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Energie aus Wasser: Die Brennstoffzelle

Wasser

Manches ist noch Vision am Reißbrett, anderes hat die Marktreife bereits erreicht: Gasbetriebene Rechenzentren, supraleitende Flugzeugmotoren und eine CO2-freie Stahlproduktion sind nur einige Projekte, die einen Weg zur Energiewende mit der Brennstoffzelle aufzeigen wollen.

Die Brennstoffzelle ist keineswegs eine neuartige Erfindung im Rahmen des Aufschwungs der erneuerbaren Energie in den letzten Jahrzehnten. Entwickelt wurde sie etwa zur gleichen Zeit wie der Verbrennungsmotor. Im Dezember 1838 beschrieb der deutsch-schweizerische Wissenschaftler Christian Friedrich Schönbein – der außerdem das Ozon entdeckte – das Funktionsprinzip erstmals. Lange Zeit kam man über das Labor jedoch nicht hinaus, der robuste Generator von Siemens setzte sich zudem schnell als Mittel der Wahl zur Stromerzeugung durch. Erst Mitte des 20. Jahrhunderts griff man das Prinzip wieder auf: Die ersten Satelliten und Raumfahrtprogramme wie Apollo nahmen Brennstoffzellen mit in den Weltraum. Seitdem geht die Entwicklung stetig vorwärts.

Doch was ist eine Brennstoffzelle und wie kann aus Wasser Energie gewonnen werden?

Der Wasserstoff

Das Gas Wasserstoff ist ein chemisches Element mit dem Symbol H (für lateinisch hydrogenium „Wassererzeuger“)

Unser Herz schlägt für den Wasserstoff. Keine blinde Liebe, sondern pure Berechnung: Wasserstoff ist das häufigste Element des Universums und hat doch das einzigartige Potential, eine Schlüsselrolle bei der Energiewende zu spielen.

Durch eine nachhaltige Produktion von Wasserstoff können die CO2-Emissionen auf ein Minimum reduziert werden, weshalb auf „grünen“ Wasserstoff” zu setzen ist. Als Speichermedium kann Wasserstoff die Systemstabilität erhöhen und die Integration erneuerbarer Energien im großen Stil möglich machen. Kurz gesagt: Auch wenn die Sonne mal nicht scheint und der Wind nicht weht, wir BLEIBEN mobil mit Wasserstoff.

Wissenswert:
Gegenüber elektrischem Strom ist H2 ein Isolator. In einem elektrischen Feld hat er eine Durchschlagsfestigkeit von mehreren Millionen Volt pro Meter.

Wasserstoff in Gasflaschen
Wasserstoff ist Bestandteil des Wassers

Wasserstoff ist das häufigste chemische Element im Universum, jedoch nicht in der Erdrinde. Er ist Bestandteil des Wassers und beinahe aller organischen Verbindungen. Somit kommt gebundener Wasserstoff in sämtlichen lebenden Organismen vor. Wasserstoff ist das häufigste chemische Element in der Sonne und den großen Gasplaneten Jupiter, Saturn, Uranus und Neptun, die über 99,99 % der Masse des Sonnensystems in sich vereinen.

Wasserstoffgewinnung durch Elektrolyse von Wasser

Eine alte und effiziente Möglichkeit zur Wasserstoffgewinnung ist die Elektrolyse von Wasser. Dabei wird Wasser mit Hilfe von elektrischem Strom in Wasserstoff und Sauerstoff gespalten.

Wasserstoff-Elektrolyse
Wasserstoff-Elektrolyse
H2-Produktion mit Energie aus regenerativen Quellen

Es gibt verschiedene Produktionsverfahren für Wasserstoff, welche sich u. a. hinsichtlich ihres CO2-Einsparpotentials sowie der anfallenden Kosten unterscheiden. Empfehlenswert ist die CO2-neutrale Produktion mittels Wasserelektrolyse mit Energie aus regenerativen Quellen sowie die Produktion aus Biomasse. Mindestens 50% des Wasserstoffs an den CEP-Tankstellen stammen aus regenerativer Erzeugung. Alternativ ist auch eine H2-Erzeugung aus Erdgas möglich, wobei im Vergleich zu modernen Dieselfahrzeugen ebenfalls Kohlendioxid eingespart wird.


Wie viel Strom / Wasser wird benötigt, um 1 kg H2 im Elektrolyseverfahren herzustellen?

