Fleischer, T.

Nieke, E.

KITopen

Energierohstoffe sind Gegenstandpolitischer Auseinandersetzun-gen. Mit der zunehmenden Indus-trialisierung und der Steigerungdes globalen Wohlstandsniveauswächst die Nachfrage nach fossi-len Ressourcen, während gleich-zeitig die Grenzen ihrer Verfügbar-keit immer näher kommen. Zudemwird die Rolle der Verbrennungfossiler Energierohstoffe für regio-nale und globale Umweltproble-me, vor allem bei den CO2-Emis-sionen, immer deutlicher. Vor die-sem Hintergrund suchen Politik,Wirtschaft und Wissenschaft seitgeraumer Zeit nach Alternativen. Die Idee der Verwendung von Was-serstoff als eine der möglichen„Zukunftsenergien“ beflügelt dieMenschheit seit mehr als einemJahrhundert. Die Ölpreiskrisen inden siebziger Jahren gaben For-schung und Entwicklung in die-sem Bereich einen neuen Schub.Technisch wurde inzwischen vielerreicht, ökonomisch und ökolo-gisch blieb die Wasserstoffnut-zung in den Kinderschuhen ste-cken. Und nun im Zuge sich wandelnderpolitischer Konstellationen – Roh-stoffhunger der Schwellenländer,Krise im Nahen Osten, Umwelt-folgen vor allem des Verkehrs –ein neuer Anlauf. Anfang 2003 kün-digt Präsident Bush die 1,2 Milli-arden Dollar schwere „HydrogenFuel Initiative“ an, Anfang 2004zieht die Europäische Kommissionmit dem „European Hydrogen andFuel Cell Technology Platform“nach. Um die Diskussion um Wasser-stoff und seine zukünftige Rollebesser einordnen zu können, seiein Blick auf Energiewandlungs-ketten erlaubt. Wir nutzen Energiein einer ganzen Zahl von Erschei-nungsformen: Wärme, Bewe-gungsenergie (Maschinen- undFahrzeugantriebe), Beleuchtung,Elektrizität (z. B. für Informations-technik). Hierzu setzen wir meistWandlungstechniken ein, die ih-rerseits speziell dafür hergestellte(Sekundär-) oder in der Natur vor-gefundene (Primär-) Energieträgerverwenden. Ein klassisches illust-ratives Beispiel ist der Sekundär-energieträger Elektrizität, der auseiner ganzen Zahl von Primär-energieträgern gewonnen werdenkann und für nahezu alle oben ge-nannten Verwendungszwecke ein-setzbar ist.Wasserstoff ist ebenfalls ein Sekun-därenergieträger, der zunächst„hergestellt“ werden muss, da er inder Natur nur in gebundener Formvorkommt. Hierzu besteht eineVielzahl von Möglichkeiten. Das im technischen Maßstab heu-te wichtigste Verfahren zur direk-ten Wasserstoffgewinnung ist dieDampfreformierung von Naturga-sen oder von bei Crackprozessenanfallenden Spaltprodukten. Da-neben entsteht auch bei der Um-setzung schwerer Kohlenwasser-stoffe oder von Kohle mit Sauer-stoff (partielle Oxidation) und nach-geschalteter CO-Shift-Reaktion wasserstoffhaltiges Synthesegas.Technisch bedeutsam ist des Wei-teren die Wasserstoffgewinnungdurch Einwirkung von Wasser-dampf auf Kohle. Weiterhin lässt sich Wasserstoffdurch elektrolytische Wasserspal-tung herstellen. Ökonomisch sinn-voll wäre dieses Verfahren insbe-sondere dann, wenn die hierzunötige elektrische Energie billig zurVerfügung stünde oder ein hoherReinheitsgrad des Wasserstoffsbenötigt wird. Über die ökologi-sche Bilanz entscheidet der Ener-giemix der Erzeugung des hier ein-gesetzten Stromes. Die Herstel-lung von sogenanntem REG-Was-serstoff als Ergebnis eines Wand-lungsprozesses unter Nutzung re-generativ erzeugter