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FTE info logoMagazin für die europäische Forschung N° 42 - August 2004   
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NACHHALTIGE ENERGIE 
Title  Die Stunde H2 

Herstellung-Speicherung-Verteilung: Dies ist die Infrastruktur, die geschaffen werden muss, damit die neue Wasserstoffwirtschaft funktionieren kann. Wie die Brennstoffzellen, ist auch dieses dreifache Forschungsfeld eine Priorität für das Europa der Energie.

Wie soll der Wasserstoff, den die Brennstoffzellen (BS-Zellen) für ihren Betrieb brauchen, hergestellt werden? In einer mehr oder weniger nahen Zukunft bieten sich zwei Möglichkeiten unmittelbar an: die Elektrolyse und das Kohlenwasserstoff-Reforming(1). Das industrielle Know-how, das in diesen beiden Bereichen erworben wurde, erfordert allerdings technische und kommerzielle Anpassungen an die Brennstoffzelle.

Das Huhn-und-Ei-Problem der Elektrolyse
Auf mittlere bis lange Sicht bietet sich als ideale Lösung die Elektrolyse von Wasser an – sie ist die umweltfreundlichste und liefert einen besonders reinen Wasserstoff. Dieses Verfahren wird technisch beherrscht und findet problemlos Einsatz in einer Reihe industrieller Anwendungen. Doch die Elektrolyse ist mit einem hohen Energieverbrauch und entsprechenden Kosten verbunden und wird daher kaum je gewählt, wenn es gilt, Wasserstoff in großen Mengen zu erzeugen.

In Bezug auf die Wasserstoffwirtschaft erinnert der Einsatz der Elektrolyse an das Huhn-und-Ei-Problem. Es wäre absurd, für Wasserstoff, den man aufgrund seiner Umweltverträglichkeit herstellt, Elektrizität aus umweltbelastenden thermischen Kraftwerken zu verwenden. Dieses Herstellungsverfahren ergibt somit erst Sinn, wenn es sich auf ein erneuerbares Energieangebot zu wettbewerbsfähigen Preisen stützt. Doch diese Energiequellen entwickeln sich langsam und müssen erst noch beweisen, dass sie einer (künftigen) Nachfrage zur Versorgung des BS-Zellen-Marktes gewachsen sind. Daher werden derzeit im Rahmen des europäischen Projekts RES2H2 in Griechenland und auf den Kanarischen Inseln zwei Piloteinrichtungen entwickelt, in denen die Elektrolyse durch Windkraftgeneratoren angetrieben wird. Es geht dabei darum, unter realistischen Bedingungen eine verlässliche Kapazität der Wasserstoffherstellung zu demonstrieren. Dieser Probelauf hat einen entscheidenden Stellenwert für diese Ressource, deren Potenzial sich entlang der gesamten Mittelmeerküste Europas als strategisch erweisen könnte.

Reforming, kurzfristig der beste Kandidat
Der gängigste Weg beruht derzeit auf der Extraktion von Wasserstoff aus fossilen Rohstoffen, genau genommen aus Kohlenwasserstoffen. In Anbetracht ihrer Bedeutung quer durch die Energieversorgungssysteme ist diese Methode für die Einführung der BS-Zellen auf kurze bis mittlere Sicht offensichtlich am besten geeignet.

Das Verfahren beruht auf verschiedenen Formen des Reformierens. Die Vermischung des Brennstoffs (überwiegend Erdgas, die umweltfreundlichste fossile Ressource) bei hohen Temperaturen und unter Verwendung geeigneter Katalysatoren mit Wasserdampf ergibt Wasserstoff und Kohlendioxid. Aber es stehen auch Oxidationsverfahren zur Verfügung. Diese Erzeugung geht einher mit verschiedenen Reinigungsmethoden – Entschwefelung, Sequestrierung von anfallendem CO usw.