Der Strombedarf für die Herstellung von Wasserstoff im Elektrolyseverfahren direkt an der Tankstelle liegt in der CEP (Link) derzeit bei ca. 55 kWh / kg H2 bei einem angenommenem Wirkungsgrad von > 60 Prozent. Für die Erstellung von 1 kg Wasserstoff ist die neunfache Menge Wasser notwendig, also neun Liter.

Warum gerade Wasserstoff?

Wasserstoff kann im Rahmen der Energiewende eine Schlüsselrolle spielen: Als Kraftstoff und Energiespeicher: Voraussetzung für die Nutzung der erneuerbaren Energien ist ein leistungsfähiges Stromnetz, das Leistungsschwankungen volatiler Energiequellen auffangen kann. In Wasserstoff können große Energiemengen gespeichert und wieder rückverstromt werden, wenn sie benötigt werden. Am effizientesten erfolgt dies an Bord eines Brennstoffzellenfahrzeugs. Beim Einsatz von Wasserstoff als Kraftstoff entstehen keine schädlichen Emissionen, sondern lediglich etwas Wasserdampf. Regenerativ erzeugt wird Wasserstoff einen großen Beitrag zur Energiewende leisten und eine CO2-freie Mobilität ermöglichen.

Schema Brennstoffzelle
Schema Brennstoffzelle

Die Brennstoffzelle

Wasserstoff und Sauerstoff

Wasserstoff ist vergleichsweise beständig und wenig reaktiv. Bei Zündung reagiert Wasserstoff mit Sauerstoff, wie auch mit anderen Elementen, heftig; es geschieht dann die sogenannte Knallgasreaktion.

Chemisch verbinden sich die Gase Wasserstoff und Sauerstoff “bei der Verbrennung” zur uns bekannten Flüssigkeit Wasser. Wasser ist bekanntermaßen ungiftig und schädigt auch nicht unser Weltklima. Wenn also aus dem Abgasrohr eines Autos reinstes Wasser tropft, ist das wohl für die angestrebte Energiewende mehr als symphatisch.

Die Verbindung der Gase Wasserstoff und Sauerstoff geschieht aufgrund ihrer unterschiedlichen Energiepotentiale in der Form, dass unterschiedliche Protonen- und Elektronenzahlen der Elemente bestrebt sind, sich auszugleichen. Um diesen Prozess zur eigenen Energieerzeugung zu nutzen, trennen wir die Elemente mithilfe einer Brennstoffzelle und zwingen die Elektronen auf einen vom Menschen vorgegebenen Weg, um deren elektrische Energie selbst nutzen zu können. Der nachfolgende Film möchte diesen Prozess darstellen:

Wie aus Wasserstoff und Sauerstoff Strom wird
Die Wasserstoff-Gesellschaft Hamburg

Die Wasserstoff-Gesellschaft Hamburg e. V. hat sich die Aufgabe gestellt, die Einführung der umweltfreundlichen Wasserstoff-Energie in die Energiewirtschaft zu fördern. Sie wirbt in der Öffentlichkeit für den Wasserstoff, initiiert Projekte und verbreitet in Schulen, Universitäten oder anderen Ausbildungsstätten die Kenntnis des Wasserstoffes als Energieträger der Zukunft. Dies könnte für viele andere deutsche Städte beispielgebend sein.

EU-Projekt Hy-Balance

HyBalance ist ein EU-gefördertes Projekt in Dänemark, das die Verwendung von Wasserstoff in Energiesystemen demonstriert. Der Wasserstoff wird aus der Wasserelektrolyse gewonnen und ermöglicht die Speicherung von billigem erneuerbaren Strom aus Windkraftanlagen. Dies wird dazu beitragen , das Netz auszugleichen , und der Wasserstoff wird für einen sauberen Transport und in der Industrie verwendet.

HyBalance-Projekt in Dänemark
HyBalance-Projekt in Dänemark

Die HyBalance-Anlage wurde am 3. September 2018 eingeweiht. Das Projekt zeigt, wie das Netz durch Erzeugung von Wasserstoff ausbalanciert werden kann und wie die Speicherung von Energie als Wasserstoff in den Mobilitätssektor umgewandelt werden kann. Erfahren Sie in diesem kurzen Video mehr über das Projekt.

Das Projekt wurde in Hobro im Norden Dänemarks realisiert
Warum Wasserstoff-Speicher?

