Wasserstoffproduktion aus unterschiedlichen Quellen (siehe Abbildung 1), Konditionierung



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Entwurf zur Technologiebewertung

Wasserstoff

Nur für internen Gebrauch

Auszug aus dem Verbundprojekt

Energietechnologien 2050 – Schwerpunkte für Forschung und Entwicklung

http://www.energietechnologien2050.de/


  1. Wasserstoff

    1. Wasserstoff

      1. Beschreibung des Technologiefeldes


Wasserstoff ist auf der Erde in praktisch unbegrenzten Mengen vorhanden1, allerdings fast ausschließlich in chemischen Verbindungen (Wasser, Säuren, Kohlenwasserstoffe und anderen organische Verbindungen). Deshalb muss Wasserstoff erst gewonnen werden und ist somit ein kohlenstofffreier Energieträger, vergleichbar mit Strom oder Wärme, aber keine Primärenergie. Das ist zum einen ein Nachteil, weil die Produktion von Wasserstoff immer mit einem Energieaufwand (und damit auch Umweltbelastungen) verbunden ist, zum anderen aber auch sein besonderer Vorteil, da Wasserstoff aus allen Energiequellen hergestellt werden kann. Weitere Vorteile sind seine Umweltfreundlichkeit in der Verwendung, seine Transportfähigkeit und seine Speicherfähigkeit sowie seine hohe gewichtsspezifische Energiedichte. Allerdings weist Wasserstoff aufgrund seiner geringen volumetrischen Speicherdichte auch Nachteile gegenüber Flüssigkraftstoffen wie Benzin, Diesel oder anderen gasförmigen Energieträger, wie z. B. Erdgas bei der Speicherung auf.

Die Wasserstofftechnologien lassen sich in folgende vier Themenkomplexe einordnen2:



  • Wasserstoffproduktion aus unterschiedlichen Quellen (siehe Abbildung 1),

  • Konditionierung von Wasserstoff, da Wasserstoff zum Transport- und zur Lagerung aufgrund der geringen volumetrischen Energiedichte i. d. R.

  • komprimiert (heutige Speicher- und Transportkonzepte sehen 10-70 MPa vor),

  • verflüssigt (auf ca. -253 °C),

  • komprimiert bei tiefen Temperaturen (insbesondere überkritisch),

  • chemisch gebunden (wie z. B. in Methanol),

  • in Feststoffen nahe Umgebungsbedingungen chemisch absorbiert oder

  • in porösen Materialen vorzugsweise bei tiefen Temperaturen adsorbiert

    werden muss,

  • Transport- und Verteilung von Wasserstoff (gasförmig in Trailern und Pipelines oder flüssig in Trailern) und

  • Speicherung von Wasserstoff (geologisch, d. h. unterirdisch in geeigneten Gesteins- oder Salzformationen, Druckwasserstofftanks, Flüssigtanks, in Metallhydriden, chemisch gebunden oder absorbiert und physikalisch adsorbiert).

Wasserstoff als Energieträger kann in portablen Anwendungen wie Camcordern, stationären Anwendungen zur (ggf. gekoppelten) Strom-, Wärme- und Kälteerzeugung und mobilen Anwendungen (Straßentransport wie PKW, Busse, Leichttransporter aber auch in Luft-, maritimem und Schienentransport) eingesetzt werden. Die überwiegend diskutierte, weil effiziente Energiewandlungstechnologie ist die Brennstoffzelle (BZ, die in Abschnitt xx beschrieben wird. Aber auch in Verbrennungsprozessen wie Verbrennungsmotoren und Gasturbinen kann Wasserstoff verwendet werden. Auf diese Techniken wird in Kapitel xx weiter eingegangen.

