Hessisches Ministerium für Umwelt, Energie, Landwirtschaft und Verbraucherschutz
Wasserstoff und Brennstoffzellen
Energietechnologie ohne Emissionen und mit hoher Effizienz
INHALT GRUSSWORT ··············································································································· 2 EINLEITUNG ················································································································ 3 H2BZ-INITIATIVE HESSEN: DIE H2BZ-TECHNOLOGIE VORANBRINGEN ···· 3
1 IDEAL VERNETZT: H2BZ-INITIATIVE HESSEN UND HESSEN AGENTUR
4
Netzwerk von Kompetenzträgern und die Hessen Agentur ····························· 5 Die H2BZ Projekt GmbH ······················································································· 8
2 WARUM DER BRENNSTOFFZELLE DIE ZUKUNFT GEHÖRT
9
3 VIELFÄLTIGE TECHNIK MIT POTENZIAL
10
Die Brennstoffzelle – Sechs Typen und ihre Anwendungsgebiete ················· 10 Baldiger Markteintritt in speziellen Märkten ···················································· 16 Brennstoffzellen brauchen Peripherie-Geräte ·················································· 16 Energieträger für Brennstoffzellen ···································································· 17 Die Geschichte der Brennstoffzelle ··································································· 18
4 WASSERSTOFF: EIN NAHEZU UNBEGRENZT VERFÜGBARES ELEMENT 19 Wasserstoff-Herstellung: Emissionsfreier Energiekreislauf durch Einsatz erneuerbarer Energien ······························································· 23 Verdichteter Wasserstoff – Speicherung und Transport ·································· 24 Tanken mit Sicherheit ·························································································· 25 Pipelines bringen Wasserstoff zum Verbraucher ············································· 26 Im Wasserstoff liegt die Zukunft ········································································ 27
5 GUTE GRÜNDE FÜR DIE BRENNSTOFFZELLE
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Regenerative Energien fördern, CO2-Ausstoß mindern, Umwelt entlasten ························································· 28 FÖRDERGELDER DES LANDES HESSEN ···························································· 30 ZWEI PROJEKTE MIT BEISPIELWIRKUNG ·························································· 31 EIN AUSBLICK IN DIE ENERGIETECHNOLOGIE VON MORGEN ·················· 34 IMPRESSUM ·············································································································· 35
Nähere Angaben zu den in Hessen tätigen Unternehmen, Institutionen und Einzelpersonen, die an Brennstoffzellen oder der Peripherie arbeiten, finden Sie im Kompetenzatlas Brennstoffzelle Hessen unter www.H2BZ-Hessen.de
LIEBE LESERINNEN, LIEBE LESER,
die größte Herausforderung, vor der wir umweltpoli-
Emissionsfreier Betrieb von Fahrzeugen, Kraftwerken
tisch heute stehen, ist die Reduzierung des CO2-Aus-
und Heizungsanlagen ist die Herausforderung, der
stoßes. Die Technik, mit der Verbrennungsmotoren
sich Hersteller und Verbraucher stellen müssen.
heute arbeiten, beruht auf der Verbrennung fossiler
Neben der Klimaveränderung durch CO2 sind auch
Energieträger und wird nicht zu einer Null-Emissions-
Lärm-, Feinstaub- und andere toxische Belastungen
technik entwickelt werden können. Wir sind darauf
große Probleme, die umweltpolitisch angegangen
angewiesen, neue Technologien zu fördern und zu
werden müssen. Aus der Knappheit der fossilen
entwickeln, die die Kohlendioxid-Belastung der
Ressourcen, dem wachsenden Kohlendioxid-Ausstoß
Umwelt reduzieren helfen und zukünftig sogar ohne
und dem prognostizierten bedrohlichen Klimawan-
Emissionen arbeiten. Die Wasserstoff- und Brennstoff-
del resultieren nicht nur umweltpolitischer Hand-
zellen-Technologie ist so eine Alternative. Mit Wasser-
lungsbedarf, sondern auch Herausforderungen an
stoff als Energieträger könnten Fahrzeuge, Heizungs-
Forschung und Entwicklung in Wissenschaft und
und Kühlanlagen sowie portable Geräte wie Handys
Wirtschaft. Energie-Technologien, die ohne CO2-
und Laptops mit Brennstoffzellen betrieben werden,
Emissionen hohe Effizienz und sicherere Verfügbar-
und das zum Teil schon in wenigen Jahren. Alle füh-
keit gewährleisten, sind gefragt.
renden Autohersteller, in Hessen zum Beispiel Opel,
Unser Regierungsprogramm für Hessen sieht vor,
arbeiten schon seit einigen Jahren an solchen Antrie-
dass wir die Forschung im Energiebereich intensivie-
ben, Testfahrzeuge sind international im Einsatz. Für
ren. Unterstützt werden sollen z. B. die Forschung
den Betrieb von Kommunikationstechnologie und
bezüglich emissionsfreier Kohlekraftwerke, Solar-
tragbaren Kleingeräten haben die Brennstoffzellen
energie, Wind- und Wasserkraft, Biogas, Biomasse,
schon Serienreife erlangt.
Geothermie und Kernfusion sowie die Entwicklung der Nutzung des Biowasserstoffes und der Brenn-
Was macht die Wasserstoff- und Brennstoffzellen-Technologie so effizient? Brennstoffzellen erzeugen gleichzeitig Strom und Wärme, arbeiten geräuschlos und – mit regenerativ gewonnenem Wasserstoff betrieben – emissionsfrei. Wasserstoff ist auf der Erde in nahezu unbegrenztem Maß verfügbar. In Form von Wasser an Sauerstoff gebunden ist er fast überall leicht verfügbar. Wasserstoff kann als klimaneutraler Energiespeicher verwendet werden. Wo er als Nebenprodukt chemischer Prozesse anfällt, etwa im Industriepark Frankfurt-Höchst, sind bereits Tankstellen eingerichtet. Wasserstoff an öffentlichen Tankstellen für PKW, Busse und LKW mit Brennstoffzellensystemen, Versorgung für Hausheizungsanlagen, autonome Energieversorgung zum Beispiel von Krankenhäusern
stoffzelle. Wir werden die Weiterentwicklung der Speichertechnologien unterstützen, um regenerative Energien auch für die Grundlast einsetzen zu können. Viele Akteure aus Wirtschaft und Wissenschaft in Hessen treiben die Entwicklung der zukunftsträchtigen Wasserstoff- und Brennstoffzellen-Technik voran, steigende Nachfrage und damit größere Stückzahlen werden sie preiswerter und am Markt bestandsfähig machen. Mit der Hessen Agentur als zentraler Einrichtung der Wirtschaftsförderung in Hessen und der H2BZ-Initiative Hessen e.V. ist das Land für die technischen Herausforderungen, vor denen die Wasserstoff- und Brennstoffzellen-Technologie steht, gut aufgestellt. Lassen auch Sie sich von der Technik begeistern und inspirieren.
durch eigene Brennstoffzellen-Blockheizkraftwerke – das ist möglich und wird derzeit auch in Hessen geplant oder schon getestet.
Silke Lautenschläger Hessische Ministerin für Umwelt, Energie, Landwirtschaft und Verbraucherschutz
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EINLEITUNG
Wie hängen Brennstoffzellentechnologie, Wasser-
tät mit der Brennstoffzelle zu tun hat, wie und warum
stoffgewinnung durch erneuerbare Energien und
sich das Land Hessen und die Wasserstoff- und
die Reduzierung des CO2-Ausstoßes zusammen,
Brennstoffzellen-Initiative Hessen – kurz H2BZ-Initia-
und welche Konsequenzen ergeben sich daraus für
tive Hessen – für die Akteure in diesen Branchen
Hessen? Welche Arten von Brennstoffzellen es gibt,
stark machen, erfahren Sie auf den nächsten Seiten.
welche Rolle Wasserstoff als Sekundärenergieträger
Dazu finden Sie wichtige Fakten zum Thema Ener-
bei der Nutzung von erneuerbaren Energien in
gie und Emissionen sowie beispielhafte Projekte
Zukunft spielen kann, was das Thema Elektromobili-
hessischer Akteure.
Anna-Kristin Kippels
Dr. Rainer Waldschmidt
HA Hessen Agentur GmbH Bereich Wasserstoff- und Brennstoffzellentechnologie Telefon 0611 774-8959, Fax -58959 kristin.kippels@hessen-agentur.de
HA Hessen Agentur GmbH Abteilungsleiter Technologie Telefon 0611 774-8326, Fax -58326 rainer.waldschmidt@hessen-agentur.de
H2BZ-INITIATIVE HESSEN: DIE H2BZ-TECHNOLOGIE VORANBRINGEN Wenn Sie die Technologie der Zukunft interessiert,
Welche Zielsetzung wir verfolgen, welche Projekte wir
wenn Sie die Aktivitäten der Wasserstoff- und Brenn-
schon realisiert haben und wie Sie der H2BZ-Initiative
stoffzellen-Initiative Hessen unterstützen möchten,
Hessen beitreten können – das alles können Sie auf
wenn Sie mit Ihrem Unternehmen oder Ihrer Institu-
unserer Internetseite www.H2BZ-Hessen.de nachle-
tion eine Chance in dieser einzigartig effizienten und
sen. Oder Sie sprechen uns persönlich an, wir freuen
emissionsfreien Form der Energieerzeugung sehen,
uns auf Sie!
werden Sie Mitglied und bringen Sie mit uns die dringend notwendige Forschung und Entwicklung sowie die Erprobung in der Praxis voran.
Dr. Joachim Wolf Vorstandsvorsitzender H2BZ-Initiative Hessen Sie erreichen Dr. Joachim Wolf über die Geschäftsstelle der H2BZ-Initiative joachim.wolf@H2BZ-Hessen.de
Nach 22 Jahren Managementerfahrung in internationalen Positionen bei der Linde Group in München und Wiesbaden führt der promovierte Physiker seit Anfang 2009 sein eigenes Beratungsunternehmen „flow-advice – coached innovations“ in München und Wiesbaden. Als Executive Director von „Hydrogen Solutions“ brachte er die Aktivitäten von Linde zu einem weltweit einmaligen Standard. Von der Europäischen Kommission persönlich berufen, war er an der Entstehung der „Hydrogen & Fuel Cell Technology Platform“ beteiligt und wirkt im Advisory-Council an der Programmrealisierung mit. Er ist Mitbegründer der European Hydrogen Association, im Deutschen Wasserstoff-Verband engagiert und war im Vorstand der National Hydrogen Association of North America. Als einer der Impulsgeber ist Joachim Wolf Mitglied des Beirates des „Nationalen Innovationsprogramm“ (NIP) der Bundesrepublik Deutschland.
