Wasserstoff und Brennstoffzelle (eBook)

Technologien und Marktperspektiven

Johannes Töpler, Jochen Lehmann (Herausgeber)

eBook Download: PDF

2013 | 2014
XII, 281 Seiten
Springer Berlin (Verlag)
978-3-642-37415-9 (ISBN)

Infos

Das Buch führt ein in das Thema Wasserstoff  als wichtigem Sekundärenergieträger für erneuerbare Primärenergien.  Es gibt einen Überblick über den Stand der Technik und das Entwicklungs- und Marktpotential in den Bereichen Energietechnik, Mobile, Stationäre und portable Anwendung, unterbrechungsfreie Stromversorgung sowie chemische Industrie. Die Autoren sind Wissenschaftler und erfahrene Praktiker. Angesprochen werden insbesondere Ingenieure, Chemiker, Betriebswirte, ebenso Masterstudenten und Wissenschaftler.

Dr. Töpler ist Vorstandsvorsitzender des Deutschen Wasserstoff- und Brennstoffzellenverbands (DWV). Er hat langjährige Erfahrung im Bereich Wasserstoff für mobile Anwendungen.
Prof. Lehmann  ist anerkannter Experte für Wasserstofftechnologie. Er war von 1991 bis 2010 Professor an der FH Stralsund und ist im Vorstand des Deutschen Wasserstoff- und Brennstoffzellenverbands (DWV)
Seine Forschungsaktivitäten: Nutzung regenerativer Energien und Wasserstoff-Energie.

