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Der Internationale Deutsche Wasserstoff Energietag 2004 -
www.H2Congress.de

(Beitrag für die Zeitschrift H2-tech, 21.09.2003)

Von

Carl-Jochen Winter, Überlingen, Germany

         Professor Dr.-Ing. C.-J. Winter, Obere St.-Leonhardstr. 9, 88662 Überlingen, T/F +49 7551 944 5940/1   cjwinter.energon @ t-online.de         

Vom 11. bis 12. Februar 2004 wird der zweite, jetzt internationale, Deutsche Wasserstoff Energietag in Essen stattfinden. Die Ausrichtung liegt in den Händen des Deutschen Wasserstoff Verbandes, der Landesinitiative Zukunftsenergien NRW und der E – World-of-Energy. Essen wird gleichsam der „Heimathafen” des Energietages, der in den kommenden Jahren in zweijährlichem Rhythmus auch in anderen deutschen Städten abgehalten werden wird.

Der Wasserstoff Energietag hat drei Teile, den Vortragsteil, den Ausstellungsteil und tutorials, in denen 100 Jugendliche von Kollegen aus Forschung und Industrie über Elemente der Wasserstoff-Energiewirtschaft unterrichtet werden.

Vier Komplexen widmet sich der nächstjährige Energietag besonders: der Wasserstoffproduktion, den Wasserstoffkorridoren, den Brennstoffzellen, und, ganz und gar nicht zuletzt, den politischen Rahmenbedingen.

