Wasserstofftechnologien

Technologie, Anwendung und die Energiewende
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Was ist Wasserstoff und was sind Wasserstoffanwendungen? Seit einigen Jahres wird viel über dieses Thema gesprochen. Die deutsche Bundesregierung als auch die EU setzen auf den Energieträger, um die gesetzten Klimaziele zu erreichen. Der Einsatz von Wasserstoff ist aber alles andere als simpel und erfordert detaillierte Planung und clevere Ingenieure für die Umsetzung. Doch welche Wasserstofftechnologien gibt es und für welche Bereiche können diese wirtschaftlich angewendet werden? Welchen Beitrag leistet DiLiCo engineering in diesem Zusammenhang? Im Folgenden wird ein Überblick dazu gegeben und auf die wesentlichen Unterschiede bei Wasserstoffanwendungen eingegangen.

Was ist Wasserstoff?

Wasserstoff ist das leichteste Element im Univerum und besteht nur aus einem Proton und einem Elektron. Wasserstoff als Molekül ist ein gasförmiger Energieträger, sehr leicht und dadurch sehr flüchtig. Dies macht die Handhabung von Wasserstoff sehr schwer. Allerdings hat Wasserstoff auch eine sehr hohe massebezogene Energiedichte (33,33 kWh/kg) und ist damit als Energiespeicher geeignet. Ein Nachteil von Wasserstoff ist, dass seine volumenbezogene Energiedichte sehr gering ist und deshalb große Mengen meist nur unter sehr hohem Druck gespeichert werden können. Dennoch gibt es verschiedene Technologien, die sich mit der Anwendung des Moleküls Wasserstoff beschäftigen. Denn Wasserstoff ist ausreichend auf dem Planeten vorhanden. Man findet es im Wasser oder gebunden in Kohlenwasserstoffen, allerdings nicht in reiner Form. Wasserstoff muss aus Wasser oder Kohlenwasserstoff gewonnen werden.

Was sind Wasserstofftechnologien?

Wasserstofftechnologien sind mechanische oder chemische Anwendungen bei denen Wasserstoff genutzt wird. Hierbei kann zwischen drei Arten von Wasserstofftechnologien unterschieden werden:

  • Technologien zur Wasserstoffgewinnung
  • Technologien zur Wasserstoffnutzung
  • Technologien zur Wasserstoffspeicherung

Neben den drei genannten Arten von Wasserstofftechnologien gibt es auch noch die Technologien zu Wasserstoffverteilung und Infrastruktur. Auf diese soll an dieser Stelle aber nicht weiter eingegangen werden.

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Technologien zur Wasserstoffgewinnung

Wasserstoff ist nicht, wie andere Bodenschätze, in roher Form auf der Erde vorhanden, sondern muss durch Einwirkung von Energie aus Wasser oder Kohlenwasserstoffen gewonnen werden. Die am meisten genutzten Technologien zur Wasserstoffgewinnung sind die Dampfreformierung und die Elektrolyse. Bei der Dampfreformierung wird Wasserstoff durch hohe Temperaturen und dem Zuführen von Wasserdampf aus Kohlenwasserstoffen abgespalten. Dabei bleiben allerdings Kohlenstoffverbindungen übrig, so dass die Gewinnung von Wasserstoff nicht ohne Emissionen durchgeführt werden kann. Bei der Elektrolyse wird durch einen chemischen Prozess mit elektrischer Energie das Wasser in seine Bestandteile aufgespalten. Dabei entstehen Sauerstoff und Wasserstoff. Wird der Wasserstoff bei der Elektrolyse mit Strom aus erneuerbaren Energiequellen erzeugt, spricht man von grünem Wasserstoff. Der Wasserstoff kann dann in verschiedenen Formen gespeichert werden. Auf der entsprechenden Seite erläutern wir, welche Arten von Elektrolyseuren es gibt und wie diese genau funktionieren.

Technologien zur Wasserstoffnutzung

Der gewonnen Wasserstoff kann durch Brennstoffzellen wieder rückverstromt werden und mit der gewonnen elektrischen Energie können elektrische Lasten betrieben werden. Dabei wird die sogenannte kalte Verbrennung angewendet. Innerhalb der Brennstoffzelle wird die Reaktion zwischen Wasserstoff und Sauerstoff kontrolliert durchgeführt. Dabei entsteht eine elektrische Spannung, die von einem Verbraucher genutzt werden kann. Das Abfallprodukt der Reaktion ist reines Wasser. Es entstehen bei dieser Form der Stromgewinnung keine weiteren Emissionen. Je nachdem wo die Brennstoffzelle zum Einsatz kommt, werden unterschiedliche Typen von Brennstoffzellen verwendet.