Inhalt

Geleitwort 5
Vorwort 6
Inhaltsverzeichnis 9
1 Wasserstoff als strategischer Sekundärenergieträger 11
1.1Die Rahmenbedingungen 11
1.2Wasserstoff und Energiewirtschaft 13
1.2.1Eigenschaften des Wasserstoffes 14
1.2.2Herstellung des Wasserstoffs 15
1.2.3Produktion von Wasserstoff aus fossilen Energieträgern und Biomasse 15
1.2.4Wasserspaltung durch Wärmeenergie 17
1.2.5Wasserspaltung durch elektrische Energie (Elektrolyse) 18
1.2.6Wasserspaltung durch Sonnenlicht (Photokatalyse) 20
1.3Transport und Speicherung des Wasserstoffs 20
1.3.1Transport des gasförmigen oder flüssigen Wasserstoffes 21
1.3.2Wasserstoff-Verteilung durch Pipelines 21
1.3.3Speicherung des Wasserstoffs in Salzkavernen 22
1.4Einsatz des Wasserstoffes als chemischer Grundstoff und in Energiewandlungstechniken 23
1.4.1Die Herstellung von Ammoniak 24
1.4.2Wasserstoff in der petrochemischen Industrie 24
1.4.3Wasserstoff und Brennstoffzellen 25
1.4.4Wasserstoff als Treibstoff für Autos 26
1.4.5Wasserstoff als Treibstoff für Flugzeuge 27
1.4.6Wasserstoff als Zwischenprodukt in CCS-Kraftwerken 27
1.4.7Wasserstoff in der Industrie am Beispiel der Stahlerzeugung 27
1.4.8Wasserstoff als Grundstoff zur Methan- und Methanolerzeugung 28
1.5Wasserstoffwirtschaft: Konkurrenten und mögliche Einbindung 29
1.5.1Wasserstoff und Verkehr 30
1.5.2Wasserstoff und Fusion: ein Seitenblick 31
1.6Zusammenfassung und Ausblick 32
Literatur 32
2 Rolle des Wasserstoffs bei der großtechnischen Energiespeicherung im Stromsystem 34
2.1EinleitungMotivation [1] 34
2.2Untersuchungsgegenstand 35
2.3Großtechnische Speichertechnologien [4] 36
2.3.1Pumpspeicherwerke (PSW) [4] 36
2.3.2Diabate Druckluftspeicherkraftwerke (CAES) [4] 37
2.3.3Adiabate Druckluftspeicherkraftwerke (AA-CAES) [4] 37
2.3.4Wasserstoffspeichersysteme [4] 37
2.3.5Methanspeichersysteme 38
2.4Modellbeschreibung 38
2.5Beschreibung der untersuchten Szenarios 39
2.5.1Allgemeine Datengrundlage und Annahmen 39
2.5.2Beschreibung der Sensitivitätsanalyse 42
2.6Ergebnisse 42
2.6.1Basisszenario 42
2.6.2Sensitivitätsanalyse 43
2.6.3Saisonalität und Strommix der Wasserstoffnutzung 46
2.7Fazit und Zusammenfassung 48
Literatur 49
3 Sicherheit in der Anwendung von Wasserstoff 51
3.1Allgemeines 51
3.2Gefahrenmerkmale von Wasserstoff 52
3.2.1Brennbarkeit 52
3.2.2Kleines Molekül 53
3.2.3Tiefe Temperaturen 55
3.2.4Andere 55
3.3Explosionsschutz 56
3.3.1Zonen 56
3.3.2Primärer Explosionsschutz 57
3.3.3Sekundärer Explosionsschutz 58
3.3.4Konstruktiver Explosionsschutz 58
3.3.5Gesetzliche Rahmenbedingungen 59
3.4Speicherung 60
3.4.1Komprimiertes Gas 60
3.4.2Tiefkalte Flüssigkeit 61
3.4.3Slush 62
3.4.4Überkritisches Fluid 62
3.4.5Unterirdisch 62
3.4.6Chemische Verbindungen 63
3.4.7Gesetzliche Rahmenbedingungen 64
3.5Transport 64
3.5.1Pipeline 64
3.5.2Straße 65
3.5.3Andere Verkehrswege 65
3.5.4Gesetzliche Rahmenbedingungen 66
Literatur 66
4 Mobile Anwendungen 67
4.1Nachhaltige Mobilität 67
4.2Elektrifizierung des Antriebstrangs 74
4.3Anforderungen an Brennstoffzellenfahrzeuge und Brennstoffzellenantriebstränge 77
4.3.1Technische Anforderungen 78
4.3.2Legislative Anforderungen – Gesetzgebung 79
4.3.3Fahrzeugherstellerinterne Anforderungen 79