  1. Komplex: Wasserstoff wird derzeit überwiegend aus den fossilen Energierohstoffen Erdgas, Mineralöl und Kohle hergestellt; das wird in den nächsten Jahrzehnten auch so bleiben, vorausgesetzt, das mitproduzierte Kohlendioxid (CO2) wird sequestriert und für die Atmosphäre schadlos endgelagert. Forschung und Industrieentwicklung müssen sich stärker als bisher den Fragen der CO2 – Mineralisierung, der CO2 – Adsorption und der Endlagerung in nicht abbauwürdigen Kohleflözen oder ausgekohlten Erdgas- oder Öllagerstätten widmen, um den künftig zu erwartenden verschärften Kyoto-Bedingungen gerecht zu werden. Wasserstoff aus Kohlenwasserstoffen ohne den Kohlenstoff ist mehr wert als mit ihm!
    Solarer Wasserstoff (aus erneuerbaren Energien hergestellt) hat zwar prinzipiell den Vorteil, ohne Treibhausgase zu sein, muss jedoch zunächst Wirtschaftlichkeit der Kraftwerke nachweisen; die Ankopplung der Elektrolyseure ist dann nicht mehr von Gewicht. Solarer Wasserstoff bleibt das Ziel, nicht die Voraussetzung für den Eintritt in die Wasserstoff-Energiewirtschaft!
  2. Komplex: Wasserstofffahrzeuge, gleich ob mit Verbrennungsmotor oder Brennstoffzelle unter der Haube, haben inzwischen die dritte oder vierte Entwicklungsgeneration hinter sich. Ein bis zwei weitere Generationen stehen noch an, bevor erste Kleinserien auf den Markt rollen werden. Dieser Markt wird zunächst von Busunternehmen, Flottenbetreibern und chauffierten Automobilen beschickt werden. Wasserstoff zum Betanken ist da. Was fehlt, sind Tankstellen in Wasserstoffkorridoren, entlang derer der Hauptverkehr rollen wird. Solche Korridore könnten im Fernverkehr die Verbindungen Berlin – Hamburg, Berlin – Düsseldorf, Berlin – München und Hamburg – München sein, im Nahverkehr etwa die Städte Berlin, Düsseldorf, Hamburg, München. Wird, sagen wir, alle 300 km getankt, bleibt die Anfangsinvestition mit wenigen zig Millionen Euro bescheiden. Ca. 20 Mustertankstellen stehen schon, in Deutschland in Hamburg, München und Berlin sowie in Japan und in den USA.
  3. Komplex: Die Forschung und Entwicklung bei Brennstoffzellen boomt. Weltweit werden Milliarden investiert. Portable Brennstoffzellen werden in den nächsten Jahren auf dem Markt sein. Stationäre Industriebrennstoffzellen werden folgen. Brennstoffzellen in den Heizkellern werden wohl noch etwas Zeit brauchen, und automobile Brennstoffzellen noch etwas mehr. Die Zeit, die bis zu den jeweiligen Marktauftritten bleibt, sollte genutzt werden, um kardinale Fragen zu beantworten: Wird der letztlich getankte Kraftstoff Wasserstoff sein? Derzeit wird weltweit mit allen möglichen gasförmigen und flüssigen Kraftstoffen experimentiert, von Erdgas bis Wasserstoff, von Methanol bis Benzin und Diesel. Aber es ist ja denn wohl nicht vorstellbar, dass die eine Marke in dem einen Land mit dem einen Kraftstoff betankt werden muss, die andere Marke in dem anderen Land mit dem anderen. Wenn es Wasserstoff werden wird, wofür alles spricht, könnte die Entwicklung von mobilen Reformern bald beendet werden. Dann aber ist es hohe Zeit, die stationäre Wasserstoff-Infrastruktur aufzubauen. – Oder eine andere kardinale Frage: Welches Aggregat wird das Wasserstofffahrzeug antreiben, der Verbrennungsmotor oder die Brennstoffzelle? Die Entscheidung könne man getrost dem Kunden überlassen, so heißt es. Gewiss. Aber industriepolitisch wird es zu drastischen Strukturänderungen kommen, wenn etwa Schmiedewerke für Kurbelwellen und Pleuelstangen oder Alugießereien für Motorgehäuse geschlossen und Fabriken für Brennstoffzellenstacks eröffnet werden müssen! – Schließlich der
  4. Komplex: Häufig wird nach dem Staat gerufen, wenn es um die Finanzierung von Innovationen geht. Gewiss, Steuergeld hilft, aber es ist hier nicht entscheidend. Wenn die Ergänzung, letztlich Ablösung der ein Jahrhundert alten Kohlenwasserstoffenergiewirtschaft durch die Wasserstoffenergie- wirtschaft ansteht, geht es um Trillionen eher denn Billionen oder Millionen; und das kann nur privates Geld sein! Nein, was mitentscheidend sein wird und was nur vom Staat kommen kann, ist der dokumentierte Wille zur Wasserstoffenergiewirtschaft sowie die Förderung einer positiv-konstruktiven Grundhaltung in der politischen Klasse und der Gesellschaft. Und eine weise Außenwirtschaftspolitik, denn Deutschland war Energieimportland, ist es und wird es auch in der Ära der Wasserstoffenergiewirtschaft bleiben; es finden sich nun mal nicht genug Primärenergien im eigenen Lande. Nicht durch Steuern steuern, die der Wirtschaft Innovationskapital entziehen, sondern durch Anreize zur Technologieinnovation, denn die Wasserstoffenergiewirtschaft wird technikgeführt sein: Technische Innovationen werden zum Schlüssel, eine „Energie”, die dem HYtech-Land ja nun wahrlich auf den Leib geschrieben sein sollte!

Für mehr Information siehe www.itsHYtime.de.