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IDEAL VERNETZT FÜR HESSEN DIE WASSERSTOFF- UND BRENNSTOFFZELLEN-INITIATIVE HESSEN UND DIE HESSEN AGENTUR
Das Potenzial der Wasserstoff- und Brennstoffzellen-
Die Hessen Agentur als Wirtschaftsförderungsein-
technologie gewinnt angesichts der Klimaschutzvor-
richtung des Landes Hessen und die H2BZ-Initiative
gaben und des wirkungsvollen Einsatzes erneuer-
Hessen wollen insbesondere Unternehmen und
barer Energien zunehmend an Bedeutung. Mit dieser
Institutionen in Hessen fördern, aber auch Synergien
Technologie kann schon heute eine effiziente Ener-
mit Partnern aus anderen Ländern schaffen. Gemein-
gieversorgung in dezentralen stationären Einrichtun-
sam wollen sie helfen, das technologische Potenzial
gen, als portable Technik oder mobil in Fahrzeugen
von Unternehmen, Institutionen und Wissenschaft
gewährleistet werden. Erste Anwendungen wurden
weiter zu entwickeln – und zwar im Bereich der
in diesen Bereichen bereits umgesetzt. Der CO2-Aus-
Brennstoffzelle und der hierfür geeigneten innovati-
stoß kann beim Einsatz von Brennstoffzellen bei-
ven Energieträger.
spielsweise in Fahrzeugen oder Blockheizkraftwerken auf Null gesenkt werden. Brennstoffzellen in Elektrofahrzeugen erhöhen die Reichweite und ermöglichen ein einfaches und schnelles „Nachtanken“.
Initiative Hessen
Wasserstoff
Brennstoffzellen„Stack“ Wasserdampf
Bipolarplatte (Anode +)
Bipolarplatte (Kathode –)
individuelle Brennstoffzellen
Katalysator Luft O2
H2
H2O
Elektronen Protonen
Energie aus Wasserstoff: Das Prinzip der Brennstoffzelle Brennstoffzellen bestehen aus einer Vielzahl von Elektrodenpaaren (jeweils Anode und Kathode), die durch einen Elektrolyten (fest oder flüssig) getrennt sind. Zwischen den Elektroden läuft ein chemischer Prozess ab, bei dem die positiven Ionen von der Anode zur Kathode wandern und andererseits Elektronen von der Anode zur Kathode geleitet werden. Wird als Energieträger Wasserstoff eingesetzt, entsteht als Emission lediglich Wasser bzw. Wasserdampf. Den Stapel aus einer Vielzahl von einzelnen Brennstoffzellen nennt man Stack. (Quelle: Mercedes Benz)
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Aufbau eines Brennstoffzellen-Stacks. (Quelle: BASF)
DAS NETZWERK VON KOMPETENZTRÄGERN UND DIE WIRTSCHAFTS FÖRDERUNGSGESELLSCHAFT DES LANDES HESSEN Aus Begeisterung für die Technologie und aus Grün-
Die Aktivitäten der Initiative werden seit Beginn von
den des Klimaschutzes haben sich im Jahr 2002 füh-
der Hessischen Landesregierung unterstützt. Mit der
rende Vertreter der Wasserstoff- und Brennstoffzellen-
Projektträgerschaft wurde die Hessen Agentur
technologie aus Unternehmen, Hochschulen und
betraut. Die Hessen Agentur ist die Wirtschafts-
Institutionen in der Wasserstoff- und Brennstoffzellen-
förderungsgesellschaft des Landes Hessen. Sie hat
Initiative Hessen e.V. (H2BZ-Initiative Hessen) zusam-
das Ziel, den Standort Hessen zu stärken und seine
mengeschlossen.
Vorteile national und international bekannt zu
Den jeweiligen Entwicklungsbedarf zu erkennen, hat besondere Bedeutung für neue Technologien. Dazu gehört das Entwerfen von integrierenden Entwicklungs- und Pilotprojekten. Zu diesen selbst gesteckten Zielen und Aufgaben der H2BZ-Initiative gehören daneben die Wissensverbreitung in Lehre und Ausbildung sowie die Darstellung der Technologien in der Öffentlichkeit. Mit ihren Aktivitäten leistet die Initiative damit einen wichtigen Beitrag zur Stärkung des Wirtschafts- und Wissenschaftsstandorts Hessen. Sie ist somit der Mittelpunkt des Kompetenznetzwerkes in Hessen.
machen. Mit ihren vielfältigen Aktivitäten trägt sie dazu bei, dass Hessen in zahlreichen Bereichen seine internationale Spitzenposition behält. Unternehmen profitieren von der breiten Kompetenz und europaweiten Netzwerken in unterschiedlichen technologischen Bereichen. Die Hessen Agentur knüpft Kontakte zu Forschung und Entwicklung und hilft, den Weg von der kreativen Idee zum wirtschaftlichen Erfolg zu ebnen. Sie nutzt dabei ihre Kompetenzen in zukunftsträchtigen Anwendungen und Forschungen wie Nano-, Bio-, Umwelt-, Energie- sowie Informations- und Kommunikationstechnologie und schafft im Rahmen des Technologietransfers Synergien für Unternehmen und Wissenschaft.
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Als „Think Tank“ identifiziert und bewertet sie Zukunftstechnologien und gibt Impulse für die Bildung von Netzwerken und Cluster. Die Hessen Agentur fördert im Rahmen von Hessen ModellProjekte die Zusammenarbeit von Unternehmen und Hochschulen.
Die H2BZ-Initiative und die Hessen Agentur
a betreiben gemeinsam Technologiemarketing regional, national und international im Kontext der Wirtschafts- und Technologieförderung des Landes Hessen und
a sind zentrale Ansprechpartner und Berater für
Standort- und Technologiemarketing im Bereich Was-
Fragen rund um das Thema Wasserstoff- und
serstoff und Brennstoffzelle bedeutet zunächst die
Brennstoffzellentechnologie in Hessen und
Vernetzung von Akteuren aus Wirtschaft und Wissen-
a führen Informationen aus Politik, Wirtschaft,
schaft und die Begleitung auf dem Weg in den Markt.
Wissenschaft und Gesellschaft zu diesem
Ihre maßgebliche Herausforderung sehen die Hessen
Thema zusammen.
Agentur und die H2BZ-Initiative in der wirtschaftli-
a Gemeinsam initiieren sie den Technologie-
chen Realisierung und Durchsetzung der Wasserstoff-
transfer auf diesem Technologiefeld, z. B.
und Brennstoffzellentechnologie bis zu ihrer breiten
durch die gezielte Nutzung der Medien,
Anwendung. Die Wasserstoff- und Brennstoffzellen-Initiative wird bei der Erfüllung ihrer Aufgaben durch die Hessen Agentur im Auftrag des Hessischen Ministeriums für Umwelt, Energie, Landwirtschaft und Verbraucherschutz begleitet.
Durchführung von Veranstaltungen usw.
a und unterstützen Unternehmen, die sich auf diesem Gebiet betätigen.
a Die Initiative ist Mitglied des DWV, Deutscher Wasserstoff- und Brennstoffzellen-Verband
a sowie der Kompetenznetze Deutschland. Die Kompetenznetze Deutschland des Bundesministeriums für Wirtschaft und Technologie (BMWi) vereinen die innovativsten und leistungsstärksten nationalen Kompetenznetze mit technologischer Ausrichtung.
a Die Hessen Agentur ist Ansprechpartner für die Förderung im Rahmen von Hessen ModellProjekte
Der Beirat der H2BZ-Initiative Hessen
Land Hessen (HMUELV)
Die Aufgabe des Beirats ist die Beratung und Unterstützung des Vorstandes beim Erreichen der Vereins-
HA HessenAgentur HessenA Agentu t r GmbH GmbH bH H2BZ-Technologie
ziele. Seine Mitglieder sind führende Vertreter aus der (Energie-) Wirtschaft und Forschungseinrichtungen sowie Wirtschaftsförderer. Sie werden auf die Dauer von zwei Jahren berufen. Dem Beirat können
H2BZ-Initiative Mitglieder Mitglieder
Vorstand
Beirat
auch Nicht-Vereinsmitglieder angehören.
H2BZ-Projekt H2BZ-Projekt k GmbH
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Die Mitglieder der H2BZ-Initiative Hessen In der H2BZ-Initiative Hessen haben sich namhafte Unternehmen und Institutionen sowie Einzelpersonen zusammengeschlossen, hierzu gehören u. a.:
a AMCG Unternehmensberatung GmbH a BASF Fuel Cell GmbH a DiWiTech-Ingenieurpraxis a ELT Elektrolyse GmbH a EW Medien und Kongresse GmbH a flow-advice a Fraunhofer Institut für Windenergie und Energiesystemtechnik, IWES
a Gaskatel GmbH a HA Hessen Agentur GmbH a Hochschule RheinMain a Hüttenberger Produktionstechnik Martin GmbH a Infraserv GmbH & Co. Höchst KG a KIBZ – Kompetenz- und Innovationszentrum Brennstoffzelle
a Linde AG a Magnum Fuel Cell AG a Materials Valley e. V. a NANO ENERGY GmbH a Rittal GmbH & Co. KG a Schunk Kohlenstofftechnik GmbH a SMA Solar Technology AG a Stadtschule Schlüchtern a TGZ GmbH a TU Darmstadt a Umicore AG & Co. KG a Wagner Dipl.-Ing. Mess- und Regeltechnik GmbH
a Winfriedschule Fulda Das Netzwerk aus kompetenten Fachleuten, Institutionen aus der Wissenschaft und aus Unternehmen wächst stetig. Teilen Sie die Begeisterung für die Technik, die den Weg zur emissionsfreien Energie frei macht. Werden Sie Mitglied und bringen Sie die Technik mit Ihren Ideen voran!
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TATKRÄFTIGE HILFE BEI DER UMSETZUNG VON WASSERSTOFF- UND BRENNSTOFFZELLENPROJEKTEN
Die H2BZ Projekt GmbH
Projekt GmbH
Die H2BZ Projekt GmbH ist eine hundertprozentige
mationen über Möglichkeiten der Projektförderung
Tochter der H2BZ-Initiative Hessen. Vielen Unterneh-
und Kontakte zu entsprechenden Förderstellen
men fehlen die personellen Ressourcen zu einer
bereit und kann helfen, Projektskizzen anzufertigen
raschen Umsetzung innovativer Produktideen. Mit-
und Förderanträge zu schreiben. Die H2BZ Projekt
telständler haben oft nicht genügend finanzielle Mit-
GmbH widmet sich Projekten aus der Wasserstoff-
tel, um aus Ideen Produkte zu machen und sie auf
und Brennstoffzellentechnologie sowie angrenzen-
den Markt zu bringen. Sie brauchen für eine Produkt-
der Bereiche und bietet vielfältige Unterstützung für
entwicklung kompetente und zuverlässige Partner,
interessierte Firmen in Hessen, aber auch außerhalb
die sie technologisch begleiten. Die Anfang 2009
der Landesgrenzen.
gegründete H2BZ Projekt GmbH hält wichtige Infor-
Die Leistungen der H2BZ Projekt GmbH Sie unterstützt in allen Phasen der Projektrealisie-
Mit der H2BZ Projekt GmbH wurde ein Ansprech-
rung wie der Definition des Projektes und der not-
partner geschaffen, der bei der praktischen Umset-
wendigen Leistungen, der Kalkulation der personel-
zung von Anwendungen für Wasserstoff und Brenn-
len und finanziellen Ressourcen. Sie hilft bei der
stoffzellen in Hessen unterstützt.