Portable Anwendungen spielen aus energiewirtschaftlicher Perspektive nur eine sehr untergeordnete Rolle. Jedoch können sie dazu beitragen, die technologische Entwicklung maßgeblich voranzutreiben. Das vielversprechendste Einsatzgebiet für Wasserstoff außerhalb bestimmter Nischenanwendungen ist derzeit der motorisierte Individualverkehr. Hier kann Wasserstoff in Verbindung mit hocheffizienten Brennstoffzellen zu einer Senkung der Treibhausgasemissionen und lokaler Schadstoffemissionen einschließlich Lärm sowie der Integration von erneuerbaren Energien beitragen. Der wirtschaftliche Einsatz von Wasserstoff in stationären Anwendungen wie der Hausenergieversorgung in Mitteleuropa konnte bisher nur für Inselanwendungen als sinnvoll nachgewiesen werden. Im Gegensatz dazu erscheint der Einsatz von Hochtemperatur-BZ mit Erd- oder Biogas wirtschaftlich für viele dezentrale stationäre Anwendungen, insbesondere zur gekoppelten Erzeugung von Strom, Wärme und Kälte. Unter diesem Gesichtspunkt kann die bestehende Erdgasinfrastruktur als „Markteintrittsbarriere“ für Wasserstoff verstanden werden. Weiterhin ist die Anzahl an möglichen gasverbrauchenenden Alternativen wie Gasmotoren, Mikrogasturbinen, Sterlingmotoren u. a. sehr groß und dementsprechend auch der Druck auf die Wirtschaftlichkeit von Wasserstofftechnologien. Auch kann sich die Energieeffizienz der ganzen Kette als problematisch darstellen (so weisen Gasbrennwertkessel eine deutlich höhere Effizienz bei der Wärmeversorgung auf). Prinzipiell sind sog. Spill-over durch die gemeinsame Nutzung der Wasserstoff-Versorgungsinfrastruktur für den Verkehrs- und stationären Sektor zu erwarten. Ob und inwieweit sie jedoch auch langfristig den stationären Wasserstoffeinsatz begünstigen, ist nicht abzusehen.



Quelle: Ball (2006)

Abbildung 1: Optionen der Wasserstoffproduktion nach Energieträgern

Die Förderung von Wasserstoff als Energieträger ist ein erklärtes Ziel der Bundesregierung, was sich auch in der öffentlichen F&E-Förderung widerspiegelt. Im Nationalen Innovationsprogramm Wasserstoff- und Brennstoffzellentechnologie (NIP) werden sowohl die bestehenden und fortlaufenden Maßnahmen der Bundesregierung, z. B. Forschung und Entwicklung des BMWi und des BMBF im Rahmen des 5. Energieforschungsprogrammes als auch alle neuen Maßnahmen, wie z. B. Marktvorbereitungsaktivitäten des BMVBS koordiniert und aufeinander abgestimmt3. Weltweit spielt die öffentliche Förderung von Wasserstoff in fast allen F&E-Programmen eine bedeutende Rolle.


      1. Aktueller Entwicklungsstand und künftiger Entwicklungsbedarf


Der größte Teil der heutigen weltweiten Wasserstoffproduktion (600-720 Mrd. Nm³) entsteht als Neben- oder Koppelprodukt in Prozessen der chemischen Industrie und wird auch von dieser selbst in anderen Prozessen wieder verbraucht. Anfang des 20. Jahrhunderts bestand die Gasversorgung ausschließlich aus Stadtgas, ein Kohlengas, das mehr als 50 % Wasserstoff enthält. Deswegen sind Technologien für die Herstellung und Bearbeitung von industriellem Wasserstoff gut erforscht und kommerziell verfügbar.

Im Jahre 2003 wurde Wasserstoff zu 48 % aus Erdgas, zu 30 % aus Öl und Prozessgasen aus Raffinerien und der chemischen Industrie und zu 4 % durch Elektrolyse hergestellt (Zahlen aus IEA (2006)). Allerdings ist für eine flächendeckende Nutzung von Wasserstoff als Energieträger für mobile, stationäre und portable Anwendungen zunächst erst der Demoprojektstatus zu verlassen. Des weiteren befinden sich zahlreiche Technologien im Entwicklungs- und F&E-Status. Tabelle xx gibt einen Überblick über den technologischen Entwicklungsstand, wobei die fett gedruckten Technologien die Schwerpunkte dieser Studie darstellen. Das Thema der Brennstoffzelle wird separat in Kapitel xx behandelt.

