Vorteil
Brennstoffzellen in unseren Kellern zur Heizung sein, wenn ein hoher Brennstoffzellen-Wirkungs-
der Wohnräume zur Warmwasserversorgung grad die vorausgehenden Umwandlungsver-
14 muss kritisch diskutiert werden, wenn wir an- luste überkompensiert.
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Dr. Gerd Eisenbeiß • Wasserstoff und Brennstoffzellen
FVS Themen 2004
Vergleich: Strom- und Gastransport für Offshore-Windturbinen
Offshore Windfarm Gleichrichter Wechselrichter
> 100 MW h = 99,4 % h = 99,4 %
1500 €/kW 60 € /kW 60 € /kW
HGÜ 2
~ h = 97 % / 1000 km
70 €/kW / 1000 km
= Gesamtwirkungsgrad: 95,8 %
Kosten: 1690 € /kW
Abbildung 5
zeigt am Beispiel
= ~ einer Offshore Wind-
stromerzeugung, dass
direkter Stromeinsatz
günstiger ist als ein
Umweg über Wasser-
Gesamtwirkungsgrad: 49 %
stoff, falls nicht die
Kosten: 5000 € /kW
Notwendigkeit zu
speichern besteht.
Elektrolyse Brennstoffzelle
h = 70 % h = 70 %
2000 € /kW 2000 €/kW
Auslastung der Übertragungsstrecke = Auslastung Wind = 3500 Volllastbetriebsstunden.
Bei Teilauslastung des Elektolyseurs sinkt die Wirtschaftlichkeit entsprechend
2
HGÜ = Hochspannungs Gleichstrom Übertragung
Und in Kleingeräten dürften sich die schon Wenn die so skizzierte Entwicklungs- und
erwähnten ersten Märkte aus dem großen Nut- Markteinführungsstrategie zunächst auf Erdgas-
zungsvorteil solcher Systeme ergeben. Deshalb basis gelingt, ist nicht nur eine Brücke in die
entwickeln wir im ForschungsVerbund Sonnen- Zukunft geschlagen, in der Wasserstoff dann
energie auch diese Brennstoffzellentypen mit eine größere infrastrukturelle Rolle spielen
Nachdruck und kümmern uns um die Technolo- könnte; vielmehr wäre dies ein Innovations-
gien einer entsprechenden Wasserstoffbereit- schritt von größter Tragweite für den Fahr-
stellung. zeug- und Motorenbau.
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Prof. Dr. Jürgen Schmid • Netzmanagement und Integration von Brennstoffzellen
FVS Themen 2004
Netzmanagement und Integration
von Brennstoffzellen
Prof. Dr. Auf dem Weg zu einer nachhaltigen also auch Stationäre dezentrale
Jürgen Schmid ökonomischen Energiewirtschaft steht neben
dem effizienten Umgang mit Energie die Ent-
Energiewandlung
ISET
jschmid@iset.uni-kassel.de wicklung und der zunehmende Einsatz rege-
nerativer Energietechnologien im Mittelpunkt, Mit Brennstoffzellen können hohe Wirkungs-
Dr. Tim Meyer wie beispielsweise Photovoltaik, Windenergie, grade bei der Wandlung chemischer Energieträ-
Fraunhofer ISE Wasserkraft, Solar- und Geothermie oder auch ger wie Erdgas oder Wasserstoff in elektrischen
tim.meyer@ise.fraunhofer.de die Nutzung von Biomasse. Es besteht die be- Strom und Wärme erreicht werden. Dabei
gründete Aussicht, dass sich mittel- bis langfristig fallen bei Wasserstoff praktisch keine Schadstoff-
Dr. Ludwig Jörissen ein Umbau unserer jetzigen Energiewirtschaft, Emissionen an. Aus einzelnen Zellen lassen sich
ZSW die überwiegend auf fossilen Kohlenwasserstoffen leistungsangepasst Stapel zusammensetzen,
ludwig.joerissen@zsw- basiert, hin zu einer solaren Stromwirtschaft mit denen kleinste Versorgungseinheiten für
bw.de vollzieht. Dabei kann sich in zunehmendem Geräte bis hin zu Systemen für die Hausversor-
Maße die Brennstoffzellentechnologie insbeson- gung oder für mobile Anwendungen aufgebaut
dere im Verkehr sowie in der dezentralen statio- werden können. Brennstoffzellensysteme bieten
nären Strom- und Wärmeerzeugung (auf Basis daher den großen Vorteil, dass sie sich der
von Erdgas) entwickeln. Parallel dazu gewinnen Versorgungsaufgabe anpassen und dezentral
Brennstoffzellensysteme im niedrigen Leistungs- einsetzen lassen.
bereich für netzferne und portable Anwendun-
gen an Bedeutung. Letztere auch als Wegberei- Für den stationären Einsatz zur kombinierten
ter von Systemen in höheren Leistungsklassen. Stromerzeugung und Wärmebereitstellung in
Gebäuden wird der Erfolg der Brennstoffzellen-
technik insbesondere davon abhängen, wie
gut und vor allem zuverlässig sich die neuen
Versorgungsaggregate in bestehende Netz-
und Gebäudeinfrastrukturen integrieren lassen.