Das HyBalance-Projekt ist eine von mehreren Initiativen, die dazu beitragen sollen, Energiesysteme von fossiler Abhängigkeit zu erneuerbaren und lokalen Energiequellen umzuwandeln, indem das Potenzial von Wasserstoff genutzt wird.

Die EU setzt sich für Energieunabhängigkeit und Dekarbonisierung ein. Die EU bekennt sich zu einer zukunftsorientierten Klimapolitik mit Energieversorgungssicherheit und -unabhängigkeit, wobei eine Unabhängigkeit der Wirtschaft von karbonhaltigen Energieträgern das Ziel ist.

Bis vor kurzem schien ein Mix aus Biomasse und Windenergie sowie solaren Energiequellen in Verbindung mit Energieeinsparungen ausreichend, um den Energiebedarf zu decken, und dabei gleichzeitig eine ausreichende Flexibilität und Netzstabilität zu haben, um die Schwankungen des Stroms aus Wind- und Sonnenenergie auszugleichen zu können. In diesem Schema spielte Wasserstoff nur eine indirekte Rolle als intermediärer Energieträger. Sein Potenzial als direkte Anwendung im Endanwendungsbereich stand nicht im Fokus.

In den letzten Jahren hat der Einsatz von Wind- und Solarstrom auch im Transportwesen mehr Beachtung gefunden. Vorherrschende Meinung ist, dass dies das Energiesystem zukünftig insgesamt stärker beeinflussen kann als bisher angenommen. Da der Anteil erneuerbarer Energien im Energiemix wächst, ist die Notwendigkeit der Lagerung und der nachgeschalteten Nutzung in bisher von fossiler Energie abhängigen Sektoren wie dem Transportsektor ein kritisches Thema.

Das Potenzial von Wasserstoff

Zusammen mit der Erkenntnis, dass Biomasse eine begrenzte Ressource ist und daher das globale Potenzial im Energiesystem bei steigendem Gesamtstrombedarf an erneuerbaren Energien unzureichend ist, ist die Frage der Verwendung von Wasserstoff zur Sicherung von Strom im Energiesektor aufgetaucht. Die Erzeugung von Wasserstoff auf der Grundlage von Windenergie mittels Elektrolyse ist eine bekannte Technologie, doch es gibt nur begrenzte Demonstrationen von großtechnischen Systemen, die in einer hochdynamischen Umgebung arbeiten und Netzausgleichsdienste bereitstellen.

Das HyBalance-Projekt wird zeigen, wie in größerem Umfang Wasserstoff aus Windkraft erzeugt werden kann, um billigen Strom aus erneuerbaren Energiequellen zu speichern, das Gleichgewicht zwischen den Netzen zu verbessern und den Industrie- und Verkehrssektor mit grünem Wasserstoff zu versorgen.

Das HyBalance-Projekt verfügt über ein Budget von 15 Mio. EUR.

EU und EUDP unterstützen das HyBalance-Projekt

Das Gemeinsame Unternehmen Brennstoffzellen und Wasserstoff (FCH JU – Fuel Cells and Hydrogen Joint Undertaking) wurde gegründet, um Forschung, technologische Entwicklung und Demonstration der Aktivitäten im Bereich Brennstoffzellen- und Wasserstoffenergietechnologien in Europa zu unterstützen. Ziel ist es, die Markteinführung dieser Technologien zu beschleunigen und ihr Potenzial als Instrument zur Erreichung eines CO2-armen Energiesystems zu nutzen. Das FCH JU ist vor kurzem Teil des EU-Rahmenprogramms „Horizont 2020“ mit einem Budget für die Entwicklung neuer Aktivitäten im Bereich Brennstoffzellen- und Wasserstofftechnologien geworden.

Das HyBalance-Projekt wird von FCH JU mit 8 Mio. EUR finanziert.

Das EUDP (Energy Technology Development and Demonstration Program) ist ein dänisches Programm, das private Unternehmen und Universitäten bei der Entwicklung und Demonstration neuer Energietechnologien unterstützt.

Das HyBalance-Projekt wird mit 2,6 Mio. EUR aus dem EUDP-Programm finanziert, das vom EUDP-Board verwaltet wird

Windkraftanlagen produzieren kostengünstig Strom für die Wasserstoff-Produktion
Windkraftanlagen produzieren kostengünstig und klimaschonend Strom für die Wasserstoff-Produktion

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