Das Reforming wird vor allem im groß-technischen Maßstab für die Bedürfnisse der chemischen Industrie genutzt, insbesondere für die Ammoniaksynthese, die derzeit fast die Hälfte der weltweiten Nachfrage nach Wasserstoff darstellt. Die Verwendung dieser Technik speziell zur Speisung der Brennstoffzellen stellt somit in erster Linie ein Problem der Anpassung des Prozesses an neue Dimensionen dar.

Es gilt insbesondere, Reformingverfahren zu entwickeln, die sich für BS-Zellen-Kraftwerke eignen, die für den regionalen und/oder lokalen Bedarf konzipiert sind. Ziel ist es, die Treibhausgasemissionen und andere Schadstoffe auszumerzen; die Sequestrierung des anfallenden CO2 und die Reinigung des aus Erdgas (oder anderen Kohlenwasserstoffen wie Methanol, Methan, Naphta usw.) erzeugten Wasserstoffs sind dabei wichtige Aspekte. Noch komplexer ist die Entwicklung von sehr kleinen Reformern, die den BS-Zellen beigegeben und auf Fahrzeuge montiert würden, damit sie diese verschiedenen Kraftstoffe an „Zapfsäulen“ tanken könnten.

Die Verheißungen von Pflanzen und Mikrolebewesen
An einem ferneren Horizont bietet sich die Pflanzenwelt an, die als gigantischer Vorrat an durch Photosynthese gewonnener Sonnenenergie zu verstehen ist. Denn aus der Vergasung von Biomasse lässt sich effektiv Biobrennstoff herstellen. Zwar wird anfänglich die Tendenz bestehen, diesen unbehandelt in Verbrennungsmotoren zu verwenden, aber man kann ihn auch reformieren. In thermochemischen Verfahren kann Biomasse überdies Wasserstoff unmittelbar als Gas liefern. Die Forschungsfelder sind somit ausgedehnt und die Perspektiven erst noch zu validieren, sowohl was Wirkungsgrad, Qualität, Dimensionierung als auch die Kosten anbelangt. Diese Perspektiven beeinflussen die Zukunft der land- und forstwirtschaftlichen Tätigkeiten. Im Fünften Rahmenprogramm ist in diesem Bereich ein knappes Dutzend europäischer Projekte, bei denen die Union 50 % der Gesamtinvestitionen von 23 Millionen € finanziert, gestartet worden.

Futuristischer mutet zweifellos ein anderes Verfahren der direkten biologischen Erzeugung von Wasserstoff aus mikroskopischen Algen oder Bakterien an. Neuere Forschungen zeigen, dass im Zuge der Photosynthese dieser Organismen ein komplexes enzymatisches System, die so genannte Hydrogenase, unter bestimmten Bedingungen die Bildung von Wasserstoffmolekülen begünstigen kann. Doch da befinden wir uns in einem äußerst hypothetischen Bereich, dessen Machbarkeit und konkrete Anwendungen noch ungewiss sind.