Tabelle 1: Entwicklungsstadium von Wasserstoff-Schlüsseltechnologien

Kommerziell

Demonstration

F&E

Ideenfindung

Produktion

Fossile Wasserstoffproduktion (Dampfreformierung, Kohlevergasung, Partielle Oxidation)

Alkalische Elektrolyse (dezentral, on-site)
Weltweite Produktion: 500 Milliarden Nm3 H2

Deutsche Produktion:

20 Milliarden Nm3 H2
Speicherung

Stationäre


Kleinspeicher

Hochdruckspeicher


(45 MPa)

LH2-Speicher



Verteilung:

Verflüssiger


Biomassevergasung

PEM-Elektrolyse

Kostengünstige Hochdruckelektrolyse

Großelektrolyseure
(zentral)


Abfallwasserstoff


Mobile Kleinspeicher

Hochdruckspeicherung


(70-82,5 MPa)

LH2-Speicherung

Metallhydridspeicherung

Stationäre Großspeicher

Geologische (=Untertage)Speicher





Hochtemperatur-elektrolyse

Thermo-chemische Wasserstoffherstellung

Solarthermische Verfahren zur Methannutzung

Vergärung

Fermentation

Kohlevergasung mit CO2-Sequestrierung


Komplexe Hydride

Kryo-Hochdruck­speicher, Kryoadsorption in porösen Materialien



Biochemische
Herstellung
(Algen, Bakterien)

Mikroglaskugeln



Quellen: Eigene Darstellung auf Basis von Trudewind et al. (2008), DLR (2008), HyWays (2007), Ball (2006), Ball (2009a), BMWA (2005), HFP (2007), Roads2HyCom (2008)

Industriepolitischer Konsens ist, dass die Wasserstoffherstellung mit möglichst geringen CO2-Emissionen verbunden sein sollte und dass bei der Wasserstoffherstellung aus Gründen einer künftig sicheren Energieversorgung ein breiter Mix an Primärenergien zum Einsatz kommen wird. Eine aktuelle Studie (GermanHy (2008)) hat die Quellen für die Wasserstoffherkunft in Deutschland im Detail analysiert. Aufgrund der Unterschiede in Nachfragemengen, Auslastung der Infrastruktur, unterstelltem Anstieg der fossilen Energieträgerpreise und politischen Rahmenannahmen wird sich der Infrastrukturaufbau über die Zeit an die jeweiligen Bedingungen anpassen.

In der ersten Phase des Infrastrukturaufbaues ist insbesondere für Gebiete mit geringer Nachfrage die Bereitstellung von Wasserstoff aus Industrieanlagen (Nebenproduktwasserstoff) oder die Produktion von Wasserstoff in Biomassevergasungsanlagen die günstigste Option. Transport und Verteilung erfolgen dann in Form von Flüssigwasserstoff mittels Tanklastzügen. In der Nähe lokaler oder regionaler Wasserstoff-Erzeugungsanlagen können auch kleinere Pipelinenetzwerke entstehen. Die Biomassevergasung ist grundsätzlich die günstigste Option, Wasserstoff aus erneuerbaren Energien bereitzustellen. Sie kann je nach Szenario (Energieträgerpreise und Klimaschutzziele) spätestens ab 2020 konkurrenzfähig zur Wasserstofferzeugung aus fossilen Energieträgern werden. Allerdings sind die heimischen Potenziale für Wasserstoff aus Biomasse begrenzt, so dass diese Option nur eingeschränkt zur Versorgung beitragen kann. Aber auch die Potenziale für Nebenproduktwasserstoff sind limitiert und spielen deshalb nur zu Beginn des Aufbaus einer Wasserstoffinfrastruktur eine bedeutende Rolle.

In der ersten Phase des Infrastrukturaufbaus können weiterhin dezentrale Erdgasreformer direkt an der Tankstelle eine wichtige Herstellungstechnologie sein. Da sie aus Kostengründen eher für gut ausgelastete Tankstellen in Frage kommen, werden sie zuerst in den Ballungsgebieten eingesetzt. Einer massiven Verbreitung sind allerdings aus Klimaschutzgründen Grenzen gesetzt: Eine Abtrennung von CO2 aus On-site-Reformern mit Erdgas kommt aus wirtschaftlichen Überlegungen nicht in Frage.

Um größere Mengen erneuerbarer Energien in die Wasserstoffproduktion einzubeziehen, ist für Deutschland die Nutzung von Offshore-Windenergie eine zentrale Option. Die Einbindung der Offshore-Windenergie zur Wasserstofferzeugung würde ab 2025 die Entwicklung eines Wasserstoff-Pipelinenetzes zum Abtransport des zentral erzeugten Wasserstoffs aus Norddeutschland und zur Verteilung in die südlicheren Nutzerzentren bedingen. Weitere Pipelinenetzwerke könnten sich darüber hinaus, ausgehend von ersten regionalen oder zentralen fossilen Wasserstoff-Produktionsanlagen, zur Versorgung von Ballungsräumen entwickeln.

