dummies
 
 

Suchen und Finden

Titel

Autor/Verlag

Inhaltsverzeichnis

Nur ebooks mit Firmenlizenz anzeigen:

 

Wasserstoff und Brennstoffzelle - Technologien und Marktperspektiven

von: Johannes Töpler, Jochen Lehmann

Springer Vieweg, 2013

ISBN: 9783642374159 , 281 Seiten

Format: PDF, OL

Kopierschutz: Wasserzeichen

Windows PC,Mac OSX Apple iPad, Android Tablet PC's Online-Lesen für: Windows PC,Mac OSX,Linux

Preis: 54,99 EUR

Exemplaranzahl:


Mehr zum Inhalt

Wasserstoff und Brennstoffzelle - Technologien und Marktperspektiven


 

Geleitwort

5

Vorwort

6

Inhaltsverzeichnis

9

1 Wasserstoff als strategischer Sekundärenergieträger

11

1.1 Die Rahmenbedingungen

11

1.2 Wasserstoff und Energiewirtschaft

13

1.2.1 Eigenschaften des Wasserstoffes

14

1.2.2 Herstellung des Wasserstoffs

15

1.2.3 Produktion von Wasserstoff aus fossilen Energieträgern und Biomasse

15

1.2.4 Wasserspaltung durch Wärmeenergie

17

1.2.5 Wasserspaltung durch elektrische Energie (Elektrolyse)

18

1.2.6 Wasserspaltung durch Sonnenlicht (Photokatalyse)

20

1.3 Transport und Speicherung des Wasserstoffs

20

1.3.1 Transport des gasförmigen oder flüssigen Wasserstoffes

21

1.3.2 Wasserstoff-Verteilung durch Pipelines

21

1.3.3 Speicherung des Wasserstoffs in Salzkavernen

22

1.4 Einsatz des Wasserstoffes als chemischer Grundstoff und in Energiewandlungstechniken

23

1.4.1 Die Herstellung von Ammoniak

24

1.4.2 Wasserstoff in der petrochemischen Industrie

24

1.4.3 Wasserstoff und Brennstoffzellen

25

1.4.4 Wasserstoff als Treibstoff für Autos

26

1.4.5 Wasserstoff als Treibstoff für Flugzeuge

27

1.4.6 Wasserstoff als Zwischenprodukt in CCS-Kraftwerken

27

1.4.7 Wasserstoff in der Industrie am Beispiel der Stahlerzeugung

27

1.4.8 Wasserstoff als Grundstoff zur Methan- und Methanolerzeugung

28

1.5 Wasserstoffwirtschaft: Konkurrenten und mögliche Einbindung

29

1.5.1 Wasserstoff und Verkehr

30

1.5.2 Wasserstoff und Fusion: ein Seitenblick

31

1.6 Zusammenfassung und Ausblick

32

Literatur

32

2 Rolle des Wasserstoffs bei der großtechnischen Energiespeicherung im Stromsystem

34

2.1 EinleitungMotivation [1]

34

2.2 Untersuchungsgegenstand

35

2.3 Großtechnische Speichertechnologien [4]

36

2.3.1 Pumpspeicherwerke (PSW) [4]

36

2.3.2 Diabate Druckluftspeicherkraftwerke (CAES) [4]

37

2.3.3 Adiabate Druckluftspeicherkraftwerke (AA-CAES) [4]

37

2.3.4 Wasserstoffspeichersysteme [4]

37

2.3.5 Methanspeichersysteme

38

2.4 Modellbeschreibung

38

2.5 Beschreibung der untersuchten Szenarios

39

2.5.1 Allgemeine Datengrundlage und Annahmen

39

2.5.2 Beschreibung der Sensitivitätsanalyse

42

2.6 Ergebnisse

42

2.6.1 Basisszenario

42

2.6.2 Sensitivitätsanalyse

43

2.6.3 Saisonalität und Strommix der Wasserstoffnutzung

46

2.7 Fazit und Zusammenfassung

48

Literatur

49

3 Sicherheit in der Anwendung von Wasserstoff

51

3.1 Allgemeines

51

3.2 Gefahrenmerkmale von Wasserstoff

52

3.2.1 Brennbarkeit

52

3.2.2 Kleines Molekül

53

3.2.3 Tiefe Temperaturen

55

3.2.4 Andere

55

3.3 Explosionsschutz

56

3.3.1 Zonen

56

3.3.2 Primärer Explosionsschutz

57

3.3.3 Sekundärer Explosionsschutz

58

3.3.4 Konstruktiver Explosionsschutz

58

3.3.5 Gesetzliche Rahmenbedingungen

59

3.4 Speicherung

60

3.4.1 Komprimiertes Gas

60

3.4.2 Tiefkalte Flüssigkeit

61

3.4.3 Slush

62

3.4.4 Überkritisches Fluid

62

3.4.5 Unterirdisch

62

3.4.6 Chemische Verbindungen