Voluminöse Speicherprobleme
Die Option der Speicherung von Wasserstoff als Festkörper in neuen Metall- oder Karbonwerkstoffen ist eines der Schlüsselthemen für die Zukunft dieses Energieversorgungssystems. Im oben wiedergegebenen periodischen System der Elemente sind Legierungen der leichtesten Elemente (rot) – insbesondere Magnesium-, Nickel- und Lithiumlegierungen sowie Verbundstoffe auf der Basis von Aluminium (Alanate) oder Bor (Borhydride) – derzeit sehr eingehend untersuchte Kandidaten. Für sie interessieren sich die Projekte Fuchsia, Historhy und Hymosses im Fünften Rahmenprogramm und das integrierte Projekt StorHy im Sechsten.
Die Option der Speicherung von Wasserstoff als Festkörper in neuen Metall- oder Karbonwerkstoffen ist eines der Schlüsselthemen für die Zukunft dieses Energieversorgungssystems. Im oben wiedergegebenen periodischen System der Elemente sind Legierungen der leichtesten Elemente (rot) – insbesondere Magnesium-, Nickel- und Lithiumlegierungen sowie Verbundstoffe auf der Basis von Aluminium (Alanate) oder Bor (Borhydride) – derzeit sehr eingehend untersuchte Kandidaten. Für sie interessieren sich die Projekte Fuchsia, Historhy und Hymosses im Fünften Rahmenprogramm und das integrierte Projekt StorHy im Sechsten.
Der Wasserstoff verfügt über alle Trümpfe, um ein entscheidender Energieträger zu werden, doch er hat noch zwei Hindernisse zu überwinden, die seine Verwendung bremsen könnten. Er ist zwar das leichteste existierende Atom, aber trotzdem in der Gasphase, bei üblichen Temperaturen und Drücken, der voluminöseste Stoff. Seine Fähigkeit, Energie freizusetzen, macht ihn überdies zu einem besonders leicht entzündlichen Gas(2). Die Bewältigung der sehr komplexen Problematik seiner Speicherung und Verteilung unter den gebotenen Mengen- und Sicherheitsbedingungen – und die Kosten dieser Verfahren – ist somit conditio sine qua non seiner Nutzung. Neben der Entwicklung der Brennstoffzelle selbst stellen diese Aspekte sicherlich einen technologischen „Knoten“ dar, den es auf dem Weg zur Wasserstoffwirtschaft zu lösen gilt.

Es bestehen derzeit verschiedene Möglichkeiten, doch die damit erreichbaren Leistungen sind weder technologisch noch wirtschaftlich ausreichend, um eine allgemeine Speicherung und Verteilung dieses wertvollen Trägers zu gewährleisten. Jede dieser Strategien bietet spezifische Vorteile, aber sie muss unter Gesichtspunkten des jeweils mit ihr verbundenen Energieverbrauchs und – insbesondere im Falle von Anwendungen in Fahrzeugen – des von ihr verursachten zusätzlichen Gewichts beurteilt werden.

Komprimierung-Verflüssigung
Die gängigste Form der Speicherung besteht darin, das Gas zu komprimieren und in gesicherten Behältern zu bewahren. Die verwendeten Drücke belaufen sich auf 350 bis 700 bar. Dieses in industriellen Anwendungen von Wasserstoff ausgiebig erprobte Verfahren erfordert einen Energieverbrauch, der 10 % seines kalorischen Wärmewerts (PCI) entspricht. Die Speicherung kann in Flaschen zu 10 Liter und mehr erfolgen, ortsfeste Tanks mittlerer Größe (Verteilerstationen) erreichen bis zu 10 000 m3. Wesentlich größere Volumen können unterirdisch gespeichert werden.

Die Hüllen zur Einschließung des Wasserstoffs – ob es sich nun um Tanks, Flaschen oder Pipelines handelt – werden verstärkt, um den Drücken standzuhalten. Sie müssen aus korrosionsfestem Metall (etwa durch Karbonfasern verstärktem Aluminium) hergestellt sein und jegliches Eindringen der sehr leichten Wasserstoffatome verhindern.

Verschiedene mit BS-Zellen bestückte Automobil-Prototypen sind mit Druckbehältern ausgerüstet, doch die geringe volumetrische Dichte des so gespeicherten Wasserstoffs setzt ihrem Bewegungsradius enge Grenzen. Versuche, Polymere einzuführen, zielen auf eine Gewichtssenkung für den Einsatz in Autos ab. Die Resistenz gegen Schläge sowie die Technologien zur Anpassung zusätzlicher Werkstücke (Ventile, Druckminderungsventile usw.) sind ebenfalls Gegenstand der Forschung.