Dabei gilt es die spezifischen Randbedingungen
für Gebäude, Gasversorgung und Stromnetz zu
Strom berücksichtigen und alle Schnittstellen über
Abbildung 1 Informations-/ kostengünstige Informations- und Kommunika-
Kommuni-
Vernetzung der kationstechnik
tionstechniken für übergeordnete Handlungs-
Infrastrukturen zur strukturen des zukünftigen Energiehandels
Integration von Brenn- KWK verfügbar zu machen (Abb. 1).
stoffzellensystemen Brennstoffzellen
in Gebäude Wärmepumpen
(Quelle: Fraunhofer ISE) Integration in die Gebäude
Wärme/Kälte Erdgas
Gebäude
Etwa ein Drittel der CO2 - Emissionen in
Deutschland werden durch die Bereitstellung
von Niedertemperaturwärme verursacht. Über
80 % davon ist dem Raumwärmebedarf im
Wohngebäudebestand zuzuordnen. Durch ver-
schiedene Entwicklungen der rationellen Ener-
gienutzung lässt sich dieser deutlich senken
(Abb. 2).
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Prof. Dr. Jürgen Schmid • Netzmanagement und Integration von Brennstoffzellen
FVS Themen 2004
kWh / m2
0 50 100 150 200 250 300
Bestand
Wärmeschutz- -25%
verordnung 1995
Energieeinspar-
Abbildung 2
-25%
verordnung 2002 Energiebedarf von
Wohngebäuden:
Niedrigenergiehaus
2002
Endenergie in kWh/m2
(Quelle: Fraunhofer ISE)
Raumwärme
3-Liter Haus
Warmwasser
Haustechnikstrom
Solar-Passivhaus
Haushaltsstrom
Während Niedrigenergiehäuser im Neubau mitt- Systemstrukturen und
lerweile zum Standard zählen, setzen sich auch
Schnittstellen
weitreichende Maßnahmen wie 3-Liter- oder
Passiv-Häuser hier und da durch. Eine besondere
Herausforderung bei der rationellen Energienut- Verfügbare Brennstoffzellenarten lassen sich
zung sind Renovierungen im Gebäudebestand. grundsätzlich durch unterschiedliche Betriebs-
temperaturen von 80 bis 1000 °C unterscheiden,
Der mittlere elektrische Leistungsbedarf eines wobei der elektrische Wirkungsgrad mit der
durchschnittlichen Haushalts beträgt zwischen Temperatur steigt (Abb. 3). Der Betrieb mit Erd-
500 und 1000 Watt. Ein darauf ausgelegtes gas erfordert eine vorgelagerte Reformierung die
Aggregat führt für Niedrigenergiehäuser unge- bei Hochtemperatur-Brennstoffzellen teilweise in
fähr zu einer ausgeglichenen Energiebilanz. der Brennstoffzelle selbst abläuft. Die Komplexi-
Höhere Leistungsanforderungen werden sich tät des Gasprozesses zur Gewinnung von Wasser-
wirtschaftlich am günstigsten über das Strom- stoff aus Erd- oder Biogas und Beseitigung von
netz bereitstellen lassen. Für eine zusätzliche systemschädigenden Bestandteilen wie beispiels-
Wärmeversorgung müssen dann beispielsweise weise Schwefel nimmt mit fallenden Betriebs-
zusätzliche Spitzenlastkessel installiert werden. temperaturen der Brennstoffzelle zu.