63

3.4.7 Gesetzliche Rahmenbedingungen

64

3.5 Transport

64

3.5.1 Pipeline

64

3.5.2 Straße

65

3.5.3 Andere Verkehrswege

65

3.5.4 Gesetzliche Rahmenbedingungen

66

Literatur

66

4 Mobile Anwendungen

67

4.1 Nachhaltige Mobilität

67

4.2 Elektrifizierung des Antriebstrangs

74

4.3 Anforderungen an Brennstoffzellenfahrzeuge und Brennstoffzellenantriebstränge

77

4.3.1 Technische Anforderungen

78

4.3.2 Legislative Anforderungen – Gesetzgebung

79

4.3.3 Fahrzeugherstellerinterne Anforderungen

79

4.4 Technische Umsetzung eines Brennstoffzellenantriebstranges

80

4.4.1 PKW Überblick SystemeKomponenten im Antriebstrang

80

4.4.2 VAN – Spezifische Ausprägungen

81

4.4.3 Bus – Spezifische Ausprägungen

83

4.5 Hauptsysteme eines Brennstoffzellenantriebs

85

4.5.1 Brennstoffzellenstack

85

4.5.1.1 Polymermembran und Gas Diffusion Layer (GDL)

86

4.5.1.2 Bipolarplatten

87

4.5.1.3 Dichtung

87

4.5.2 Brennstoffzellensystem

88

4.5.2.1 Wasserstoffversorgungsmodul

89

4.5.2.2 Luftversorgung

89

4.5.2.3 SpannungStromversorgung

89

4.5.2.4 SteuerungRegelung Gesamtprozess

89

4.5.2.5 Einflussfaktor Luftversorgung

89

4.5.3 Hochvolt (HV) - Architektur

91

4.5.4 Betriebsführungsherausforderungen Wirkungsgrad und Kaltstart

91

4.5.4.1 Wirkungsgrad

91

4.5.4.2 Kaltstart

93

4.6 Wasserstoff-Speichersysteme für mobile Anwendungen

95

4.6.1 Druckspeicher

95

4.6.2 Flüssigwasserstoffspeicherung

101

4.6.3 Hydride

101

4.6.4 Weitere Konzepte

104

4.6.4.1 Nanotubes

104

4.6.4.2 Metal Organic Frameworks

104

4.6.4.3 Kryo-komprimierter Wasserstoff

104

4.7 Geschichte der Brennstoffzellentechnik in mobilen Anwendungen

105

4.7.1 FahrzeugePKW

105

4.7.2 Omnibusse – Stadtbusse

108

4.7.3 Weitere mobile Anwendungen

112

4.7.3.1 Lastkraftwagen

112

4.7.3.2 Auxiliary Power Unit (APU)

112

4.7.3.3 Bahn

114

4.7.3.4 Schiffe

114

4.7.3.5 Luft- und Raumfahrt

115

4.8 Ausblick

115

Literatur und Referenzen

117

5 Wasserstoff und Brennstoffzelle – mobile Anwendung in der Luftfahrt

120

Abkürzungen

120

5.1 Einleitung

121

5.2 Hauptantrieb mit Wasserstoff

121

5.3 Funktionen der Brennstoffzelle an Bord von Verkehrsflugzeugen

123

5.4 Brennstoffzelle als „kleines“ Notstromaggregat im Flugzeug

130

5.5 Elektrisches Rollen von Verkehrsflugzeugen am Flughafen

131

5.6 Brennstoffzelle in Kleinflugzeugen

132

5.7 Brennstoffzelle in unbemannten Flugzeugen

133

5.8 Zusammenfassung

136

Literatur

137

6 Brennstoffzellen in der Hausenergieversorgung

139

6.1 Kraft-Wärme-Kopplung

139

6.2 Warum noch Brennstoffzellen?

141

6.3 Erdgasbasierte Brennstoffzellen-Heizgeräte

143

6.4 Integration von Brennstoffzellen-Heizgeräten im Haus

147

6.5 Brennstoffzellen-Heizgeräte mit erneuerbaren Energien

150

6.6 Brennstoffzellen-Heizgeräte – Status & Ausblick

152

7 Unterbrechungsfreie Stromversorgung

153

7.1 Anwendungsfelder einer USV

153

7.2 Stand der Technik

154

7.2.1 Batterietechnik

154

7.2.2 Netzersatzanlagen (NEA)

156

7.3 Brennstoffzellen im USV-Einsatz

157

7.3.1 Geeignete Brennstoffzellentypen

157

7.3.2 Ausführungsmerkmale eines geeigneten BZ-Systems

159

7.4 Technologievergleich

160

8 Sicherheitsrelevante Anwendung

163

8.1 Brennstoffzelle und Brandschutz

163

8.2 Sauerstoffreduzierung allgemein

165

8.2.1 Schutz von Materialien

166

8.2.2 Aufenthalt von Menschen

166

8.2.3 Schutzbereiche

167

8.3 Neue Anwendung der Brennstoffzelle