Technologien zur Wasserstoffspeicherung

Da Wasserstoff sehr leicht und flüchtig ist, stellt die Speicherung des chemischen Stoffes eine große Herausforderung dar. Das derzeit am meisten genutzte Verfahren der Wasserstoffspeicherung ist die Speicherung in Druckspeichern. Diese Art der Speicherung hat ein, im Verhältnis zu anderen Speichermöglichkeiten, geringes Gewicht und lässt sich gut in der Mobilität einsetzen. Eine weitere Möglichkeit ist die Speicherung in Metallhydridspeicher. Hier wird der Wasserstoff in kalten Metallgitterstrukturen eingelagert und wird bei Erwärmen wieder freigesetzt. Diese Art der Speicher kann große Mengen an Wasserstoff bei geringem Druck und Temperatur speichern, dafür ist das Eigengewicht sehr hoch. Darüber hinaus kann Wasserstoff auch als Flüssiggas bei sehr tiefen Temperaturen (-252,8 °C) eingespeichert werden. Damit wird die höchste Energiedichte erreicht, jedoch müssen diese Speicher extrem gut wärmeisoliert werden, damit der Wasserstoff sich nicht wieder verflüchtigt. Dies Art der Speicherung eignet sich gut für große Volumen wie beispielsweise bei Wasserstofftankstellen. Je nach Anwendungsgebiet hat jeder dieser Speichertypen seine Vor- und Nachteile.

Welche Wasserstoffanwendungen gibt es?

Bild: Schematische Darstellung der Verknüpfung der Sektoren Strom, Wärme und Gas durch Wasserstofftechnologien.

Wasserstoff wird in der Chemie-Industrie schon lange für viele Herstellungsprozesse verwendet. Das Interesse an Wasserstoff zur Speicherung und Erzeugung von elektrischer Energie wurde erst in den letzten Jahren stärker in den Fokus gerückt. Vor allem der sehr volatil erzeugte Strom aus Photovoltaik- und Windkraftanlagen stärkt den Bedarf nach flexiblen Energiespeichern.
Für Wasserstofftechnologien gibt es eine Vielzahl an Einsatzmöglichkeiten:

  • Flexible Energiespeicherung von erneuerbaren Energien
  • Wasserstoffanbtrieb für LKW, Bus, Bahn und Schiff
  • Sektorenkopplung
  • Unterbrechungsfreie Stromversorgung
  • Kraft-Wärme-Kopplung
  • Nutzung von Wasserstoff in der Stahlindustrie

Die genannten Wasserstofftechnologien können miteinander verbunden oder einzeln an verschieden Standorten und Anwendungen eingesetzt werden.

Flexible Energiespeicherung

Die Energiewende, die aktuell sowohl auf europäischer Ebene mit dem „Green Deal“ als auch mit der nationalen Wasserstoffstrategie auf nationaler Ebene vorangetrieben wird, rückt den grünen Wasserstoff als flexiblen Energiespeicher in den Fokus. Die volatile Energieerzeugung durch Erneuerbare Energien stellt eine große Herausforderung für den Transport von Energie dar. Stromnetze müssen ausgebaut und erzeugter Strom muss dort hin transportiert werden, wo er benötigt wird.
Um die Stromnetze nicht zu überlasten, bietet es sich an Wasserstoff als Zwischenspeicher für elektrische Energie zu nutzen. Der gewonnene Strom aus den erneuerbaren Energien wird durch Elektrolyse in Form von Wasserstoff gespeichert und kann dann flexibel an die Orte transportiert werden, an denen der Strom gebraucht wird. Durch die Verwendung von Brennstoffzellen kann dann der Wasserstoff bedarfsgerecht wieder in Strom umgewandelt werden.

