Wasserstoff und Brennstoffzelle - Technologien und Marktperspektiven

Geleitwort

Vorwort

Inhaltsverzeichnis

1 Wasserstoff als strategischer Sekundärenergieträger

1.1 Die Rahmenbedingungen

1.2 Wasserstoff und Energiewirtschaft

1.2.1 Eigenschaften des Wasserstoffes

1.2.2 Herstellung des Wasserstoffs

1.2.3 Produktion von Wasserstoff aus fossilen Energieträgern und Biomasse

1.2.4 Wasserspaltung durch Wärmeenergie

1.2.5 Wasserspaltung durch elektrische Energie (Elektrolyse)

1.2.6 Wasserspaltung durch Sonnenlicht (Photokatalyse)

1.3 Transport und Speicherung des Wasserstoffs

1.3.1 Transport des gasförmigen oder flüssigen Wasserstoffes

1.3.2 Wasserstoff-Verteilung durch Pipelines

1.3.3 Speicherung des Wasserstoffs in Salzkavernen

1.4 Einsatz des Wasserstoffes als chemischer Grundstoff und in Energiewandlungstechniken

1.4.1 Die Herstellung von Ammoniak

1.4.2 Wasserstoff in der petrochemischen Industrie

1.4.3 Wasserstoff und Brennstoffzellen

1.4.4 Wasserstoff als Treibstoff für Autos

1.4.5 Wasserstoff als Treibstoff für Flugzeuge

1.4.6 Wasserstoff als Zwischenprodukt in CCS-Kraftwerken

1.4.7 Wasserstoff in der Industrie am Beispiel der Stahlerzeugung

1.4.8 Wasserstoff als Grundstoff zur Methan- und Methanolerzeugung

1.5 Wasserstoffwirtschaft: Konkurrenten und mögliche Einbindung

1.5.1 Wasserstoff und Verkehr

1.5.2 Wasserstoff und Fusion: ein Seitenblick

1.6 Zusammenfassung und Ausblick

Literatur

2 Rolle des Wasserstoffs bei der großtechnischen Energiespeicherung im Stromsystem

2.1 EinleitungMotivation [1]

2.2 Untersuchungsgegenstand

2.3 Großtechnische Speichertechnologien [4]

2.3.1 Pumpspeicherwerke (PSW) [4]

2.3.2 Diabate Druckluftspeicherkraftwerke (CAES) [4]

2.3.3 Adiabate Druckluftspeicherkraftwerke (AA-CAES) [4]

2.3.4 Wasserstoffspeichersysteme [4]

2.3.5 Methanspeichersysteme

2.4 Modellbeschreibung

2.5 Beschreibung der untersuchten Szenarios

2.5.1 Allgemeine Datengrundlage und Annahmen

2.5.2 Beschreibung der Sensitivitätsanalyse

2.6 Ergebnisse

2.6.1 Basisszenario

2.6.2 Sensitivitätsanalyse

2.6.3 Saisonalität und Strommix der Wasserstoffnutzung

2.7 Fazit und Zusammenfassung

Literatur

3 Sicherheit in der Anwendung von Wasserstoff

3.1 Allgemeines

3.2 Gefahrenmerkmale von Wasserstoff

3.2.1 Brennbarkeit

3.2.2 Kleines Molekül

3.2.3 Tiefe Temperaturen

3.2.4 Andere

3.3 Explosionsschutz

3.3.1 Zonen

3.3.2 Primärer Explosionsschutz

3.3.3 Sekundärer Explosionsschutz

3.3.4 Konstruktiver Explosionsschutz

3.3.5 Gesetzliche Rahmenbedingungen

3.4 Speicherung

3.4.1 Komprimiertes Gas

3.4.2 Tiefkalte Flüssigkeit

3.4.3 Slush

3.4.4 Überkritisches Fluid

3.4.5 Unterirdisch

3.4.6 Chemische Verbindungen

3.4.7 Gesetzliche Rahmenbedingungen

3.5 Transport

3.5.1 Pipeline

3.5.2 Straße

3.5.3 Andere Verkehrswege

3.5.4 Gesetzliche Rahmenbedingungen

Literatur

4 Mobile Anwendungen

