Wasserstoff und Brennstoffzellen

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Wasserstoff und Brennstoffzellen
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Wasserstoff & Brennstoffzellen

Sven Geitmann

Wasserstoff & Brennstoffzellen

Die Technik von morgen

Sven Geitmann


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Alle in diesem Buch enthaltenen Angaben, Daten, Ergebnisse usw. wurden vom Autor nach bestem Wissen erstellt und vom Verlag mit größtmöglicher Sorgfalt geprüft. Dennoch sind inhaltliche Fehler nicht völlig auszuschließen. Daher erfolgen alle Angaben ohne jegliche Verpflichtung oder Garantie des Autors und des Verlages. Sie übernehmen deshalb keinerlei Verantwortung und Haftung für etwaige vorhandene inhaltliche Unrichtigkeiten.

Bibliografische Information der Deutschen Bibliothek:

Die Deutsche Bibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliografie; detaillierte bibliografische Daten sind im Internet über http://dnb.ddb.de abrufbar.

Weitere Produkte des Hydrogeit Verlags:

• Erneuerbare Energien und alternative Kraftstoffe ISBN 3-937863-00-1

• Wasserstoff- & Brennstoffzellen-Projekte ISBN 3-8311-3280-1

• Die Wasserstoff-CD ISBN 3-937863-03-6

Besuchen Sie auch: www.hydrogeit.de

EPUB ISBN 3-937863-25-2

© Copyright 2004 Hydrogeit Verlag, 16766 Kremmen, Germany

Umschlaggestaltung, Satz u. Illustrationen: A. Wolter

Alle Rechte vorbehalten!

DANKSAGUNG

Bei dem vorliegenden Buch handelt es sich um eine Neuauflage von dem Buch “Wasserstoff und Brennstoffzellen – Die Technik von morgen!”, das zum ersten Mal im Mai 2002 vom Autor Sven Geitmann in Eigenarbeit herausgebracht worden ist.

Nachdem der Fachjournalist und beratende Ingenieur im Februar 2004 seinen eigenen Verlag gegründet hat, erschien diese neue, sprachlich und inhaltlich überarbeitete Version. Alle Angaben wurden so weit wie möglich aktualisiert, und zahlreiche neue Bereiche wurden eingearbeitet, so dass der Umfang um etwa 100 Seiten angewachsen ist. Darüber hinaus wurden die graphische Gestaltung von Text und Bildern sowie die Druckqualität entscheidend verbessert.

Besonderer Dank geht an dieser Stelle an zahlreiche Personen, Unternehmen, Institute und Verbände, die mit Informationen, Abbildungen und konstruktiven Ratschlägen bei der Erstellung dieses Buches zur Seite gestanden haben. Hervorzuheben sind Dione Gutzmer, die bei der Durchsicht hilfreich zur Seite stand, Andreas Wolter, der Cover-Grafik sowie Text-Layout erstellte, und natürlich Doritt und Willi.

Viel Spaß bei der Lektüre wünscht

Sven Geitmann

VORWORT

Bewusstseinsbildung ist unverzichtbare Voraussetzung für die Entscheidungen in demokratisch-parlamentarischen Gemeinwesen. Das gilt für alle politischen Entscheidungen, so auch für energiepolitische. Die aufkommende Wasserstoffenergiewirtschaft gehört hierher. Es genügt nicht, wenn Experten die Sache verstanden haben. Verstehen und verständlich machen ist ihre Aufgabe.

Der Kommunikationsmittel gibt es viele, sie nehmen eher noch zu. Das altehrwürdige Buch wie das vorliegende neue über Wasserstoff und Brennstoffzellen werden auch im Zeitalter der elektronischen Kommunikation ihre Bedeutung bewahren.

Kardinale Unterschiede gegenüber dem gewachsenen Energiesystem kennzeichnen Wasserstoff und seine Technologien: Einmal hergestellt, ist Wasserstoff über seine gesamte dann folgende Energiewandlungskette von der Primärenergie über die Sekundärenergie, die Endenergie, Nutzenergie, schließlich bis zu den Energiedienstleistungen umwelt- und klimaökologisch sauber. Wasserstoff tritt an die Seite von Elektrizität, die andere Sekundärenergie. Beide werden aus allen denkbaren Primärenergien hergestellt. Beide rücken den Schwerpunkt des Energiegeschehens in die Sekundärenergiewirtschaft, deren Bedeutung zunimmt. Beide stehen und fallen mit effizienten Energietechnologien.