Flüssig- Verdampfer Brennstoffzellen-Typen Wirkungsgrad
Brennstoff
SOFC
Abbildung 3
Erdgas
Biogas Thermisch inte- 800 °C Grundlegende
grierter Reformer bis 1000 °C
Zusammenhänge
Schwefel-
entfernung
verschiedener Brenn-
MCFC
Thermisch inte- 650 °C
stoffzellentypen und
500 °C Konversion zu grierter Reformer der erforderlichen
bis 800 °C H2 and Co2
Gasprozesstechnik
300 °C Konversion zu PAFC 200 °C (Quelle: ZSW) [1]
bis 500 °C H2 and Co2 CO < 5 %
Steigende
selektive CO PEMFC 80 °C
Komplexität des Oxidation CO < 10 ppm
Gasprozessors
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FVS Themen 2004
In einem kompletten Niedertemperatursystem Der Anschluss an das Stromnetz erfolgt über
sind einer PEM-Brennstoffzelle ein Verdichter, ein Wechselrichter, die die Gleichspannung und
Reformer, ein zum Teil zweistufiger Shiftreaktor den Gleichstrom in die üblichen Wechselgrößen
sowie eine Feinreinigung zur CO-Entfernung vor- des Versorgungsnetzes umwandeln.
gelagert (Abb. 4). Über einen oder mehre Wär-
metauscher wird die Nutzwärme ausgekoppelt
und das thermische Management realisiert.
CH4 + 2H2O => 4H2 + CO2 (CO)
Erdgas Erdgasverdichter Reformer Shift- Reaktor HT
9 % CO 3 % CO
Abbildung 4
Systemstruktur und
a) Reformer-Erwärmung
Schnittstellen eines Restgas
b) Kat-Brenner (therm. Nutzung)
Niedertemperatur-
Brennstoffzellensy-
stems einschließlich
Gasprozessor
(Quelle: ZSW)
Shiftreaktor NT CO-Feinreinigung PEM-Brennstoff- Wärme
zelle
H2 , CO2
elektrische
< Energie
0,5 % CO Luft (O2) 0,005 % CO
Integration in die Gasversorgung
Großkraftwerke
Wind SOT PV Wasser Kohle Gas-KW
Abbildung 5
Vernetzungsoptionen
Übertragungsnetz
auf Strom- und Gas-
ebene mit zentralen
Kraftwerken und Verteilungsnetz
dezentralen Einheiten
wie Brennstoffzellen Nieder-
spannungs-
(BZ) und anderen netze
Kraft-Wärme-Kopp-
lungsaggregaten
(Motor-Generatoren, Reformer BZ BZ Reformer BZ BZ BZ 60 % Reformer BZ µT Stirling
Motor-
Gen. µT Stirling
Motor-
Gen.
Mikrogasturbinen (µT), H2-Netz
Stirlingmotoren) h= 30 % Reformer 60 % 30 % 30 % 30 % 30 %
(Quelle: ISET)
Erdgasnetz Biogasnetz Synthetische
Kraftstoffe
h = Wirkungsgrad / SOT = Solarthermische Kraftwerke
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40000
Wärme geführt:
35000
Primärenergieverbrauch (kWh/a)
Brennwertkessel+Strombezug
30000
SOFC (1 kW, 29,5 %)
25000 PEM (1 kW, 28 %)
Abbildung 6
PEM (2 kW, 29,5 %) Exemplarischer
20000
Systemvergleich
Stirling (1 kW, 25 %) verschiedener KWK-
15000
Dampfmaschine (2 kW, 7 %)
Aggregate am
10000
Beispiel eines
Primärenergie geführt: Einfamilienhauses
5000 (Quelle: Fraunhofer ISE)
PEM (1 kW, 28 %)
0 PEM (2 kW, 29,5 %)
Integration in die Eine interessante Option sind große Reformer
Gasversorgung mit höheren Wandlungsgraden (geringere
Wärmeverluste), denen ein sogenanntes Mikro-
Brennstoffzellen benötigen ein wasserstoffhalti- Wasserstoffnetz nachgelagert ist. Darin werden
ges Gas, das in der heutigen Infrastruktur zur dann mehrere Aggregate betrieben. Der besse-
Gebäudeversorgung nicht direkt verfügbar ist. re Gesamtwirkungsgrad ist aber nur gewähr-
Während für Hochtemperatur-Brennstoffzellen leistet, wenn die Abwärme des Reformers weit-
Methan und CO zulässig und nutzbar ist, wirkt gehend genutzt wird, z. B. als Prozesswärme
in Niedertemperatur-Brennstoffzellenzellen CO oder über Absorptions-Kältemaschinen.
als Katalysatorgift und Methan lässt sich darin
nicht direkt nutzen. Ohne Ankopplung an Leitungsnetze lässt sich
Wasserstoff vor Ort in Druckspeichern oder
Aus Erdgas kann Wasserstoff durch die bereits Flüssigwasserstofftanks bereit halten.