Durch den Einsatz von Wasserstoffanwendungen kann das Problem der Stromspeicherung zum Teil gelöst werden. Ein Vorteil ist, dass die Energie flexibel eingesetzt werden kann. Hier kann auch ein Übergang der Energie in andere Sektoren bei der sogenannten Sektorenkopplung stattfinden. Allerdings sagen Kritiker, dass durch die vielen Wandlungsprozesse der Wirkungsgrad und damit der Verlust von Energie sehr hoch ist und damit ineffizient. Dennoch wird es als sinnvoll erachtet, dass beispielsweise eine Windkraftanlage weiterhin Strom erzeugt, auch wenn der Strom gerade nicht abgenommen werden kann. Dies ist durch den Einsatz von Wasserstofftechnologien wie die Elektrolyse möglich. Der Überschussstrom wird dann in Form von Wasserstoff eingespeichert. Dieses Vorgehen kann zur Dekarbonisierung beitragen und verdrängt umweltschädliche fossile Energieträger.

Wasserstoffanwendungen im Mobilitätssektor

Im Mobilitätssektor können Wasserstofftechnologien einen erheblichen Beitrag zur Dekarbonisierung leisten. Dabei beschränkt sich der Einsatz nicht nur auf PKW. Der Einsatz im Zugverkehr, bei LKW oder Schiffen bringt erhebliche CO2 Einsparungen. Beispielsweise sind in Deutschland ein Großteil der Zugstrecken nicht elektrifiziert. Auf diesen Strecken fahren aktuell noch Dieselfahrzeuge. Diese können durch Züge mit Wasserstoffantrieb ersetzt werden und große Mengen an CO2 einsparen.
Des Weiteren bietet die Brennstoffzellentechnologie eine gute Möglichkeit, um den Schwerlastverkehr zu elektrifizieren. Bei der Elektrifizierung von LKW besteht das Problem, dass der Energiebedarf für die Fortbewegung sehr hoch ist und somit schwere Batterien benötigt werden. Der Wasserstoff kann hingegen in leichten Carbon Tanks eingespeichert werden und reduziert damit das Gewicht des LKWs bei gleichzeitig höherer Reichweite. Weiterhin ist ein komplettes Auftanken in nur wenigen Minuten mögliche.

Stationäre Wasserstoffanwendungen zur Energieversorgung

Die stationären Wasserstoffanwendungen mit Brennstoffzellen stehen nicht so stark im öffentlichen Fokus wie die mobilen Brennstoffzellenanwendungen. Im stationären Bereich können Brennstoffzellen allerdings auch sehr viel leisten. Beispielsweise bei der Gebäudeenergieversorgung durch Kraft-Wärme-Kopplungsanlagen mit Brennstoffzellen können bereits heute höhere Wirkungsgrade erreicht werden als mit erdgasmotorischen Technologien. Durch die Technologie der Brennstoffzelle können in dem Sektor der Gebäudeenergieversorgung erheblich Emissionen eingespart werden.

Die meisten Anlagen sind bereits in der Lage, mit reinem Wasserstoff zu arbeiten. Da hier allerdings noch die Infrastruktur fehlt, arbeiten die meisten Anlagen auf Erdgasbasis mit einer Dampfreformierung, wobei noch geringfügige CO2 Emissionen entstehen. Beim Einsatz von grünem Wasserstoff wäre die Energieerzeugung dieser Anlagen ohne CO2 Emissionen möglich. Darüber hinaus werden Brennstoffzellen für die unterbrechungsfreie Stromversorgung in Rechenzentren oder bei kritischen Infrastrukturen eingesetzt. Auch für netzferne Anlagen zur unterbrechungsfreien Stromversorgung von Mobilfunkmasten werden Brennstoffzellensysteme bereits eingesetzt, da diese wesentlich wartungsärmer sind und Wasserstoff wesentlich einfacher und länger gelagert werden kann als beispielsweise Diesel.

Wasserstofftechnologien und die Energiewende

Die genannten Anwendungen reduzieren den Ausstoß von CO2 Emissionen und haben dadurch einen starken Einfluss auf unsere Umwelt. Seitens der Politik ist der Wandel hin zu Wasserstofftechnologien und zu einer Wasserstoffwirtschaft gefordert. Dabei kommt es aber darauf an, wie der Wasserstoff hergestellt wird und wo dieser hergestellt wird. Meistens ist es so, dass der Wasserstoff nicht dort, wo er erzeugt werden kann auch gebraucht wird. Er muss also gelagert und transportiert werden.

All diese Aufwendungen von Energie müssen in die Wirkungskette einbezogen werden. Deshalb muss genau betrachtet werden, an welchen Stellen die Produktion und die Anwendung von Wasserstofftechnologien sinnvoll sind. Dass die Technologie der Elektrolyse eine wichtige Form der Energiespeicherung darstellt ist aktuell nicht mehr von der Hand zu weisen. Neben der Rückgewinnung der elektrischen Energie durch Brennstoffzellen, kann der Wasserstoff auch übergangsweise in verschiedene andere Sektoren eingebunden werden.