Technisches Wissen um Energieanlagen höherer Effizienzgewinne macht mehr Energiedienstleistungen aus weniger Primärenergierohstoffen. Wasserstoffversorgte, kleinteilige und effiziente Brennstoffzellen der Watt- bis Megawatt-Klasse treten im dezentralen Nutzerbereich als virtuelle Kraftwerke in Wettbewerb zu den gewachsenen zentralen Strukturen. Strom wird nicht mehr nur am Anfang der Energiewandlungskette erzeugt, sondern auch an ihrem Ende. Fahrzeuge, Flugzeuge und Schiffe mit Wasserstoff im Tank und effizienten Wasserstoff-Motoren oder -Brennstoffzellen an Bord werden Transport und Verkehr buchstäblich schadstoff- und treibhausgasfrei machen. Wasserstoff perpetuiert das Weltenergiehandelssystem. Ländern hoher Importabhängigkeit (wie Deutschland, das 75 % seines Bedarfs an Primärenergierohstoffen einführt) bietet er die Chance, diese Abhängigkeit zu mildern. Technologiepolitik wird zu Energiepolitik. Bei Wasserstoff aus fossilen Energien werden Schadstoffe und Treibhausgase bereits in den Energieverkäuferländern entfernt, was heute den Energiekäuferländern obliegt. Es ergab sich so, dass das Weltenergiehandelssystem Energierohstoffe transportiert und die Schadstoffe gleich mit. Morgen wird es sauberen Wasserstoff transportieren.

Wasserstoff aus erneuerbaren Energien lässt Weltregionen am Energiehandel teilnehmen, deren riesige und beständig erneuerte Ressourcen (Sonne, Wind, Wasserkraft) derzeit ungenutzt bleiben, weil sie nicht speicher- und transportfähig und damit auch nicht handelsfähig sind, da ihnen der speicher- und transportierbare chemische Energieträger Wasserstoff fehlt. Aber, Einsicht verlangt Illusionslosigkeit: Energie braucht Zeit. Viele Jahrzehnte bis zu halben Jahrhunderten sind die typischen Zeiten, die allen neuen Energien im Energiemix eigen waren. Wasserstoff und besonders Wasserstoff aus erneuerbaren Energien machen da keinen Unterschied. Folglich ist es hohe Zeit zu beginnen, „it’s HYtime!“ Eigentlich ist es immer zu spät.

Erneuerbarer Wasserstoff ist die ultima ratio, Manche sagen die prima ratio, jedoch durchaus nicht die Voraussetzung für die Wasserstoffenergiewirtschaft. Bis die erneuerbaren Energien in nennenswerte Märkte hineingewachsen sein werden, wird Wasserstoff weiterhin aus fossilen Energien hergestellt werden. Mit einem signifikanten Unterschied gegenüber heute: Die bedrohte Klimaökologie verlangt das Einfangen (Sequestrieren) der mitproduzierten Treibhausgase und ihre für die Atmosphäre schadlose Nutzung oder Endlagerung. Wenn das geschehen sein wird, bleibt nur mehr ein bedeutsamer Unterschied gegenüber erneuerbarem Wasserstoff: Die fossilen Primärenergierohstoffe sind endlich, die erneuerbaren Primärenergien nach Menschengedenken unendlich.

Ich wünsche dem vorliegenden Buch eine große Zahl an Lesern und ihnen wachsendes, kritisches Bewusstsein in die Notwendigkeit des Aufbaus der Wasserstoffenergiewirtschaft.