Um das Handicap des Speichervolumens und der Entzündungsgefahr des Wasserstoffs zu umgehen, kann dieser auch verflüssigt werden. Diese Umwandlung geschieht jedoch nur bei sehr niedriger Temperatur – bei minus 253°C – oder unter sehr hohem Druck. Diese Kryogen-Technologie ist in der Industrie(3) geläufig, sie stellt indes in puncto Energieverbrauch (25 bis 30 % des PCI des Wasserstoffs) einen erheblichen Kostenfaktor dar. Der Werkstoff der Behälter braucht nicht denselben Resistenzanforderungen zu genügen, muss jedoch eine sehr hohe Wärmeisolation aufweisen (Doppelwandbehälter). So sind die Prototypen von BMW, Opel und DaimlerChrysler mit solchen Flüssigtanks ausgestattet. Pilot-Tankstationen gibt es in München (DE).

Festkörper-Speicherung, der Königsweg in die Zukunft
Gegenüber diesen Technologien zeichnet sich als aussichtsreichster Weg für die Entwicklung der BS-Zellen im Bereich Verkehr und tragbare Anwendungen die Festkörper-Speicherung ab. Bestimmte neue Werkstoffe (Metalllegierungen oder Nanoröhren aus Kohlenstoff) besitzen die Fähigkeit, Wasserstoffatome bei üblichen Temperaturen in die Zwischenräume ihrer Metallstruktur aufzunehmen. Unter geeigneten katalytischen Bedingungen und mithilfe einer leichten Erwärmung – um die 80°C, was sich durch die von der Brennstoffzelle abgegebenen Wärme erreichen ließe –, kann dank des Phänomens der Desabsorption Wasserstoff freigesetzt und als Kraftstoff genutzt werden.

Auf die Verwirklichung dieser technologischen Perspektive werden große Hoffnungen gesetzt. „Die Festkörper-Speicherung bietet eine Lösung der Sicherheitsfragen, die sich bei der Komprimierung im gasförmigen Zustand stellen“, betont Jiri Muller, Forscher am Institutt for Energiteknikk (IFE) in Kjneller (NO) und Teilnehmer des Projekts StorHy. Dieses Institut, dessen Kernreaktor der sehr feine Analysen der Positionierung von Wasserstoffatomen in einem breiten Fächer von Metallhydriden erlaubt, steht im Mittelpunkt zahlreicher Forschungsarbeiten, die in Europa auf diesem Gebiet durchgeführt werden. „Bei gleichem Volumen könnte man zu Tanks gelangen, deren Speicherkapazität derjenigen von Wasserstoff in der Flüssigphase vergleichbar ist. Zudem würde der Zugang zum Tank, wenn Sie diesen für eine Nachfüllung öffnen, keine Abdichtungsprobleme stellen. Die Herausforderung liegt nun darin, Lösungen zu finden, die optimale Leistungen hinsichtlich der Stabilität, der leichten Abgabe des gespeicherten Brennstoffs, des Tankgewichts und natürlich der Kosten aufweisen.“

(1) Ein weiteres Verfahren zur Wasserstoffherstellung, parallel zum Reforming, ist die Vergasung durch Teilverbrennung fossiler Brennstoffe (Kohle und schwere Kohlenwasserstoffe). Doch diese Technologien kommen ebenfalls nur in groß-technischen Anwendungen zum Einsatz und erfordern kostspielige Reinigungsprozesse. Die Forschung über Einrichtungen mit geringer Kapazität lässt derzeit keine greifbare Machbarkeitsperspektive erkennen.
(2) Das sehr leicht flüchtige Wasserstoffgas zerstreut sich schnell in der Atmosphäre, was seine Gefährlichkeit wieder etwas mindert.
(3) In Europa führend sind insbesondere Air Liquide (FR), Linde Gas (DE), Air Products (UK) usw.