angesprochene Reformierung von Kohlenwas-
serstoffen gewonnen werden. Dezentrale Refor-
mer, die sich direkt am Brennstoffzellenaggre- Systemvergleich
gat befinden, müssen auch thermisch in das
Gesamtsystem eingekoppelt sein. Jedoch senkt Ein Vergleich verschiedener Kraft-Wärme-Kopp-
der Energiebedarf für solche integrierte Kleinst- lungs-Aggregate für Einfamilienhäuser (Abb. 6)
reformer den elektrischen Wirkungsgrad des belegt, dass der Primärenergieeinsatz gegen-
Gesamtsystems auf etwa 30 % (Abb. 5). über dem klassischen Strombezug aus dem
Damit müssen sich Brennstoffzellensysteme Netz und die Wärmebereitstellung über einen
gegen andere teilweise bereits etablierte Kraft- modernen Brennwertkessel nicht unbedingt
Wärme-Kopplungstechniken durchsetzen, die geringer ausfällt. Bei zu geringen elektrischen
ähnliche Stromeffizienzen aufweisen [2]. Wirkungsgraden kann er sogar darüber liegen.
Neben einer grundlegenden Verbesserung der
Technik können hier neue primärenergiegeführ-
te Regelungskonzepte Vorteile bringen. 19b_uebersichtsv_end.qxd 13.04.2005 10:40 Uhr Seite 20
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Integration in die tragen. Über Mittel- und Niederspannungs-
netze gelangt der Strom schließlich in die Nie-
Stromverteilungsnetze
derspannungsverteilungsnetze der Verbraucher-
ebene. Der Strom wird in diesem Netz im Prin-
Brennstoffzellensysteme werden über den Haus- zip von oben nach unten verteilt [3].
anschluss in das öffentliche Wechselspannungs-
netz (400V/230V, 50Hz) eingebunden. Moder- Dezentrale Mikrokraftwerke, die es in Form der
ne Wechselrichter formen aus Gleichstrom Windenergieanlagen, Blockheizkraftwerken und
durch hochfrequentes moduliertes Ein- und Photovoltaikanlagen seit einigen Jahren immer
Ausschalten von Leistungstransistoren sinusför- häufiger gibt, ersetzen mehr und mehr Anteile
mige Ausgangsspannungen und Ströme. Zur der Energieerzeugung konventioneller Kraftwer-
Anpassung der geringen Eingangsspannungen ke. Messtechnisch werden sie daher als „nega-
sind zusätzlich Transformatoren erforderlich. tive Last” registriert. Viele Energieversorungsun-
Die Qualität der Netzgrößen bleibt dabei erhal- ternehmen (EVU) sehen daher in der Stromein-
ten. Mit entsprechenden Regelverfahren lässt speisung eine zusätzliche Erzeugung, die das
sich sogar eine Steigerung der Netzqualität bestehende ausgeklügelte System der Bereit-
erreichen. stellung von Energie stören könnte. Sie argumen-
tieren mit der fluktuierenden Einspeiseleistung.
Eine interessante Option ist, einen kleinen elek- Da nicht einplanbar sei, wann die Sonne scheint
trochemischen Speicher in das Wechselrichter- oder der Wind weht, müssten von den Netz-
system zu integrieren. Zusätzliche Steuerungs- Betreibern teure Regelleistungen bereitgestellt
und Regelungsfunktionen würden damit den werden. Doch mit den heute verfügbaren
Inselbetrieb und so die zusätzliche Dienstlei- leistungsfähigen Wetter-Prognosesystemen,
stung eines Ersatzbetriebes bei Netzausfällen die das ISET entwickelt hat, lassen sich derartige
für die wichtigsten Verbraucher ermöglichen. Probleme lösen oder zumindest stark minimie-
ren. Hinzu kommt, dass elektrische Stromnetze
In der historisch gewachsenen Infrastruktur der heute mit Hilfe von Informationstechnologien
Stromversorgung wird die in großen zentralen so gemanagt werden können, dass ihre Stabi-
Kraftwerken erzeugte Energie über Hochspan- lität absolut gewährleistet bleibt. Dies wird im
nungstrassen in die Verbrauchsregionen über- Folgenden beschrieben:
überregional regional
Energiebörse
Energiehandel Netzleitstelle
(Trading)
EMS
Abbildung 7 Anlagen
Mögliche zukünftige
Betreiber virtueller KW
Kommunikations- EMS EMS EMS EMS EMS
und Handelsstruk-
turen im Bereich
elektrischer Energie
dezentral
(Quelle: RWEnet, EUS) Netzleitstelle dezentrale Erzeuger
Lastmanagement
Anlagen
EMS = Energiemanagement System