Elektrizität (ausSolar- oder Windenergie, Wasser-kraft oder Geothermie) ermöglichteine CO2-freie Wasserstofferzeu-gung. Letztere lässt sich auchdurch die Verwendung von Kern-energiestrom realisieren.Die Erzeugung von Wasserstoffaus Biomasse – über Vergasungoder Vergärung und mit anschlie-ßender Reformierung – versprichthohe Systemwirkungsgrade. Zu-dem werden in jüngerer Zeit Ver-fahren der direkten biologischenWasserstofferzeugung diskutiert.Sie befinden sich noch in unter-schiedlichen Stadien der For-schung und Vorentwicklung, keinesist heute kommerziell verfügbar. Wasserstoff substituiert also keinePrimärenergieträger, er ist auchnicht so vielseitig einsetzbar wiesein „Bruder“ Strom. Warum alsoWasserstoff? Kann der Sekundär-energieträger Wasserstoff die Herausforderungen beider Primärenergie-versorgung mildern?Wasserstoff alspolitischeHandlungsoption152(152)Wasserstoff: Ein Energieträger im Spannungsfeldzwischen Technik, Wirtschaft und PolitikT. Fleischer, E. Nieke, ITASNACHRICHTEN - Forschungszentrum Karlsruhe  Jahrg. 37  3/2005  S. 152-155 Hartnäckig hält sich die Mär vomgrundsätzlich sauberen, als „Ener-giequelle“ unbegrenzt verfügba-ren Wasserstoff. Dies ist so nicht zustützen. „Wasserstoff“ ist nicht diepauschal richtige Antwort auf Fra-gen nach der Zukunft der Ener-gieversorgung. Vielmehr bedarf eseiner differenzierten Betrachtung,wobei die Pfade der Wasserstoff-erzeugung sowie die konkretenAnwendungen die entscheiden-den Parameter sind.Auf den klassischen fossilen bzw.nuklearen Energiepfaden könnendie Kosten der Wasserstofferzeu-gung – vereinfacht gesprochen –niemals kleiner sein als die Kostender letztlich eingesetzten Ener-gierohstoffe – geteilt durch denGesamtwirkungsgrad der Prozess-kette. Dieser ist immer deutlichkleiner als Eins. Und hierin liegtletztlich begründet, warum ener-getische Wasserstoffnutzung bis-her die technologische Nischenicht verlassen konnte. Mit derenergetischen Bilanz eng verwo-ben sind Umweltgesichtspunkte.Komplexer wird die Betrachtungbei der Verwendung regenerativerzeugten Wasserstoffs. Sollte die-ser dank deutlich gesunkener Ge-stehungskosten, aus Gründen derRessourcenverknappung oder in-folge von Umweltgesetzgebungverstärkt in den Markt eintreten, istzwischen stationären und mobi-len Verwendungen zu unterschei-den.Im stationären Bereich sind Wär-meanwendungen unter Nutzungvon Wasserstoff unsinnig, er wür-Wasserstoff inunterschiedlichenAnwendungen153(153)Abb. 1: Herausforderungen bei der Wasserstoffnutzung (stark schematisiert).Primär-energieaus fossilenQuellenRegenerativeEnergie-quellenTransport inRohrleitungen(gasförmig)Strom-erzeugung Verdichtung oderVerflüssigungWasserstoff-erzeugungStationäreAnwendungen (Strom, Wärme)MobileAnwendungen(Antriebe, Strom,Wärme)Fahrzeug-speicherökonomischtechnisch ökologischde vorwiegend zur Erzeugung elek-trischer Energie Anwendung fin-den. Hierbei treten energetischeVerluste auf. Die Kosten für Stromaus REG-Wasserstoff werden so-mit für den Nutzer – systembe-dingt – immer größer sein als beider direkten Nutzung des REG-Stromes. Wo Wasserstoff direktmit Stromanwendungen konkur-riert, wird er sich darum in der Re-gel ökonomisch nicht durchset-zen können. Ausnahmen könn-ten hier beispielsweise