Akquisition von Projektpartnern, dem Recherchieren der möglichen Förderprogramme, dem Erstellen und Vorstellen einer Projektskizze, der Zeit- und Kostenplanung, der Organisation und Durchführung von Öffentlichkeitsarbeit zur Darstellung der Projektergebnisse und berät und begleitet bis hin zu einer
Projekte, die bereits in Angriff genommen wurden, kommen aus den Bereichen Sonderfahrzeuge, dezentrale Stromversorgung, unterbrechungsfreie Stromversorgung (USV) sowie Wasserstoffspeicherung.
Markteinführung.
H2BZ Projekt GmbH Abraham-Lincoln-Straße 38 – 42 D-65189 Wiesbaden PEM-BrennstoffzellenStacks bestehen aus
Telefon 0611 774-8648
einzelnen Zellen, in
Fax 0611 774–58648
denen die Elektroden
info@H2BZ-Projekt.de
durch eine Membran
www.H2BZ-Projekt.de
getrennt werden. Abbildung: BASF
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WARUM DER BRENNSTOFFZELLE DIE ZUKUNFT GEHÖRT
Die Energiewandlung für die vielfältigen Anwendun-
Verbrennung fossiler Brennstoffe – noch immer die
gen im Verkehr, der Versorgung der Haushalte und
häufigste Form der Energiewandlung – verstärkt den
der Wirtschaftsunternehmen ist heute in den meis-
Treibhauseffekt und ist ein globales Problem. Lärm
ten Fällen noch mit erheblicher Belastung der
und Abgase sorgen für erhebliche Konflikte und
Umwelt verbunden. Kohlenstoffdioxid (CO2) aus der
toxische Abwässer belasten die Umwelt.
Die Wasserstoff- und Brennstoffzellentechnologie vereint Emissionsfreiheit und funktionale Vorteile in der Energieerzeugung. Als Vorteile sind zu nennen:
a höchst effiziente Technik bei gleichzeitiger Erzeugung von Strom und Wärme, Nutzung von bis zu über 90 Prozent der im Energieträger enthaltenen Energie (zum Vergleich: Verbrennungsmotoren in Blockheizkraftwerken bis über 80 Prozent)
a wichtige Komponente für unabhängige Systeme zur dezentralen Energieversorgung
a sehr leise im Betrieb a verursacht keine Vibrationen a wartungsarm, da ohne bewegliche Teile a flexibel einsetzbar in stationären (zum Beispiel Blockheizkraftwerken), mobilen (Fahrzeuge) oder portablen (Laptop, Handy etc.) Anwendungen
a gewährleistet Elektromobilität mit großen Reichweiten und kurzen Betankungszeiten
a keine Emissionen außer Wasserdampf beim Betrieb mit reinem Wasserstoff, kein Kohlenstoffdioxid, keine Stickoxide, keine Feinstäube, es entsteht lediglich Abluft
a klimaneutral, wenn bei der Erzeugung Strom aus erneuerbaren Energien verwendet oder der Wasserstoff aus Biomasse gewonnen wurde
a Wasserstoff verursacht keine Wasserbelastung a Speichermedium für regenerative Energien
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VIELFÄLTIGE TECHNIK MIT POTENZIAL
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DIE BRENNSTOFFZELLE – SECHS TYPEN UND IHRE ANWENDUNGS GEBIETE Brennstoffzellen sind elektrochemische Energie-
Eine Brennstoffzelle kann z. B. die im Wasserstoff
wandler, bestehend aus einer Vielzahl von Elektro-
gespeicherte Energie direkt in Strom umwandeln.
denpaaren (jeweils Anode und Kathode), die durch
Sie arbeitet verschleißfrei und lautlos. Bei einer
einen Elektrolyten (fest oder flüssig) getrennt sind.
Batterie erschöpft sich die Leistung mit dem Verzehr
Zwischen den Elektroden läuft ein chemischer Pro-
der Anode. Die Brennstoffzelle jedoch liefert unbe-
zess ab, bei dem einerseits die positiven Ionen von
grenzt Strom, so lange gasförmiger Brennstoff (Was-
der Anode zur Kathode wandern, andererseits
serstoff) und Luft (Sauerstoff) von außen zugeführt
werden Elektronen über einen elektrischen Leiter
werden. Beide Stoffe reagieren zu Wasser, das als
von der Anode zur Kathode geleitet. Außen wird
Nebenprodukt anfällt. Brennstoffzellen liefern elek-
elektrische Leistung abgenommen – dieses Prinzip
trischen Strom – elektrische Energie – und zusätzlich
haben sie gemeinsam mit Autobatterien bzw. Akku-
nutzbare Wärme – thermische Energie.
mulatoren. Durch den Elektrolyten in der Brennstoffzelle wird eine Knallgasreaktion des Wasserstoffs verhindert. Er besteht aus einer ionenleitenden Flüssigkeit oder einer Membran, einer Karbonatschmelze, einer Säure, Lauge oder aus Keramik.
Die Entwicklung der Brennstoffzelle ist noch nicht abgeschlossen: Sie ist ein viel versprechender Energiewandler, der gegenwärtig meist in Einzelexemplaren oder Kleinstserien angefertigt wird und deshalb noch zu teuer in der Herstellung ist. Sie ist noch nicht für die breite Anwendung in einem Massenmarkt ausgereift. In den nächsten Jahren ist intensive Arbeit zur Verbesserung der Lebensdauer, der Peripheriegeräte und zur Senkung der Herstellungskosten erforderlich – zum Beispiel durch die Optimie-
H2 ( Ano
de
(-)
Wa
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rung der Produktionsverfahren. Dann kann die Brennstoffzelle mit den heutigen Verbrennungsmotoren und Hausheizungen konkurrieren.
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-E den o r t k ) -Ele e (+ ran d b o h m Me Kat
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ss Wa
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a
f mp
Man kennt sechs Brennstoffzellen-Typen, die sich in der Art der verwendeten Elektrolyten unterscheiden. Je höher die Arbeitstemperatur der Brennstoffzelle
Elektronen Protonen
O2
ist, desto unempfindlicher sind die Katalysatoren gegen Vergiftung und desto schneller läuft die elektrochemische Reaktion ab. Im so genannten Stack, dem Stapel von Brennstoff-
O2
(
t) Luf
H2
zellen, kann jede technisch sinnvolle Spannung durch Hintereinanderschalten von einzelnen Brenn-
Elektrolyt (PEM-Membran)
Elektroden mit Katalysatorschicht
stoffzellen erreicht werden. Idealerweise wird eine PEM-Brennstoffzelle mit reinem Wasserstoff und reinem Sauerstoff betrieben.
10
Die alkalische Brennstoffzelle (AFC) Die AFC ist die klassische Brennstoffzelle. Kalilauge dient als flüssiger Elektrolyt. Die Betriebstemperatur liegt bei ca. 80°C; sie ist also eine Niedertemperatur-Brennstoffzelle und braucht zur Reaktion einen Metall-Katalysator. Sie wird mit reinem Wasserstoff betrieben. Wenn Luft als Sauerstoffträger benutzt wird, muss ein Luftwäscher zur CO2-Entfernung vorgeschaltet werden. Ihr Hauptanwendungsgebiet ist die Strom- und Wärme-Erzeugung für autarke Verbraucher, bei denen die Brennstoff-Effizienz entscheidend ist: zum Beispiel in der Raumfahrt, in militärischen Verwendungen wie U-Booten und bei Einsätzen in entlegenen Gebieten (Wetterstationen).
Brennstoffzelle: Typen und Merkmale Bezeichnung
Betriebstemperatur
Elektrolyt
Kraft- / Brennstoff
Anwendung
AFC
Alkalische Brennstoffzelle
80°C
Kalilauge
Wasserstoff
mobil (Raumfahrt)
LT-PEMFC
Niedertemperatur-Polymer-ElektrolytMembran-Brennstoffzelle
80°C
Festpolymer
Wasserstoff
mobil, stationär, spez. Anwendungen
HT-PEMFC
Hochtemperatur-Polymer-ElektrolytMembran-Brennstoffzelle
100–200°C
Festpolymer
Wasserstoff
mobil, stationär
DMFC
Direktmethanol-Brennsoffzelle
70–90°C
Festpolymer
Methanol
spez. Anwendungen
PAFC
Phosphorsaure Brennstoffzelle
200°C
Phosphorsäure
Erdgas
stationär
MCFC
Schmelzkarbonat-Brennstoffzelle
650°C
Natrium- und Kaliumkarbonat
Erdgas, Biogas
stationär
SOFC
Oxidkeramische Brennstoffzelle
1000°C
Zirkonoxid
Erdgas, Biogas
stationär
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Die Polymer-Elektrolyt-Membran-Brennstoffzelle (PEMFC) Die PEMFC wird auch Protonenaustauschmembran-
Mit PEM-Brennstoffzellen sind die in der Öffentlich-
Brennstoffzelle (Proton Exchange Membran Fuel
keit viel beachteten mobilen Anwendungen in PKW
Cell) genannt. Im Gegensatz zum alkalischen System
(DaimIer, Opel, Volkswagen, Ford, Toyota etc.) und
besteht hier der Elektrolyt aus einer ionenleitenden
in Bussen (DaimIer, MAN, Auwärter, Neoplan etc.)
Kunststoff-Folie, die durch Beschichtung gleichzeitig
ausgerüstet, die zur Zeit weltweit in Demonstrations-
auch Katalysatorträger, Diffusionsschicht, Elektro-
programmen eingesetzt werden, um ihre Alltags-
denträger und Separationswand zwischen den rea-
tauglichkeit zu erproben. Aktuelle Mittelklassefahr-
gierenden Gasen ist. Sie arbeitet bei etwa 80°C
zeuge mit dieser Technologie erreichen mit einer
(Niedertemperatur), eventuell bei einigen bar Druck
Wasserstoff-Tankfülllung eine Reichweite bis zu 400
(die Druckdifferenz zwischen den beiden Menbran-
Kilometern, annehmbare Höchstgeschwindigkeiten
seiten ist relativ klein) und erreicht hohe Leistungs-
und haben ein gutes Beschleunigungsvermögen.
dichten.
Die PEMFC gilt als das KFZ-Antriebsaggregat im
Der Firma BASF Fuel Cell (früher PEMEAS) aus Frank-
Brennstoffzellenbereich. Hier gab es in den letzten
furt ist es gelungen, durch eine besonders wider-
Jahren bedeutende Fortschritte in der Entwicklung.
standsfähige PEM-Folie die Betriebstemperatur auf
Allerdings ist weitere Entwicklungsarbeit nötig, um
200°C anzuheben und damit die CO / CO2-Empfind-
die Lebensdauer der Membranen und die notwen-
lichkeit zu senken. Dadurch verbessern sich Lebens-
digen niedrigen Fertigungskosten zu erreichen.
dauer und Wirtschaftlichkeit. Die PEMFC eignet sich durch die modulare Bauweise, niedriges Leistungsgewicht und relativ gute Kaltstart-Eigenschaften besonders für mobile Anwendungen. Nachteilig sind der Regelungsbedarf der Feuchtigkeit im Reaktionsraum und die Empfindlichkeit gegen CO im Anodengas.