168

8.4 Fazit

170

Literatur

170

9 Portable Brennstoffzellen

172

9.1 Einleitung

172

9.2 Stand der Technik

173

9.2.1 Membranbrennstoffzellen kleiner Leistung

173

9.2.1.1 Wasserstoffsysteme

173

9.2.1.2 Direktmethanol-Brennstoffzellen

174

9.2.1.3 Brennstoffzellensysteme mit vorgeschaltetem Reformer

175

9.2.1.4 Festoxidbrennstoffzellen kleiner Leistung

176

9.3 Wasserstoffspeicher

177

9.4 Mikrobrennstoffzellen

178

Literatur

178

10 Nutzung von konventionellem und grünem Wasserstoff in der chemischen Industrie

180

10.1 Einleitung

180

10.2 Wasserstoff als Grundstoff für die chemische Industrie

181

10.2.1 Weltweite Nutzung nach Branchen

181

10.2.2 Industrielle Anwendungen

183

10.2.3 Versorgungsinfrastruktur für Wasserstoff

184

10.3 Nutzung von grünem Wasserstoff in der chemischen Industrie

186

10.3.1 Herstellung von grünem Wasserstoff

186

10.3.2 Vergleich der Hauptnutzungsarten für grünen Wasserstoff

189

10.3.3 Chancen und Hindernisse der Nutzung von grünem Wasserstoff in der chemischen Industrie

191

10.4 Handlungsbedarf

192

Literatur

192

11 Elektrolyse-Verfahren

194

11.1 Einleitung

194

11.2 Physikalisch-chemische Grundlagen

196

11.3 Alkalische Elektrolyse

200

11.4 PEM Elektrolyse

202

11.5 Hochtemperatur-Elektrolyse

204

11.6 Stand der Technik

206

11.6.1 Alkalische Elektrolyse

206

11.6.2 PEM-Elektrolyse

206

11.7 Beispiele für heutige Anwendungen

208

11.7.1 Power-to-Gas

208

11.7.2 Tankstellen

209

11.8 Ausblick

209

Literatur

211

12 Die Entwicklung von Großelektrolyse-Systemen: Notwendigkeit und Herangehensweise

213

12.1 Einleitung

213

12.2 Warum braucht man große Elektrolyse-Systeme und was bedeutet „groß“?

213

Was bedeutet „groß“?

217

12.3 Welche Erfahrungen aus anderen Bereichen müssen in die Entwicklung der Großelektrolyse-Systeme einfließen?

217

12.4 Welche Sicherheitskonzepte für Großelektrolyse-Systeme werden erarbeitet?

222

12.5 Welche Services sind für den laufenden Betrieb dieser Großelektrolyse-Systeme notwendig?

224

12.6 Ausblick

226

Literatur

227

13 Kosten der Wasserstoffbereitstellung in Versorgungssystemen auf Basis erneuerbarer Energien

228

13.1 Einführung

228

13.2 Strom und Wasserstoff in einem komplementären Versorgungssystem

229

13.3 Herstellung von Wasserstoff

230

13.4 Wasserstofftransport und -verteilung

233

13.5 Integration von Wasserstoff in Energiesysteme mit erneuerbaren Energien

235

13.6 Zusammenfassung

239

Literatur

241

14 Polymerelektrolytmembran-Brennstoffzellen (PEFC) Stand und Perspektiven

243

14.1 Allgemeine Gestaltung einer Polymerelektrolytmembran-Brennstoffzelle

248

14.1.1 Die Membran-Elektroden-Anordnung (MEA)

248

14.1.2 Komponenten einer Membran Elektroden Anordnung (MEA)

249

14.1.3 Katalysatoren

251

14.1.4 Katalysatorschicht

256

14.1.5 Gasdiffusionslagen (GDL)

260

14.2 Bipolarplatten

264

14.2.1 Funktion und Eigenschaften von Bipolarplatten

264

14.2.2 Vergleich metallischer und Graphit-Composit Bipolarplatten

270

14.3 Dichtungen

271

14.4 Stackintegration

274

14.5 Überlegungen zu Stackkosten

277

14.6 Differenzierung zu anderen Brennstoffzellentechnologien

277

14.6.1 Alkalische Brennstoffzellen (AFC)

278

14.6.2 Phosphorsaure Brennstoffzellen (PAFC) und Hochtemperatur PEFC

279

14.6.3 Schmelzkarbonatbrennstoffzellen (MCFC)

280

14.6.4 Oxidkeramische Brennstoffzellen (SOFC)

281

Literatur

281