netzferneStromanwender sein.Anders sieht es bei mobilen An-wendungen, vor allem im Ver-kehrsbereich aus. Zum einen istdieser stark an den EnergieträgerErdöl gebunden, zum anderen ste-hen für einige Verkehrsträger auchlängerfristig wohl keine geeignetenSpeichermedien für elektrische Energie zur Verfügung. Hauptverbraucher ist weltweit derStraßenverkehr – mit wachsenderTendenz. Für den breiten Energie-markt dürften hier in den nächsten20 bis 30 Jahren noch flüssigeKohlenwasserstoffe (Benzin undDiesel) in Verbrennungsmotorenden Vorrang haben. Mittel- undlangfristig sollten aber Optionenfür den Einsatz erneuerbarer Energieträger nicht nur für die sta-tionäre Energieversorgung, son-dern auch im Verkehr eröffnet wer-den. Zum einen sind hier Emissi-ons- und Klimaschutzgründe an-zuführen, zum anderen ist dieÜbertragung des Konzepts einerauf Erdöl basierenden mobilen Ge-sellschaft auf den heute noch nichtmotorisierten Teil der Welt aus Res-sourcengründen nicht realisierbar. Da Wasserstoff aus fossilen wieauch regenerativen Primärener-gieträgern herstellbar ist, würdedurch effiziente Wasserstoff-An-triebe eine regionale Differenzie-rung und Diversifizierung von Energieträgern für den Verkehr re-alisierbar. Zudem könnten durch ih-re Entwicklung und Einführung dietechnische Basis für die Nutzungregenerativer Energien im Verkehrgeschaffen und ein gleitenderÜbergang aus der erdölbasierten indie regenerative Treibstoffversor-gung ermöglicht werden. Für die Analyse und Gestaltungeines Energiesystems ist nebender Energieumwandlung auch dieEnergieverteilung von Bedeutung.Da Wasserstoff unter Umge-bungsbedingungen gasförmig ist,kommt hier der Infrastruktur einestarke Rolle zu. Hierbei ist zwi-schen Infrastrukturen für stationä-re und mobile Anwendungen zuunterscheiden, wobei erstere ausoben genannten Gründen hier nichtweiter diskutiert wird.Die infrastrukturellen Herausfor-derung für mobile sowie nicht anein Wasserstoff-Netz anschließba-re stationäre Anwendungen sindkomplex. Hier sind Speichertech-niken erforderlich. Zahlreiche Spei-cheroptionen wurden entwickelt,von denen sich jede durch spezi-fische technisch-infrastrukturelleEigenschaften auszeichnen, dieüber ihre Einsatzfähigkeit für die in-dividuelle Anwendung entschei-den: Flüssigwasserstoffspeicherung(LH2) ist die massenbezogen besteSpeichermethode. Da es sich beidieser um eine Tiefsttemperatur-speicherung handelt, sind ihr tech-nischer Aufwand und der para-sitäre Energieverlust hoch. Druck-gaswasserstoffspeicherung (CGH2)ist die heute am weitesten ver-breitete Form der Speicherung.Deren Energiedichte ist für vieleAnwendungen nicht befriedigend,weshalb die Suche nach Alterna-tiven hierzu ein Schwerpunkt derWasserstoffforschung ist.Bei der Metallhydridspeicherungerfolgt die Anlagerung von gasför-migem Wasserstoff an metalli-schen Legierungen. Vorteile desMetallhydridspeichers sind seinerelative hohe volumenspezifischeSpeicherdichte und eine weitge-hend verlustfreie Speicherung überdie Zeit, Nachteile sind seine nied-rige massenspezifische Speicher-dichte sowie die Tatsache, dass zurWasserstofffreisetzung je nach Le-gierung teilweise hohe Tempera-turen benötigt werden. Als ein weiterer Hoffnungsträgergilt die Speicherung in Kohlenstoff-Nanoröhren. Man hat hier Spei-cherdichten von etwa 10 Vol.