Concept BlueZERO – Elektromobilität für jeden Bedarf Stadtverkehr
Überlandverkehr
Langstreckenverkehr
Modulares Konzept für Elektromobilität: • Batterie-elektrischer Antrieb (BlueZERO E-CELL) • Brennstoffzellenantrieb (BlueZERO F-CELL) • Batterie-eletrischer Antrieb mit Range Extender (BlueZERO E-CELL PLUS)
E-CELL F-CELL E-CELL PLUS Abbildung: Daimler
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Im Labor wird ein Auswaschtest durchgeführt, durch den die chemische Stabilität einer Membran bestimmt werden kann: Diese gibt Auskunft über die Lebensdauer der MembranElektroden-Einheit (MEA). Die MEA ist das Herzstück der Brennstoffzelle. Hier finden die chemischen Reaktionen statt, die aus dem Wasserstoff – also dem Brennstoff – die Energie herausholen. Foto: BASF Fuel Cell
Die Direkt-Methanol-Brennstoffzelle (DMFC)
Die phosphorsaure Brennstoffzelle (PAFC)
Ihr Vorzug ist der flüssige Brennstoff Methanol, der
Die PAFC ist eine Mitteltemperatur-Brennstoffzelle,
– wie Benzin – im Fahrzeugtank kompakt gespeichert
die bei ca. 200°C arbeitet und einen elektrischen
werden kann. Die DMFC arbeitet mit einem Kunst-
Wirkungsgrad von 55 Prozent hat. Ihre Elektroden
stoff-Folien-Elektrolyten wie die PEMFC. Allerdings
sind Folien aus Kohlefasern, die den fein verteilten
bereitet die Dichtigkeit der Membran-Folie hinsicht-
Platinkatalysator tragen. Der Elektrolyt, Phosphor-
lich des Methanols noch Probleme. Die Betriebstem-
säure, ist als Gel auf einem Geflecht aus teflonge-
peratur liegt bei 80 bis 130°C; der elektrische Wir-
bundenem Siliziumkarbid fixiert. Die Nachteile der
kungsgrad liegt bei 40 Prozent; der Bedarf an Edel-
PAFC sind ihre geringe Stromdichte und die lange
metall-Katalysatoren ist derzeit noch relativ hoch.
Anfahrzeit.
Die DMFC bedarf noch Entwicklungsarbeit, um für
Neben dem eigentlichen Stack bilden der Reformer,
Fahrzeug-Einsätze wirklich interessant zu werden.
die Gasreinigung zur Beseitigung des CO2, der Wär-
Ihre Zukunft für portable Brennstoffzellenanwendun-
metauscher und der elektrische Wechselrichter die
gen wie in Laptops und Handys oder in Camping-
Systemkomponenten für eine mit Erdgas betriebene
bussen scheint dagegen gewiss.
PAFC. Dieser Brennstoffzellen-Typ ist technisch relativ weit entwickelt und als dezentrales Blockheizkraftwerk (BHKW) mit Kraft-Wärme-Kopplung international im Einsatz.
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Ein Werk des TognumTochterunternehmens MTU Friedrichshafen GmbH wird mit Wärme und Strom aus einem Brennstoffzellen-Kraftwerk mit Technologie von MTU Onsite Energy versorgt. Foto: MTU onsite energy
Die Schmelzkarbonat-Brennstoffzelle (MCFC) Mit 650°C Betriebstemperatur ist die MCFC eine
Bereits bei kleineren Leistungen (ab 200 kWeI) kön-
Hochtemperatur-Brennstoffzelle, deren Abwärme
nen im KWK-Betrieb Strom und Dampf erzeugt wer-
zur Dampferzeugung (Kraft-Wärme-Kopplung) aus-
den, was diesen Brennstoffzellentyp zur dezentralen
gekoppelt wird bzw. zur Kälteerzeugung durch
Energieversorgung für Kommunen und Industriebe-
Kraft-Wärme-Kälte-Kopplung genutzt werden kann.
triebe interessant macht. Etwa zwanzig MCFC-
Wegen des hohen Temperatur-Niveaus muss kein
BHKW-Anlagen sind inzwischen in unterschiedlichen
Reformer vorgeschaltet und auch stark kohlenstoff-
Anwendungen erprobt. Sie nutzen zum Teil biogene
haltige Brennstoffe können verstromt werden. Der
Gase aus Vergärungs- und Kläranlagen.
Elektrolyt ist ein schmelzflüssiges Alkalikarbonat, das hoch korrosiv ist, und hohe Anforderungen an die eingesetzten Werkstoffe stellt.
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Weltweit einzigartig entsteht bis Ende 2010 in Mittelhessen eine MCFC-Hocheffizienz-Energiezentrale am Universitätsklinikum Gießen zur sicheren Versor-
Auch dieser Brennstoffzellen-Typ wird aus modula-
gung des Klinikums mit Strom, Wärme und Kälte.
ren Stackpaketen zu größeren Leistungsklassen auf-
Eingesetzt werden sollen u. a. eine Anlage mit
gebaut und kann mit Erdgas, Grubengas, Biogas
modernster Schmelzkarbonat-Brennstoffzelle, Gas-
sowie mit Klär- oder Deponiegas gespeist werden.
motoren und Absorptionskältemaschinen. Eine
Die Reinigung der Brenngase kann zentral innerhalb
gemeinsame Hybrid-Steuerung sorgt für ein optima-
der Gesamtanlage erfolgen.
les Zusammenwirken der einzelnen Komponenten.
Am Leuchttisch werden aus einer Membran und zwei Elektroden die sogenannten Membran-Elektroden-Einheiten (MEAs) zusammengesetzt. Foto: BASF
Die oxidkeramische Brennstoffzelle (SOFC) Die SOFC funktioniert bei Temperaturen bis 1.000°C
Eine viel versprechende Form der SOFC ist die
und zeichnet sich durch einen festen Elektrolyten
Konzeption der Firma Hexis im Leistungsbereich
(Zirkoniumoxid) aus, der bei hohen Temperaturen
1 bis 10 kWel mit integriertem Heißwasserboiler für
Ionen leitet und die Reaktionsgase voneinander
den Einsatz als kompakte Strom- und Heizzentrale in
trennt. Die SOFC wird in Platten- oder Röhrenform
Ein- und Mehrfamilienhäusern, gespeist aus dem
gestaltet. Ihre Anwendung liegt im Bau von Block-
Erdgasnetz. Deutsche Energieversorger haben das
heizkraftwerken.
wirtschaftliche und umweltschonende Potenzial
Die Zukunftskonzeption für große SOFCs wird in der Kombination mit nachgeschalteter Dampfturbine gesehen. Für kleine SOFCs bietet die Kombination mit einer Mikrogasturbine gute Chancen.
erkannt, das die hocheffiziente Nutzung der Primärenergie Erdgas in Brennstoffzellen-Heizgeräten in Verbindung mit Kraft-Wärme-Kopplung bietet. Testeinheiten sind in der Erprobung, allerdings ist diese Form der Energieerzeugung nicht CO2-neutral. Diese Brennstoffzellen-Anwendung ist bereits relativ marktnah und könnte in der Serienproduktion die für einen breiten Markterfolg notwendige Kostendegression erfahren.
15
BALDIGER MARKTEINTRITT IN SPEZIELLEN MÄRKTEN Eine interessante Anwendung von Brennstoffzellen,
nen, erlauben vielfach deutlich längere Betriebszei-
die einen baldigen Markteintritt verspricht, sind
ten und schnellen Speicherwechsel und damit fast
Mini-Brennstoffzellen in PEM-Technik mit Brennstoff-
unbegrenzte Gerätenutzung auch an Orten ohne
speichern für Methanol oder reinen Wasserstoff: Sie
Stromnetz.
sind ideale Stromquellen für elektronische Geräte wie Laptops, Camcorder, MP3-Player oder Handys.
Vergleichbare Vorteile bieten kleine PEM-Brennstoffzellen als Notstromaggregate im Bereich der unter-
Batterien und Akkus ermöglichen oft nur relativ
brechungsfreien Stromversorgung (USV) für Rechen-
kurze Betriebszeiten, bilden einen hohen Kostenfak-
zentren oder in der Telekommunikation zum Beispiel
tor und sind problematisch in der Entsorgung. Der
zur Versorgung von Funkmasten, wo sie lange Über-
Ladeprozess von Akkus braucht erhebliche Zeit und
brückungszeiten gewährleisten. Im Gegensatz zu
einen Stromanschluss. Mini-Brennstoffzellen mit
motorbetriebenen Aggregaten arbeiten sie ge-
PEM-Technik, gespeist aus Wasserstoffspeichern
räuschlos und vibrationsfrei. Dies ist besonders auf
(Hydrid- oder Druckspeicher) oder Methanolpatro-
Schiffen oder beim Camping interessant.
BRENNSTOFFZELLEN BRAUCHEN PERIPHERIE-GERÄTE Der Zylinderblock einer Verbrennungskraftmaschine
Die Kosten der Peripherie-Geräte sind mitbestim-
ist noch kein betriebsfähiger Motor, ebenso wenig
mend für die Gesamtkosten des betriebsbereiten
ist ein Brennstoffzellen-Stack ein einsatzfähiger
Aggregats – wie beim Verbrennungsmotor – und in
Energieerzeuger. Je nach System besteht ein
der Summe meist höher als die des reinen Stacks
betriebsbereites Brennstoffzellenaggregat neben
(bzw. Zylinderblocks). Auch bei diesen Nebenaggre-
dem Zellenstapel (Stack) aus der Steuerung, gege-
gaten besteht noch Entwicklungs-, Anpassungs- und
benenfalls notwendigen Nebengeräten zur Herstel-
Erprobungsbedarf.
lung von Wasserstoff oder Reinigung anderer Gase und ggf. einem Wechselrichter. Letzterer macht aus dem Gleichstrom der Brennstoffzelle erst Wechselstrom, sofern dieser in ein Netz eingespeist werden soll. Außerdem gehören zum System Brennstoffzelle noch Mess- und Regelgeräte, Brennstoffspeicher und andere Hilfsaggregate. Alle Teilkomponenten des Systems müssen auf den Brennstoff, die Betriebstemperatur, den Elektrolyten, die abzuführenden Wärmemengen sowie die mechanischen
und
elektrischen
Anforderungen
des
Gesamtaggregats abgestimmt sein und vergleichbare Dauerstandfestigkeiten besitzen. PEM-Brennstoffzellenstack von Schunk Bahn- und Industrietechnik GmbH
16
ENERGIETRÄGER FÜR BRENNSTOFFZELLEN: WASSERSTOFF, ERDGAS, LIQUIFIED PETROLEUM GAS, KOHLENWASSERSTOFFE, METHANOL
In den Niedrigtemperatur-Brennstoffzellen (alkalische, Polymer-Elektrolyt-Membran und phosphorsaure Brennstoffzelle) kommt nur reiner Wasserstoff zum Einsatz. Wo dieser nicht zur Verfügung steht, lässt er sich mit Hilfe von Reformern zum Beispiel aus Erdgas erzeugen. Die gegenwärtigen Feldversuche von Brennstoff zellen in Fahrzeugen werden überwiegend mit Hochdruck-Wasserstoff durchgeführt. Hochtemperatur-Brennstoffzellen können auch Kohlenwasserstoffe mit gewissen Verunreinigungen, wie sie zum Beispiel in Klärgasen vorkommen, verbren-
Wasserstoff kann mit Tankwagen transportiert werden. Foto: Linde
nen. Sie werden mit Erdgas, LPG (Liquified Petroleum Gas) oder Biogas gespeist. Für den Einsatz von Methanol, das in Erdgas- und in Erdölförderländern in großen Mengen und zu niedrigen Preisen anfällt,
Der Preis der Brennstoffe wird im Wesentlichen
ist die Direkt-Methanol-Brennstoffzelle bestimmt, die
durch die vorgelagerten Energiewandlungsschritte /
sich besonders für den mobilen Einsatz eignen
Verarbeitungsstufen (fuel chain) bestimmt. Erdgas,
würde. Logistisch ist Methanol ähnlich handhabbar
besonders für stationäre Anwendungen, ist der
wie Benzin.