Überlingen, im Herbst 2004


Professor Dr.-Ing. Carl-Jochen Winter

INHALT

1 EINLEITUNG

2 AKTUELLER STAND BEI FOSSILEN ENERGIETRÄGERN

2.1 Energiebedarf

2.2 Heutige Energiequellen

2.2.1 Primärenergieverbrauch in Deutschland

2.2.2 Stromverbrauch in Deutschland

2.2.3 Welt-Energieversorgung

2.3 Begrenzte zeitliche Verfügbarkeit

2.4 Umweltbelastung

2.4.1 Limitierte Emissionen

2.4.2 Nichtlimitierte Emissionen

2.4.3 Schadstofffreisetzung

2.5 Kohlenstoff-Dioxid

2.6 Ausstieg aus der Atomenergie

2.7 Entwicklung

2.8 Solare Wasserstoffwirtschaft

2.9 Dezentralität

2.10 Förderung

3 WASSERSTOFF ALS ENERGIETRÄGER

 

3.1 Chemische & physikalische Eigenschaften

3.1.1 Knallgas-Probe

3.1.2 Flüchtiger Wasserstoff

3.2 Material-Wechselwirkungen

3.3 Wasserstoff-Konfiguration

3.4 Erfahrung mit Stadtgas

3.5 Wasserdampf-Bildung & Wasserstoff-Emission

4 HERSTELLUNG VON WASSERSTOFF

4.1 Elektrolyse

4.2 Dampfreformer

4.3 Partielle Oxidation

4.4 Autothermer Reformer

4.5 Kværner-Verfahren

4.6 Vergasung

4.7 Biochemische Herstellung

4.8 Chemische Herstellung

4.9 Dissoziation

4.10 Nachreinigung

4.10.1 Entschwefelung

4.10.2 Ent- oder Befeuchtung

4.10.3 Silizium-Entfernung

4.11 Verflüssigung

4.12 Herstellungskosten

5 GESPEICHERTE ENERGIE

5.1 Druckbehälter

5.1.1 Niederdruck-Tank

5.1.2 Hochdruck-Tank

5.2 Kryogen-Behälter

5.3 Metallhydrid

5.4 Nano-Röhrchen

5.5 MTH-Speicher

5.6 Unterirdische Kavernen

6 TRANSPORT VON ENERGIE

6.1 Gastransport

6.2 Flüssigtransport

6.3 Rohrleitungssystem

7 LEITUNGEN & VENTILE

8 BETANKUNGSVORGANG

8.1 GH2-Betankung

8.2 LH2-Betankung

8.3 Wasserstoff-Tankstellen

9 SICHERHEIT

9.1 Vorsichtsmaßnahmen

9.2 Unfallgefahren

9.2.1 Pkw-Brand

9.2.2 Lkw-Unfall

9.2.3 Lachenbildung

10 DIE BRENNSTOFFZELLE

10.1 Funktionsweise einer BZ

10.2 Hohe Effizienz

10.3 Verschiedene Brennstoffzellen-Arten

10.3.1 AFC

10.3.2 DMFC

10.3.3 PEM-FC

10.3.4 PAFC

10.3.5 MCFC

10.3.6 SOFC

10.3.7 Mikrobielle BZ

10.3.8 Zink/Luft-Brennstoffzelle

10.4 Brennstoffe für Brennstoffzellen

10.4.1 Erdgas

10.4.2 Flüssiggas

10.4.3 Biogas

10.4.4 Methanol

10.5 Kostenfrage

10.6 Brennstoffzellen Vor- & Nachteile

10.6.1 Pro

10.6.2 Kontra

10.7 Entwicklung im BZ-Sektor

11 BRENNSTOFFZELLEN-EINSATZGEBIETE

11.1 Mikro- und Mini-Brennstoffzellen

11.2 Portable Einheiten

11.3 Hausenergie-Versorgung

11.4 Kraftwerksbetrieb

11.5 Fahrzeuge

11.5.1 Pkw

11.5.2 Busse

11.5.3 Lkw

11.6 Luftfahrt

11.7 Raumfahrt

11.8 Schienenfahrzeuge

11.9 Schifffahrt

12 DER WASSERSTOFF-MOTOR

12.1 Äußere Gemischbildung

12.2 Innere Gemischbildung

12.3 H2-Motor Vor- & Nachteile

12.3.1 Umwelt-Verträglichkeit

12.3.2 Abmagerungsfähigkeit des Wasserstoff/Luft-Gemisches

12.3.3 Hoher Wirkungsgrad

12.3.4 Gewicht & Kosten

12.3.5 Unregelmäßige Verbrennung

12.3.6 Geringe Leistungsdichte durch Liefergrad-Verluste

12.3.7 Schlechte Schmier-Eigenschaften

12.3.8 Hoher Aufwand

12.4 Stickstoff-Emissionen

12.5 H2-Anreicherung

12.6 Motorische Anwendungen

12.6.1 BMW

12.6.2 Ford

12.6.3 MAN

13 DER KATALYTISCHE BRENNER

14 GEGENÜBERSTELLUNG

14.1 Kraftstoff-Vergleich

14.2 BZ-Verbrennungskraftmaschine