-%prognostiziert, diese aber bishernoch nicht sicher nachgewiesen.Als chancenreiche Wasserstoff-trägermaterialien haben sich inneuerer Zeit vor allem die Alanate,u. a. in Form von nanokristallinemPulver erwiesen [1].Neben der Verteilungsinfrastruk-tur stellt sich für mobile Anwen-dungen im Verkehrsbereich dasProblem der Vertriebsinfrastruk-tur. Technisch ist die Entwicklungvon Wasserstoff-Tankstellen weitgediehen; nicht endgültig geklärt istder Aufbau eines hinreichendenVertriebsnetzes. Damit sich einweitgehend selbst tragender Marktfür Wasserstoff-Fahrzeuge ausbil-den kann, ist nämlich die ausrei-chende Verfügbarkeit von Tank-möglichkeiten sicherzustellen. Einsolcher Prozess erfordert einenzeitlichen Vorlauf vor einer Ein-führung solcher Energieträger unddiese nutzender neuer Antriebe,seine Umsetzung scheint zwischenFahrzeug- und Mineralölindustrieallein derzeit nicht lösbar. In diesem Kontext wurde des Öf-teren nach stärkerem Engagementvon politischer Seite gerufen undeine befristete staatliche An-schubfinanzierung ins Spiel ge-bracht. Jüngstes Beispiel ist die Firma Linde, die im März 2005 dieSchaffung eines Ringes von 40Wasserstofftankstellen in einemKernbereich des deutschen Auto-bahnnetzes vorgeschlagen hat [2].Eine breite Einführung von Was-serstoff im Verkehrssektor würdeseitens der Politik zudem Koordi-nation und Unterstützung im Be-reich der Zulassung von Wasser-stoff als Kraftstoff und bei der eu-ropaweiten Harmonisierung derZulassungsvorschriften notwen-dig machen. Wasserstoff wird häufig in Verbin-dung mit der Brennstoffzellen-technik diskutiert. Diese ist seitüber 150 Jahren vom Prinzip herbekannt. In der Folge mit sehr un-terschiedlicher Intensität unter-sucht, hat sie in den letzten Jahreneine Renaissance erlebt. Gründehierfür sind in veränderten energie-und umweltpolitischen Rahmen-bedingungen als auch im wissen-schaftlichen Fortschritt zu sehen.Dabei verbirgt sich hinter „Brenn-stoffzelle“ keine einheitliche Tech-nik. Aus funktionstechnischer Sichtsind auf der Basis verschiedensterelektrochemischer Reaktionen undihrer Randbedingungen eine ganzeReihe von Brennstoffzellen-Typendenkbar und partiell auch im La-bormaßstab untersucht worden.Brennstoffzelle undWasserstoffwirtschaft –Siamesische Zwillinge?Die Bedeutung derInfrastruktur154(154)Gemeinsam ist ihnen, dass eineelektrochemische Stromquelle beikontinuierlicher Zuführung der Re-aktionskomponenten kontinuier-lich elektrische Energie erzeugt.Der entscheidende Vorteil dabeiist, dass in ihnen die chemischeEnergie des Brennstoffs direkt inelektrische Energie umgewandeltwird, im Unterschied zur konven-tionellen Stromerzeugung in Kon-densationskraftwerken der Wir-kungsgrad nicht aus physikali-schen Gründen begrenzt ist.Von der möglichen Palette sind imwesentlichen fünf Brennstoffzel-len-Typen unter kommerziellen Ge-sichtspunkten weiterentwickeltworden, welche sich nach Be-triebstemperatur, dem Betriebs-druck, den einsetzbaren Brenn-stoffen oder auch den verwende-ten Elektrolyten unterscheiden las-sen. International durchgesetzt hatsich eine Bezeichnung nach demeingesetzten Elektrolyten. Alle Brennstoffzellen-Systeme nut-zen wasserstoffreiche