Brennstoff mit der bereits heute breitesten Verfügbarkeit durch das dichte, bestehende Verteilungsnetz.
Nähere Angaben zu den in Hessen tätigen Unternehmen, Institutionen und Einzelpersonen, die an Brennstoffzellen oder der Peripherie arbeiten, finden Sie im Kompetenzatlas Brennstoffzelle Hessen unter www.H2BZ-Hessen.de
17
DIE GESCHICHTE DER BRENNSTOFFZELLE Direkte Umwandlung von chemischer in elektrische Energie Das Prinzip der Brennstoffzelle wurde von Christian
In Deutschland griff Prof. Eduard Justi 1951 an der
Friedrich Schönbein, einem Schweizer Professor an
TU Braunschweig das Thema Brennstoffzelle auf und
der Universität Basel, gefunden. Schönbein,
legte mit Prof. August Winsel die Grundlagen der
der in engem Kontakt mit Sir William
alkalischen Brennstoffzelle. Winsel setzte ab 1961
Grove stand, erkannte schon 1839,
die Arbeiten in der VARTA-Forschung in Kelkheim /
dass chemische Energie direkt in
Hessen fort, wo eine Reihe praktischer Anwendun-
elektrische umgewandelt werden
gen der alkalischen Brennstoffzelle (z. B. Gabelstap-
kann. Aufbauend auf dieser Entde-
lerantriebe) verwirklicht wurden, ehe das Arbeitsge-
ckung erzeugte Grove in einem
biet an die Firma Siemens abgegeben wurde.
galvanischen Bad durch Zusammenführung von Wasserstoff und Sauerstoff in „kalter Verbrennung“, das heißt ohne Flammenbildung, elektrischen Strom. Auch die gefürchtete Knallgasexplosion konnte nicht stattfinden.
Für die Raumfahrt entdeckte man vor 40 Jahren die Brennstoffzelle und ihre Vorzüge wieder: eine leichte und effiziente Strom- und Wärmequelle, deren „Abfall“ nur Wasser ist, das man den Astronauten sogar als Trinkwasser gab. Im Gemini-Projekt der NASA sorgte eine PEM-Zelle (Polymer-Elektrolyt-Membran-Zelle) für Strom und Wärme, während in den Apollo-Raumkap-
Die Wissenschaftler Ludwig Mond und Carl Langer
seln und den Mondfähren AFCs (Alkalische Brenn-
gaben dem Apparat 1889 den Namen „Fuel Cell“,
stoffzellen) diese Aufgaben erfüllten.
also „Brennstoffzelle“. Aber nicht die Brennstoffzelle, deren günstigen elektrischen Wirkungsgrad man schon früh erkannte, sondern der elektrische Generator, der auf dem 1866 von Siemens gefundenen „Elektrodynamischen Prinzip“ beruhte, leitete in der zweiten Hälfte des 19. Jahrhunderts das Zeitalter der großtechnischen Stromerzeugung ein.
Aber erst Ereignisse in den siebziger Jahren sorgten für ein umfassenderes Interesse: die Ölkrisen und das neue Umweltbewusstsein. In den vergangenen 30 Jahren ist deswegen in Europa, in den USA und Kanada sowie in Japan von Wissenschaft und Wirtschaft mit staatlicher Förderung viel in die Forschung und Entwicklung der Brennstoffzelle investiert worden.
Die Wiege der Wasserstoff-Erzeugung stand in Hessen In Hessen stand die Wiege der industriellen Wasser-
Die erste industrielle Anwendung des neuen Ener-
stoff-Erzeugung und -Anwendung: 1896 nahm der
gieträgers Wasserstoff entwickelte 1903 der Inge-
Chemiker Dr. Ignaz Stroof in der Chemischen Fabrik
nieur Adolf Wiss im Griesheimer Werk mit seinem
Griesheim (bei Frankfurt) die erste Chloralkali-Elek-
Wasserstoff-Sauerstoff-Brenner zum Schweißen. Dies
trolyse der Welt in Betrieb, die Chlor, Natronlauge
war der Beginn einer neuen Technologie zum Ver-
und Wasserstoff in großen Mengen produzieren
binden und Schneiden von Metallen, der Autogen-
konnte. Eine Einsatzmöglichkeit war Wasserstoff als
technik, die die Metallverarbeitung revolutionierte.
Füllstoff für die damals neuen Zeppeline: Man füllte ihn mit 150 bar in Stahlflaschen und brachte ihn zu den Startplätzen.
18
4
WASSERSTOFF
EIN NAHEZU UNBEGRENZT VERFÜGBARES ELEMENT UND VOLLER ENERGIE
Wasserstoff ist eine so genannte Sekundär-Energie.
Unter Standard-Bedingungen von Druck und Tem-
Um Wasserstoff zu erzeugen, muss man Energie auf-
peratur ist Wasserstoff das leichteste Gas. Er ist
wenden. Einmal mittels erneuerbarer Energien,
geruchlos und unsichtbar. Im Gemisch mit Luft ist er
Kohle, Erdöl oder Erdgas hergestellt, ist seine Anwen-
bei Konzentrationen von 4 bis 75 Volumenprozent
dungsbreite, seine Umwandlungsfähigkeit und seine
zündfähig, aber nicht selbstentzündlich. Wasserstoff
Umweltverträglichkeit allen anderen Energieträgern
ist ungiftig, nicht korrosiv und nicht Wasser gefähr-
überlegen. Er ist als Brennstoff für Brennstoffzellen zur
dend.
schadstofffreien Erzeugung von Elektrizität und Wärme geeignet – und das ist das große Potenzial der Wasserstoff- und Brennstoffzellen-Technologie.
Ein Kilogramm Wasserstoff enthält soviel Energie wie 2,5 Kilogramm Benzin. Er ist allerdings spezifisch leicht und beansprucht deshalb bei gleichem Ener-
Wasserstoff findet sich in nahezu unbegrenzten
gieinhalt ein viermal so großes Speichervolumen.
Mengen auf der Erde, allerdings stets chemisch mit
Damit weist er immer noch eine deutlich höhere Ener-
anderen Elementen verbunden. In der überwiegen-
giedichte auf als alle bekannten Batteriesysteme.
den und nutzbaren Form liegt er gebunden an Sauerstoff in Form von Wasser vor.
19
Wasserstoff-Einfüllstutzen
Kühlmittelbehälter Leistungsverteilung Luftfilter Brennstoffzellen-Stack
Druckwasserstoff-Speichertank Leistungsbatterie Steuergerät
Kühler
Elektrischer Antriebsmotor
Wasserstoffzuführung
Gleichspannungswandler
Brennstoffzellen-Fahrzeuge sind mit speziellen Tanks ausgerüstet, die wie ein Benzintank an Zapfsäulen gefüllt werden können. Abbildung: © Opel Classic Archiv der Adam Opel GmbH
Wasserstoff wird unter Einsatz elektrischer Energie
Wenn Strom erzeugt ist, muss er verbraucht werden.
aus Wasser (Elektrolyse) oder aus Kohlenwasserstof-
Nicht verbrauchter Strom kann mittels Elektrolyse in
fen hergestellt. Die Herstellung aus Kohlenwasser-
Wasserstoff umgesetzt werden. Hier liegt einer der
stoffen geschieht nach bewährten Verfahren: Mittels
großen Vorteile der Wasserstoff-Technologie: Strom-
Dampfreformierung oder durch partielle Oxidation
spitzen bei zum Teil stark fluktuierenden Energie-
von Kohlenwasserstoffen produziert man den größ-
wandlungssystemen wie Wind- oder Solarenergie
ten Teil des weltweit erzeugten Wasserstoffs und
können zur Wasserstoffproduktion und -speicherung
verbraucht ihn am Ort der Erzeugung in anderen
eingesetzt werden. Dieser Wasserstoff kann in der
industriellen Prozessen. Bisher sind nur etwa fünf
Brennstoffzelle bei Bedarf in Strom und Wärme
Prozent des Wasserstoffs Handelsware. Der größte
umgewandelt werden. Wenn Wasserstoff seine Ener-
Teil wird für die Hydrierung von Kohlenwasserstof-
gie in der Hausheizung, im Automotor oder im Klein-
fen, für die Härtung von Fetten oder für die Vergü-
kraftwerk abgegeben hat, fällt er aufgrund der Reak-
tung von Metallen eingesetzt. Die zukunftsfähige
tion mit Sauerstoff als reines Wasser beim Verbrau-
und emissionsfreie Form bietet die Gewinnung von
cher an.
Wasserstoff aus Biogas oder im Elektrolyse-Verfahren. Die Voraussetzung ist, dass der benötigte Strom aus erneuerbaren Quellen kommt.
20
Weltweit werden pro Jahr ca. 520 Mrd. Kubikmeter
a Es wird einen Übergang von einem
Wasserstoff erzeugt. Die Chemie- und Erdöl-Indus-
brennstoffbasierten zu einem strombasierten
trie sind die größten Erzeuger und Verbraucher von
Energiesystem geben.
Wasserstoff. Der Anteil von Wasserstoff, der für Energie-Erzeu-
a Der Verkehrssektor wird Strom als „hauptsächliche Primärenergiequelle“ nutzen.
gung und -Umwandlung eingesetzt werden wird, wird im 21. Jahrhundert voraussichtlich stark steigen.
a Die künftige Infrastruktur wird sich ändern:
Seine Einsatzmöglichkeiten steigen mit dem techno-
Strom wird fossile Brennstoffe langfristig
logischen Fortschritt auf allen Gebieten. Der Preis
ersetzen müssen.
von Wasserstoff als Energieträger hängt ab vom Angebot der kohlenstoffhaltigen Primärenergien
a Stromspeicherung wird unentbehrlich – Wasserstoff wird als wichtiges Stromspeichermedium
bzw. von den Kosten für Strom. Ein wichtiger Faktor
fungieren und ein starker Partner für erneuer-
zur Kostenreduzierung ist die Anlagengröße.
bare Energien und den Verkehrssektor werden.