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FVS Themen 2004
Netzmanagement und
Energiehandel Photovoltaik
Hausbesitzer werden künftig verstärkt auch Er- PV-Wechselrichter
zeuger von Strom sein und EVUs werden Strom
von ihnen kaufen. Die Rollen, von Erzeuger und
Abnehmer von Strom, Kunden und Produzen-
ten werden zukünftig flexibler. Denn immer
mehr Kleinstkraftwerke, wie z. B. KWK-Aggrega- Verbraucher
te mit Brennstoffzellen, speisen Energie ins Netz Netzbetreiber
ein. Deshalb ist es erforderlich, alle Beteiligten Energieversorger
mit einem Kommunikationssystem zu verknüp- Internetanbieter
fen, damit Anbieter und Nachfrager in ein Han-
Brennstoffzelle
delsgeschäft eintreten können und Energiebör-
sen neue Freiheitsgrade gewinnen (Abb. 7). Gasnetzbetreiber
Der Strompreis wird sich auch in Zukunft an
Angebot und Nachfrage orientieren. In der
Grundlast kostet der Strom heute 1,5 bis 3 Cent Zusammenfassung Abbildung 8
je Kilowattstunde (ohne Kosten für Verteilung Bidirektionales
und Handel), während er in Kalifornien wäh-
und Ausblick Energie-Management-
rend der Energiekrise in Zeiten der Spitzen Interface (BEMI) als
belastung auf bis zu 12 Dollar je Kilowattstunde Für den wirtschaftlichen Betrieb von stationären zukünftiger Ersatz für
hochschnellte. Die Preisunterschiede können Brennstoffzellensystemen ist neben einem ho- den heutigen Haus-
Verbraucher für sich nutzen. Beispielsweise hen elektrischen Wirkungsgrad ein hoher Wärme- anschlusskasten
können Kühlgeräte mit guter Wärmedämmung nutzungsgrad von entscheidender Bedeutung. (Quelle: ISET)
längere Zeiten zwischen den Einschaltprozessen Auch andere innovative Wandlungsaggregate
des Kompressors überbrücken. Über ein neues auf der Basis von Mikrogasturbinen, Dampf-
bidirektionales Energie-Management-Interface maschinen oder Stirlingmotoren haben gute
(Abb. 8) kann ein Kühlschrank dann via Internet Marktchancen.
(zum Beispiel aus der Steckdose über eine Power-
line-Kommunikation) oder andere Kommunika- Mittelfristig werden stationäre Brennstoffzellen
tionswege den aktuellen Strompreis abfragen nicht direkt mit Wasserstoff, sondern über
und mit seiner Kältereserve abgleichen, um im Erdgas versorgt. Erst wenn der Strom zu über
richtigen Moment zu einem attraktiven Preis zwei Dritteln aus erneuerbaren Energien kommt,
Energie einzukaufen, in Kälte zu verwandeln und alle Potenziale der Anlagen- und Lastbetriebs-
zu speichern. Das Potenzial allein für solche führung ausgeschöpft und andere dezentrale
Maßnahmen des Demand-Side-Managements Speichertechnologien ausgeschöpft sind, wird
bei Kühlsystem im Lebensmittelhandel sowie bei die Speicherung von Strom in Wasserstoff in
Heizungspumpen wird in Deutschland insgesamt Betracht kommen. Denn bei diesen Umwand-
auf 10 bis 15 % des Verbrauchs geschätzt. lungsprozessen gehen mit heutigen Technolo-
gien fast noch 2/3 der Energie verloren.
Wenn der Strombedarf steigt, ist es denkbar,
dass Stromanbieter nicht ein Spitzenlastkraftwerk Welche Anteile Brennstoffzellen im Bereich der
wie eine Gasturbine oder ein Pumpspeicher- stationären dezentralen Strom- und Wärmever-
kraftwerk anfahren, sondern dass sie beispiels- sorgung von Ein- und Mehrfamilienhäusern, Bü-
weise aus Blockheizkraftwerken in Wohnhäusern ros, Handwerksbetrieben und der Industrie errei-
Strom kaufen [4]. Die dabei anfallende Wärme chen werden, hängt neben den Faktoren Wirt-
kann wesentlich einfacher und kostengünstiger schaftlichkeit, Qualität und Zuverlässigkeit insbe-
als Strom gespeichert und zu einem späteren sondere von der sorgfältigen und verlässlichen
Zeitpunkt verfügbar gemacht werden. Integration in die Gebäudesystemtechnik ab. 21b_uebersichtsv_end.qxd 13.04.2005 10:40 Uhr Seite 22
Prof. Dr. Jürgen Schmid • Netzmanagement und Integration von Brennstoffzellen
FVS Themen 2004
Eine weitere Optimierung komplexer Teilsyste-
me der Gas-, Strom- und Wärmeversorgung
kann die Entwicklung deutlich beschleunigen.