Wenn die Wasserstoffnachfrage ansteigt, können zunehmend zentrale Anlagen an Bedeutung gewinnen, weil dann Größenvorteile die Wirtschaftlichkeit beeinflussen. Bei steigenden Gaspreisen können das zentrale Kohlevergasungsanlagen sein, die ab 2020 eine wirtschaftliche Erzeugungsoption darstellen können. Um jedoch eine Erhöhung der spezifischen Treibhausgasemissionen zu vermeiden, müssten diese Anlagen mit Einrichtungen zur CO2-Abscheidung und -Speicherung (CCS) ausgestattet sein. Braunkohle als heimischer Energieträger wird für lange Zeit die wirtschaftlichste Wasserstoff-Erzeugungsoption sein, wobei die anfänglich geringen Kostenunterschiede zu Importsteinkohle mittel- und langfristig deutlich zunehmen werden, wenn die Steinkohlepreise deutlich ansteigen. Aus Klimaschutzaspekten und wenn die Spreizung der Gaspreise zu Kohlepreisen moderater ausfällt als in den Szenarien von GermanHy unterstellt wurde, können auch zentrale Erdgasreformer an Bedeutung gewinnen. Insgesamt liegt die Wirtschaftlichkeit der zentralen fossilen Wasserstofferzeugungsoptionen vergleichsweise eng beieinander.

Für die Kohlevergasung ist zusätzlich zu berücksichtigen, dass sich eventuell mit der Verstromung des CO-Anteils aus der Synthesegasherstellung Möglichkeiten für eine gekoppelte Erzeugung von Strom und Wasserstoff ergeben. Damit können zwei Märkte (Elektrizität und Wasserstoff) bedient werden, woraus sich künftig interessante Geschäftsmodelle entwickeln könnten.

Auch andere Studien haben sich mit der Herkunft von Wasserstoff auseinandergesetzt. Nach (HyWays 2007) bilden in 2050 die erneuerbaren Energien, Kernenergie und fossile Energieträger (Erdgas sowie Kohle mit CO2-Abscheidung) mit jeweils rund einem Drittel die wichtigsten Quellen für eine Wasserstoffproduktion in Europa. Erneuerbare Energien können dann eine größere Rolle spielen, wenn eine sehr ambitionierte Klimapolitik verfolgt wird oder wenn CO2-Abscheidungs- und  Speichertechnologien und  Konzepte sich nicht durchsetzen können (HyWays 2007). In der WETO-H2-Studie (EC 2006b) wird die Schlussfolgerung gezogen, dass Wasserstoff nur dann eine Rolle spielen wird, wenn einerseits sehr ambitionierte Klimaschutzziele verfolgt werden und andererseits wesentliche technologische Durchbrüche erzielt werden. Der Anteil der erneuerbaren Energien zur Wasserstoffproduktion wird dann bei rund 50 % und der von Kernenergie bei rund 40 % liegen. In einer Studie der IEA (IEA 2006) werden hingegen der Wasserstofferzeugung aus Erdgas und Kohle mit CO2-Abscheidung große Marktchancen eingeräumt.

Europa und insbesondere Deutschland sind international gut platziert in Bezug auf die technische Expertise bei den Wasserstoffherstellungstechnologien, insbesondere jedoch im Hinblick auf fossile Energieträger und Elektrolyse. Dies betrifft sowohl Anlagenentwicklung und -Produktionstechnologien als auch die Forschung. Die öffentlichen F&E-Ausgaben in Deutschland der über das Nationale Innovationsprogramm Wasserstoff- und Brennstoffzellentechnologie bereitgestellten Mittel dürfen auch im internationalen Vergleich als ambitioniert bezeichnet werden. Die EU-Joint-Technology-Initiative Fuel Cell and Hydrogen stellt auch auf EU-Ebene die Förderung von Wasserstofftechnologien mittelfristig sicher. Im internationalen Bereich sind insbesondere Japan und die USA führend in der Formulierung einer nationalen Strategie und bei der öffentlichen Unterstützung in Verbindung mit einem starken Industrie- und Forschungsengagement.




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