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Damit kann ein Fortschreiten der Dekarbonisierung der Sektoren gefördert und die Energiewende Schritt für Schritt vorangebracht werden.

Grüner Wasserstoff im Rahmen der Energiepolitik

Durch die Herstellung und Anwendung von grünem Wasserstoff strebt die deutsche Bundesregierung die Erfüllung der gesetzten Klimaziele bis 2050 an. Dabei ist grüner Wasserstoff nur einer von vielen Bausteinen für die Erreichung der Klimaziele. Auch die Europäische Union setzt auf grünen Wasserstoff und will Europa in der weltweiten Wasserstoffwirtschaft zum Weltmarktführer machen. Zentral dafür ist die kostengünstige Produktion von grünem Wasserstoff. Durch die vielen und flexiblen Einsatzmöglichkeiten von Wasserstoff können somit fossile Brennstoffe in vielen Sektoren substituiert werden. Der Sektor der aktuell am stärksten auf Wasserstoff bzw. Elektrifizierung setzt ist der Mobilitätssektor. Aber auch im stationären Bereich bei der Gebäudeenergie kann Wasserstoff zukünftig fossile Brennstoffe nach und nach ersetzen und somit eine erhebliche CO2 Reduzierung bis hin zur CO2 Neutralität herbeiführen.

Wirtschaftlichkeit von Wasserstoffanwendungen

Wasserstoffanwendungen können die Zukunft unserer Energieversorgung wesentlich beeinflussen. Der Grund warum die Technologie noch nicht so verbreitet ist, sind die Kosten der Technologien. Die Wirtschaftlichkeit ist sowohl bei der Elektrolyse als auch bei den Brennstoffzellenanwendungen bisher noch ein großer Faktor, warum potenzielle Interessenten die Investition noch scheuen.

Der Staat hat durch Förderungen bereits viel zum Markthochlauf beigetragen, beispielsweise durch das KfW Programm 433 zur Förderung von stationären Brennstoffzellenheizung. Allerdings sind die Systeme immer noch teurer im Vergleich zu verfügbaren Alternativen. Gerade im stationären Bereich bei Elektrolyseuren und Brennstoffzellen BHKWs besteht das Problem, dass die Stacks (in Reihe geschalteten Zellen) sehr hohe Betriebsstunden benötigen. Diese liegen bei bis zu 80.000 Stunden, damit eine Brennstoffzellenheizung über zehn Jahre betrieben werden kann. Um diese Werte langfristig zu erreichen, ist noch einiges an Forschung notwendig.

An dieser Stelle setzen die Produkte von DiLiCo engineering an. Durch unsere Zellspannungsüberwachung mit DiLiCo cell voltage können Fehler in den Stacks früh erkannt und durch Anpassung der Betriebsparameter behoben werden. Dies führt zu:

  • Einer längeren Lebensdauer der Stacks
  • Einer geringen Ausfallquote der Anlagen
  • Einer höheren Kundenzufriedenheit

Ein weiteres Problem der Elektrolyseure und Brennstoffzellen ist der elektrische Wirkungsgrad und die Alterung der Zellen. Damit der Wirkungsgrad und die Lebensdauer erhöht werden kann, benötigen Entwickler Einblick in das Innere einer Zelle im Stack, um das Reaktionsverhalten besser analysieren zu können. Auch hierfür hat DiLiCo engineering Produktlösungen entwickelt, um Entwicklern diese Möglichkeiten zu bieten. Mit DiLiCo current density und DiLiCo current density for baltic qCf haben Sie die Möglichkeit in das Innere einer Zelle zu sehen und können dort die Stromdichte- und Temperaturverteilung innerhalb live während des Betriebes betrachten. Dadurch hat der Kunde:

  • Erkenntnisse zur lokalen Alterung der Zelle
  • Einblicke in die Gas- und Reaktionsverteilung
  • Handlungsmöglichkeiten zur Steigerung der Effizienz

Durch den Einsatz der Messtechnik von DiLiCo engineering können bereits in der Entwicklung der Stacks Mehrwerte realisiert werden, die die Kosten der Gesamtsysteme sinken lässt und die Effizienz und Lebensdauer erhöht. Beides trägt dazu bei, dass die Wirtschaftlichkeit der Systeme weiter steigt.