Mit Hilfe neuer, digitaler Informationstechnik
und aufgrund eines liberalisierten Marktes mit
eigenständig agierenden Anbietern und Abneh-
mern werden die neuen Energieerzeuger zu-
künftig in das Stromnetz integriert. Das Strom-
netz, welches bisher einer Einbahnstraße glich,
wird zu einem Energiemarkt, auf dem bisherige
Abnehmer auch zu Anbietern und bisherige
Produzenten auch zu Nachfragenden werden
können.
Literatur
[1] B.C.H. Steel, Natur 1999
[2] Vetter, M.; Wittwer, C.; Dynamic modeling
and investigation of residential fuel cell
cogeneration systems, 16. Internationales
Kolloquium über Anwendungen der Infor-
matik und der Mathematik in Architektur
und Bauwesen, Bauhaus Universität
Weimar, 2003
[3] Degner, T.; Engler, A.; Schmid, J.;
Strauß, P.; Viotto, M.; Meyer, T.; Erge, T.;
Integration Erneuerbarer Energien in
Versorgungsstrukturen - Inhalte Europäi-
scher Forschungsprojekte, 18. Symposium
Photovoltaische Solarenergie,
Staffelstein, 2003
[4] Bendel, C.; Die Rolle der Photovoltaik
im Strommanagement, Die Zukunft der
Photovoltaik, Dornbirn, Juni 2004
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Dr. Hans-Joachim Neef • Internationale Entwicklungen der Wasserstofftechnologie
FVS Themen 2004
Internationale Entwicklungen
der Wasserstofftechnologie
Warum Wasserstoff ? Motoren, Turbinen, Brennern und nicht zuletzt Dr. Hanns -Joachim
Brennstoffzellen in Dienstleistungen wie Mobili- Neef
Warum beschäftigen wir uns mit den Wasser- tät, Strom, Wärme umgewandelt wird. Wenn Projektträger Jülich
stofftechnologien? Sie versprechen uns sichere dazu noch der Wasserstoff umweltfreundlich h.j.neef@fz-juelich.de
Energieversorgung, Mobilität und andere Dienst- hergestellt wird – was das bedeutet, wird noch
leistungen, ökonomische Vorteile wie Techno- zu prüfen sein – haben wir Grund zur Freude: Dr. Neef ist Co Chair des
logieführerschaft, Wirtschaftswachstum, Arbeits- Die gesamte Kette von der Herstellung des IPHE (Implementation and
plätze sowie einen kräftigen Beitrag zum lokalen Wasserstoffs über die Speicherung und den Liason Commitee of the
und globalen Umweltschutz. All das wird oft Transport bis zum Endverbraucher ist aus glo- Intenational Partnership for
unter dem Begriff der Nachhaltigkeit zusammen- baler und lokaler Sicht eine ideale Option. the Hydrogen Economy)
gefasst.
Hinzu kommt, dass wir im Verkehrssektor stark
Deutschland hat sich schon früh mit Wasserstoff von importiertem Öl abhängig sind. Das ist bei
als Energieträger und Speichermedium beschäf- 50 $ pro Barrel (im Oktober 2004) nicht nur
tigt. Die elegante Option, Wasserstoff CO2-frei eine Frage der Kosten des Ölimports, sondern
herzustellen, diesen zu speichern und zu ver- noch mehr eine Frage der Versorgungssicherheit.
wenden, wo und wann der Verbraucher ihn be- Alle Länder, die langfristig nicht über eigenes
nötigt, war und bleibt verführerisch. Wasserstoff Öl verfügen, streben danach, den Verkehrssek-
eröffnet also räumliche und zeitliche Freiheits- tor unabhängig vom Öl zu machen. Das kann
grade, die die Elektrizität nicht so leicht bietet. durch den Einsatz von Wasserstoff erreicht wer-
den. Die sichere Energieversorgung ist wohl
Ein weiterer Grund ist die umweltfreundliche die Hauptmotivation für die USA, sich intensiv
Verwendung des Wasserstoffs, dort wo er in mit der Wasserstoffoption zu beschäftigen.
Wasserkraft Solarthermie
SOFC-Brennstoffzellen für
örtliche Versorgung der Windturbienen
Haushalte mit Warmwasser
und Wärme
Biomasse
Eine Hausstrom- und Photovoltaikanlage
Hauswärmeversorgung
mit PEM-Brennstoffzellen Brennstoffzellen auf Schiffen
H2 für den Antrieb und in Abbildung 1
Hilfskraftanlagen
Darstellung einer
Energieversorgung mit MCFC-
oder SOFC/GUD-Kraftwerken „Wasserstoffwelt” als
Anlage zur Wasserstofferzeugung
H2 Energiemix aus Erdgas
CO2 und erneuerbaren
Versorgung der verarbeitenden
Industrie mit Prozesswärme und -strom Energien
Wasserstofftankstelle
Erdgas
Erschöpftes Salzhaltiges Grundwasser
Gasvorkommen in großer Tiefe
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Dr. Hans-Joachim Neef • Internationale Entwicklungen der Wasserstofftechnologie
FVS Themen 2004
Ob diese Beschäftigung zu einer Wasserstoff-
wirtschaft führen wird, hängt aber noch von Nachhaltige Entwicklung
vielen Entscheidungen ab.