14.3 Schadstoff-Vergleich

15 AUSBLICK

15.1 Die weitere Entwicklung

15.2 Wasserdampf-Bildung

15.3 Klimatische Auswirkungen

15.4 Elektrolyse-Plattform

15.5 Das Wasserstoff-Haus

15.6 Insel-Energieversorgung

15.7 Island-Modell

16 ZUSAMMENFASSUNG

17 ANHANG

17.1 Abkürzungen

17.2 Einheiten/Formelzeichen

17.3 Elemente

17.4 Geschichte

17.5 Chemische Eigenschaften

17.6 H2-Sicherheitsmaßnahmen

17.7 Regenerative Energien

LITERATUR

INDEX

AUTOR

1 EINLEITUNG

Wasserstoff ist das häufigste Element im Universum. Er verfügt über einen hohen Heizwert und verbrennt mit Sauerstoff zu nichts anderem als Wasser. Er ist leicht und wird bereits seit über 70 Jahren als Industriegas verwendet. Genügen diese Eigenschaften, um Wasserstoff zum so genannten Kraftstoff der Zukunft zu machen, der eventuell die bisherigen Energiespeicher ablösen könnte?

 

Energiespeicher egal welcher Art sind heutzutage unbedingt notwendig, weil ohne Energie so gut wie gar nichts mehr geht auf diesem Planeten. Wissenschaftler und Techniker arbeiten zwar fortwährend an der weiteren Effizienzsteigerung der bisher gebräuchlichen Energiewandler, aber die Entwicklungsschritte werden immer kleiner. Trotz der fortschreitenden Technisierung und Computerisierung ist bei jeder Technik irgendwann ein Stadium erreicht, an dem es aus thermodynamischen oder mechanischen Gründen nicht mehr weitergeht.

Der Verbrennungsmotor basiert auf einer Technik, die mittlerweile so weit ausgereizt ist, dass kaum noch Wirkungsgrad-Verbesserungen möglich sind. Nach 120 Jahren Entwicklung mit Otto- und Diesel-Motoren ist die Frage berechtigt, ob es nicht andere Techniken gibt, die den heutigen Anforderungen besser genügen können.

Die Brennstoffzelle ist so eine Technik. Sie ist zwar keine wirklich neue Erfindung, aber manchmal lohnt es sich auch, alte Patente wieder zu reaktivieren. Die Brennstoffzelle basiert auf einem Prinzip, das bereits vor über 160 Jahren entdeckt, aber dann nicht mit sonderlich viel Vehemenz weiterentwickelt wurde. Dass nicht bereits früher auf diese Technik zurückgegriffen wurde, lässt sich durch die dominante Stellung des Verbrennungsmotors erklären, der bisher nie ernsthaft in Frage gestellt worden ist.

Im Zuge der Industrialisierung mit dem anschließenden Wechsel von der Kohle zum Öl war die Verbrennungskraftmaschine für über 100 Jahre ein durchaus geeignetes Medium. Die Brennstoffzelle bietet im direkten Vergleich jedoch eine wesentliche Effizienzsteigerung bei gleichzeitig sauberem und leisem Betrieb. Dies hat sie bereits in den sechziger Jahren bei zahlreichen Einsätzen in der Raumfahrt bewiesen.

In den achtziger Jahren wurde zum ersten Mal ernsthaft in Erwägung gezogen, Wasserstoff als Energieträger zu verwenden. Entscheidend war damals in Zeiten des aufkeimenden Umweltschutzes speziell der ökologische Aspekt. Einige der damaligen Projekte wurden mittlerweile eingestellt, andere sind bereits verwirklicht worden. Betrachtet man den geschichtlichen Verlauf (s. Kap. 17.4), wird deutlich, dass an der Wasserstoff-Technik schon seit über 200 Jahren mehr oder minder intensiv geforscht wird.