Gase, wobeiNiedertemperaturbrennstoffzellen(AFC, PEMFC) deutlich höhere An-forderungen an die Reinheit derBrennstoffe als Hochtemperatur-Brennstoffzellen (MCFC, SOFC)stellen. Prinzipiell ist in Brennstoff-zellen-Systemen auch chemischgebundener Wasserstoff, etwa inForm von Erdgas, Biogas, Kohle-gas oder Methanol, umsetzbar.Dieser ist durch Reformierungsre-aktionen in molekularen Wasser-stoff überführbar, was je nach Typbrennstoffzellenintern oder -ex-tern erfolgen kann und mit einementsprechenden verfahrenstech-nischen und energetischen Auf-wand verbunden ist. Für größerestationäre Anwendungen konzen-triert man sich auf Hochtempera-turbrennstoffzellen, die die direk-te Nutzung von Naturgasen erlau-ben.Für mobile Anwendungen kom-men – vor allem aus Sicherheits-und Effizienzgründen – derzeit nurNiedertemperaturbrennstoffzellen(vor allem die PEMFC) in Frage.Wegen deren höheren Anforde-rungen an die Brennstoffreinheitwird hier die direkte Nutzung vonWasserstoff als Brenngas disku-tiert. Aufgrund der oben erwähntenProbleme mit dessen Speicherungwird alternativ die Nutzung vonMethanol – entweder als Aus-gangsstoff für eine Reformierungim Fahrzeug oder zur direkten Nut-zung in einer angepassten PEMFC(auch als DMFC bezeichnet) – un-tersucht. Sollte eine geeigneteSpeicheroption zur Verfügung ste-hen, wiese die Wasserstoffoptiongegenüber der Methanoloption fürBrennstoffzellen-Antriebe energe-tische Vorteile auf. Gegenüber derdirekten Nutzung von Wasserstoffin konventionellen Verbrennungs-155(155)[1] M. Fichtner, O. Fuhr, O. Kircher,A. Léon, NACHRICHTEN – Forschungszentrum Karlsruhe,Jahrg. 37 1-2/2005, S. 52-58[2] Linde plant Netz von Wasserstoff-Tankstellen. Konzernchef Reitzle schlägt„Wasserstoff-Highway“ fürDeutschland vor – Kosten mit 30Millionen Euro „überraschendgering“. Die Welt vom 22.02.2005[3] D. Oertel, T. Fleischer,Brennstoffzellen-Technologie:Hoffnungsträger für den Klimaschutz.Technische, ökonomische und öko-logische Aspekte ihres Einsatzes inVerkehr und Energiewirtschaft. Berlin:Erich Schmidt 2001 (Beiträge zurUmweltgestaltung, Bd. A 146)Literaturmotoren käme vor allem der deut-lich bessere Wirkungsgrad desBrennstoffzellenprozesses zumTragen. Die in Medien und Politik oft ver-tretene oder suggerierte Einheitvon Wasserstoff-Wirtschaft undBrennstoffzellen existiert aus tech-nischer Sicht also nicht. WennBrennstoffzellen in Verbindung mitWasserstoff diskutiert werden, istdies eher das Ergebnis multikrite-rieller Optimierungen, die unter an-derem durch die vorgesehene An-wendung (stationär, mobil, trag-bar) und daraus resultierende tech-nische Anforderungen, durch Wirt-schaftlichkeitsbetrachtungen unddurch Anforderungen in Bezug aufEnergieeffizienz und Umweltwir-kungen beeinflusst werden [3].Technisch brauchen Brennstoff-zellen keine Wasserstoff-Wirt-schaft, wohl aber wird eine Was-serstoff-Wirtschaft vor allem ausGründen der Wirtschaftlichkeit aufdie Verfügbarkeit von Brennstoff-zellen angewiesen sein.

Wasserstoff: Ein Energieträger im Spannungsfeld zwischen Technik, Wirtschaft und Politik

https://publikationen.bibliothek.kit.edu/120062527/3814737

Wasserstoff: Ein Energieträger im Spannungsfeld zwischen Technik, Wirtschaft und Politik

Abstract

Similar works

Full text

Available Versions

KITopen