Was ist nötig, um noch über geplante,
fortschrittliche Politikszenarien
hinaus zu gehen?
Wasserstoffwirtschaft
Politische Anreize für eine weitergehende
Reduktion von CO2 - Emissionen
Abbildung 3 Es gibt also eine Menge guter Gründe, sich
Politische Anreize mit Wasserstoff zu beschäftigen. Warum also Ein Portfolio an Technologien, um
und Technologie- gibt es die Wasserstoffwirtschaft noch nicht? Giga-Tonnen an CO2 zu vermeiden:
entwicklungen für Die Barrieren sind die hohen Kosten der Kom- • Energieeinsparung, effiziente
eine nachhaltige ponenten einer Wasserstoffwirtschaft (zum Bei- Umwandlungs- und Endverbrauchs-
Entwicklung spiel der Brennstoffzellen), die hohen Kosten für techniken
eine Wasserstoffinfrastruktur, die von der Inter- • Erneuerbare Energien
nationalen Energieagentur auf 1 bis 5 Billionen $
geschätzt wurden. Auch Kundenorientierung • CO2 Abtrennung und -Speicherung
und Betriebszuverlässigkeit der Endprodukte
• Wasserstofftechnologien
wie zum Beispiel von Brennstoffzellen-BHKWs,
Abbildung 2 Hausversorgungsanlagen, Wasserstoffbussen • Fortschrittliche Übertragungs-
„Das magische und Personenkraftwagen müssen gewähr- und Verteilungstechnologien
für alle Energieträger
Dreieck der Nach- leistet sein.
haltigkeit”: Der Kreis • ... neue Ideen und Grundlagenforschung
versinnbildlicht die Die Ziele des magischen Dreiecks der Nachhal-
Verbindung der ein- tigkeit – Energieversorgungssicherheit, Wirt-
zelnen Nachhaltig- schaftlichkeit, Umweltschutz – sind nicht zu er-
keitskriterien. reichen, wenn wir so weitermachen wie bisher.
Die Wasserstofftechnologie steht dabei aller-
dings nicht an allererster Stelle. Stattdessen
müssen wir bei der Energieeffizienz anfangen.
Dann kommen die erneuerbaren Energien,
die CO2 -Abtrennung und -Speicherung, die
Ökonomie Wasserstofftechnologien, die fortschrittliche
wirtschaftliche Übertragungs- und Verteilungstechnologien für
Entwicklung
alle Energieträger, die fortschrittlichen Kernreak-
toren (eine Option, die für Deutschland zurzeit
nicht in Frage kommt) sowie die Fusion. Last
Nachhaltigkeit
but not least brauchen wir neue Ideen und
Grundlagenforschung, die die Energietechno-
logie beflügeln soll. Hier kommt unter anderen
Versorgungs- Ökologie der Helmholtzgemeinschaft und den Mitglie-
sicherheit Umweltschutz
dern des FVS eine Schlüsselfunktion zu.
Versorgung und Bedarf
Wasserstoff lässt sich leider nicht wie Erdöl oder
Wir müssen alle Möglichkeiten in Betracht Erdgas gewinnen, er muss hergestellt werden.
ziehen, um optimale Lösungen zu erreichen. Heute wird der Wasserstoff vorwiegend aus
Wir müssen ein umfangreiches Portfolio an Erdgas hergestellt. Das dabei entstehende CO2
Technologien betrachten, da keine einzelne wird in die Atmosphäre abgegeben. Es gibt
Technologie uns den Königsweg aus dem aber drei Wege, den Wasserstoff CO2 - frei
24 business-as-usual Szenario verspricht. herzustellen:b_uebersichtsv_end.qxd 13.04.2005 10:40 Uhr Seite 25
Dr. Hans-Joachim Neef • Internationale Entwicklungen der Wasserstofftechnologie
FVS Themen 2004
1. erneuerbare Energien (und hier sowohl Pro 100 km verbraucht ein Auto etwa 1kg
direkt als auch über die Elektrolyse) Wasserstoff, dies entspricht etwa 10.000 Litern
2. Kernenergie gasförmigen Wasserstoffs. Deshalb stellt seine
3. fossile Energieträger mit Speicherung in kleinen, insbesondere mobilen
Abscheidung und Lagerung des Tanks ein Problem dar.