4.4Technische Umsetzung eines Brennstoffzellenantriebstranges 80
4.4.1PKW Überblick SystemeKomponenten im Antriebstrang 80
4.4.2VAN – Spezifische Ausprägungen 81
4.4.3Bus – Spezifische Ausprägungen 83
4.5Hauptsysteme eines Brennstoffzellenantriebs 85
4.5.1Brennstoffzellenstack 85
4.5.1.1 Polymermembran und Gas Diffusion Layer (GDL) 86
4.5.1.2 Bipolarplatten 87
4.5.1.3 Dichtung 87
4.5.2Brennstoffzellensystem 88
4.5.2.1 Wasserstoffversorgungsmodul 89
4.5.2.2 Luftversorgung 89
4.5.2.3 SpannungStromversorgung 89
4.5.2.4 SteuerungRegelung Gesamtprozess 89
4.5.2.5 Einflussfaktor Luftversorgung 89
4.5.3Hochvolt (HV) - Architektur 91
4.5.4Betriebsführungsherausforderungen Wirkungsgrad und Kaltstart 91
4.5.4.1 Wirkungsgrad 91
4.5.4.2 Kaltstart 93
4.6Wasserstoff-Speichersysteme für mobile Anwendungen 95
4.6.1Druckspeicher 95
4.6.2Flüssigwasserstoffspeicherung 101
4.6.3Hydride 101
4.6.4Weitere Konzepte 104
4.6.4.1 Nanotubes 104
4.6.4.2 Metal Organic Frameworks 104
4.6.4.3 Kryo-komprimierter Wasserstoff 104
4.7Geschichte der Brennstoffzellentechnik in mobilen Anwendungen 105
4.7.1FahrzeugePKW 105
4.7.2Omnibusse – Stadtbusse 108
4.7.3Weitere mobile Anwendungen 112
4.7.3.1 Lastkraftwagen 112
4.7.3.2 Auxiliary Power Unit (APU) 112
4.7.3.3 Bahn 114
4.7.3.4 Schiffe 114
4.7.3.5 Luft- und Raumfahrt 115
4.8Ausblick 115
Literatur und Referenzen 117
5 Wasserstoff und Brennstoffzelle – mobile Anwendung in der Luftfahrt 120
Abkürzungen 120
5.1Einleitung 121
5.2Hauptantrieb mit Wasserstoff 121
5.3Funktionen der Brennstoffzelle an Bord von Verkehrsflugzeugen 123
5.4Brennstoffzelle als „kleines“ Notstromaggregat im Flugzeug 130
5.5Elektrisches Rollen von Verkehrsflugzeugen am Flughafen 131
5.6Brennstoffzelle in Kleinflugzeugen 132
5.7Brennstoffzelle in unbemannten Flugzeugen 133
5.8Zusammenfassung 136
Literatur 137
6 Brennstoffzellen in der Hausenergieversorgung 139
6.1Kraft-Wärme-Kopplung 139
6.2Warum noch Brennstoffzellen? 141
6.3Erdgasbasierte Brennstoffzellen-Heizgeräte 143
6.4Integration von Brennstoffzellen-Heizgeräten im Haus 147
6.5Brennstoffzellen-Heizgeräte mit erneuerbaren Energien 150
6.6Brennstoffzellen-Heizgeräte – Status & Ausblick
7 Unterbrechungsfreie Stromversorgung 153
7.1Anwendungsfelder einer USV 153
7.2Stand der Technik 154
7.2.1Batterietechnik 154
7.2.2Netzersatzanlagen (NEA) 156
7.3Brennstoffzellen im USV-Einsatz 157
7.3.1Geeignete Brennstoffzellentypen 157
7.3.2Ausführungsmerkmale eines geeigneten BZ-Systems 159
7.4Technologievergleich 160
8 Sicherheitsrelevante Anwendung 163
8.1Brennstoffzelle und Brandschutz 163
8.2Sauerstoffreduzierung allgemein 165
8.2.1Schutz von Materialien 166
8.2.2Aufenthalt von Menschen 166
8.2.3Schutzbereiche 167
8.3Neue Anwendung der Brennstoffzelle 168
8.4Fazit 170
Literatur 170
9 Portable Brennstoffzellen 172
9.1Einleitung 172
9.2Stand der Technik 173
9.2.1Membranbrennstoffzellen kleiner Leistung 173
9.2.1.1 Wasserstoffsysteme 173
9.2.1.2 Direktmethanol-Brennstoffzellen 174
9.2.1.3 Brennstoffzellensysteme mit vorgeschaltetem Reformer 175
9.2.1.4 Festoxidbrennstoffzellen kleiner Leistung 176
9.3Wasserstoffspeicher 177
9.4Mikrobrennstoffzellen 178
Literatur 178
10 Nutzung von konventionellem und grünem Wasserstoff in der chemischen Industrie 180