4.1 Nachhaltige Mobilität

4.2 Elektrifizierung des Antriebstrangs

4.3 Anforderungen an Brennstoffzellenfahrzeuge und Brennstoffzellenantriebstränge

4.3.1 Technische Anforderungen

4.3.2 Legislative Anforderungen – Gesetzgebung

4.3.3 Fahrzeugherstellerinterne Anforderungen

4.4 Technische Umsetzung eines Brennstoffzellenantriebstranges

4.4.1 PKW Überblick SystemeKomponenten im Antriebstrang

4.4.2 VAN – Spezifische Ausprägungen

4.4.3 Bus – Spezifische Ausprägungen

4.5 Hauptsysteme eines Brennstoffzellenantriebs

4.5.1 Brennstoffzellenstack

4.5.1.1 Polymermembran und Gas Diffusion Layer (GDL)

4.5.1.2 Bipolarplatten

4.5.1.3 Dichtung

4.5.2 Brennstoffzellensystem

4.5.2.1 Wasserstoffversorgungsmodul

4.5.2.2 Luftversorgung

4.5.2.3 SpannungStromversorgung

4.5.2.4 SteuerungRegelung Gesamtprozess

4.5.2.5 Einflussfaktor Luftversorgung

4.5.3 Hochvolt (HV) - Architektur

4.5.4 Betriebsführungsherausforderungen Wirkungsgrad und Kaltstart

4.5.4.1 Wirkungsgrad

4.5.4.2 Kaltstart

4.6 Wasserstoff-Speichersysteme für mobile Anwendungen

4.6.1 Druckspeicher

4.6.2 Flüssigwasserstoffspeicherung

4.6.3 Hydride

4.6.4 Weitere Konzepte

4.6.4.1 Nanotubes

4.6.4.2 Metal Organic Frameworks

4.6.4.3 Kryo-komprimierter Wasserstoff

4.7 Geschichte der Brennstoffzellentechnik in mobilen Anwendungen

4.7.1 FahrzeugePKW

4.7.2 Omnibusse – Stadtbusse

4.7.3 Weitere mobile Anwendungen

4.7.3.1 Lastkraftwagen

4.7.3.2 Auxiliary Power Unit (APU)

4.7.3.3 Bahn

4.7.3.4 Schiffe

4.7.3.5 Luft- und Raumfahrt

4.8 Ausblick

Literatur und Referenzen

5 Wasserstoff und Brennstoffzelle – mobile Anwendung in der Luftfahrt

Abkürzungen

5.1 Einleitung

5.2 Hauptantrieb mit Wasserstoff

5.3 Funktionen der Brennstoffzelle an Bord von Verkehrsflugzeugen

5.4 Brennstoffzelle als „kleines“ Notstromaggregat im Flugzeug

5.5 Elektrisches Rollen von Verkehrsflugzeugen am Flughafen

5.6 Brennstoffzelle in Kleinflugzeugen

5.7 Brennstoffzelle in unbemannten Flugzeugen

5.8 Zusammenfassung

Literatur

6 Brennstoffzellen in der Hausenergieversorgung

6.1 Kraft-Wärme-Kopplung

6.2 Warum noch Brennstoffzellen?

6.3 Erdgasbasierte Brennstoffzellen-Heizgeräte

6.4 Integration von Brennstoffzellen-Heizgeräten im Haus

6.5 Brennstoffzellen-Heizgeräte mit erneuerbaren Energien

6.6 Brennstoffzellen-Heizgeräte – Status & Ausblick

7 Unterbrechungsfreie Stromversorgung

7.1 Anwendungsfelder einer USV

7.2 Stand der Technik

7.2.1 Batterietechnik

7.2.2 Netzersatzanlagen (NEA)

7.3 Brennstoffzellen im USV-Einsatz

7.3.1 Geeignete Brennstoffzellentypen

7.3.2 Ausführungsmerkmale eines geeigneten BZ-Systems

7.4 Technologievergleich

8 Sicherheitsrelevante Anwendung

8.1 Brennstoffzelle und Brandschutz

8.2 Sauerstoffreduzierung allgemein

8.2.1 Schutz von Materialien

8.2.2 Aufenthalt von Menschen

8.2.3 Schutzbereiche

8.3 Neue Anwendung der Brennstoffzelle

8.4 Fazit