Wasserstoff als Energieträger in Energiewirtschaft und Transport -
22 Argumente

Von

Carl-Jochen Winter, Überlingen, Germany

  1. Wasserstoff (H) ist im Periodensystem der Elemente das leichteste Element mit der Ordnungszahl 1.
  2. Wasserstoff kommt auf der Erde nur chemisch gebunden vor (Wasser H2O, Schwefelwasserstoff H2S, Ammoniak NH3, Kohlenwasserstoffe CnHm, ... )
  3. Wasserstoff ist nichts Neues. Er wurde von Henry Cavendish (1731-1810) und Antoine Lavoisier (1743-1794) gefunden. Industrielle Wasserstoffchemie gibt es seit mehr als 100 Jahren. Bevor es Erdgas gab, wurde mit Stadtgas geheizt, gekocht und beleuchtet („Leuchtgas”); es enthielt bis zu 70 % Wasserstoff.
  4. Wasserstoff ist keine Energie, sondern Energieträger (wie elektrischer Strom, ... ), für dessen Herstellung Energie aufzuwenden ist.
  5. Wasserstoff wird überwiegend aus Kohlenwasserstoffen gewonnen, etwa durch Dampfreformierung von Erdgas oder durch partielle Oxidation von Kohlenwasserstoffen. Nur wenige Prozent stammen aus der elektrolytischen Wasserspaltung in Wasserstoff und Sauerstoff. Niedertemperatur/Mitteldruck - Elektrolyseure sind Stand der Technik, Hochleistungselektrolyseure werden erforscht.
  6. Wasserstoff wird weltweit zu 600 bis 700 Milliarden Nm3/a gehandelt. Das scheint viel, entspricht energetisch aber nur etwa der Hälfte des Endenergiebedarf allein Deutschlands; so gesehen, steht Wasserstoff energiewirtschaftlich ganz am Anfang.
  7. Es gibt bisher nur zwei industrielle Branchen, die Wasserstoff energetisch nutzen, die Raumfahrt und U-Boote, begünstigt dadurch, dass zwar die volumenspezifische Energiedichte von Wasserstoff um einen Faktor 3 kleiner, die massenspezifische aber um einen Faktor 3 bis 4 größer ist als diejenigen der gebräuchlichen Kohlenwasserstoffe. Nichtenergetisch wird Wasserstoff in der Fetthärtung, in der Kühlung von elektrischen Generatoren, in der Ammoniak- und Methanolsynthese, in der Elektronikfertigung, ... eingesetzt. Die größten Mengen werden in Raffinerien produziert und dort, etwa zur Entschwefelung, auch gleich wieder genutzt (captive hydrogen).
  8. Es gibt prinzipiell keine absolute Sicherheit in der Technik, auch in der Energietechnik nicht. Jeder Energieträger hat seine spezifischen Sicherheitsrisiken. Wasserstoff hat eine große Affinität zu (Luft-)Sauerstoff (O2), der Zündbereich eines zündfähigen Gemischs ist groß, die Zündenergie klein. Aber die Diffusion von Wasserstoff in Luft ist groß, so dass Wasserstoffleckagen oder Wasserstoffbrände sehr schnell nach oben entweichen. Der Energieträger Wasserstoff hat zwei inhärente Sicherheitsvorteile gegenüber allen anderen Energieträgern:
    • Es kann per se keine langzeitigen Folgeschäden unbekannten Ausmaßes als Folge freigesetzter (Radio-)Toxizitäten und Radioaktivitäten geben und
    • Wasserstoff trägt zum anthropogenen Treibhauseffekt nicht bei (Bedingung: Eine künftige Wasserstoff-Luftfahrt fliegt unterhalb der Tropopause, dort, wo Wasserdampf in großen Mengen natürlicherweise vorkommt). Es gibt ein komplettes Wasserstoff-Sicherheitsinstrumentarium im Markt.
  9. Nie haben die Menschen nur eine Energie genutzt, nie hat eine jeweils neue Energie ihre Vorgängerinnen gänzlich verdrängt, der Energiebedarf der wachsenden Menschheit brauchte sie alle:
    • Bis weit in das 18. Jahrhundert gab es ausschließlich erneuerbare Energien der ersten solaren Zivilisation.