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Dossier 1 2 3 4
  Der Wasserstoff kommt…
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Dossier 1 2 3 4
  H2 im RP6

Anlässlich der ersten Ausschreibungen 2003 des Sechsten Rahmenprogramms wurden bereits sieben integrierte Projekte, die das gesamte Wasserstoff-Spektrum abdecken, ausgewählt. Auf der Ebene der Herstellung wird das Projekt Chrisgas an den Perspektiven, die sich aus der Vergasung von Biomasse ergeben, arbeiten. Das Projekt Naturalhy betrifft die Verteilungsinfrastrukturen von Wasserstoff und Erdgas. Auf der Ebene der Speicherung setzt das Projekt Storhy den Akzent auf die Technologie des komprimierten und verflüssigten Wasserstoffs, aber die Fortführung bereits laufender Arbeiten(1) über die Speicherung im festen Zustand ist ebenfalls geplant.

Auf horizontaler Ebene klärt das Exzellenznetz Hysaf die Sicherheitsfragen auf jeder Stufe der Versorgungskette ab, während das Projekt Hyways einen europäischen „Fahrplan“ entwickeln wird, um zu einem nachhaltigen Energiesystem auf Wasserstoffbasis zu gelangen. Es enthält auch ein integriertes Projekt namens Zero Regio, das auf die Entwicklung einer mit BS-Zellen ausgerüsteten Wagenflotte abzielt. Demgegenüber konzentriert sich das Projekt Hyice auf die Direktnutzung von Wasserstoff als schadstofffreiem Kraftstoff für Verbrennungsmotoren – eine Anwendung, die eine erste, rasch umsetzbare Etappe in der Entwicklung der Wasserstoffwirtschaft darstellt.

(1) Projekte Fuchsia, History und Hymosses



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  Kernenergie, thermische Sonnenenergie und Wasserstoff

Da Kernkraftwerke kein CO2 freisetzen, kommen sie – neben den erneuerbaren Energien – in erster Linie in Frage, um die für die Elektrolyse des Wassers nötige Energie zu liefern, insbesondere für die Produktion während der betriebsschwachen Stunden. Der Wasserstoff kann indes auch auf einem anderen, dem so genannten thermochemischen Weg gewonnen werden: Bei Temperaturen über 1000°C kann sich das Wassermolekül unter Hitzeeinwirkung „spalten“.

Europäische Auffangstation für thermische Sonnenenergie auf der Plataforma solar in Almeria (ES).
Europäische Auffangstation für thermische Sonnenenergie auf der Plataforma solar in Almeria (ES).


Gemäß den derzeitigen Projekten über die zukünftigen Hochtemperatur-Kraftwerke der vierten Generation würde die Nuklearindustrie gleichzeitig Elektrizität und Wärme erzeugen. Letztere findet am häufigsten bei der Entsalzung von Meerwasser Anwendung, sie könnte jedoch auch bei der Wasserstofferzeugung in Einsatz kommen.

Eine weitere interessante Möglichkeit intensiver Hitzeerzeugung bietet der Sektor der thermischen Sonnenenergie. Das europäische Heliosol-Projekt – mit je einem griechischen, englischen, deutschen und dänischen Partner – untersucht die komplexen Katalyseverfahren, die diesen Ansatz reizvoll machen könnten.

  Jungfräuliches Terrain

Die Nutzung von Wasserstoff als Energieträger im Verkehrswesen betritt in puncto Sicherheitsnormen, industrielle Spezifikationen und periodische Kontrollverfahren, sowohl was die einzelnen Komponenten als auch die Systeme an Bord der Wagen und in den Tankstationen dieses Kraftstoffs betrifft, noch sozusagen jungfräuliches Terrain. Dem will das wichtige Projekt EIHP2 (European Integrated Hydrogen Project – Phase II) Abhilfe schaffen. Es vereint eine breite Partnerschaft aus den einschlägigen Industriesektoren und zielt darauf ab, das Fundament einer europäischen – und internationalen – Harmonisierung dieser entscheidenden Aspekte zu legen.

Modellierung der Ausbreitung einer Wolke entzündlichen Gases, einem Gemisch aus Luft und Wasserstoff (in 4 %-iger Konzentration), zehn Sekunden nach der Auslösung eines Lecks an einem Tankwagen in einem Stadtviertel.
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