Literatur

9 Portable Brennstoffzellen

9.1 Einleitung

9.2 Stand der Technik

9.2.1 Membranbrennstoffzellen kleiner Leistung

9.2.1.1 Wasserstoffsysteme

9.2.1.2 Direktmethanol-Brennstoffzellen

9.2.1.3 Brennstoffzellensysteme mit vorgeschaltetem Reformer

9.2.1.4 Festoxidbrennstoffzellen kleiner Leistung

9.3 Wasserstoffspeicher

9.4 Mikrobrennstoffzellen

Literatur

10 Nutzung von konventionellem und grünem Wasserstoff in der chemischen Industrie

10.1 Einleitung

10.2 Wasserstoff als Grundstoff für die chemische Industrie

10.2.1 Weltweite Nutzung nach Branchen

10.2.2 Industrielle Anwendungen

10.2.3 Versorgungsinfrastruktur für Wasserstoff

10.3 Nutzung von grünem Wasserstoff in der chemischen Industrie

10.3.1 Herstellung von grünem Wasserstoff

10.3.2 Vergleich der Hauptnutzungsarten für grünen Wasserstoff

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

10.4 Handlungsbedarf

Literatur

11 Elektrolyse-Verfahren

11.1 Einleitung

11.2 Physikalisch-chemische Grundlagen

11.3 Alkalische Elektrolyse

11.4 PEM Elektrolyse

11.5 Hochtemperatur-Elektrolyse

11.6 Stand der Technik

11.6.1 Alkalische Elektrolyse

11.6.2 PEM-Elektrolyse

11.7 Beispiele für heutige Anwendungen

11.7.1 Power-to-Gas

11.7.2 Tankstellen

11.8 Ausblick

Literatur

12 Die Entwicklung von Großelektrolyse-Systemen: Notwendigkeit und Herangehensweise

12.1 Einleitung

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

Was bedeutet „groß“?

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

12.4 Welche Sicherheitskonzepte für Großelektrolyse-Systeme werden erarbeitet?

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

12.6 Ausblick

Literatur

13 Kosten der Wasserstoffbereitstellung in Versorgungssystemen auf Basis erneuerbarer Energien

13.1 Einführung

13.2 Strom und Wasserstoff in einem komplementären Versorgungssystem

13.3 Herstellung von Wasserstoff

13.4 Wasserstofftransport und -verteilung

13.5 Integration von Wasserstoff in Energiesysteme mit erneuerbaren Energien

13.6 Zusammenfassung

Literatur

14 Polymerelektrolytmembran-Brennstoffzellen (PEFC) Stand und Perspektiven

14.1 Allgemeine Gestaltung einer Polymerelektrolytmembran-Brennstoffzelle

14.1.1 Die Membran-Elektroden-Anordnung (MEA)

14.1.2 Komponenten einer Membran Elektroden Anordnung (MEA)

14.1.3 Katalysatoren

14.1.4 Katalysatorschicht

14.1.5 Gasdiffusionslagen (GDL)

14.2 Bipolarplatten

14.2.1 Funktion und Eigenschaften von Bipolarplatten

14.2.2 Vergleich metallischer und Graphit-Composit Bipolarplatten

14.3 Dichtungen

14.4 Stackintegration

14.5 Überlegungen zu Stackkosten

14.6 Differenzierung zu anderen Brennstoffzellentechnologien

14.6.1 Alkalische Brennstoffzellen (AFC)

14.6.2 Phosphorsaure Brennstoffzellen (PAFC) und Hochtemperatur PEFC

14.6.3 Schmelzkarbonatbrennstoffzellen (MCFC)

14.6.4 Oxidkeramische Brennstoffzellen (SOFC)

Literatur