    • Das 19. Jahrhundert war das Jahrhundert der Kohle, gegen sein Ende ergänzt durch Mineralöl.
    • Im 20. Jahrhundert kamen Erdgas und Kernspaltungsenergie hinzu.
    • Viele plausible Argumente sprechen dafür, dass das 21. Jahrhundert auf dem Weg in die energetische Nachhaltigkeit das Jahrhundert der Energieeffizienz, der rationellen Energiewandlung und rationellen Energieanwendung, der Nutzung erneuerbarer Energien, jetzt der zweiten solaren Zivilisation, und des Energieträgers Wasserstoff werden wird.
  10. Die Energiegeschichte des 19. und 20. Jahrhunderts war geprägt von den Energierohstoffen Kohle, Öl, Erdgas und Uran: Die Energieversorgung war – und ist nach wie vor – energierohstoffgeführt. – Anders das 21. Jahrhundert: Es wird technikgeführt sein. Energieeffizienz, rationelle Energiewandlung und rationelle Energieanwendung liefern mehr Energiedienstleistungen bei weniger Primärenergierohstoffeinsatz. Die erneuerbaren Energien kennen den betrieblichen Primärenergierohstoff erst gar nicht, und der Sekundärenergieträger Wasserstoff wird aus allen denkbaren Primärenergien hergestellt. Technisches Wissen ist der Schlüssel.
  11. Energiewirtschaft geschieht in betrieblich simultan durchlaufenen Energie- und Stoffumwandlungsketten: Von der Primärenergie zur Sekundärenergie, zur Endenergie, Nutzenergie, schließlich zu den Energiedienstleistungen, um derentwillen letztlich die Kette durchlaufen wird; alle vorgelagerten Kettenglieder haben keinen Selbstzweck, sie sind Mittel zum Zweck. – Parallel wird die Stoffumwandlungskette durchlaufen, die mit dem Primärenergierohstoff beginnt und – nach vielen chemischen und physikalischen Umwandlungen – mit der Abgabe von Rest- und Schadstoffen an die Geosphäre endet. Nicht die Energiewandlung stellt die ökologischen Fragen, sondern die simultane Stoffumwandlung, die viele offene Enden zur Umwelt hin hat, über die sie mit ihr in Konflikt tritt. Den Energiewandlungsketten der erneuerbaren Energien und des solaren Wasserstoffs (= Wasserstoff mithilfe erneuerbarer Energien hergestellt) fehlen die simultan zu durchlaufenden betrieblichen Stoffumwandlungsketten ganz; es müssen folglich auch die ökologischen Konsequenzen fehlen.
  12. Kohlen, Mineralöl und Erdgas sind Kohlenwasserstoffe, deren atomares Wasserstoff-Kohlenstoffverhältnis H/C sich verhält wie Kohlen : Mineralöl : Erdgas = < 1 : 2 : 4 ; es strebt für den Übergang zu einer Wasserstoffenergiewirtschaft dem Wert unendlich (∞) zu.
  13. Die auf die Energieeinheit bezogene Tonnage Kohlenstoff des anthropogenen Energiesystems ist in den letzten 120 Jahren um 35 % gefallen, sie fällt weiter. Entcarbonisierung findet statt – das Energiesystem wird kohlenstoffärmer – , einhergehend mit einer Hydrogenisierung – das System wird wasserstoffreicher – und, da die Atomgewichte von C=12 und H=1 sind, mit einer Entmaterialisierung. Im Übergang von Kohlen auf Öl und weiter auf Erdgas, schließlich in einer prospektiven Wasserstoffenergiewirtschaft auf Wasserstoff wird Energie leichter; Leitungsgebundenheit nimmt zu.
  14. Transport von gasförmigem oder verflüssigtem Wasserstoff in Pipelines, an Bord von Tankschiffen, auf der Bahn oder in Tanklastzügen ist Stand der Technik; Ähnliches gilt für die Wasserstoffspeicherung in Hochdruckflaschen, Mitteldruckcontainern, Metallhydrid- oder Flüssiggasspeichern samt zugehörigen Be- und Enttankungseinrichtungen. Roboter-Flüssigwasserstoffbetankung von Automobiltanks wird derzeit am Flughafen in München demonstriert.
