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Wasserstoff und Brennstoffzelle - Technologien und Marktperspektiven
Johannes Töpler, Jochen Lehmann
Verlag Springer Vieweg, 2013
ISBN 9783642374159 , 283 Seiten
Format PDF, OL
Kopierschutz Wasserzeichen
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