Reinhold Wurster von der Ludwig-Bölkow-Systemtechnik GmbH und Mitglied des Beirats der Wasserstoff- und Brennstoffzellen-Initiative Hessen sieht im Jahr 2015 das Förder- und Produktionsmaximum fossiler und nuklearer Brennstoffe erreicht. Er stellt folgende Thesen auf (siehe folgende Grafik):
Strombasiertes Energiesystem Kraftstoffbasiertes Energiesystem m
20.000
2030
heute
2050 Solarthermische Kraftwerke (SOT)
Fördermaximum fossil / nuklear etwa 2015
15.000
2% 8%
10.000
8% 15%
Uran Kohle
19% Wärme/ Brennstoff
76%
90%
5.000
31% Strom
Erdgas
50% Brennstoff
Photovoltaik
64% Windkraft Wasserkraft Geothermie Biomasse 19% sche Solarthermische Kollektoren
Regenerative Energien
Gesamte Primärenergieversorgung [Mtoe]
Kraftstoff zu Strom (niedriger Wirkungsgrad)
Übergangsphase
Strom zu Kraftstoff (niedriger Wirkungsgrad)
17%
Erdöl
Quelle: Reinhold Wurster, LudwigBölkow-Systemtechnik GmbH
1940
1960 Regenerativer Strom
1980
2000
2020
Regenerative Wärme/Brennstoff
2040
2060
2080
2100
Fossile/nukleare Brennstoffe
21
Die ökonomische und ökologische Entwicklung in
lichen Stoffen vor sich geht. Der Vorteil der Verwen-
Industrienationen muss dahin gehen, immer mehr
dung erneuerbarer Energien liegt neben der Emis-
Primärenergie durch die Sekundärenergien Elektri-
sionsfreiheit in der Möglichkeit der dezentralen und
zität und Wasserstoff zu ersetzen, weil ihre Umwand-
von fossilen Rohstoffen unabhängigen Versorgung.
lung in andere Energieformen, ihr Transport und ihre Anwendung beim Verbraucher mit überlegenem Wirkungsgrad und ohne Bildung von umweltschäd-
Flächenbedarf für erneuerbare Kraftstoffe: Nutzung eines Hektars Land für die Kraftstoffproduktion
1ha
Wasserstoff ~733 GJ/ha
VM Fahrzeug ~493.000 km/ha
Belegung = 33%
BZ Fahrzeug ~875.000 km/ha
Photovoltaik
Wasserstoff
VM Fahrzeug ~245.000 km/ha
~363 GJ/ha
BZ Fahrzeug ~434.000 km/ha
Belegung = 1% Windenergie
Wasserstoff Belegung = 100%
BZ Fahrzeug ~110.000 km/ha
~93 GJ/ha
Biomasse VM Fahrzeug ~62.000 km/ha
Belegung = 100%
Biodiesel ~48 GJ/ha
Biomethan ~112 GJ/ha
Biomasse
Primärenergie
Biomethan, ~80.000 km/ha
BtL, ~51.000 km/ha Biodiesel, ~33.000 km/ha; Bioethanol, ~35.000 km/ha
Belegte Landfläche
Kraftstoffproduktion pro Hektar
ha=Hektar, VM=Verbrennungsmotor, BZ=Brennstoffzelle
Referenzfahrzeug: VW Golf [Concawe/EUCAR/JRC 2006], Ø Fahrleistung=12.500 km/Jahr
aus: Wasserstoff aus erneuerbaren Energien, Reinhold Wurster, Ludwig-Bölkow-Systemtechnik GmbH
22
WASSERSTOFF-HERSTELLUNG: EMISSIONSFREIER ENERGIEKREISLAUF DURCH EINSATZ ERNEUERBARER ENERGIEN Die Wasserstoffproduktion durch Elektrolyse bietet die Möglichkeit eines emissionsfreien WasserstoffEnergiekreislaufs, wenn der Strom für die Elektrolyse aus einer regenerativen Energiequelle wie beispielsweise Sonnen- oder Windenergie oder aus Wasserkraft stammt. Zudem bietet sich zur Produktion von Wasserstoff die Vergasung von Biomasse an. Dazu kann man außer Resten aus der Land- und Forstwirtschaft oder Biomüll aus Haushalten auch organische Industrieabfälle zählen, deren Beseitigung oft erhebliche Schwierigkeiten bereitet. Das Zusammenspiel von
Foto: Linde
konventionellen und regenerativen, von zentral und Wenn man an zwei Platin-Elektroden im leitenden
dezentral erzeugten Energien, kann durch koordinie-
Wasserbad elektrische Spannung anlegt, fließt elek-
rende Energie-Management-Systeme gesteuert wer-
trischer Strom und spaltet das Wasser. Wasserstoff
den, die durch elektronische Netze optimiert wer-
und Sauerstoff scheiden sich gasförmig an den Elek-
den. Das Fraunhofer IWES in Kassel entwickelt dafür
troden ab. Dieser Vorgang heißt Elektrolyse.
komplexes Know-how.
Die Dampfreformierung ist das am weitesten verbreitete Verfahren zur Erzeugung von wasserstoffreichem Synthesegas aus leichten Kohlenwasserstoffen. Die Einsatzstoffe Erdgas, Flüssiggas oder Naphtha werden mit Wasserdampf in katalytischen Rohrreaktoren zu Synthesegas mit hohem Wasserstoffgehalt umgesetzt. Prozesswärme und Rauchgaswärme werden zur Dampferzeugung genutzt.
23
VEDICHTETER WASSERSTOFF – SPEICHERUNG UND TRANSPORT Ein großer Vorzug des Energieträgers Wasserstoff
Industriegase-Unternehmen fahren verflüssigten
gegenüber der Elektrizität ist seine Speicherfähig-
Wasserstoff in großen Tankwagen – ähnlich wie Ben-
keit; allerdings muss man das Gas zu diesem Zweck
zin oder Diesel – sicher von der Verflüssigungsan-
verdichten (bis auf 700 bar) oder verflüssigen. In bei-
lage zum Verbraucher.
den Fällen ist dazu zusätzliche Energie aufzuwenden. Der verdichtete Wasserstoff gilt als ideal für mobile Anwendungen, d. h. für Kraftfahrzeuge mit Brennstoffzellen-Antrieb. In Brennstoffzellen-Fahrzeugen wird Wasserstoff in speziell konstruierten superisolierten Tanks, Hochdruck-Speichern aus Stahl oder in Composite-Behältern gespeichert – entweder als komprimiertes Gas (CGH2) oder verflüssigt (LH2) bei einer Temperatur von -253°C.
Wasserstoff-Tankstelle am Industriepark Höchst. Foto: Zero Regio
Wasserstoff-Tankstellen ermöglichen Mobilität Erste Wasserstofftankstellen sind in Frankfurt (mehr dazu auf Seite 26), Hamburg, Berlin, am Münchener Flughafen und jüngst in Stuttgart in Betrieb genommen worden, um die Brennstoffzellen-Fahrzeuge mit Wasserstoff zu versorgen. In den Ballungsräumen der chemischen Industrie fällt Wasserstoff als Nebenprodukt der Chlor-Alkali-Elektrolyse an, der zunehmend zur Betankung von Fahrzeugen zur Verfügung steht. Um die Mobilität von Fahrzeugen mit Wasserstoff-Brennstoffzellen-Antrieb zu gewährleisten, muss dieses Netzwerk weiter ausgebaut werden. Die Tankstellen können entweder mit Tankwagen oder über Pipelines mit Wasserstoff-Nachschub versorgt werden.
Foto: Linde
24
TANKEN MIT SICHERHEIT Die Industrie, die seit Jahrzehnten mit gasförmigem und flüssigem Wasserstoff umgeht, hat aus dieser Erfahrung viele der erforderlichen Vorschriften und Praktiken entwickelt. Millionen Menschen nutzen tagtäglich gasförmige und flüssige Brennstoffe im Auto und im Haushalt, weil sie die Handhabung gelernt haben und die Industrie ihnen die entsprechenden, sicheren Geräte bietet.
Das Betanken der Wasserstoff-Tanks von BrennstoffzellenFahrzeugen ist mit speziellen Einfüllstutzen ähnlich einfach wie das Tanken von Erdgas. Foto: Linde
Für die Sicherheit jedes Kraft-
Benzin
Wasserstoff
Dichte im Verhältnis zu Luft
3,2– 4
0,09
Wasserstoff verflüchtigt sich schnell, Benzin bleibt am Boden
Zündbereich
0,6– 8 %
4– 75 %
Wasserstoff kann in einem großen Bereich gezündet werden
Detonationsgrenze
1,1 %
18 %
Wasserstoff verbrennt, bevor er explodiert
Zündenergie
0,24 mJ
0,02 mJ
Ein Funken reicht aus, um Wasserstoff oder Benzin zu zünden
Zündtemperatur
220– 280 °C
585 °C
Benzin kann sich an heißen Oberflächen entzünden
Flamme
strahlt heiß
wenig Wärmestrahlung
Verbrennungsgefahr neben Wasserstoff-Flamme gering
giftig
ungiftig
Wasserstoff stellt keine Gefahr für Böden und Gewässer dar
Schlussfolgerung
stoffs spielen seine physikalischen und chemischen Eigenschaften eine entscheidende Rolle. Im direkten Vergleich mit Benzin zeigt sich, dass Wasserstoff keinesfalls gefährlicher ist: Er verflüchtigt sich sehr schnell, verbrennt anstatt zu explodieren, entzündet sich nicht so leicht an heißen Oberflächen und ist im Gegensatz zu Benzin ungiftig für Mensch und Umwelt. (Quelle: TÜV Süddeutschland)
Gesundheits gefährdung
25
PIPELINES BRINGEN WASSERSTOFF ZUM VERBRAUCHER Das Massentransportmittel für Wasserstoff ist die Rohrleitung: Seit Jahrzehnten betreibt die chemische Industrie in NRW ein sicheres und leistungsfähiges Leitungsnetz für gasförmigen Wasserstoff von ca. 240 Kilometern Länge, das jährlich ca. 250 Mio. Kubikmeter transportiert. In Marl, am Nordrand des Ruhrgebiets, wird das größte Abfüll-Zentrum für Wasserstoff in ganz Europa betrieben. Im Industriepark Höchst ist für das Projekt Zero Regio (siehe Seite 31) eine hochmoderne Wasserstoffleitung installiert worden. Die hinsichtlich Druck und Länge einzigartige Hochdruck-Pipeline hat eine Gesamtlänge von 1,7 Kilometern und führt einen Druck von bis zu 1100 bar. Eine etablierte Wasserstoff-Infrastruktur ist das Erdgasnetz, das viele Millionen Verbraucher in Deutschland erreicht. Erdgas besteht zu über 90 Prozent aus Methan, dem H2-reichsten Kohlenwasserstoff, aus
Foto: Linde
dem wiederum Wasserstoff gewonnen werden kann. Technisch ist es relativ einfach, an jedem Verbrauchs-
Bei Infraserv Höchst in Frankfurt am Main fallen 30
punkt mit einem so genannten Reformer aus ver-
Millionen Kubikmeter Wasserstoff pro Jahr aus der
schiedenen Kohlenwasserstoffen reinen Wasserstoff
Chlorproduktion an. Seit der Inbetriebnahme der
für die Brennstoffzelle zu erzeugen. Damit steht Was-
Wasserstoff-Tankstelle am Südrand des Industrie-
serstoff prinzipiell bereits heute für die Versorgung
parks Höchst im November 2006 sind Brennstoffzel-
vieler privater Haushalte in Deutschland zur Verfü-
len-betriebene A-Klasse-Fahrzeuge von Daimler für
gung. Der größte Teil der heutigen Wasserstoffproduktion entsteht als Neben- oder Koppelprodukt in Prozessen der chemischen Industrie und wird auch von dieser selbst in Folgeprozessen wieder verbraucht, vor allen Dingen in der Petrochemie. Wenn er im industriellen Maßstab gezielt erzeugt wird, geschieht das zur Zeit hauptsächlich durch Reformierung von Erdgas. Dieses Verfahren stützt sich allerdings auf einen fossilen und nicht dauerhaft vorhandenen Rohstoff und ist mit erheblichen CO2 -Emissionen verbunden.