entstehenden CO2
Da auch die energetische Betrachtung eine
Natürlich würden wir alle gerne sehen, dass Rolle spielt, also die Frage, wie viel Energie wird
Wasserstoff mit Hilfe der erneuerbaren Energien gebraucht, um Wasserstoff zu komprimieren
in großen Mengen zu wettbewerbsfähigen Prei- oder zu verflüssigen, sind neue Verfahren der
sen in den Markt kommen würde. Aber es ist zu chemischen oder physikalischen Speicherung in
beachten, dass aus den erneuerbaren Energien Metallhydriden oder Nano-Strukturen die Hoff-
zuerst einmal Strom hergestellt wird. Diesen nungsträger für die Zukunft. Ein echter Durch-
Strom zu nutzen, muss die erste Aufgabe sein. bruch zu kommerziellen Produkten ist hier aber
Ihn in Wasserstoff umzuwandeln heißt, Investi- noch nicht gelungen, hier soll und kann die
tionen für die Elektrolyse zu tätigen und Ener- Grundlagenforschung, auch in internationaler
gieverluste in Kauf zu nehmen. Das wird man Zusammenarbeit, hilfreiche Beiträge leisten.
erst dann tun, wenn billiger Strom aus Erneuer-
baren zur Verfügung steht. Es wird also in allen
seriösen Szenarien angenommen, dass dies erst Brennstoffzellen
in einigen Jahrzehnten der Fall sein wird.
Die heute meist beachtete Technologie zur
Ähnlich sieht es aus mit der Technik der CO2- Nutzung des Wasserstoffs ist die Brennstoffzelle.
Abtrennung und seiner Speicherung in geologi-
schen Schichten. Auch hier wird es noch Jahr- Es gibt verschiedene Typen von Brennstoffzellen.
zehnte dauern, bis die Technik so weit entwickelt Allen Typen gemeinsam ist, dass sie elektroche-
ist und öffentliche Akzeptanz findet, dass sie in misch aus Wasserstoff und Sauerstoff Strom und
großem Maßstab eingesetzt werden kann und Wärme produzieren. Dabei muss nicht allen
in den weltweiten Statistiken der CO2-Emissio- Typen der Brennstoffzelle Wasserstoff in reiner
nen und deren Vermeidung zu sehen ist. Form zugeführt werden. Die auf hohem Tempe-
Aus Szenarien des US-Department of Energy, raturniveau arbeitenden Zellen können den
des britischen Department of Trade and Indu- Wasserstoff quasi „in-situ“ aus wasserstoffhalti-
stry, des dänischen Forschungszentrums RIS∅ gen Energieträgern wie Erdgas, Methanol, Bio-
und vielen anderen Untersuchungen sieht man, gas, Kohlegas etc. herstellen. Die Abb. 4 zeigt,
dass die internationale Einschätzung über die wie die einzelnen Brennstoffzellentypen sich
Möglichkeiten der CO2 - freien Wasserstoffher- hinsichtlich einiger Komponenten und Betriebs-
stellung ziemlich einheitlich gesehen werden. daten unterscheiden. Eigentlich sollte man
Vom technischen Standpunkt aus gesehen ist unter dem Thema dieses Vortrags nur über die
natürlich die CO2 - freie Herstellung von Wasser- Brennstoffzellentypen sprechen, die nur mit
stoff aus Kernenergie mit Hilfe der Elektrolyse reinem Wasserstoff betrieben werden können,
heute schon möglich. Ob das wirtschaftlich denn nur sie sind ein integraler Teil der Wasser-
Sinn macht sei dahingestellt, da wir die Option stoffwirtschaft. Oder anders ausgedrückt: Was-
Kernenergie nicht im deutschen Portfolio haben. serstoff und Brennstoffzellen erschließen unab-
hängig voneinander energiewirtschaftliche und
Also wird der Option der Wasserstoffwirtschaft ökologische Vorteile. Sie lassen sich zu beson-
am besten geholfen, wenn die Erneuerbaren ders energieeffizienten Lösungen kombinieren.
ausreichend gefördert werden.
Weiterhin werden für die Wasserstoffanwen-
Die Speicherung von Wasserstoff ist ein wei- dung Verbrennungsmotoren, Brenner und Tur-
teres Feld der Forschung. Wasserstoff ist bei binen sowohl für den Verkehr zu Land, Wasser
Raumtemperatur gasförmig und beansprucht und Luft, als für stationäre Strom- und Wärme-
ein großes Volumen: erzeugung entwickelt. 25Sie können auch lesen