  15. Die Wasserstoffverflüssigung nach dem Claudeprozeß ist Stand der Technik; es wird ca. 1 Kilowattstunde an elektrischer Energie benötigt, um 3 Kilowattstunden Wasserstoff zu verflüssigen. Magnetokalorische Verflüssigung verspricht höhere Wirkungsgrade, braucht aber noch viel Forschungsarbeit.
  16. Katalytische Wasserstoff/Luft-Heizer sind weitgehend verstanden und im Markt.
  17. Schnelle H2/O2-Dampferzeuger für die elektrische Sofortreserve in der Leistungsklasse bis 100 MWe sind weitgehend entwickelt und warten an der Schwelle zum Markt; sie versprechen Wirtschaftlichkeit, weil die Androsselung der Kondensationskraftwerke um wenige Prozent in die Grundlast übernommen werden kann.
  18. Die Nutzung von Wasserstoff und Luft/Sauerstoff in Gasturbinen (Raketenantriebe, Flugtriebwerke) sowie die Nutzung von Wasserstoff und Luft in Hubkolbenmotoren externer oder interner Gemischbildung sind weitgehend verstanden. Es gibt keine Raumfahrtnation, die nicht Wasserstoff für Raketenantriebe nutzt. Eine Tupolew TU-155 flog in den 1980er Jahren mit einem Wasserstoff/Luft-Triebwerk. Airbus arbeitet am Cryoplane.
  19. Die große Herausforderung der Gegenwart ist William Groves (1811-1896) Brennstoffzelle. Sie ist ein chemo-elektrischer Energiewandler, keine Wärmekraftmaschine, die für höhere Wirkungsgrade höhere Temperaturen verlangt, die temperaturfeste und teure Materialien erfordern. Die Brennstoffzelle ist leise, kompakt und – ohne bewegte Teile – vibrationsfrei. Sie ist vielstoffähig und nutzt – mit und ohne Reformer – Wasserstoff, Erdgas, Kohlegas, Methanol, Biogas, selbst Benzin und Diesel. Sie ist höchsteffizient und bringt es auf Gesamtnutzungsgrade von mehr als 90 % bei hohen Stromzahlen. Sie ist emissionsarm, bei Verwendung von Wasserstoff und Sauerstoff buchstäblich schadstofffrei; ihre Emissionen sind dann nur warme Luft und Wasserdampf. Einsatzfelder sind
    • als Batterieersatz für portable Geräte wie laptops, handys, Fernsehkameras hoher Betriebsdauern
    • als Blockheizkraftwerke der Leistungsklassen von wenigen Kilowatt bis mehrere Megawatt
    • in der Traktion an Bord von Bussen und Automobilen als Generatorersatz sowie für den elektrischen Transport und Verkehr, verbrauchsarm und emissionsarm
    • im topping cycle von Kombikraftwerken aus Hochtemperaturbrennstoffzelle, Gasturbine und Dampfturbine mit erwartbaren elektrischen Wirkungsgraden von 70 %.
  20. Die Wasserstoffenergiewandlungskette ist auf ihrer ganzen Länge umwelt- und klimaökologisch sauber, wenn die eingesetzten Primärenergien sauber sind. Eine Musterkette ist die des solaren Wasserstoffs: Stromerzeugung aus erneuerbaren Energien (Wasserkraftwerke, Solarkraftwerke, Windkraftwerke, Biomasseanlangen, ... ), elektrolytische Wasserzerlegung in Wasserstoff und Sauerstoff, Transport und Speicherung, schließlich Nutzung durch Wasserstoff/Sauerstoff-Rekombination. Es besteht ein geschlossener Stoffkreislauf: Wasser aus dem Wasserhaushalt der Erde, Wasser nach Wasserspaltung und Rekombination in ihn zurück. Die Projekte HYSOLAR und Solar-Wasserstoff-Bayern(SWB) haben bis zu einer Leistung von 350 Kilowatt die direkte Einkopplung photovoltaischen Stroms in die Elektrolyse nachgewiesen. – Solarer Wasserstoff ist das Ziel, nicht die Voraussetzung für die Wasserstoffenergiewirtschaft.