Nach so langer Zeit ist jetzt quasi der zweite Frühling ausgebrochen. Schlagwörter wie „Wasserstoff-Wirtschaft“ und „Brennstoffzellen-Auto“ sind bereits in vieler Munde, auch wenn häufig das Hintergrundwissen noch eher dünn ist. Die Frage stellt sich deswegen, warum gerade jetzt so viel davon geredet wird. Ist die Wasserstoff-Technik geeignet, heutige Probleme zu lösen, und können Brennstoffzellen eine aussichtsreiche Alternative für die Zukunft bieten?

Wasserstoff bietet auf vielen Gebieten Vorteile gegenüber konventionellen Kraftstoffen, so dass er, beispielsweise eingesetzt in einer Brennstoffzelle, der Energiespeicher sein könnte, der den Weg in eine schadstofffreie Zukunft weist.

Das Ausgangsprodukt Wasser ist in ausreichendem Maße vorhanden, bei der Verbrennung von Wasserstoff entstehen kaum Schadstoffe und natürliche Erdöl-Ressourcen können geschont werden. Natürlich gibt es auch Probleme mit diesem Element: Wasserstoff und Sauerstoff sind unter bestimmten Voraussetzungen leicht brennbar, die umweltschonende Erzeugung von Wasserstoff ist noch nicht ausgereift und die für die Nutzung notwendige Infrastruktur ist noch nicht vorhanden. Aber Erfahrungen aus den letzten Jahren zeigen, dass diese Schwierigkeiten bewältigt werden können. Die Wasserstoff-Technik ist insbesondere in den letzten Jahren weit vorangekommen und es existieren bereits vielerlei Anwendungsbeispiele, in denen die Alltagstauglichkeit unter Beweis gestellt wird.

Beim aktuellen Kostenvergleich mit konventionellen Systemen schneidet die Wasserstoff-Technik erwartungsgemäß nicht gut ab. Viele Komponenten sind noch zu teuer und die Wasserstoff-Herstellung ist noch nicht in ausreichendem Maße auf ökologische Weise möglich. Nimmt man jedoch die Entwicklung der letzten Jahre als Maßstab, so ist absehbar, dass in den nächsten Jahren die ersten Kleinaggregate, Hausenergie-Versorgungssysteme und Brennstoffzellen-Fahrzeuge auf den Markt drängen werden. Die Preise werden zwar zu Anfang noch nicht unbedingt günstig sein, mit steigenden Absatzzahlen wird sich jedoch bald eine konkurrenzfähige Alternative zu den herkömmlichen Systemen etablieren.

Alles läuft daher auf eine Umstrukturierung des Energiesektors hinaus. Dabei muss insgesamt die Effizienz aller Energiesysteme gesteigert werden. Und außerdem muss ein Wechsel stattfinden, sowohl bei den Energieträgern (von fossilen zu erneuerbaren Energien) als auch bei den Energiewandlern (vom Verbrennungsmotor zur Brennstoffzelle).

Dieses Buch soll über die Möglichkeiten informieren, die Wasserstoff als Kraftstoff der Zukunft eröffnen kann. Dazu wird zunächst aus europäischer Sicht über die derzeitige Situation im Energiesektor aufgeklärt, so dass die Notwendigkeit eines neuen, alternativen Energieträgers deutlich wird. Der neue Kraftstoff wird im Weiteren mit seinen Eigenschaften sowie Vor- und Nachteilen vorgestellt. Dieses umfasst sowohl die chemischen und physikalischen Merkmale als auch unterschiedliche Herstellungsverfahren. Die anschließende Energiewandlung in verschiedenen Brennstoffzellen-Arten wird ebenso dargelegt wie die Verbrennung im herkömmlichen Hubkolbenmotor. Darüber hinaus werden Fragen zur Speicherung, zum Transport und zur Betankung beantwortet. Zudem werden in einem ausführlichen Vergleich die Vor- und Nachteile verschiedener Kraftstoffe aufgezeigt. Auf das etwa vorhandene Gefahrenpotential von Wasserstoff wird ebenso eingegangen wie auf das vorhandene Entwicklungspotential.