26
das EU-Projekt Zero Regio im Alltagstest – einige davon auf dem Gelände des Frankfurter Flughafens und im Industriepark Höchst. Im Rahmen des von der Europäischen Union geförderten und von Infraserv Höchst koordinierten Projektes Zero Regio liefern diese Fahrzeuge derzeit wichtige Erfahrungswerte über Alltagsbetrieb, Betankung und Infrastruktur.
IM WASSERSTOFF LIEGT DIE ZUKUNFT GermanHy, eine Studie zur Frage „Woher kommt der
a Je nach Rahmenbedingungen kann regenerativ
Wasserstoff in Deutschland bis 2050?“ im Auftrag des
erzeugter Wasserstoff bis 2050 bis zu 70 Prozent
Bundesministeriums für Verkehr, Bau und Stadt-
aller PKW / Lieferfahrzeuge versorgen – auch bei
entwicklung (BMVBS) und in Zusammenarbeit mit
starker fossiler Ressourcenverknappung.
der Nationalen Organisation Wasserstoff- und Brennstoffzellentechnologie (NOW), zeigt drei Szenarien
a Zur Herstellung von Wasserstoff wird ein Primärenergiemix verwendet. Dabei können in der
auf und kommt zu folgenden Ergebnissen:
Übergangsphase regional verfügbarer Wasser-
a Deutschland verbraucht rund 30 Prozent seiner
stoff aus Industrieanlagen (Nebenprodukt), Erd-
Primärenergie im Verkehrssektor. Wasserstoff
gasreformierung vor Ort und Biomasseverga-
kann bis 2050 im Verkehrssektor ein wesent-
sung eine Rolle spielen. Langfristig überwiegen
licher Energieträger werden und hier etwa
regenerative Energieträger wie z. B. Windenergie.
20 bis 40 Prozent des Energiebedarfs im Verkehrssektor abdecken. Wasserstoff und Brenn-
a Bei der Verteilung von Wasserstoff dominieren die Lieferung von flüssigem Wasserstoff (An-
stoffzellen können im Straßenverkehr bis 2050
fangsphase mit geringen Mengen) sowie die
eine große Bedeutung erlangen. Sie werden
Versorgung mit Druckwasserstoff-Pipelines (ab
zentraler Bestandteil eines diversifizierten
2030, kostengünstiger bei großen Mengen). Vor-
Angebotes (Kraftstoffe und Antriebskonzepte).
a Bei drastischem Rückgang fossiler Energieimporte müssen verstärkt erneuerbare Energien eingesetzt, erhebliche Effizienzsteigerungen
Ort-Produktion ergänzt regional das Angebot. Nähere Informationen unter www.bmvbs.de und www.germanhy.de.
erreicht und energiesparendes Verhalten umgesetzt werden.
Herkunft von Wasserstoff in Deutschland 2030
100 PJ
2050
480 PJ
„Moderat“
Kohle ohne CCS Kohle mit CCS
2030
100 PJ
2050
470 PJ
„Klima“
Erdgas Wind Biomasse
2030
90 PJ
2050
440 PJ 0%
20 %
40 %
60 %
80 %
Anteile der Primärenergieträger an der Wasserstoffproduktion
„RessourcenVerknappung“
Nebenprodukt
100 % (Quelle: GermanHy)
27
5
GUTE GRÜNDE FÜR DIE BRENNSTOFFZELLE
REGENERATIVE ENERGIEN FÖRDERN, CO 2 -AUSSTOSS MINDERN, UMWELT ENTLASTEN Die Wasserstoff- und Brennstoffzellentechnologie
Die Europäische Union hat sich verpflichtet, den
hat gegenüber anderen Energiewandlungsmetho-
Ausstoß von Kohlendioxid bis zum Jahr 2020 um
den enorme Vorteile und darum ein großes Poten-
mindestens 20 Prozent gegenüber 1990 zu senken.
zial. Emissionsfreier und hocheffizienter Betrieb von
Studien der Internationalen Energie Agentur, einer
Fahrzeugen, Kraftwerken und Heizungsanlagen ist
autonomen Institution der Organisation für wirt-
die Herausforderung, der sich Hersteller und Ver-
schaftliche
braucher stellen müssen. Neben Lärm-, Feinstaub-
(OECD), zeigen, dass die Energieeffizienz bis 2050
und anderen toxischen Belastungen ist die Klimaver-
potenziell zur größten einzelnen Emissionssenkungs-
änderung durch CO2 das größte Problem, das
quelle im Energiesektor werden kann. Dies hätte
Zusammenarbeit
und
Entwicklung
umweltpolitisch angegangen werden muss. Aus der
sowohl ökologische als auch wirtschaftliche Vorteile.
Knappheit der fossilen Ressourcen, dem wachsen-
In ihrem „World Energy Outlook“ von 2008 sieht die
den Kohlendioxid-Ausstoß und dem prognostizier-
IEA zwei zentrale Ansätze: die „Sicherung einer ver-
ten bedrohlichen Klimawandel resultieren nicht nur
lässlichen und erschwinglichen Energieversorgung
Handlungsempfehlungen für die Umweltpolitik, son-
und rasche Umstellung auf ein CO2-armes, leistungs-
dern auch Herausforderungen an die Forschung und
fähiges und umweltschonendes Energiesystem.“
Entwicklung in Wissenschaft und Wirtschaft. EnergieTechnologien, die ohne CO2-Emissionen hohe Effizienz und Verfügbarkeit gewährleisten, sind gefragt: zum Beispiel die Wasserstoff- und Brennstoffzellentechnologie.
„Das Weltenergiesystem steht an einem Scheideweg. Die derzeitigen weltweiten Trends von Energieversorgung und -verbrauch sind eindeutig nicht zukunftsfähig, in ökologischer ebenso wie in wirtschaftlicher und sozialer Hinsicht.“ Internationale Energie Agentur 2008
28
Nicholas Stern, Leiter des volkswirtschaftlichen
Wandlungstechniken wie Brennstoffzellen sowie
Dienstes der britischen Regierung, kommt in seinem
Hybridkonzepte, die mehrere Techniken oder Brenn-
Report von 2006 zu ähnlichen Schlüssen in Bezug
stoffe komplementär einsetzen. Diese Techniken
auf die notwendige Reduzierung von CO2-Emissio-
sind teilweise bereits technisch ausgereift, einige
nen: „Viele der Technologien zum Erreichen dieser
nähern sich der Schwelle zur Wirtschaftlichkeit, größ-
Reduzierungen existieren zwar bereits, aber die Prio-
tenteils besteht jedoch noch Forschungsbedarf. (...)
rität besteht jetzt darin, ihre Kosten zu reduzieren, so
Verschiedene Arten von Brennstoffzellen werden in
dass sie mit Alternativen zu fossilen Brennstoffen
Versuchsanlagen getestet und lassen elektrische
unter einem Kohlenstoff-Preisrichtlinienprogramm
Wirkungsgrade zwischen 40 und 60 Prozent erwar-
wettbewerbsfähig sind.“
ten. Speziell für den mobilen Einsatz in Fahrzeugen bietet sich grundsätzlich die Brennstoffzelle an,
Die Projektgruppe Energiepolitisches Programm (PEPP)
des
Bundeswirtschaftsministeriums
jedoch muss etwa die Haltbarkeit durch Forschung
hat
und Entwicklung noch deutlich gesteigert werden.“
„10 langfristige Handlungslinien für die künftige
(www.bmwi.de)
Energieversorgung in Deutschland“ herausgegeben und stellt fest: „Weitere innovative Ansätze zur Erhöhung der Umwandlungseffizienz sind Techniken zur Stromerzeugung aus Abwärme, hocheffiziente
Energiebedingte Emissionen von Kohlendioxid (Deutschland 2006) in Millionen Tonnen (Mt) nach Sektoren 2
Andere energiebedingte Emissionen
6
Land- und Forstwirtschaft, Fischerei
149
Straßenverkehr
12
Übriger Verkehr
117
Haushalte
46
Kleinverbraucher
101
Verarbeitendes Gewerbe
366
Energiewirtschaft
799
Gesamt
Quelle: BMWi/UBA, Stand 08.07.2008
29
FÖRDERGELDER DES LANDES HESSEN HESSEN MODELLPROJEKTE Das Land Hessen fördert die Durchführung von
Zur Förderung dieser Vorhaben stehen derzeit drei
besonders innovativen Forschungs- und Entwick-
Maßnahmen zur Verfügung: LOEWE KMU-Verbund-
lungsvorhaben im Technologiebereich – auch auf
vorhaben (Förderlinie 3), finanziert aus Landesmit-
dem Gebiet der Wasserstoff- und Brennstoffzellen.
teln sowie KMU-Modell- und -Pilotprojekte und als
Als Projektträger fungiert die Hessen Agentur. Bezu-
erweiterte Maßnahme modellhafte Forschungs- und
schusst werden im Rahmen von Hessen ModellPro-
Entwicklungsprojekte mit Schwerpunkt im Automo-
jekte kleine und mittlere Unternehmen (KMU), die
tivebereich, die beide aus Mitteln des Europäischen
gemeinsam mit weiteren Partnern (Unternehmen,
Fonds für regionale Entwicklung und aus Mitteln des
Hochschulen,
Landes Hessen finanziert werden.