    Saubere Wasserstoffketten sind auch denkbar, wenn Wasserstoff aus fossilen Energien hergestellt wird, unter der Bedingung, dass das mitproduzierte Kohlendioxid sequestriert und für die Atmosphäre schadlos genutzt oder endgelagert wird, etwa mineralisiert oder in ausgekohlten Lagerstätten und nicht abbauwürdigen Kohleflözen mit gasundurchlässigen Deckschichten. Mit einem Musterprozess wird in Norwegen experimentiert: Erdgas aus dem Meeresgrund der Nordsee auf der Bohrplattform zu Wasserstoff und Kohlendioxid wasserdampfreformiert, das Kohlendioxid wird unter Druck in die leeren Erdgasfelder zurückgepumpt. Es dient seiner eigenen Endlagerung und der Druckförderung von Erdgas und damit der Erhöhung des Entgasungsgrads. 1 Million Kubikmeter CO2 sind experimentell bereits unter dem Meeresboden verschwunden.
  21. Das Freiburger Projekt des Solar/Wasserstoff-autarken Wohnhauses hat das (nahezu) Nullenergiehaus nachgewiesen (Null= die lebensdauerlange Beschaffung von Betriebsenergie vom Markt ist null). - Selbst das „Negativ”energiehaus, das im Sommer mehr Sonnenenergie einsammelt und für die Winternutzung durch die Speicherung elektrolytischen Wasserstoffs und Sauerstoffs vorhält als es für den Eigenbedarf braucht, ist keine Illusion.
  22. Wasserstofftechniken am Markt sind:
    • Dampfreformierung von Erdgas
    • Partielle Oxidation von Kohlenwasserstoff
    • Standardelektrolyse
    • Alkalische Brennstoffzelle
    • Phosphorsaure Brennstoffzelle als Blockheizkraftwerk
    • Wasserstofftriebwerke in der Raumfahrt
    • Wasserstoffkompressoren und -pumpen
    • alle Arten von Speichern, GH2, LH2
    • alle Arten von Transportmitteln auf der Straße, der Schiene, in Pipelines
    • Wasserstoffkatalyse
    • Wasserstoffsensoren
    Wasserstofftechniken an der Schwelle zum Markt:
    • Hochleistungselektrolysen höheren Drucks (30 bar)
    • Wasserstoffhubkolbenmotoren für den stationären Betrieb und die Traktion
    • Roboter Wasserstoff-Betankung von Automobilen (GH2, LH2)
    • Ionenaustauschmembran-Brennstoffzelle für Automobile und Busse
    • Ionenaustauschmembran- oder Festoxidbrennstoffzelle für die Hausenergieversorgung
    • H2/O2-Sofortreserve
    Marktnahe Demonstration :
    • Wasserstoff aus Methanol
    • No-Emission-Stadtbusflotten (im Gange)
    • Brennstoffzellengestütztes Nahwärmenetz
    • Schmelzkarbonatbrennstoffzelle
    • Transatlantischer LH2-Pilottransport an Bord von Kryotankschiffen
    • Pilot-LH2-Airline plus Bodeninfrastruktur
    Forschung und Entwicklung:
    • Hochtemperaturelektrolyse/Brennstoffzelle
    • Hochtemperaturbrennstoffzelle im topping cycle einer Kombianlage
    • Erdgas-, Methanol-, Benzinreformer für mobile Anwendungen
    • Photochemische Wasserstoffherstellung
    • Materialforschung an Membranen
    • Reduktion des Edelmetallbedarfs der Katalyse
    • Reaktionskinetik an Oberflächen
    • GH2-Speicherung bei Hochdruck (~700 bar)
    • Geometrisch nicht-abwickelbare Speicher für Fahrzeuge
    • Nanostrukturen als Wasserstoffspeicher
    • Low-NoX - Wasserstoff - Brennkammern
    • Mechano-katalytische Wasserspaltung
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