Zum Schluss wird festzuhalten bleiben, dass Wasserstoff mit Sicherheit nicht gefährlicher ist als andere Energieträger, sondern durchaus mit Recht den Titel „Kraftstoff der Zukunft“ tragen darf. Und die Brennstoffzellen-Technologie wird die Technik sein, die uns in Zukunft bewegt.

2 AKTUELLER STAND BEI FOSSILEN ENERGIETRÄGERN

Im Laufe der Jahrhunderte und Jahrtausende haben sich die Energiequellen der Menschheit stetig gewandelt. Es hat sich die Art der Energieträger und außerdem deren Nutzungsdauer verändert. Zunächst wurde über Jahrtausende hinweg Holz verwendet. Aus Baumstämmen und Ästen wurde im zweiten Schritt in der Alt-Steinzeit Holzkohle hergestellt, die über bessere Brenneigenschaften verfügte. Im Altertum wurden dann Braun- und Steinkohle entdeckt.

Der Vorteil der Kohle lag in einem höheren Brennwert bedingt durch ihre Entstehungsgeschichte. Kohle ist ein aus tierischen und pflanzlichen Substanzen entstandenes komprimiertes Gemisch aus verschiedenen Kohlenwasserstoff-Verbindungen. Ähnlich ist es beim Erdöl sowie beim Erdgas. Deren Vorteil gegenüber der Kohle ist die leichtere Handhabung, da beide Stoffe einen höheren Energieinhalt bei geringerem Gewicht aufweisen.

All diese fossilen Energieträger benötigen besondere Voraussetzungen für ihre Entstehung (Temperatur, Druck, katalytische Wirkungsmechanismen). Kohle, Öl und Gas entstammen längst vergangenen Zeiten und haben Jahrmillionen benötigt, bis sie ihre derzeitige Konfiguration erhalten haben.

Bei der Suche nach weiteren Energiequellen entdeckte die Menschheit schließlich im 20. Jahrhundert die Kernenergie und wähnte sich zukünftiger Energieprobleme entledigt. Den beeindruckend großen Energiemengen, die aus relativ geringen Mengen Kernbrennstoff erzeugt werden können, stehen jedoch zurzeit nicht lösbare Entsorgungs- und Gesundheitsprobleme gegenüber, die nicht nur unsere Generation, sondern auch noch zahlreiche zukünftige Generationen belasten werden. Dieser Ausflug in die Kerntechnik entpuppte sich folglich als Sackgasse, so dass die Energiefrage vorerst noch nicht geklärt erscheint.

Die zurzeit vorwiegend verwendeten fossilen Energieträger Erdöl und Erdgas weisen zwei gravierende Nachteile auf:

1. Ihr Verbrauch ist umweltschädlich.

2. Die Ressourcen sind begrenzt.

Auch wenn immer wieder neue Erdölquellen und Erdgasfelder entdeckt werden, ist offensichtlich, dass diese Vorkommen endlich sind und in einiger Zeit erschöpft sein werden. Produkte der Erdgeschichte, die Hunderte von Menschengenerationen bis zur Entstehung benötigt haben, werden innerhalb kürzester Zeit vernichtet, ohne dass die Chance besteht diesen Vorgang jemals wieder rückgängig machen zu können. Der ehemals unter der Erde gebundene Kohlenstoff wird somit vorrangig in den Industrieländern in die Atmosphäre entlassen und beeinflusst dadurch in wesentlichem Maße die Umwelt weltweit und das gesamte Erdklima.

Hinzu kommt, dass mitunter die Emissionen, die in den Industrieländern verursacht werden, in den Entwicklungsländern erhebliche Schäden verursachen: Abgas-Schadstoffe verunreinigen über Grenzen hinweg die Luft, undichte Öl- und Gaspipelines verseuchen Grundwasser und Böden, gekenterte Tankschiffe verdrecken Meere und Meeresbewohner. In vielen Fällen bezahlen damit unschuldige Lebewesen mit ihrer Gesundheit für die Annehmlichkeiten der Industrienationen.

Genau wie bei der Diskussion über die Kernenergie müssen wir uns fragen, ob wir diese teilweise gravierenden Auswirkungen gegenüber den Mitmenschen und nachfolgenden Generationen rechtfertigen können und wollen.