Forschungseinrichtungen)
ange-
wandte Forschungs- und Entwicklungsprojekte realisieren. Weitere Informationen unter www.innovationsfoerderung-hessen.de
LOEWE — Landes-Offensive zur Entwicklung Wissenschaftlichökonomischer Exzellenz
EUROPÄISCHE UNION: Investition in Ihre Zukunft Europäischer Fonds für regionale Entwicklung
HESSISCHES ENERGIEGESETZ Im Rahmen des Hessischen Energiegesetzes vom
Gefördert werden können marktnahe Vorhaben zur
November 2008 können Projekte unterstützt wer-
Nutzung neuer Energietechnologien (Marktvorbe-
den, die Entwicklung, Demonstration und Anwen-
reitungsförderung) mit den Schwerpunkten energie-
dung stationärer Wasserstoff- und Brennstoffzellen-
effiziente Gebäudetechnologien, rationelle Elektrizi-
systeme zum Inhalt haben. Ziel ist es, die rationelle
tätsanwendung, rationelle Energienutzung sowie
und umweltverträgliche Energienutzung in Hessen
Nutzung erneuerbarer Energien.
voranzutreiben und einen Beitrag zu einer gesamtwirtschaftlich wettbewerbsfähigen und sicheren Erzeugung und Verwendung von Energie zu leisten.
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FÖRDERPROGRAMME STELLEN GELDER IN AUSSICHT Die Bundesregierung hat ein Förderprogramm auf-
stoff – vor allem durch das BMWi – stehen unter
gelegt, das die Weiterentwicklung und Einführung
Berücksichtigung der komplementären Mittel der
dieser Technologien unterstützen will: durch die
Industrie und Anwender im Zeitraum 2007 bis 2016
gezielte Förderung im Rahmen des von den Bundes-
bis zu 1,4 Milliarden Euro zur Verfügung. Hinzu kom-
ministerien für Verkehr, Bau und Stadtentwicklung
men noch Mittel des BMBF zur Grundlagenforschung
(BMVBS), Wirtschaft und Technologie (BMWi), Bil-
und institutionellen Förderung der Großforschungs-
dung und Forschung (BMBF) sowie Umwelt, Natur-
einrichtungen auf diesem Gebiet.“ (www.bmvbs.de)
schutz und Reaktorsicherheit (BMU) gemeinsam formulierten „Nationalen Innovationsprogramm Wasserstoff- und Brennstoffzellentechnologie“ (NIP).
Im Februar 2008 wurde die Nationale Organisation Wasserstoff- und Brennstoffzellentechnologie (NOW) gegründet, um die internationale Wettbewerbs-
„Im Rahmen des NIP sind für die kommenden zehn
fähigkeit im Bereich Wasserstoff- und Brennstoffzel-
Jahre zusätzliche 500 Millionen Euro Förderung [Stand
lentechnologie auszubauen. NOW koordiniert die
2006] dieser Technologie vorgesehen. Bei Fortschrei-
Aktivitäten im Auftrag der verschiedenen Bundesmi-
bung der seit Jahren erfolgreich laufenden FuE-För-
nisterien und stellt Kontakt zu internationalen Insti-
derung des Bundes für Brennstoffzellen und Wasser-
tutionen und der Industrie her (www.now-gmbh.de).
ZWEI PROJEKTE MIT BEISPIELWIRKUNG NULL-EMISSION IN RHEIN-MAIN UND EIGENSTÄNDIGE DÖRFLICHE ENERGIEVERSORGUNG IN MAROKKO Zwei beispielhafte Projekte für den Einsatz von Was-
Das Fraunhofer-Institut für Windenergie und Ener-
serstoff- und Brennstoffzellentechnologie, an denen
giesystemtechnik IWES hat im Rahmen von HYRESS
hessische Akteure beteiligt sind, zeigen, wie im
eine Anlage zur dezentralen Energieversorgung
Zusammenspiel unterschiedlicher Unternehmen und
eines Dorfes im Westen Marokkos gebaut.
Institutionen zukunftsweisende Energieerzeugung ohne Emissionen und aussehen kann. Beide Projekte nehmen die globale Verantwortung für die Verminderung von Kohlendioxid an: Zero Regio ist ein Projekt zwischen Regionen in Hessen und Italien.
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Seit der Inbetriebnahme der Wasserstoff-Tankstelle am Südrand des Industrieparks Höchst im November 2006 sind vier Brennstoffzellen betriebene AKlasse-Fahrzeuge von Daimler für das EU-Projekt Zero Regio im Alltagstest – drei davon auf dem Fraport-Gelände und eins im Industriepark Höchst. Im Rahmen des von der Europäischen Union geförderten und von Infraserv Höchst koordinierten Projektes Zero Regio liefern die Fahrzeuge derzeit wichtige Erfahrungswerte über den Alltagsbetrieb und die Betankung eines Elektromobils. Foto: Zero Regio
Zero Regio – 16 Partner aus vier Ländern Zero Regio steht für „Region mit Null Emissionen“ und
Ende 2006 wurde die erste öffentliche Wasserstoff-
ist ein von der Europäischen Kommission gefördertes
tankstelle Hessens in Frankfurt eröffnet. Sie dient ins-
integriertes Projekt innerhalb des 6. Forschungs-
besondere der Versorgung von Brennstoffzellentest-
rahmenprogramms. Unter der Leitung von Infraserv
fahrzeugen, die auf dem Frankfurter Flughafenge-
Höchst engagieren sich 16 europäische Partner aus
lände im Einsatz sind und mit deren Hilfe die Alltags-
vier Ländern für den Aufbau einer Wasserstoffinfra-
tauglichkeit dieser Technologie überprüft werden soll.
struktur für die Versorgung von Brennstoffzellen-PKW im Rhein-Main-Gebiet sowie in der Lombardei. Ziel ist es, emissionsfreie Transportsysteme für den alltäglichen Einsatz in europäischen Ballungsräumen zu entwickeln und zu erproben.
Langfristiges Ziel von Zero Regio ist es, die Abhängigkeit von nicht-erneuerbaren Energien zu reduzieren, die Schadstoffemissionen zu verringern und durch Technologiefortschritte die breitere Anwendung der Wasserstoff- und Brennstoffzellentechnologie in Europa voranzutreiben. Insgesamt investieren die Projektbeteiligten, darunter Unternehmen wie AGIP, Daimler, Linde, die italienischen Energieunternehmen Eni, Sapio und CRF sowie die Region Lombardei, rund 13,5 Millionen Euro in Zero Regio. Hinzu kommen 7,5 Millionen Euro Fördermittel der Europäischen Union. www.zeroregio.de
Ionischer Verdichter für Wasserstoff bis zu 900 bar bei Infraserv. Foto: Zero Regio
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Das Dorf Lkaria in Marokko wird mit einem Brennstoffzellensystem aus Kassel mit Energie versorgt. Foto: ISET Kassel
Photovoltaik-Brennstoffzellen-Hybridsystem in Marokko Im Rahmen eines EU-Programms zur Förderung
Das Dorf südlich von Casablanca verfügte bis dahin
der Kooperation von Mittelmeeranrainerstaaten im
über keine Stromversorgung, es besteht aus zehn
Bereich Erneuerbare Energien wird seit Oktober
Haushalten, einer Schule und einer Moschee und
2006 das internationale Vorhaben HYRESS – Hybrid
verfügt über zwei Brunnen. Ihren Lebensunterhalt
Renewable Energy Systems for the Supply of Ser-
verdienen die Menschen dort mit Ackerbau, Vieh-
vices in Rural Settlements of Mediterranean Partner
zucht und Fischerei. Die Menschen hier werden in
Countries – gefördert.
Zukunft mit Strom für Beleuchtung, Trinkwasser-
Hybridsysteme oder kleine Netze zur dezentralen Dorfstromversorgung werden als Pilotanlagen entwickelt, installiert und getestet sowie abschließend
förderung und -gewinnung sowie für Kommunikationstechnik versorgt. www.iset.uni-kassel.de
technisch und sozioökonomisch ausgewertet. Das Fraunhofer Institut für Windenergie und Energiesystemtechnik, IWES, (vormals ISET) in Kassel hat die Simulation der Systeme übernommen und im Institut einen Energiespeicher aufgebaut, der aus einem Elektrolyseur, einem Wasserstoffspeicher und einer Brennstoffzelle besteht. Dieses System wird in Marokko eingesetzt.
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EIN AUSBLICK IN DIE ENERGIETECHNOLOGIE VON MORGEN
Wasserstoff an öffentlichen Tankstellen für PKW,
Die Europäische Union strebt an, bis 2020 fünf Pro-
Busse und LKW mit Brennstoffzellensystemen, Was-
zent der Fahrzeugkraftstoffe durch Wasserstoff zu
serstoff in städtischen Versorgungsleitungen für
ersetzen, Automobilhersteller rechnen mit Marktein-
Hausheizungsanlagen, autonome Energieversor-
führungen von wasserstoffbetriebenen Brennstoff-
gung von Krankenhäusern durch eigene Brennstoff-
zellen-Fahrzeugen ab 2015.
zellen-Blockheizkraftwerke – das sind keine fernen Visionen, sondern könnte bald Realität sein. Die Voraussetzung hierfür ist, dass die aktuellen Versuche erfolgreich verlaufen und die erforderlichen Mittel in die Technologie investiert werden.
Das Fortschreiten der Entwicklung von Bestandteilen der Technologie wie Membran, Elektrolyseur, Wasserstoffspeicher und Bestandteilen der Peripherie verspricht die notwendige Kostenreduktion der Produktion und damit auch die ökonomische Marktreife in wenigen Jahren. Die Vision von dynamischer Elektromobilität und gleichzeitiger Unabhängigkeit von fossilen Brennstoffen kann Wirklichkeit werden.
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IMPRESSUM Redaktion: Anna-Kristin Kippels Dr. Rainer Waldschmidt HA Hessen Agentur GmbH Bereich Wassertoff- und Brennstoffzellentechnologie Abraham-Lincoln-Straße 38-42 65189 Wiesbaden Dr. Justus Brans Hessisches Ministerium für Umwelt, Energie, Landwirtschaft und Verbraucherschutz Dr. Joachim Wolf Prof. Dr. Birgit Scheppat Wasserstoff- und BrennstoffzellenInitiative Hessen e.V. Eva Frantz, redaktionsbüro frantz, Göttingen
© Hessisches Ministerium für Umwelt, Energie, Landwirtschaft und Verbraucherschutz Mainzer Straße 80 65189 Wiesbaden www.hmuelv.hessen.de Die Abbildungen wurden freundlicherweise von den Mitgliedern und Projektpartnern der H2BZ-Initiative Hessen zur Verfügung gestellt. Titelabbildungen: istockphoto.com (Hintergrund) vege, fotolia.com (Solarzellen) Linde (Wasserstofftanks) Stand: November 2009
Gestaltung: WerbeAtelier Theißen, Lohfelden Druck: ausDRUCK, Kassel
Der Herausgeber übernimmt keine Gewähr für die Richtigkeit, die Genauigkeit und die Vollständigkeit der Angaben sowie für die Beachtung privater Rechte Dritter.
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Initiative Hessen
www.hessen-agentur.de www.H2BZ-Hessen.de