10.1Einleitung 180
10.2Wasserstoff als Grundstoff für die chemische Industrie 181
10.2.1Weltweite Nutzung nach Branchen 181
10.2.2Industrielle Anwendungen 183
10.2.3Versorgungsinfrastruktur für Wasserstoff 184
10.3Nutzung von grünem Wasserstoff in der chemischen Industrie 186
10.3.1Herstellung von grünem Wasserstoff 186
10.3.2Vergleich der Hauptnutzungsarten für grünen Wasserstoff 189
10.3.3Chancen und Hindernisse der Nutzung von grünem Wasserstoff in der chemischen Industrie 191
10.4Handlungsbedarf 192
Literatur 192
11 Elektrolyse-Verfahren 194
11.1Einleitung 194
11.2Physikalisch-chemische Grundlagen 196
11.3Alkalische Elektrolyse 200
11.4PEM Elektrolyse 202
11.5Hochtemperatur-Elektrolyse 204
11.6Stand der Technik 206
11.6.1Alkalische Elektrolyse 206
11.6.2PEM-Elektrolyse 206
11.7Beispiele für heutige Anwendungen 208
11.7.1Power-to-Gas 208
11.7.2Tankstellen 209
11.8Ausblick 209
Literatur 211
12 Die Entwicklung von Großelektrolyse-Systemen: Notwendigkeit und Herangehensweise 213
12.1Einleitung 213
12.2Warum braucht man große Elektrolyse-Systeme und was bedeutet „groß“? 213
Was bedeutet „groß“? 217
12.3Welche Erfahrungen aus anderen Bereichen müssen in die Entwicklung der Großelektrolyse-Systeme einfließen? 217
12.4Welche Sicherheitskonzepte für Großelektrolyse-Systeme werden erarbeitet? 222
12.5Welche Services sind für den laufenden Betrieb dieser Großelektrolyse-Systeme notwendig? 224
12.6Ausblick 226
Literatur 227
13 Kosten der Wasserstoffbereitstellung in Versorgungssystemen auf Basis erneuerbarer Energien 228
13.1Einführung 228
13.2Strom und Wasserstoff in einem komplementären Versorgungssystem 229
13.3Herstellung von Wasserstoff 230
13.4Wasserstofftransport und -verteilung 233
13.5Integration von Wasserstoff in Energiesysteme mit erneuerbaren Energien 235
13.6Zusammenfassung 239
Literatur 241
14 Polymerelektrolytmembran-Brennstoffzellen (PEFC) Stand und Perspektiven 243
14.1Allgemeine Gestaltung einer Polymerelektrolytmembran-Brennstoffzelle 248
14.1.1Die Membran-Elektroden-Anordnung (MEA) 248
14.1.2Komponenten einer Membran Elektroden Anordnung (MEA) 249
14.1.3Katalysatoren 251
14.1.4Katalysatorschicht 256
14.1.5Gasdiffusionslagen (GDL) 260
14.2Bipolarplatten 264
14.2.1Funktion und Eigenschaften von Bipolarplatten 264
14.2.2Vergleich metallischer und Graphit-Composit Bipolarplatten 270
14.3Dichtungen 271
14.4Stackintegration 274
14.5Überlegungen zu Stackkosten 277
14.6Differenzierung zu anderen Brennstoffzellentechnologien 277
14.6.1Alkalische Brennstoffzellen (AFC) 278
14.6.2Phosphorsaure Brennstoffzellen (PAFC) und Hochtemperatur PEFC 279
14.6.3Schmelzkarbonatbrennstoffzellen (MCFC) 280
14.6.4Oxidkeramische Brennstoffzellen (SOFC) 281
Literatur 281

Produkt-Details

• Erscheint lt. Verlag: 23.11.2013
• Zusatzinfo: XII, 281 S. 134 Abb., 27 Abb. in Farbe.
• Verlagsort: Berlin
• Sprache: deutsch
• Themenwelt: Sozialwissenschaften ► Politik / Verwaltung
• Themenwelt: Technik ► Elektrotechnik / Energietechnik
• Themenwelt: Wirtschaft
• Schlagworte: Brennstoffzelle • Elektrolyse • Energiespeicher • Unterbrechungsfreie Stromversorgung • USV • Wasserstoff
• ISBN-10: 3-642-37415-8 / 3642374158
• ISBN-13: 978-3-642-37415-9 / 9783642374159